軌道交通車輛基地通過式洗車線的優(yōu)化布置探析

高 華,王衛(wèi)東,顏 文

(1.中南大學(xué)土木工程學(xué)院,長沙 410075； 2.中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司,武漢 430063)

車輛基地是保證列車正常運營的后勤基地，其用地范圍應(yīng)在站場股道和房屋規(guī)劃布置的基礎(chǔ)上按遠期規(guī)模確定[1-2]。車輛基地屬于大型建設(shè)工程，投資大，建設(shè)周期長，涉及專業(yè)多。在車輛基地中，列車清洗是其最重要的日常保養(yǎng)功能之一，洗車線的不同布置方案，對洗車效率和能力、出入線作業(yè)、站場平面布局、用地面積等影響很大[3-4]。因此，在車輛基地的站場布局設(shè)計中，結(jié)合車輛基地用地條件優(yōu)化洗車線布置，高效利用城市土地，滿足洗車效率最佳、運營最靈活，是一線設(shè)計者一直以來追求的目標(biāo)和方向[5-6]。

近年來，我國城市軌道交通建設(shè)的迅猛發(fā)展極大地推動了城市建設(shè)的發(fā)展，與此同時，軌道交通的建設(shè)與城市用地緊張的矛盾也日益突出。為保證城市軌道交通建設(shè)可持續(xù)發(fā)展，控制車輛段基地用地規(guī)模已經(jīng)成為城市整體規(guī)劃的一種主流和優(yōu)化目標(biāo)。

金永樂[7]、徐科明等[8]對入段線通過式洗車線布置型式進行了研究，論證了該洗車線布置型式的可行性；張雄[9]、陳義志[10]、張強等[11]對洗車機咽喉區(qū)八字線通過式布置型式進行分析，并提出優(yōu)化方案；蔡援朝[12]、繆東[13]、錢衛(wèi)力[14]介紹了一種典型的洗車線布置形式和洗車作業(yè)模式，提出了洗車線配備雙向洗車機的咽喉區(qū)通過式布置型式，從而提高洗車效率；李崗[15]、占俊[16]、西小鳴[17]、邵周赟[18]對地鐵車輛段洗車線布置型式進行了研究和比較；李亞強[19]、劉增民[20]對地鐵車輛段洗車線布置方案進行對比，分析了兩種布置型式對總圖布置的影響，為其他地鐵車輛段設(shè)計方案提供參考。

在現(xiàn)有研究中，均停留在對幾種布置方案的比較層面，在功能、工藝要求及停車規(guī)模確定的前提下，車輛基地的庫房和咽喉位置決定了站場布局，而站場布局直接決定了車輛基地的占地面積。在總體布局中，庫房的布置優(yōu)化空間有限，要優(yōu)化車輛基地占地面積，應(yīng)著重優(yōu)化咽喉區(qū)的布置，其中洗車線的布置形式對咽喉區(qū)占地影響最大。

1 車輛基地洗車線幾種典型布置形式及特點分析

在城市軌道交通中，有4種典型的洗車線布置形式，分別是咽喉區(qū)通過式布置、與運用庫并列通過式布置、咽喉區(qū)“八”字線通過式布置和盡頭式往復(fù)式布置。其示意圖和洗車效率如表1所示。

表1 傳統(tǒng)的洗車線布置形式比較

由表1可知，從洗車作業(yè)的效率分析，洗車線布置形式的優(yōu)先次序為：咽喉區(qū)通過式、運用庫并列式、咽喉區(qū)“八”字式、盡頭式。從目前國內(nèi)車輛基地設(shè)計應(yīng)用實踐來看，洗車效率越高的布置形式，對用地的要求越高，車輛基地的咽喉區(qū)長度越長。在軌道交通新線建設(shè)中，規(guī)劃車輛基地的選址用地，很難再具備布置傳統(tǒng)的咽喉區(qū)通過式或運用庫并列式洗車條件。為滿足規(guī)劃部門的用地要求，車輛基地的洗車線形式不得不采用咽喉區(qū)“八”字式或盡頭式。

通過對多個城市軌道交通集團運營部門的調(diào)研、設(shè)計回訪發(fā)現(xiàn)，由于咽喉區(qū)“八”字式和盡頭式洗車作業(yè)存在列車反復(fù)調(diào)頭折返的情況，作業(yè)時間長，效率低下，加大了運營組織調(diào)度的難度，增加了員工的勞動時間和強度。因此，運營單位對洗車方式采用咽喉區(qū)通過式的呼聲越來越強烈。那么，對傳統(tǒng)的咽喉區(qū)通過式洗車線布置進行優(yōu)化，使洗車線的布置既滿足城市用地條件，又實現(xiàn)高效、方便的通過式清洗，滿足作業(yè)高效和節(jié)約用地的雙重要求，成為一線設(shè)計者亟需解決的難題。

