城市軌道交通超長線路速度目標(biāo)值選擇淺析

強(qiáng)士盎

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，西安 710043)

《城市軌道交通工程項目建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》(以下簡稱“建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)”)規(guī)定，城市軌道交通“每條線路長度不宜大于35 km，對超長線路應(yīng)以最長交路運行1 h為目標(biāo)”［1]。而隨著城市化進(jìn)程的推進(jìn)，不少城市市區(qū)規(guī)模越來越大，當(dāng)前城市軌道交通規(guī)劃和建設(shè)，延伸的里程已覆蓋了城市和鄉(xiāng)鎮(zhèn)的大部分區(qū)域，城市軌道交通線路長度有增長的趨勢。

目前城市軌道交通對超長線路沒有明確的定義，“建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)”根據(jù)國際城市軌道交通建設(shè)經(jīng)驗和我國城市規(guī)劃規(guī)模的分析，提出了擬建新線建設(shè)長度不宜大于35 km的限制概念，與當(dāng)前軌道交通列車最高運行速度 80 km/h、旅行速度 35 km/h［2]、1 h 運程的適應(yīng)性基本相符。但隨著城市的發(fā)展，國內(nèi)出現(xiàn)了越來越多長度超過35 km的軌道交通線路;同時隨著車輛制造技術(shù)的進(jìn)步，不同速度對應(yīng)的車輛種類也在不斷增加。城市軌道交通線路選擇合理的最高運行速度可以快速輸送乘客，縮短乘客出行時間，提高軌道交通的整體服務(wù)水平，速度目標(biāo)值(車輛最高運行速度)作為軌道交通的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)之一，在超長線路中越來越受到重視。

本論文的研究對象超長線路是指超過40 km的軌道交通線路。對目前國內(nèi)城市軌道交通超長線路分布概況、列車速度目標(biāo)值等相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，總結(jié)超長線路速度目標(biāo)值選取要考慮的因素及注意事項，為相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)的設(shè)計者和決策者提供參考。

1 目前國內(nèi)城市軌道交通超長線路分布概況

1.1 國內(nèi)超長線路分布概況

城市軌道交通超長線路的存在主要與城市發(fā)展規(guī)模、城市形態(tài)及客流需求等有關(guān)，主要分布在特大城市或城市形態(tài)為帶狀的城市。目前國內(nèi)北京、上海、天津、廣州、深圳等城市的超長地鐵線路已運營，而重慶、西安等城市的超長地鐵線路已經(jīng)在建或已完成規(guī)劃，國內(nèi)既有及規(guī)劃主要超長線路的分布概況見表1。

1.2 國內(nèi)城市軌道交通主要超長線路速度目標(biāo)值

國內(nèi)主要超長線路速度目標(biāo)值見表2。

由表2可見，城市軌道交通超長線路均采用了適合高運量或大運量的A型或B型地鐵車輛，這與城市的規(guī)模與發(fā)展及客流需求相適應(yīng)。而列車最高運行速度均采用80 km/h及以上，其中僅廣州地鐵3號線采用了120 km/h，其他大部分線路采用80 km/h的最高運行速度。

表1 既有及規(guī)劃超長線路分布概況

表2 國內(nèi)主要超長線路速度目標(biāo)值

2 城市軌道交通超長線路速度目標(biāo)值的選擇

“建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)”第十四條規(guī)定:“城市軌道交通建設(shè)應(yīng)根據(jù)線網(wǎng)規(guī)劃，依據(jù)建設(shè)線路的客流特征、運量等級和速度目標(biāo)等進(jìn)行功能定位，確定工程規(guī)模、運營規(guī)模和效益規(guī)模。其項目構(gòu)成應(yīng)滿足城市軌道交通系統(tǒng)運營模式和客運需求?！保?]

