市域铁路贯通运营城市地铁关键技术研究

王 猛，狄 谨，陈民武，姚鸿洲，李正川

（1.重庆大学 土木工程学院，重庆 400044；2.重庆市铁路（集团）有限公司，重庆 410120；3.西南交通大学 电气工程学院，四川 成都 610031；4.重庆中车长客轨道车辆有限公司，重庆 401133；5.中铁二院重庆勘察设计研究院有限责任公司，重庆 410120）

随着经济快速发展，京津冀、粤港澳、珠三角、长三角、成渝等超大城市群和大都市圈的经济总量、人口规模、城市范围迅速扩大，多种轨道交通换乘、融合、贯通等网络化运营十分迫切。市域铁路是连接都市圈中心城区与周边城镇，为通勤客流提供快速度、大运量、公交化运输服务的轨道交通系统［1］。将市域铁路运营纳入城市公共交通系统，可推动大都市区轨道交通有效衔接，加快实现便捷换乘，更好地适应通勤需求［2］。

国内市域铁路采用交流（AC 25 kV）供电技术，城市地铁多采用直流（DC 1 500 V）供电技术。网络化运营主要分为枢纽换乘、多点换乘、延长贯通、双流制贯通等方式［3-7］。其中，双流制贯通运营具有投资节省、速度快、通道节约、运营效率高、乘客体验好等优点，能够实现市域铁路与城市地铁融合贯通。

本文在分析国外双流供电技术的基础上，以市域铁路江跳线为例，进行其与重庆地铁5号线贯通运营关键技术研究。

1 国内外双流供电技术应用情况

国外典型双流供电案例见表1。表1中，日本东京圈都市区筑波快线［8-9］和西班牙马塞高速铁路［10-14］采用的双流供电技术，仅解决了交直2 种供电制式的切换问题，且车辆只在本线运营，没有与其他线路贯通运营，不需要考虑本线以外其他线路的限界、信号、轴重、运输组织等因素，因此这2 条线路不是跨线与城市地铁贯通运营的准确案例。法国的南特—沙托布里扬铁路和罗讷—阿尔卑斯省铁路是通过车载司机操作屏信息或线路信号指示牌提示，司机人工操作的方式进行供电制式切换，操作复杂。另外，欧洲的德国、瑞士、意大利等国也存在多流供电的线路［15-17］，但多属于货运铁路改造项目，且采取降弓换电的方式，对于客运贯通运营的参考意义不足。

表1 国外双流供电典型案例

此前国内双流制贯通技术并未完全攻克，没有成功案例。如重庆铜（梁）璧（山）线于2010 年开展双流制贯通地铁1 号线可行性研究［18］，后因技术障碍终止双流制研究，该项目已按交流供电的市域铁路实施。双流制技术在国内贯通运营的主要障碍是市域列车限界超限、轴重超重；交直2 种供电接触网如何链接、转换及电磁干扰等问题没有解决。

2 市域铁路贯通运营边界条件

国内市域铁路与轨道交通的接驳多采用枢纽换乘和单点换乘方式。要实现市域铁路与城市地铁贯通运营的突破，就必须对贯通运营的边界条件进行全面分析，系统地提出解决方案。

2.1 限界

市域铁路江跳线限界按车辆、建筑二限界设计［19］，城市地铁5 号线限界按车辆、设备和建筑三限界设计［20］。因交流供电安全保护距离原因，市域铁路交流接触网高度大于城市地铁直流接触网高度。江跳线若与地铁5号线贯通运营，江跳线服役的双流制车辆的限界应符合地铁限界的要求，车辆轮廓线及最大动态包络线还应符合GB146.1—1983《标准轨距铁路机车车辆限界》的要求。

地铁5 号线洞内采用刚性接触网，接触网导线高度距轨面4 220 mm；洞外采用柔性接触网，高架线路和地面线路的接触网导线高度距轨面4 600 mm，车辆段接触网导线高度距轨面5 000 mm，地铁车辆落弓高度为3 980 mm。双流制车辆的受电弓最低工作高度应小于4 220 mm，考虑150 mm 的安全距离，落弓高度应小于4 070 mm。

