大宮駅 - 川越駅間
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埼京線・東京臨海高速鉄道りんかい線と一体の運転系統として運行されている。大宮駅 - 川越駅間を運転する全定期列車が埼京線と直通運転を行い、りんかい線直通の新木場駅発着の列車も運転されている。多くの列車は埼京線内は快速・通勤快速として運転されるが、ともに川越線内は各駅に停車する。 列車は川越駅発着が基本であるが、川越車両センターからの車両出庫のため、早朝・夕方と平日の朝ラッシュ時間帯の一部に指扇駅発の上り列車も設定されている。また、2009年(平成21年)3月14日改正で早朝に南古谷発の上り列車が1本新設された。川越駅 - 川越車両センター間には回送列車が設定されている(川越駅構内では車両の夜間滞泊は行わない)。 当区間では指扇駅 - 南古谷駅間の荒川を鉄橋で越える関係上、悪天候(特に強風)による影響を受けやすく、埼京線との直通運転がしばしば中止される。このため、川越車両センターからの出庫を早朝に、入庫を深夜に集中的に行うダイヤとし、朝夕ラッシュ時を含む大半の時間で出入庫しないことで、混乱時にはすぐに大宮で直通運転を中断できるようにしている。 相模鉄道(相鉄)とJR東日本との直通運転が「相鉄・JR直通線」として2019年(令和元年)11月30日に開始された。川越線には朝の一部列車が直通運転する。直通運転開始時点の相鉄線直通列車は、平日上りは指扇発海老名行きが1本(埼京線内は各駅停車、相鉄線内も各停として運転)、平日下りは海老名発川越行きが2本(相鉄線内は特急、埼京線内は通勤快速として運転)、土休日上りは川越発海老名行きが1本(埼京線内は快速、相鉄線内は特急として運転されているが、2021年3月13日改正以降は相鉄線内は各停に変更)設定されているほか、指扇発海老名行きが2本(埼京線内は2本とも各駅停車として運転し、相鉄線内はそれぞれ1本が特急・各停として運転)、土休日下りは海老名発川越行き(相鉄線内は各停、埼京線内は快速として運転)が設定されている。2021年3月13日改正以降は、新たに平日朝上りに川越発の海老名行きが1本(埼京線内は通勤快速、相鉄線内は各停)が設定される。 日中はりんかい線新木場駅発着の快速が1時間あたり3本(20分に1本)運転されており、このうち2本は川越駅で高麗川方面の列車と接続する。この時間帯は西大宮駅と南古谷駅で上下列車の交換が行われる。2015年(平成27年)3月14日のダイヤ改正により、川越駅 - 高麗川駅間が日中時間帯において30分間隔に減便されて運転間隔が合わなくなったために、上りで13分、下りで15分の接続時間となる列車が生じており、さらに3本のうち1本は高麗川方面への接続が行われなくなった。 上述の通り電化開業から数年間は、日中に大宮駅 - 高麗川駅間を直通する列車(3両編成)が存在していたが、埼京線の快速列車の運転を30分間隔から20分間隔に、川越駅 - 高麗川駅間の運転を20分・40分の交互間隔から20分間隔に統一したことに伴い、川越駅 - 高麗川駅間の運転に短縮された。 使用されている車両のLED表示は、路線名と行き先を交互に表示している。東京臨海高速鉄道70-000形およびかつて運用されていた205系は、川越線区間(異常時の大宮駅 - 川越駅間折り返しも含む)の走行でも「埼京線」と表示され、りんかい線直通新木場行きの場合は「りんかい線直通」と表示されたため、LED表示に「川越線」と表示されることはない。E233系ではLED表示機に、大宮方面行きは「埼京・川越線」もしくは「埼京・川越線 りんかい線直通」、川越方面行きは「川越線」と表示される。 東京臨海高速鉄道70-000形車内ドア上の停車駅案内は、新木場駅 - 川越駅間のみが記載されており、川越駅 - 高麗川駅間各駅の表記がない。ただし高麗川方面への乗り換え案内表記はある。2009年3月14日に西大宮駅が開業し停車駅案内がリニューアルされるまでは、川越駅の乗り換え案内表記も東武東上線のみで高麗川方面への乗り換えが表記されておらず、車掌による川越駅到着前の高麗川方面への乗り継ぎ案内放送で補っていた。なお、この案内放送は現在も継続されている。 列車番号の末尾の英字:各駅停車…K 快速…F 通勤快速…S
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大宮駅 - 川越駅間
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川越線の始発駅にあたる大宮駅では、埼京線と直通運転をしているため、同線と共用の地下ホームに発着する。大宮駅を出ると、しばらく地下を走行し、鉄道博物館の横で地上に出る。トンネルの開口部は、かつての高崎線直通計画の名残で、複々線規格で造られている。 1985年(昭和60年)の電化以前は、大宮駅の地上ホーム(現在の11番線・12番線)から発着していた。現在の11番線は主に湘南新宿ラインから宇都宮線・高崎線へ直通する列車の着発で使用されるが、12番線は非電化のままで定期列車での使用はない。現在、地上ホームから発着する川越線定期列車は設定されていないが、レールはつながっており、快速「ぶらり川越号」や「おさんぽ川越号」などの臨時列車や工事列車などで使用されている。 トンネルを出ると左手に鉄道博物館を見ながら右手の高崎線とともに北上し、左手から交差する新幹線の高架下をくぐる地点で、大宮駅地上ホームとの連絡線が合流して国道17号大成跨線橋わきの築堤をくぐる。非電化時代は高崎線とともに橋の下をくぐっていたが、電化・複線化によりルートが変更された。直進する高崎線から大きく左に分かれ、右手につばさ小学校を見ながら市街地を進み、日進駅に着く。 日進駅からは単線となる。日進の市街地を下り勾配で直進し、鴨川橋梁を渡り、右手に宮前中学校、左手に佐川急便さいたま店を見送ると、宮前インターチェンジの下を過ぎて西大宮バイパスとしばらく並行し、西大宮駅に到着する。 西大宮駅を出ると住宅地の中を掘り割りで通り、指扇駅に至る。指扇駅を出ると川越線は緩やかに左(南)にカーブしながら築堤を上って、埼玉県道2号さいたま春日部線の上を越え、長い荒川橋梁で荒川や河川敷のゴルフ場を渡りきると築堤を下りながら、一面の田園風景の中を右(西)へカーブし、川越車両センターへの出入庫線が左に別れ、左手に広大な車両基地を眺めながら南古谷駅に着く。 南古谷駅を出ると、右手にウニクス南古谷を見送り、再び田園風景の中をほぼ真西へ一直線に進む。国道254号富士見川越バイパスの陸橋の下をくぐり、左手の砂中学校を見送ると、新河岸川を渡って川越市街に入る。右(北)にカーブしながら東武東上線の下と、川越街道と国道16号が交差する新宿町北の交差点直下を続けてトンネルでくぐり、間もなく東武東上線の西側に並び、川越駅に至る。
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