城市軌道交通線路選擇合理的最高運行速度，可以快速輸送乘客，縮短乘客出行時間，提高軌道交通的整體服務(wù)水平，城市軌道交通超長線路的速度目標(biāo)值的選擇要考慮與線路功能定位、客流出行特征、車站分布(站間距離)等相適應(yīng)，此外還要考慮運營的經(jīng)濟(jì)性以及不同速度目標(biāo)值對環(huán)境的影響等。

2.1 線路功能定位與速度目標(biāo)的關(guān)系

對一個城市而言，城市軌道交通線路依照所承擔(dān)的功能及線路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的不同，可分為以下3個層次。

(1)城市組團(tuán)快線

聯(lián)系城市核心區(qū)與外圍組團(tuán)，或聯(lián)絡(luò)多個外圍組團(tuán)，以長距離出行服務(wù)為主。平均站間距離2～3 km，最高速度一般為100～120 km/h。組團(tuán)快線將帶動城市外圍組團(tuán)的開發(fā)建設(shè)與城市更新，促進(jìn)城市內(nèi)外一體化及城市多中心結(jié)構(gòu)的形成。

(2)城市干線

聯(lián)系城市主要聚集節(jié)點及其沿線片區(qū)，以中短距離出行服務(wù)為主。平均站間距離約1 km，最高速度一般為80～100 km/h。干線覆蓋城市主要客運交通走廊，將緩解城市交通壓力、促進(jìn)土地集約利用及城市主要發(fā)展軸的發(fā)展。

(3)城市局域線

聯(lián)系相鄰組團(tuán)或組團(tuán)內(nèi)部各片區(qū)，是城市干線和快線的補充線路，以中短距離出行服務(wù)為主。平均站間距離約1 km，最高速度一般不大于80 km/h。局域線將在上層次線路基礎(chǔ)上，進(jìn)一步增加覆蓋、緩解交通壓力，并加強(qiáng)外圍城區(qū)各片區(qū)間的聯(lián)系。

城市軌道交通超長線路一般屬于前兩類，即城市組團(tuán)快線或者城市干線，速度目標(biāo)一般在80 km/h及以上。進(jìn)行速度目標(biāo)比選時，首先應(yīng)根據(jù)其功能定位，并充分考慮同一客流走廊內(nèi)小汽車、公交汽車等交通方式的出行時間，合理確定旅客出行的時間目標(biāo)值，進(jìn)而框定軌道交通合理的旅行速度［3]。

2.2 客流出行特征對速度目標(biāo)選擇的影響

進(jìn)行速度目標(biāo)選擇時，要考慮各級運距的乘客量及客流出行距離等客流出行特征。據(jù)統(tǒng)計，一般城市軌道交通線路長度在30 km內(nèi)的線路，不同乘距的客流粗框比例大致是:5 km內(nèi)乘距占10%，5～10 km乘距占40%，10～15 km乘距占20%，15 km以上占30%。由此可見，5～10 km乘距比例最大。故一般線路采用80 km/h的最高運行速度，旅行速度達(dá)到35 km/h，大部分乘客一次出行時間僅10～20 min，服務(wù)水平較高，速度目標(biāo)值的選取與客流需求相適應(yīng)，是合理的。

對于超長線路來說，也應(yīng)考慮滿足特定乘距范圍內(nèi)的客流出行需要，這個特定乘距范圍客流所占的客流比例應(yīng)該是最大的。特定乘距范圍數(shù)值及所占比例直接影響長大線路的平均乘距，若長大線路的平均乘距較短，則選用較低的速度目標(biāo)值就可滿足大部分乘客快速出行需求，若長大線路的平均乘距較長，則要選用較高的速度目標(biāo)值來滿足乘客出行需求［4-5]。

2.3 車站分布對速度目標(biāo)選擇的影響

對于軌道交通速度應(yīng)追求旅行速度為主。對于全封閉的城市軌道交通線路，旅行速度與車輛的最高速度有關(guān)，也與車站的間距有關(guān)。車輛的最高速度由車輛相關(guān)性能決定，而車站間距應(yīng)根據(jù)線路功能、沿線用地規(guī)劃確定。

“建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)”規(guī)定:“對超長線路應(yīng)以最長交路運行1 h為目標(biāo)，旅行速度達(dá)到最高運行速度的45%～50% 為宜?！保?]