为保证乘客舒适性，江跳线车辆内净空高应与地铁5号线车辆的内净空高2 200 mm保持一致。

2.2 轴重

江跳线轴重按照市域铁路结构荷载18 t轴重设计，双线贯通运营主要受地铁5号线桥梁及高架车站设计荷载和轴重的限制。双流制车辆轴重不能大于地铁5号线结构最大可承受荷载和轴重。

经过对地铁5 号线全线复核，需要对红岩村嘉陵江大桥进行检算，评判在增加新的轨道荷载情况下，结构荷载能否满足双流制车辆增加轴重的要求。该桥设计为钢桁梁高低塔公轨两用斜拉桥，如图1 所示。图中：P1—P5 为桥塔编号。该桥设计时采用地铁A 型车6节车辆编组，车辆轴重15 t。

图1 红岩村嘉陵江大桥桥型布置示意图

检算模拟增加0.5 t 轴重和增加1.0 t 轴重2 种情况下桥梁结构的安全性。根据有限位移理论建立该桥的三维有限元模型，对于弦杆、腹杆、斜杆、横梁、纵梁和桥塔等采用三维梁单元模拟，斜拉索采用桁架单元模拟，上下层桥面板采用等效单元模拟。分析计算6 辆编组双流制车辆15.5 t 和16 t 轴重荷载下，桥梁各构件受力情况和安全性，结果如下。

（1）15.5 t 轴重的6 辆编组列车，索力占比为2.53%～7.48%；16 t 轴重的6 辆编组列车，索力占比为2.70%～7.98%。索力增加值占原设计标准组合值的比例为0.66%，斜拉索设计满足轨道运行安全性要求。

（2）最不利轨道活载作用下，P3 桥塔最大应力增加值为0.03 MPa，P4桥塔为0.02 MPa，桥塔截面全截面受压，满足规范对桥塔应力的要求。

（3）最不利轨道活载作用下，主桁杆件应力增加幅值小于1.6%，杆件应力小于容许应力，满足规范要求。

（4）在最不利轨道荷载16 t轴重作用下，轨道荷载单独作用下桥梁竖向挠跨比为1/3 024，梁端转角最大值为1.04‰，桥梁刚度较大，刚度指标满足轨道运营的要求。

通过对该桥模拟增加轴重的检算可知，在列车16 t 轴重作用下桥梁主要指标满足规范要求，但其安全系数较15.5 t轴重作用下低。为确保列车贯通运营安全，双流制车辆设计时应进行轴重的减重设计，将轴重控制在15.5 t以内。

2.3 供电

市域铁路采用单相工频AC 25 kV 供电；地铁5号线采用DC 1 500 V 供电。贯通运营应采用适用2 种供电方式双流制车辆，并设交直流供电系统转换段。

2.4 信号和列控系统

现阶段铁路车辆运行控制系统主要是CTCS-2级和CTCS-3级。地铁主要是基于通信的车辆自动控制系统——CBTC 系统［21-22］。贯通运营列车应实现跨线调度和指挥。

2.5 接轨站

接轨站应设折返线，在不影响原有线路正常运行的情况下，实现车辆折返和贯通运营功能，并满足两线间联络线岔联锁、信号、通信等设备管理权限明晰等要求。

2.6 运输组织

市域铁路江跳线与地铁5 号线贯通运营，涉及市铁路集团和市轨道集团2 个运营主体。需要对贯通运营的调度、乘务、应急、接轨站管理、票务清分等进行研究。

3 贯通运营关键技术

3.1 车辆限界适应性控制技术

江跳线双流制车辆按直流和交流2 种供电方式开展限界设计［23］。双流制车辆车顶安装AC 25 kV高压设备，车辆在市域铁路和地铁线路上运行，但在地铁线路上运行时应满足地铁5号线最小接触网导线高度距轨面4 220 mm的限界要求。