2 傳統(tǒng)咽喉區(qū)通過式洗車作業(yè)流程

2.1 車輛基地常見站場布局比較

車輛基地各種常見典型的站場布局如表2所示。

表2 車輛基地的常見站場布局比較

由表2可知，無論車輛基地站場總布局采用何種形式，采用傳統(tǒng)的咽喉區(qū)通過式洗車線布置時，車輛基地站場線路設(shè)計有如下共同特點。

特點一：行車進路方面。洗車線往往與車輛基地內(nèi)所有股道線路實現(xiàn)了順向連通。

特點二：站場線路布局方面。洗車線往往并列布置于(出)入線側(cè)，文中對車輛基地站場咽喉區(qū)按庫前三角形咽喉區(qū)和洗車線長方形咽喉區(qū)劃分(表2)，其中洗車線咽喉區(qū)的用地形狀呈較規(guī)整的長方形，而庫前咽喉區(qū)則呈三角形布置，洗車線的長方形咽喉區(qū)與庫前三角形咽喉區(qū)在用地分區(qū)上有比較明顯的分離，同時，洗車線咽喉區(qū)的道岔與庫前三角形咽喉區(qū)的道岔亦分區(qū)明顯。因此，在采用傳統(tǒng)的咽喉區(qū)通過式洗車布置中，車輛基地的站場工程用地范圍往往呈較規(guī)整的刀柄形。

針對站場線路以上特點，對車輛基地的站場咽喉區(qū)進行優(yōu)化，可以分別從庫前三角形咽喉區(qū)的站場線路設(shè)計和洗車線長方形咽喉區(qū)的站場線路設(shè)計進行優(yōu)化。車輛基地布局中，庫前三角形咽喉區(qū)的面積和形狀基本上由車輛基地停車規(guī)模、中軸線位置和庫房工藝布局決定，優(yōu)化空間有限。因此，優(yōu)化車輛基地站場咽喉區(qū)的線路設(shè)計，應(yīng)重點對洗車線長方形咽喉區(qū)的站場線路進行優(yōu)化。

2.2 咽喉區(qū)通過式洗車工藝流程及優(yōu)化思路

2.2.1 優(yōu)化思路一

圖1所示為典型傳統(tǒng)咽喉區(qū)通過式洗車線路布置示意，待洗列車入段清洗進路如下：待洗列車首先經(jīng)過道岔①(出段線L2上駛來的待洗列車)或者道岔②(入段線L1上駛來的待洗列車)，過道岔③后駛?cè)胂窜嚲€L3，經(jīng)洗車庫清洗后，經(jīng)道岔④、⑤、⑥能直接順向駛?cè)胪＼嚵袡z庫內(nèi)的所有線路，經(jīng)單渡線⑨～⑩能直接順向駛?cè)肼?lián)合車庫的所有線路。圖1所示的洗車線布置中，在出入線L1、L2線間距以及列車車型確定的前提下，道岔①至道岔⑥之間的線路有效長度為定值，因此，要優(yōu)化洗車線咽喉區(qū)占地面積，應(yīng)著重考慮優(yōu)化道岔⑦至道岔之間的咽喉區(qū)長度。

圖1 傳統(tǒng)咽喉區(qū)通過式洗車線路布置示意

圖1中設(shè)置交叉渡線⑦～⑧～⑨～⑩的主要目的是為了讓完成清洗的列車能無折返地順向駛?cè)肼?lián)合車庫，如果將雙周/三月檢庫與停車列檢庫合建組成運用庫，將洗車線僅與運用庫順向連通，只保證清洗后的列車能直接無折返地順向駛?cè)脒\用庫，入段列車若要駛?cè)霗z修庫，則通過牽出線L4進行一次折返掉頭，這樣組織的行車進路可以精簡洗車線咽喉區(qū)交叉渡線⑦～⑧～⑨～⑩至單渡線～之間咽喉長度，按以上思路優(yōu)化后的洗車線站場布置如圖2所示。