條文說明中也闡述了速度目標(biāo)與站間距的關(guān)系。

(1)車輛的最高速度目標(biāo)定為80 km/h時，站間距大部分在1.2～1.5 km，可以滿足旅行速度35 km/h。站間距大部分在2.0～2.5 km，可以滿足旅行速度40～45 km/h［1]。

(2)車輛的最高速度目標(biāo)定為100 km/h時，站間距2.5～3.0 km，可以滿足旅行速度45～55 km/h［1]。

(3)對于站間距普遍大于3.0 km的線路，可能屬于城郊組團(tuán)之快速線路，可以追求最高速度≥120 km/h，可有效提高旅行速度≥60 km/h［1]。

不同站間距的旅行速度見表3［1]。

表3 不同站間距地鐵列車的旅行速度 km/h

可見，列車的旅行速度與站間距關(guān)系密切，速度目標(biāo)選擇時應(yīng)考慮與車站分布相匹配，不盲目追求列車的最高運行速度。

2.4 速度目標(biāo)值選擇的經(jīng)濟(jì)性分析

不同速度目標(biāo)的經(jīng)濟(jì)性分析主要有以下幾個方面:車輛購置費比較、牽引供電系統(tǒng)比較、建筑限界比較、相關(guān)設(shè)備比較等。

(1)車輛購置費比較

不同速度車輛的購置費差別主要是由于車輛購置數(shù)量及車輛單價不同引起的。車輛購置數(shù)量在線路長度及運營交路方案相同的情況下主要是由列車的旅行速度決定的，旅行速度高車輛周轉(zhuǎn)快，需要的運用車數(shù)少，需購置車數(shù)就少，反之則引起購置車數(shù)量增加。不同速度車輛單價也不同，根據(jù)車輛廠最新報價，同類型車輛80 km/h車輛單價最低，100 km/h車輛單價比80 km/h車輛高約50萬元/輛，120 km/h車輛單價比100 km/h 車輛高約50 萬元/輛［6]。

但目前國內(nèi)能夠生產(chǎn)速度超過80 km/h車輛的廠家有限，生產(chǎn)快線車輛能力情況如下。

株洲電力機(jī)車廠已能生產(chǎn)120 km/h的A型車(SIEMENS技術(shù))和B型車，已用于上海11號線和廣州地鐵3號線。四方機(jī)車車輛廠已能生產(chǎn)140 km/h的A型車(BOMBARDIER技術(shù))，目前處于方案設(shè)計階段。浦鎮(zhèn)車輛廠已能生產(chǎn)140 km/h的A型車(ALSTOM技術(shù))，目前已完成方案設(shè)計，價格約1 300萬元/輛。長春客車廠已能生產(chǎn)135 km/h的A型車，已用于香港地鐵［7]。

(2)牽引供電系統(tǒng)比較

不同速度車輛對牽引供電系統(tǒng)的影響主要從耗電量、牽引變電所數(shù)量、機(jī)組安裝容量等方面進(jìn)行分析比較。不同速度車輛列車的牽引、制動等性能不同，其牽引耗電量差別較大，一般來說行車速度越高，牽引年用電量越高，運營費用增加越大［8]。牽引變電所設(shè)置數(shù)量及機(jī)組裝機(jī)容量與牽引耗電量是正比關(guān)系;速度目標(biāo)值提高時，牽引變電所設(shè)置數(shù)量及設(shè)備容量必須增加。