江跳线双流制车辆的长度、宽度、高度及车门数量、地板高度等与地铁5 号线As 型车辆保持一致，双流制车辆布置示意图如图2所示。

图2 双流制车辆布置示意图

双流制车辆中的Mp 车（带受电弓动车）须安装高压设备，因交流受电弓绝缘子高400 mm，直流受电弓绝缘子高80 mm，若受电弓直接安装在与As 型车辆断面相同的车顶上，受电弓工作高度将超过地铁接触网限高。经研究，在双流制车辆的Mp车车顶设计新型下沉平台式结构，该车与As型车的车体断面形状对比如图3 所示。从图3 看出：与As型车相比，Mp车受电弓安装座距轨面距离降低了235 mm。这个数值主要是由直流段接触网限高和受电弓最小工作高度及车辆内净空高决定。

图3 车体断面形状对比（单位：mm）

采用下沉平台式结构安装受电弓的双流制车辆断面与As型车辆对比如图4所示。从图4看出：双流制车辆受电弓安装座距轨面距离降低了235 mm，车辆受电弓落弓高度控制在4 030 mm，满足高度应小于4 070 mm 的要求；在直流工况下升弓190 mm达到最小工作高度时，接触网导线不高于4 220 mm 限高且车辆内净空高保持了2 200 mm 的高度；车辆设备轮廓不高于受电弓落弓后最大轮廓，车辆最大动态包络线不超出受电弓限界，符合地铁5号线车辆限界、设备限界和建筑限界；相应地Mp 车车体断面与风道结构进行了调整，风道断面面积不小于地铁As型车辆风道面积。

图4 不同车辆断面对比

双流制车辆采用下沉平台式结构，解决了车辆内净空高和限界问题。

3.2 双流制车辆轴重减重技术

通常交流A 型车轴重约17 t，直流As 型车轴重为15 t。双流制车辆在直流As 车辆基础上增加车载变压器、四象限变流器、高压供电及保护等交流设备，增加轴重2.5 t，车辆轴重约为17.5 t。根据2.2 节地铁5 号线轴重检算结果，需要将双流制车辆轴重控制在15.5 t以内。为实现双流制车辆减重，主要从均衡设备布局和优化各系统结构、材质等轻量化方面进行研究。

3.2.1 设备均衡布置

按常规设备配置，市域铁路交流车辆变压器置于Mp 车车下，由于交流高压供电设备均布置于Mp车，导致Mp车严重超出轴重要求。

通过对双流制车辆各系统设备整体配重规划，将底架高压设备和变压器分车均衡布置，使整列列车重量最大限度均匀分配至各节车辆上，从而达到降低轴重的目的。双流制车辆变压器置于M 车（动车）车下，再通过车辆平衡计算，调整车下设备布置。在设备重量分配过程中严格把控轴重偏差和轮重偏差。市域交流车辆与设备均衡布置双流制车辆的Mp 车和Mc/Tc 车（带司机室的半动车）、M车车下设备布置对比分别如图5—图7所示。

图5 Mp车下设备布置

图6 Mc/Tc车下设备布置

图7 M车下设备布置

3.2.2 车辆轻量化设计

轻量化设计是车辆的重要研究方向［24］。在不降低设计强度和功能的前提下，江跳线双流制车辆就主要设备与系统从结构、材质和选型上实现轻量化设计，从设计源头控制各零部件重量，从制造过程管控重量偏差。每列车总体减重约2 265 kg，平均每辆车减重约377.5 kg。

1）车体轻量化

通过车体有限元建模分析，进行车体铝结构模块化设计及关键部位优化以实现轻量化设计目标［25］。车体底架、侧墙、车顶等各大部件采用模块化铝合金结构。底架设备直接安装于底架滑槽上，取消设备安装过渡吊，铣掉车体多余的滑槽。整列车体减重约360 kg。

2）转向架轻量化

双流制车辆齿轮箱采用轻质金属箱体，降低车辆的簧下重量。构架采用吊挂结构集成设计，线缆及软管采用集中上车的方式。整列转向架最终减重约200 kg。

3）车辆内装结构轻量化

主要针对地板、线槽、中顶板、侧墙板、防寒材等内装结构件进行轻量化。地板面板和背板中间采用铝蜂窝填充，优化结构。线槽采用中空铝质型腔，减轻线槽壁厚，并开减重孔。中顶板与骨架一体设计。侧墙板采用铝质骨架与面板结合，在固定点设置安装座与车体连接。防寒材采用预氧丝棉等轻量化措施。整列内装结构最终减重约780 kg。

