川道型城市軌道交通制式及車輛選型研究

高 杰

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，西安 710043)

川道型城市作為一種狹長的帶形城市結(jié)構(gòu)，在我國黃河沿岸普遍存在，特別是在西北五省，具有代表性的省會城市有西寧、蘭州。受地理地形條件限制，川道型城市有著獨特的空間拓展模式和階段，形成了相應的土地利用形態(tài)和空間結(jié)構(gòu)，決定了擁有相對較高的公交出行比例，其走廊客流聚集效應相對于平原城市更強，平均出行距離更長，發(fā)展軌道交通是解決川道型城市交通難題的重要選擇之一，選擇合理的系統(tǒng)制式和車輛選型是前期規(guī)劃研究的關(guān)鍵[1]。

1 研究背景

西寧市是青海省的省會，是青藏高原唯一一座人口超過百萬的城市。市區(qū)位于河湟谷地，受“四山夾三河”的地理條件限制，中心城區(qū)整體呈現(xiàn)“十字”川道型城市形態(tài)(圖1)，平均人口密度高達1.5萬人/km2，其中大十字中心交匯區(qū)10 km2范圍內(nèi)人口密度高達4萬人/km2。中心城區(qū)已無空間建設(shè)新的道路資源，迫切需要建設(shè)軌道交通緩解城市交通壓力，引導城市的重點區(qū)域發(fā)展[2]。

圖1 西寧市川道型城市特點示意

1.1 前期線路規(guī)劃方案

從建設(shè)特點來看，西寧市與常規(guī)城市有所差異，具有以下特征：川道型城市形態(tài)導致道路資源極為緊張，道路面積嚴重匱乏；川道內(nèi)聚集特征明顯，呈現(xiàn)出“橫向聚集、軸向交流”的特征；沿線多為已建成區(qū)，建筑物密集、交通擁擠、道路紅線較窄；高原半干旱氣候，冬季風沙較大，冰凍期長，采暖期長達半年之久。

基于以上原因，西寧市中心城區(qū)規(guī)劃3條線路：1號線西起西城大街，終止于東川金開路，全長29.4 km，為東西向貫通西寧市主城區(qū)的主骨干線路；2號線起于北川花園臺村，終止于博文路，全長21.2 km，是北川交通走廊和東川交通走廊的骨架線路；3號線起于西川21號路，終止于塔爾寺，全長41.0 km，為西川交通走廊和南川交通走廊的骨架線路(圖2)。建設(shè)規(guī)劃首先實施1號線和3號線一期工程(圖3)，全長47.7 km，為減少拆遷和占用既有道路，并兼顧降低建設(shè)投資，主城區(qū)線路采取地下敷設(shè)方式，主城區(qū)以外采取高架敷設(shè)為主。

1.2 客流預測

與全國其他城市相比，西寧市現(xiàn)狀居民出行方式結(jié)構(gòu)特征主要表現(xiàn)為：步行比例高。西寧市居民出行方式構(gòu)成中，步行比例高達40.85%；公共交通在居民出行中占據(jù)主導地位。西寧市居民乘坐常規(guī)公交出行的比例高達35.07 %，僅次于步行比例；自行車出行比例很低。主要原因是地理氣候因素：太陽輻射強、晝夜溫差大、冰凍期長，客觀限制自行車、電動車的使用。

圖2 西寧市城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃示意

圖3 西寧市城市軌道交通建設(shè)規(guī)劃示意

根據(jù)《客流預測研究報告》相關(guān)結(jié)果，1號線高峰小時客流規(guī)模為初期1.25萬人/h，近期1.95萬人/h，遠期2.4萬人/h；3號線高峰小時客流規(guī)模為初期0.95萬人/h，近期1.60萬人/h，遠期2.4萬人/h。結(jié)合西寧市的城市規(guī)模、城市形態(tài)、社會經(jīng)濟發(fā)展水平和客流狀況，其軌道交通線網(wǎng)基本定位為中運量級線路。

本文從1、3號線的功能定位、線路條件、客流需求等方面對制式及車型編組問題進行分析，在適用性和經(jīng)濟性等方面綜合比選[3]。

2 系統(tǒng)制式和車型選擇研究

2.1 系統(tǒng)制式研究

根據(jù)西寧市的氣候環(huán)境、規(guī)劃現(xiàn)狀、線網(wǎng)方案及客流預測結(jié)果，主要選擇方案有普通輪軌、跨座式單軌、直線電機Lb和中低速磁浮四種制式系統(tǒng)[4]。

