摘 要 地铁安全线在日常运营中对保障运营安全有着重要意义。目前《地铁设计规范》中对安全线长度的规定比较宏观,不能满足所有工程的需要。如何根据实际的运营需要,选择合理的安全线长度,在工程中有着重要的意义。从工程实践出发,探讨了不同情况下的折返线长度计算。建议在修订《地铁设计规范》时应对安全线的设置作出更详细的规定,并制订可行的计算方法。
关键词 地铁;安全线;计算方法
1 安全线的功能
安全线是列车运行隔开设备之一。安全线设置的主要目的是为了防止在车辆段出入线、折返线和支线(岔线)上运行的列车未经允许进入正线与正线列车发生冲突;或者由于进路没有开通时列车冒进导致列车挤占道岔而发生列车出轨事故。在折返线上设置安全线(本文将折返线上设置的超过列车长度的部分也归于安全线的范畴),除了防止与正线列车冲突外,还可以保证列车具有较高速度,以提高线路通过能力。
安全线长度的准确设置不但可以保证日常运营安全,也可以使工程控制在合理的规模,以节约工程投资。
2 安全线设置
安全线通常在以下情况下设置:
1) 当车辆段(场)出入线上的列车在进入正线前需要一度停车,且停车信号机至警冲标的间距小于制动距离时,宜设置安全线(见图1)。该规定适用于出入段线从区间接正线的情况。
2) 当折返线末端与正线接通时,宜设置道岔隔开设备。在通常情况下,道岔隔开设备主要指安全线(见图2)。
3)岔线(支线)在站内接轨,当与正线间为岛式站台,且站台端至警冲标的距离大于或者等于60m时,可不设列车运行隔开设备(见图3);若为侧式站台,宜设置道岔隔开设备(见图4)。
此外,线路末端也需要根据实际列车运营需要设置足够的安全线长度。站前折返以北京地铁亦庄线宋家庄为例,见图5;站后折返以成都地铁1号线广都站为例,见图6。
3 列车运行模式
地铁列车在日常运营中涉及以下四种运行模式:
1)ATO(列车自动运行)模式:ATO系统根据ATP(列车自动保护)提供的地面速度限制信息,自动驾驶列车运行,由司机进行监督。
2)ATP模式:由司机人工驾驶列车,按ATP的速度信息运行,一旦超速将实行紧急制动,以保证运营安全。
3)非限制模式:列车由人工驾驶,依靠地面显示信号,按照线路允许速度运行,由司机保证运行安全。ATP系统大面积故障时用此模式。
4)限速人工驾驶模式:该模式用于无ATP地面速度信息的地点或者正线地面设备故障时的超速防护,列车由人工驾驶,按限速25km/h运行。一旦超速,车载ATP即实行紧急制动。
非限制模式完全由人工来保证安全,需要司机具有很高的职业素质。这种运行模式下,司机工作强度比较大,发车密度低,一般采用站间闭塞方式行车;在实践中这种运行模式也不作为常用模式,无法给出明确的安全线理论计算长度。
限速人工驾驶模式下,车辆运营安全也有赖于司机操作,且由于速度比较低,行车安全能够得到保证。这种模式同样不作为正线常用模式,其安全保证需要司机的谨慎驾驶。
ATO模式、ATP模式是日常运营的列车运行模式,列车在安全系统保护下自动运行或者人工驾驶。安全线的设置应为其日常运营提供安全保障,并使整个系统保持比较高的运行效率,以发挥最大的通过能力。
4 设计规范对安全线长度的规定
《地铁设计规范》(以下简为《规范》)对安全线长度的规定如下:“安全线的长度一般不小于40m。在困难条件下,可设置脱轨道岔”。对折返线的有效长度,规定为:“远期列车长度加40m(不含车档长度)”。
在《规范》的条文说明中,没有对安全线的长度作出明确的解释,但是对折返线的有效长度作出如下说明。
”折返线的有效长度主要从以下因素考虑:
1)停车线端距道岔基本轨端留有必要的距离,该距离太短,将影响列车加速,从而影响列车折返能力;
2)列车进入折返线通过最后一组道岔时,不希望降低速度以便尽快给其他线开通进路,为此折返线的长度不能太短。
根据以上情况分析,折返线留有足够的长度对保证列车折返安全和折返能力是必要的。原规范根据北京地铁一、二期工程设置折返线的经验,其长度定位列车长加24m。……集多年建设和运营经验,为保证线路折返能力和行车安全,本规范规定折返线有效长度由原远期列车长度加24m,改为加安全距离40m……”
《规范》规定安全线的长度为40m,虽然能够保证安全线正常发挥作用,但是在某些情况下,会造成工程规模的浪费。
《规范》中关于折返线有效长度的规定主要是针对进行站后折返的情况,对于站前折返(例如图5中宋家庄站)及《规范》未明确规定的情况并不适用。此时通过牵引计算,考虑信号系统工作特性来确定安全线长度,应该是更为可行的方法。