4）司机室驾驶设施轻量化

司机台骨架优选轻质材料，采用焊接工艺。司机台内预埋的补强件采用分段、分块的形式设置；雨刮器刮臂和遮阳帘骨架采用轻质金属型材；司机座椅选用轻质金属加强筋的材料和结构，达到司机室驾驶设施轻量化的目的。整列最终减重约25 kg。

5）车门、空调系统轻量化

门机构采用铝质安装底板，门板采用铝型材结构，面板采用铝质蒙皮，内部用铝蜂窝材质填充。空调机组壳体采用薄板设计，通过压筋、加筋等方式保证整体刚度。制冷系统采用小管径管路、波纹翅片等高效换热器，减小换热器体积、重量。通风系统采用轻质金属风机和铸铝扇叶。整列车门、空调系统最终减重约480 kg。

6）车辆牵引系统轻量化

牵引设备箱主体框架采用不锈钢材质，门板采用铝合金材料。牵引设备箱体关键梁均采用抗弯截面系数较大的方管、U型梁，避免采用实心梁。牵引变压器通过采用新一代轻量化技术，将其重量减轻约6%。牵引电抗器采用低密度的绕组，铜排严格按照电路载流量要求进行设计。整列牵引系统最终减重约420 kg。

3.2.3 车辆整车质量分布

通过对双流制车辆车下设备进行均衡布置和各系统结构、材质轻量化设计之后，江跳线双流制车辆整车质量分布见表2。从表2 看出：Mp 车、Mc/Tc 车、M 车重量统计值分别为61 745，60 798 和61 750 kg，轴重分别为15 436.25，15 199.50 和15 437.50 kg，满足车辆最大轴重15.5 t 以下的要求。

表2 整车质量分布

3.3 区间不停车交直流转换技术

交直流转换段设置应符合市域铁路贯通运营城市地铁的客运服务特征。通过比较站内停车与区间停车的交直流转换技术，发现这2 种技术均需停车、降弓、断电、放电、切换、升弓、启动等步骤，需要接触网供电制式、轨道电路同时联动且需时较长，不符合市域铁路高密度公交化客运需求。

因此，将区间不停车交直流转换技术作为主要研究方向。包括：交直流转换段的接触网、轨道电路固定链接和铺设，仅由车辆完成交直流供电的转换。在正常运行工况下，转换段内双流制车辆自动切除牵引供电，以惰行方式通过（120 km·h-1≥车速v≥30 km·h-1）。车辆不设置磁钢感应设备，利用地面信标提供位置信息［26］，协助车辆完成交直流自动切换功能［27］。

3.3.1 系统分离区设置

综合考虑江跳线的线路条件和技术经济性，交直流转换区设置于石林寺—九龙园区间。接触网交直流转换段的系统隔离区采用4台分相绝缘器将接触网分成3个区域，如图8（a）所示，正线接触网设置78m 的系统分离区，系统分离区长度大于车辆最远双弓距离，如图8（b）所示。图中：①—④为分相绝缘器安装位置。

图8 交直流转换段系统分离区设置（单位：m）

图8中：ab段和cd段为电转换区，正常运行工况下为无电区，可通过闭合隔离开关带电，每段长度为29 m，由G1 和G3 常开电动隔离开关分别与直流接触网和交流接触网相连；bc 段为始终接地无电区，长度为20 m，由G2 常闭电动隔离开关与大地相连。

贯通运营时市域铁路列车采用2 个独立的供电单元供电。车辆通过交直流转换区时，采用不降弓，全自动切换的方式完成交直流供电转换。

当车辆由于初速度不够误停交直流转换段时，可将G1 和G3 开关合上，无电区由78 m 缩减为20 m，通过升弓降弓分别取流牵引的原则将车辆自行驶出无电区。

当车辆供电单元故障后误停交直流转换段时，采用后车救援方式。若故障车从直流供电端进入停在系统转换段b点之前时，后车挂上前车可直接加速后惰行通过转换段；若故障车辆停在系统转换段b 点之后时，后车挂上前车后先退回至b 点再加速后惰行通过转换段。若故障车从交流供电端进入系统转换段，按c点位置确定后车救援方式。