跨座式單軌一般采取高架敷設(shè)的方式，列車牽引耗能高，對冰雪天氣適應性差，道岔結(jié)構(gòu)復雜而笨重，轉(zhuǎn)換時間較長[5]；直線電機Lb車輛的效率較低，氣隙控制技術(shù)復雜，我國產(chǎn)業(yè)體系尚沒有形成，車輛價格和后期運營費用偏高；中低速磁浮車輛載客有比較明確的限制，不適合大客流線路或客流增長快的線路，且由于技術(shù)尚不成熟，運營維護費較高。綜上所述，推薦西寧軌道交通采用技術(shù)成熟、安全可靠的普通輪軌系統(tǒng)。

2.2 車輛選型研究

根據(jù)國辦發(fā)[2018]52號文：申報建設(shè)地鐵的城市一般公共財政預算收入應在300億元以上，地區(qū)生產(chǎn)總值在3000億元以上，市區(qū)常住人口在300萬人以上；申報建設(shè)輕軌的城市一般公共財政預算收入應在150億元以上，地區(qū)生產(chǎn)總值在1500億元以上，市區(qū)常住人口在150萬人以上；擬建地鐵、輕軌線路初期客運強度分別不低于每日每千米0.7，0.4萬人次，遠期客流規(guī)模分別達到單向高峰小時3萬人次以上、1萬人次以上?！苯刂?018年末，西寧市區(qū)與湟中縣常住人口之和為177.56萬人(2019年12月湟中縣撤縣改區(qū))，2018年西寧市地區(qū)生產(chǎn)總值1286.41億元，全市地方一般公共預算收入為92.95億元，但通過上級補助和調(diào)入資金，全市一般公共預算收入總量達337.9億元。西寧市區(qū)常住人口數(shù)量滿足輕軌建設(shè)條件，其他兩個條件暫不滿足。但考慮到西寧市在青海省的首位度極高，采取了省市共建的模式，建設(shè)資金和運營補虧都可以得到保障，所以車輛選型在滿足運能的條件下要充分考慮經(jīng)濟性因素[6]。

西寧軌道交通1、3號線預測的遠期高峰小時最大斷面客流量為2.4萬人/h，屬于中運量等級，僅從滿足運輸需求的角度分析看，適應的車型有B、C、Lb型車及單軌車型。依據(jù)2.1節(jié)研究結(jié)論，車輛選型應在滿足運能需求的普通輪軌系統(tǒng)B型車或C型車(本文以株洲廠研發(fā)的高地板鉸接輕軌車輛參數(shù)進行比選)中進行重點研究。

3 列車編組方案研究

遠期高峰時段列車最小運行間隔按2 min考慮、站立標準按6人/m2考慮， B、C型車研究年度不同列車編組方案見表1。

表1 B、C型車運能與線網(wǎng)預測客流的適應性分析

從表1研究結(jié)果來看，B型車4輛及以上編組和C型車5輛(4輛編組時運能余量僅4.5%)及以上編組均能適應預測客流結(jié)果的需求。

乘客舒適度作為軌道交通“以人為本”的最主要衡量指標之一，當列車運行間隔一定時，列車編組輛數(shù)就成為最直接的影響因素[7]。西寧1、3號線遠期高峰小時最大單向斷面流量均為2.4萬人/h，平均運距分別為8.76 km和6.77 km，兩條線的遠期預測客流最大斷面值相同，列車編組方案比選以1號線為例進行分析。

1號線不同編組方案的各種相關(guān)指標見表2。

表2 1號線列車編組方案

通過表2可以看出，初、近、遠期比較有價值的列車編組方案為B型車5-5-5、4-4-6和4-4-4三種編組方案以及C型車5-5-5編組方案，均可滿足本線遠期能力需求，優(yōu)缺點分析如下。

(1)方案1：初、近、遠期均采用B型車5輛固定編組，推薦開行對數(shù)分別為11，17對/h和20對/h。運能余量適中，初、近、遠期采用相同編組易于運營、管理及檢修。但該方案具有以下不足之處：首先5輛編組列車在國內(nèi)僅有蘇州地鐵2號線采用，車輛采購周期較長且單價會相對較高；其次1號線作為西寧市東西向的主骨干線路，采用5輛編組高峰小時開行對數(shù)較少、服務(wù)水平較低。