5 安全线长度分析
5.1 车场线接正线
在这种情况下设置安全线(见图1)主要是防止出入段线列车在未经允许情况下冲入正线,与正线列车发生冲突。出段列车在车辆段转换轨处已经完成控制信号的转换,此时的列车采用ATO模式或者ATP防护下的人工驾驶模式。列车每次投入运营时都需要在停车信号机前进行一度停车。安全线需要长度的计算与图5中站前折返的情形应该是一样的。在满足道岔结构长度后,也需要满足紧急制动要求,避免车辆撞击车档(只有在困难条件下,才允许车辆以不大于15km/h的速度撞击车档)。
5.2 折返线末端接正线
如图2所示,安全线长度取40m,这不但考虑运营安全,也考虑列车保持足够的速度,从而保证折返能力。从轨道结构看,折返线末端通过道岔与正线连接,道岔全长大约30m,这也限制了安全线的最小长度。如果列车采用ATP防护下的人工驾驶模式,根据实际运营经验,为了给司机预留足够的距离,避免车速过低影响折返能力,40m的'长度是合适的。如果列车采用ATO驾驶模式,列车自动折返,则此距离偏长;实际使用中可以根据车辆制动性能、信号设置及结构计算等综合给以确定。
5.3 岔线在站内接轨
《规范》规定:当与正线间为岛式站台,且站台端至警冲标的距离大于或者等于60m时,可不设列车运行隔开设备(见图3)。但是,如果线路采用地下方式敷设,列车望条件比较差,列车在非限制驾驶模式或者限速人工驾驶模式时,岛式站台岔线接轨形式反而不易保证绝对安全,工程条件允许时仍然应该设置安全线。若为侧式站台,该距离一般小于40m(见图4)。
5.4 线路末端站前折返
如图5所示,列车进站需要在站内定位停车。无论采用ATO驾驶模式还是ATP保护下的人工驾驶模式,站后安全线的作用都是在进站无法停车时为紧急制动提供制动距离。即使采用ATP保护下的人工驾驶模式,安全距离也不用考虑司机心理因素的影响。
现以图5的亦庄线宋家庄站为例,计算站后安全线的长度。计算中重点考虑ATO和ATP两种驾驶模式。计算的主要思路是:根据列车牵引曲线,在列车速度超过某一地点正常速度5km/h时ATP启动紧急制动,制动平均加速度为-1.2m/s2。ATP反应时间按照2s考虑。列车侧向过岔速度按照曲线尖轨限速35km/h计。
计算方法:首先对正常进站列车进行牵引计算,得到牵引计算曲线;当ATP启动紧急制动时,列车速度超过正常速度5km/h,由此得到紧急制动启动的速度曲线(见图7);根据该曲中某一里程及其对应的速度,利用速度、加速度与距离关系公式,可以得到在该里程紧急制动时需要的制动距离;该距离减去正常制动距离即是该点需要的安全距离。实际计算中,可以利用牵引计算的过程数据,对各里程分别计算需要的安全距离(见表1),并取其最大值作为最终安全线长度。
这种计算方式对ATO和ATP模式都是适用的,能够使安全线长度足以保证列车的运营安全。
由表1可知,考虑ATO和ATP两种行车模式下的站后安全线距离至少需要17.6m(不计车档距离)。《规范》虽规定车档可以允许列车以15km/h速度撞击,但实际上由于宋家庄站为站前折返,列车内一般都载有乘客,为保证乘客安全,不考虑列车冲撞车档。
宋家庄站为地下车站,线路条件受气候影响相对较小。如果线路在地面或者高架桥上,因受雨雪天气影响,列车黏着系数会有所降低,此时安全线的长度确定需要考虑这一因素而适当加长。
上述计算结果适合亦庄线宋家庄站情况。在具体的工程案例中,要根据采用的车辆性能、线路平纵断面等情况计算确定安全线长度。
5.5 线路末端站后折返
如图6所示的线路末端站后折返与折返线末端接正线情况(见图2)类似,但是由于折返线末端没有与正线联通,安全线设置完全是为了提高折返能力。在人工驾驶时,考虑为司机提供更好的工作条件,规范中根据实际运营经验规定安全线长度为40m是合适的;如果列车采用自动驾驶,可以参考前述计算方法来确定安全线长度。
6 结语
安全线在高密度行车的地铁中对行车安全具有重要意义。地铁在城市中修建,工程投资巨大,场地条件受到周边建筑、管线等限制。合理的安全线长度有助于保证安全,控制投资规模。根据不同的运营需要决定安全线长度,在工程实践中十分必要。鉴于目前对于安全线长度的计算没有统一的方法和参数取值,建议在今后修订规范时对安全线的设置作出更为详细准确的规定,并制定可行的计算方法。
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