(3)建筑限界比較

我國A、B型車的車輛限界、設(shè)備限界和建筑限界已在國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《地鐵限界標(biāo)準(zhǔn)》(CJJ96—2003)和現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《地鐵設(shè)計規(guī)范》(GB50157—2003)中作出規(guī)定;跨座式單軌車限界和Lb型車限界正在研究編制。

研究表明:地鐵車輛若采用80 km/h的速度目標(biāo)值(允許瞬時超速5 km/h)，維持現(xiàn)行地鐵設(shè)計限界標(biāo)準(zhǔn)不變;如果采用100 km/h的速度目標(biāo)值(為最高行車速度)，維持現(xiàn)行地鐵設(shè)計限界標(biāo)準(zhǔn)不變;如果采用100 km/h需要瞬時超速5～10 km/h或采用120 km/h的速度目標(biāo)值，則應(yīng)根據(jù)乘客的舒適度標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)列車車輛密封性指標(biāo)和區(qū)間隧道斷面的阻塞比校核隧道斷面的凈空面積，并適當(dāng)增加斷面尺寸［9]。

(4)相關(guān)設(shè)備比較

不同速度目標(biāo)值方案對信號、屏蔽門、車站設(shè)備、軌道、道岔等設(shè)備的要求有所不同。

根據(jù)目前國內(nèi)外信號系統(tǒng)工程實際的應(yīng)用情況和對信號系統(tǒng)供貨商不同制式系統(tǒng)設(shè)備的了解，信號系統(tǒng)在相關(guān)專業(yè)(車輛、軌道、供電、限界、線路等)滿足其設(shè)計技術(shù)條件(不同速度目標(biāo)值)的前提下，80、100、120 km/h三種速度目標(biāo)值信號系統(tǒng)方案本身并無實質(zhì)性的變化，但80、100 km/h速度目標(biāo)值有成熟的應(yīng)用經(jīng)驗，120 km/h速度目標(biāo)值無成熟應(yīng)用經(jīng)驗，設(shè)備還需進(jìn)一步研發(fā)、試驗。

對于軌道設(shè)備，地下線、高架線均采用整體道床，對于不同速度目標(biāo)值軌道設(shè)備無差別;地面線采用碎石道床，隨著速度目標(biāo)值的提高，道床頂面寬度相應(yīng)增寬，道砟數(shù)量相應(yīng)增加，但增加量較?。?0-12]。因此，不同速度目標(biāo)值方案對軌道工程投資影響很小。

對屏蔽門、車站設(shè)備等設(shè)備強(qiáng)度或規(guī)格要求有所不同，但對投資影響很小。因此，不同速度目標(biāo)值方案對信號、屏蔽門、車站、軌道、道岔等設(shè)備工程影響較小。

2.5 不同速度目標(biāo)值方案對環(huán)境的影響

城市軌道交通項目對沿線聲環(huán)境的影響主要來自于高架段和地面段。軌道交通噪聲大小不僅與列車對數(shù)有關(guān)，還受運行速度的影響。本次研究，根據(jù)鐵計【2006】44號《鐵路建設(shè)項目環(huán)境影響評價噪聲振動源強(qiáng)取值和治理原則指導(dǎo)意見》，采用模式法對城市軌道交通高架區(qū)間沿線聲環(huán)境的影響進(jìn)行預(yù)測［13]。不同速度對噪聲大小的影響預(yù)測結(jié)果見表4，達(dá)標(biāo)距離見表5。

表4 不同速度對噪聲大小的影響

表5 不同速度下的達(dá)標(biāo)距離m

可見，速度越大，超標(biāo)范圍越大。若按居住區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)來衡量(晝間60 dB/夜間50 dB)，80 km/h時的達(dá)標(biāo)距離為255 m;100 km/h時的達(dá)標(biāo)距離增大為330 m;120 km/h時的達(dá)標(biāo)距離增大為415 m。

3 關(guān)于“超長線路應(yīng)以最長交路運行1 h為目標(biāo)”的探討

“建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)”規(guī)定:“對超長線路應(yīng)以最長交路運行1 h為目標(biāo)，旅行速度達(dá)到最高運行速度的45%～50%為宜［1]?！? h的運行時間目標(biāo)目前已成為大多數(shù)城市軌道交通線路進(jìn)行速度目標(biāo)值選擇的限制性因素，那么1 h的時間目標(biāo)究竟能否被突破?