车辆由交流侧通过交直流转换段时的暂态过程如图9 所示。从图9 看出：交流接触网空载电压峰值为38.90 kV，车辆断开断路器过程中产生了一定过电压现象；交流区段最大瞬时电压为40.85 kV；当车辆进入无电区，由于已断开主回路，高压侧电荷的大量释放，车辆在无电区无明显过电压现象；当车辆离开无电区时，接触网电压迅速上升至1 633 V，并无明显暂态过电压现象；闭合断路器，通过交直流转换段后车辆恢复取流，此时接触网产生了一定过电压且峰值为1 807 V。

图9 车辆从交流侧到直流侧暂态过程

车辆由直流侧通过交直流过渡段时的暂态过程如图10 所示，该暂态过程分析与车辆由交流侧通过时的分析过程类似。

图10 车辆从直流侧到交流侧暂态过程

可见，在正常运行工况下双流制车辆过交直流过渡段虽造成了一定程度的暂态过程，但电压波动范围仍满足相关标准［28］。

3.3.2 钢轨绝缘节设置

交流供电时采用大地回流，直流供电时采用钢轨回流。车辆通过交直流转换区时，为保证车辆回流正常，需在轨道设置绝缘节满足交直流供电模式下车辆不同的回流工况［29］。根据列车回流轴位置，系统分离区钢轨绝缘节的设置如图11所示。

图11 系统分离区钢轨绝缘节设置（单位：m）

当车辆从交流区段进入到直流区段时，为了满足车辆在无电区救援时回流需要，交流区段的钢轨考虑在第1 个分段绝缘器对应钢轨位置再增加25 m，确保当车辆的后一动力单元受电弓带电（AC 25 kV）时，钢轨可以正常回流；直流区段的钢轨在第3个分段绝缘器处后退16 m，确保当车辆的前一动力单元受电弓带电（DC 1 500 V）时，钢轨可以正常回流。绝缘段钢轨的长度为8 m。

当车辆从直流区段进入到交流区段时采用上述相同的回流方式。

车辆通过交直转换段钢轨电位分布特性与不设置绝缘节时对比如图12 所示。从图12 看出：无电区钢轨绝缘节改变了系统回流结构和参考地电位，交流区段和直流区段牵引回流相互干扰降低，使得直流区段钢轨电位下降，直流区段钢轨电位直流分量最大值由35.12 V 降低为19.96 V。电压波动范围符合相关安全标准。

图12 交直流转换区钢轨电位分布特性

3.3.3 车辆段交直流邻近接触网电磁干扰

为满足车辆段内交流工况和直流工况检修作业，车辆段接触网需交直流2 种供电方式。车辆段内，交流接触网采用27.5 kV 开闭所单边供电方式；直流牵引供电系统采用110/35 kV 两级电压供电方式，牵引变电所设有1 套12 脉波牵引整流机组，直流接触网由混合牵引变电所供电。车辆段双制式切换供电系统示意如图13所示。

图13 车辆段双制式切换供电系统示意图

车辆段内的双周/3 月检库内接触网可实现双制式切换供电，不同供电方式下相邻股道空间电场分布特性如图14 所示。从图14 看出：在垂直接触线方向上，随着水平距离减小，电场强度呈现增大趋势，在接触线处达到最大值；当交流、直流电场并存时，空间电场强度满足国家标准要求。