若按線間距5 m，6B車型計算，按以上思路對洗車線咽喉區(qū)優(yōu)化后，可以縮短洗車線咽喉區(qū)長度達130 m。

如圖2所示，按優(yōu)化思路一對洗車線咽喉區(qū)的站場線路優(yōu)化后的洗車作業(yè)流程如下：待洗列車首先經(jīng)過道岔①(出段線L2上駛來的待洗列車)或者道岔②(入段線L1上駛來的待洗列車)，過道岔③后駛?cè)胂窜嚲€L3，列車經(jīng)洗車庫清洗后，清洗完成車輛經(jīng)道岔④、單渡線⑤～⑥與運用庫的所有線路順向連通。通過交叉渡線⑦～⑧～⑨～⑩與折返線L4與檢修庫連通，清洗列車入檢修庫需經(jīng)過一次折返掉頭作業(yè)。

圖2 對傳統(tǒng)咽喉區(qū)通過式洗車線優(yōu)化布置示意

在軌道交通的實際生產(chǎn)運營中，列車并不需要每天清洗，只有需要清洗作業(yè)的部分列車在入段后需駛?cè)胂窜嚲€，完成清洗后入庫停放，無需清洗的車輛則通過出入線直接入庫停放，無需駛經(jīng)洗車線。由此可知，車輛基地站場線路設(shè)計中，洗車線沒有必要與車輛基地內(nèi)所有庫內(nèi)線路順向連通，由此，可以對傳統(tǒng)咽喉區(qū)通過式洗車站場線路布置進行優(yōu)化。通過模擬仿真，對優(yōu)化后的通過式洗車進行分析，核算其洗車能力。

列車入段能力的影響主要表現(xiàn)在列車洗車作業(yè)總時間和相鄰列車入段最小時間間隔。

前提條件：假設(shè)洗車線僅與部分停車列車線順向連通，列車由入段線L1上駛來，待洗列車經(jīng)過洗車線洗車入庫，而無需清洗的列車可直接通過入段線L1直接入庫，列車只進行側(cè)洗，以6B車型車長120 m，段內(nèi)正常行駛速度為15 km/h，洗車速度為5 km/h計算。列車洗車作業(yè)時間見表3。

表3 列車洗車作業(yè)時間計算

無需清洗的列車可以通過入段線L1直接入庫停放，調(diào)研發(fā)現(xiàn)，入段線L1的長度一般在500 m左右，無需清洗的列車入庫停車時間為120 s。

列車入段最小時間間隔T應(yīng)為列車開始入段至入庫停車的行駛時間(t行駛)與入段等待時間(t等待)之和，列車等待入段時間一般不超過30 s，t等待取30 s。

列車入段最小時間間隔最小值應(yīng)發(fā)生在相鄰兩列列車入段徑路完全不同，即第一列為無須清洗列車不經(jīng)洗車線直接入庫，第二列車為須洗列車(或第一列為須洗列車，第二列為無須洗列車)。這種情況下，當(dāng)?shù)谝涣熊囻傠x岔口③后，第二列車便可請求入段。此時Tmin=(43+30) s=73 s或1.22 min。

列車入段最小時間間隔最大值應(yīng)發(fā)生在相鄰兩列列車入段徑路完全重疊且停放在同一停車線上的兩個列位的情況下。此時無須洗列車入段Tmax=(120+30) s=150 s或2.5 min，須洗列車入段Tmax=(281+30) s=311 s或5.18 min。

計算可知，列車入段最小時間間隔需1.22～5.18 min，若考慮端洗情況，一般端洗比側(cè)洗多10 min，由于無須清洗列車入段不經(jīng)過洗車線，所以并不影響后續(xù)列車入段清洗，所有列車入段時間間隔最小值仍只需1.22 min，那么端洗情況下列車入段最小時間間隔需1.22～15.18 min。通過現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，根據(jù)合理排班后，理論上一天內(nèi)能夠完成洗車比例45%～50%，再結(jié)合文獻[9]可以得出，理論上一個車輛基地可以實現(xiàn)3 d內(nèi)完成洗車比例100%，無需夜間再出庫洗車。通過對城市軌道交通運營部門的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，軌道交通車輛每3 d進行一次清洗是完全可以滿足運營及外觀要求的?；诖耍緢鲈O(shè)計人員可以對傳統(tǒng)咽喉區(qū)通過式洗車的站場線路布置進行優(yōu)化，即將洗車線僅與部分停車列車線順向接通，滿足當(dāng)日最大洗車量要求，這樣既能實現(xiàn)車輛基地咽喉區(qū)通過式洗車的功能要求，又能滿足城市用地緊張的條件。