從目前國內(nèi)已運營的地鐵線路來看，是可以的，例如上海地鐵9號線。上海地鐵交通9號線，也稱作申松線，是一條東西走向為主的線路。規(guī)劃中全線由松江新城站至崇明島，目前已通車運營的為西起松江新城站，東至楊高中路站的一期和二期工程，全長約46 km，高峰小時采用大小交路運行，其中大交路為松江新城站—楊高中路站，小交路為中春路站—楊高中路站。大交路全程運行時間約70 min，超過1 h的限制。

“建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)”中規(guī)定的1 h的全程運行(可認(rèn)為最長交路運程)，是避免司機(jī)駕駛疲勞，屬勞動安全問題，但是也沒有嚴(yán)格要求地鐵司機(jī)每隔1 h就必須換班休息。

目前國內(nèi)的地鐵列車絕大部分可實現(xiàn)自動駕駛和非自動駕駛，駕駛室內(nèi)一般配備2人，1人擔(dān)任司機(jī)，1人負(fù)責(zé)“打下手”。在地鐵行駛過程中，2人做得最多的就是單手指示手勢，通過手勢確認(rèn)車門是否開啟正確、進(jìn)出站信號燈等情況。地鐵司機(jī)基本上不用開車，主要負(fù)責(zé)監(jiān)視列車、站臺情況，只有在遇到意外或者緊急情況時，才會進(jìn)行駕駛操作。地鐵列車司機(jī)幾乎都是每隔1～2 h換班休息1次。也就是1～2 h都是可以接受的，沒有1 h的強(qiáng)制要求，并且隨著運營管理技術(shù)及水平的進(jìn)一步提高，超長線路的司機(jī)換班問題也可以通過在中間車站設(shè)置司機(jī)換班室等方式來解決。國鐵實行長交路，司機(jī)駕駛時間更長。

4 結(jié)語

城市軌道交通線路選擇合理的最高運行速度，可以快速輸送乘客，縮短乘客出行時間，提高軌道交通的整體服務(wù)水平。隨著城市化進(jìn)程的推進(jìn)，不少城市市區(qū)規(guī)模越來越大，相應(yīng)的城市軌道交通超長線路也會越來越多。在進(jìn)行城市軌道交通超長線路速度目標(biāo)值方案比選時，不應(yīng)死摳“1 h”的運行時間限制，不盲目追求列車的最高運行速度。應(yīng)綜合考慮列車最高運行速度與線路功能定位、客流出行特征、車站分布(站間距離)等相適應(yīng)，并考慮投資及運營的經(jīng)濟(jì)性以及對環(huán)境的影響等因素，通過綜合分析比選論證，確定較優(yōu)的速度目標(biāo)值方案。

［1]中華人民共和國建設(shè)部，中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會.建標(biāo)104—2008 城市軌道交通工程項目建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)［S].北京:中國計劃出版社，2008.

［2]北京城建設(shè)計研究總院.GB50157—2003 地鐵設(shè)計規(guī)范［S].北京:中國計劃出版社，2003.

［3]周立新，孔慶瑜.城市軌道交通系統(tǒng)分類法的探討［J].城市軌道交通研究，2005(2):28-31.

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［6]中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，西安市地鐵3號線一期工程可研報告［Z].西安:中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，2010.

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［13]中華人民共和國鐵道部.鐵計函［2006]44號 鐵路建設(shè)項目環(huán)境影響評價噪聲振動源強(qiáng)取值和治理原則指導(dǎo)意見［S].北京:鐵道部辦公廳，2006.