图14 车辆段接触网空间电场分布特性

3.3.4 双流制车辆受流原理

双流制车辆适应AC 25 kV 和DC 1 500 V 这2种供电制式，车辆主要参数对比见表3。

表3 车辆主要参数对比

双流制车辆能够实现交流馈电专用电路、直流馈电专用电路跨线运行［30］。在Mp车车顶安装有交流与直流相互切换电路的设备。交直切换供电设备示意图如图15所示。

图15 交直切换供电设备示意图

（1）交流供电段受流过程：受电弓→真空断路器→交直流转换开关→交流熔断器→变压器→变流器→牵引电机（辅助逆变器）。

（2）直流供电段受流过程：受电弓→真空断路器→交直流转换开关→直流熔断器→高速断路器→变流器（辅助逆变器）→牵引电机。

（3）在交直流系统转换段，车辆不降弓，交直流转换开关根据地面信标提示，切换到无电工位。瞬时的通风、照明由车辆自备蓄电池供电。

3.4 信号联锁技术

地铁5号线采用国产化互联互通的CBTC 列控系统。考虑到江跳线与国铁线路从线网规划和管理体制上暂无贯通运营需求，江跳线列控系统直接选择CBTC 系统，有利于和地铁5号线贯通运营。同时，预留CTCS-2 和CBTC 双列控系统的车载设备位置，为后续与国铁贯通运营提供条件［31］。

信号联锁控制如图16 所示。从图16 看出：在跳磴站将2#和5#道岔纳入5 号线联锁控制，1#和6#道岔纳入江跳线联锁控制；在分界点处，分别设置两线的入口防护信号机，两线联锁系统通过接口实现相互间的安全信息交互。

图16 江跳线与5号线联锁分界

3.5 接轨站设计技术

以重庆地铁5 号线跳磴站作为贯通运营的接轨站进行研究。结构设计为高架2 层站，按双岛4 线布置。5 号线与江跳线的站务、设备等用房为两线共用。跳磴站结构立面如图17所示。

图17 跳磴站结构立面

跳磴站的配线园博中心5 号线在内侧，江跳线在外侧，在进站端设置2 组单渡线实现两线互通；江跳线贯通车辆通过1#和2#道岔及其渡线，转入5号线；从5号折返车辆通过5#和6#道岔及渡线进入江跳线。跳磴站的配线布局，具备两线轨道互通的基本条件及各自独立运营条件，如图18所示。地铁5号线采用直流车辆，不考虑跨线运营，其在本站站后折返。

图18 跳磴站平面线位布置

3.6 运输组织方案

多运营主体乘务主要分为轮乘模式和包乘模式。利益结算主要分为租车模式、租线模式和对等租车模式。江跳线与地铁5号线是单向贯通，即江跳线配属双流制车辆进入地铁5 号线运营，地铁5号线直流车辆不进入江跳线，贯通运营乘务采用轮乘模式。乘务管理由2 个运营主体共同拟定电客车司机贯通车辆交接车作业标准，各自负责所辖司机的管理。鉴于2 个运营主体同属1 个财政体系，贯通段结算约定了无偿使用双流制车辆，2 个主体以接轨站为节点计算收入和成本。不改变原有地铁管理模式和清分体系，不用单独清算贯通车辆乘客进出站信息。

调度权限划分以轨行区联络线分界信号机为界，各自负责管辖范围内的行车组织，江跳线贯通至地铁5 号线的车辆由地铁5 号线调度负责指挥，如图19所示。乘客1 次购票2 条线路均可通达，不用换乘，不用出站，最大限度方便乘客。

图19 华岩中心站联锁区与江跳线跳磴站联锁区控制范围

4 结语及展望

通过关键技术研究，实现重庆市域铁路贯通运营进入地铁5 号线全线，成为中国第1 个市域铁路贯通运营城市地铁项目，突破了各层级轨道线网的规划与建设相互分离、建设时序不一致、区域跨制式轨道交通贯通运营的难点。采用双流制技术，使跨制式轨道交通贯通运营、不同运营主体协同运输成为可能。市域铁路和城市地铁互联互通有力地促进区域经济发展，提升乘客出行效率和体验。

研究的双流制系统转换方案适用于在高架或地面区间实施，若需在地下区间实施系统转换，结构限界安全距离还应深入研究。

双流制技术未来应在交直流转换段接触网链接绝缘材料和车辆轴重减重方面持续深入研究，以利于更大范围推广。