2.2.2 優(yōu)化思路二

根據(jù)2.1節(jié)中對咽喉區(qū)通過式洗車分析的特點二，還可以結(jié)合用地形狀，將洗車線的長方形咽喉區(qū)與庫前三角形咽喉區(qū)進行包容設(shè)計，通過道岔的巧妙布局進行咽喉融合，打破傳統(tǒng)的思維定勢，進行站場線路優(yōu)化。以下結(jié)合案例詳細(xì)闡述如何將上文所提及的優(yōu)化思路應(yīng)用于實際設(shè)計生產(chǎn)中。

3 咽喉區(qū)通過式洗車線布置優(yōu)化設(shè)計

圖3為某車輛基地在工可設(shè)計階段站場布局示意，車輛基地采用咽喉區(qū)“八”字式洗車布置，站場工程用地面積約39 hm2，其中站場咽喉區(qū)占地(含庫前咽喉區(qū)與洗車線咽喉區(qū))約6 hm2，庫前三角形咽喉區(qū)與洗車線長方形咽喉區(qū)用道岔布置分區(qū)明顯，加圖用地最長處約1 800 m，最寬處410 m，用地形狀呈刀柄形。

圖3 某車輛基地洗車線布置優(yōu)化前的站場布局示意(原方案)

圖4為該車輛基地采用咽喉區(qū)八字式洗車布置時，洗車線咽喉區(qū)的站場線路布置示意。該方案中，列車清洗的作業(yè)流程如下：對于入段線L1上駛來的待洗列車，列車首先經(jīng)過道岔②，⑤，⑧，此后通過單渡線⑨～⑩駛?cè)霠砍鼍€L4，在牽出線L4上完成第一次列車折返調(diào)頭作業(yè)；調(diào)頭完成后經(jīng)道岔⑩駛?cè)胂窜噹?，在洗車線L3上進行列車清洗；清洗完成后的列車經(jīng)道岔①駛?cè)霠砍鼍€L5，在牽出線L5上列車完成第二次折返調(diào)頭作業(yè)；再通過單渡線①～②、交叉渡線⑤～⑥～⑦～⑧以及單渡線～與車輛基地所有線路實現(xiàn)順向連通。

對于出段線L2上駛來的待洗列車，依次經(jīng)單渡線⑦～⑧、⑨～⑩駛?cè)霠砍鼍€L4，此后作業(yè)流程同入段線L1上駛來的待洗列車。

圖4 某車輛基地優(yōu)化前的洗車線咽喉區(qū)站場線路布置(原方案)

經(jīng)過以上分析可知，采用咽喉區(qū)“八”字式洗車布置時，待洗列車需要經(jīng)過2次折返調(diào)頭作業(yè)才能完成列車清洗，該方案的站場線路布置能使列車完成清洗作業(yè)后直接順向駛?cè)胲囕v基地內(nèi)所有線路進行停放。

工可修編期間，規(guī)劃部門調(diào)整了車輛基地的用地，同時軌道公司運營部門提出洗車采用咽喉區(qū)通過式布置的要求。通過對變化后的用地條件進行反復(fù)踏勘、核查，經(jīng)多次方案研究后，設(shè)計人員發(fā)現(xiàn)，若洗車線布置采用傳統(tǒng)的咽喉區(qū)通過式方案，洗車線僅能與車輛基地內(nèi)部分線路順向接通。為最大限度地滿足生產(chǎn)實際需要，設(shè)計提請運營單位對該車輛基地通車后每天需要清洗的列車數(shù)量進行核算。經(jīng)核算，若經(jīng)過嚴(yán)密組織與科學(xué)的調(diào)度安排，該車輛基地在通車后每天最多需清洗車輛數(shù)為24列，即洗車線僅需滿足與車輛基地內(nèi)24個列位的停車線順向連通即可。設(shè)計人員運用本文的優(yōu)化思路，重點優(yōu)化洗車線咽喉區(qū)的站場線路布置，分別設(shè)計了將洗車線與車輛基地內(nèi)32個停車列檢位線路順向連通的方案1(圖5)和洗車線與所有停車列檢列位線路實現(xiàn)順向連通的方案2(圖7)。

圖5 對洗車線布置進行第一次優(yōu)化后的站場布局示意(方案1)

方案1中，車輛基地洗車布置形式由咽喉區(qū)“八”字式洗車優(yōu)化為咽喉區(qū)通過式洗車，同時運用本文的優(yōu)化思路二，將洗車線咽喉區(qū)的道岔與庫前咽喉區(qū)道岔布置巧妙結(jié)合，將車輛基地的站場工程用地面積縮減至23 hm2，其中站場咽喉區(qū)占地約5.6 hm2，庫前咽喉區(qū)與洗車線咽喉區(qū)巧妙融合，在用地分區(qū)和道岔布置上已無明顯分離，優(yōu)化后的站場工程用地最長處約1 300 m，最寬處約400 m，用地現(xiàn)狀呈梯形。

圖6為優(yōu)化方案1的洗車線咽喉區(qū)站場線路布置，該方案中列車清洗的作業(yè)流程如下：對于入段線L1上駛來的待洗列車，經(jīng)過道岔①駛?cè)胂窜嚲€L3，通過洗車庫完成清洗后，經(jīng)交叉渡線～～～可以直接順向駛?cè)胪＼嚵袡z庫內(nèi)，洗車線實現(xiàn)與32個停車列檢位線路順向連通，滿足了運營部門對咽喉區(qū)通過式洗車的列位數(shù)量要求。其他無需清洗列車可以通過出入線順向駛?cè)胲囕v基地其他線路。

圖6 對洗車線布置進行第一次優(yōu)化后的洗車線咽喉區(qū)站場線路布置示意(方案1)

方案1滿足了規(guī)劃部門對車輛基地用地面積調(diào)整的條件，響應(yīng)了清洗車輛能實現(xiàn)通過式洗車的要求，但所有待洗車必須自入段線L1駛來，同時洗車線僅與車輛基地內(nèi)部分停車列檢線路實現(xiàn)順向連通。因此設(shè)計繼續(xù)深挖本文的思路，對站場線路重新布局，得出優(yōu)化后的站場布局方案2，如圖7所示。

圖7 對洗車線布置進行第二次優(yōu)化后的站場布局示意(方案2)

圖8為第二次優(yōu)化后的洗車線咽喉區(qū)站場布局，與方案1相比，方案2加強了對文中思路二的深入研究，對咽喉道岔布置進行統(tǒng)籌組合，在不改變車輛基地用地和列車行車進路的前提下，實現(xiàn)了洗車線與車輛基地內(nèi)更多的停車列檢車位的順向連通。

圖8 對洗車線布置進行第二次優(yōu)化后的洗車線咽喉區(qū)站場線路布置示意(方案2)

方案2列車清洗的作業(yè)流程如下。

對于入段線L1上駛來的待洗列車，列車經(jīng)過道岔① 駛?cè)胂窜嚲€L3，完成清洗后，經(jīng)交叉渡線～～～能順向駛?cè)肱c停車列檢庫內(nèi)的所有線路，而其他無需清洗列車可以通過出入線直接順向駛?cè)胲囕v基地其余線路。

各方案站場布局對比如表4所示。

表4 各方案特點分析對比

由表4可知，運用本文的優(yōu)化思路對車輛基地的站場布局進行優(yōu)化設(shè)置后，不僅節(jié)約了車輛基地的工程用地，同時還實現(xiàn)了洗車作業(yè)由咽喉區(qū)“八”字式到咽喉區(qū)通過式的飛躍，提高了洗車效率。

4 結(jié)論

在實際設(shè)計中，車輛基地的站場線路布置應(yīng)根據(jù)用地條件因地制宜進行優(yōu)化布局，站場設(shè)計者需突破傳統(tǒng)設(shè)計思維，當(dāng)車輛基地用地條件不能滿足傳統(tǒng)意義上的咽喉區(qū)通過式洗車要求時，可以結(jié)合運營需求，對車輛基地的停車列檢車位實現(xiàn)全部或者部分與洗車線順接。

應(yīng)用本文的優(yōu)化思路，對傳統(tǒng)咽喉區(qū)通過式洗車的線路進行優(yōu)化布置，結(jié)合車輛基地的具體用地條件，巧妙運用交叉渡線和單渡線，對洗車線的長方形咽喉區(qū)與庫前三角形咽喉區(qū)進行咽喉融合，使洗車線僅與部分停車列位線順向接通，不僅能提高洗車效率，在節(jié)約車輛基地占地方面亦優(yōu)勢明顯。應(yīng)用本文優(yōu)化思路而實施的工程案例，受到運營單位的歡迎，順應(yīng)了軌道交通建設(shè)中提高土地利用率的趨勢，是一種很有推廣實用價值的洗車線優(yōu)化設(shè)計，文中所述案例具有一定代表性，對軌道交通車輛基地的站場線路設(shè)計具有應(yīng)用價值。