(2)方案2：初、近期采用B型車4輛編組方案，遠期采用B型車6輛編組，推薦開行對數(shù)分別為14，21對/h和17對/h。該方案考慮到1號線為西寧市東西向主骨干線路，且由于川道型城市客流的集聚效應，遠期客流存在較大的不確定性。其缺點主要是4輛編組的列車在遠期合理處置的問題。一種方案是對列車進行擴編，將4輛編組的列車擴編為6輛編組，這在技術(shù)上可以實現(xiàn)，但增加了復雜性及成本，4輛編組列車在出廠時就需要預留擴編條件，造成單車購置費增加；同時4輛編組在近期過渡到遠期6輛編組時，會存在不同編組數(shù)輛的列車混跑，給乘客上車和車站運營管理造成不便；因4輛編組與6輛編組列車長度不一致，給列車檢修也造成不便。另一種方案是將4輛編組的列車運用在后續(xù)建設(shè)的線路上，但存在后續(xù)線路建設(shè)運營時間的接續(xù)匹配問題、線路技術(shù)標準和系統(tǒng)制式統(tǒng)一問題以及投資主體和運營管理體制不同等問題[8]，存在一定的實施難度。

(3)方案3：初、近、遠期均采用B型車4輛固定編組，推薦開行對數(shù)分別為14，21對/h和25對/h。該方案與客流量匹配性好，運能適應性較強，整體服務(wù)水平較高，列車滿載率指標優(yōu)于其他方案[9]，運營經(jīng)濟性較好。目前國內(nèi)大部分城市軌道交通線路均采用初、近、遠期相同的列車編組方案[10]，已形成了相對成熟的運營管理及維修經(jīng)驗，初、近、遠期采用相同編組方案從運營、管理及檢修角度都非常方便，整體上看屬于系統(tǒng)的最優(yōu)方案，車輛段及停車場規(guī)模容易控制。

(4)方案4：初、近、遠期均采用C型車5輛固定編組，推薦開行對數(shù)分別為12，19對/h和23對/h，其優(yōu)點同方案3。

從運營角度來看，在相同運能需求下，小編組列車可提供更小的行車間隔。1號線初、近期高峰小時預測客流量較小，采用以上4個編組方案均能滿足客流需要，4、5輛編組方案相對6輛編組方案有乘客等待時間短、服務(wù)水平高、線路滿載率相對高的優(yōu)點。由于初、近期年限相隔較近，為避免運營不久就改變編組，一般初、近期宜采用相同的編組輛數(shù)[11]，綜合考慮客流適應性、服務(wù)水平和運營管理等因素，西寧軌道交通1、3號線初、近、遠期列車編組推薦采用方案3或方案4，即B型車4輛固定編組或C型車5輛固定編組。

4 適應性分析

1、3號線作為西寧市規(guī)劃第一批建設(shè)的城市軌道交通線路，車輛選型除應滿足自身客流需求外，還應綜合考慮整個城市軌道交通線網(wǎng)車輛選型的規(guī)劃和協(xié)調(diào)[12]，以實現(xiàn)線網(wǎng)資源的最大共享和利用。

4.1 車輛選型與線網(wǎng)資源共享的適應性分析

西寧市中心區(qū)軌道交通線網(wǎng)總長為91.6 km，根據(jù)全國城市線網(wǎng)規(guī)劃經(jīng)驗，線網(wǎng)在100～150 km內(nèi)設(shè)大架修車輛基地1處[13]。考慮到建設(shè)時序、用地條件、交通條件等因素，大架修基地設(shè)置在1號線吳仲村車輛段內(nèi)(圖4)，負責全網(wǎng)各線列車的大架修任務(wù)。因此軌道交通1、2、3號線應選用相同的車輛類型，以提高車輛檢修效率，減少取送檢修車走行距離。市域其他線路車輛制式選擇可在后續(xù)研究時再行確定。

圖4 西寧市遠景軌道交通線網(wǎng)車輛基地規(guī)劃

4.2 不同車型與線路平面條件的適應性分析

為滿足1、3號線列車最高運行速度80 km/h的運營要求，正線曲線半徑不應低于400 m，困難地段可采用300 m。根據(jù)統(tǒng)計1號線、3號線一期線路平面設(shè)計特征及主要技術(shù)參數(shù)見表3。

表3 1、3號線一期線路平面設(shè)計特征及主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)客流預測結(jié)果，1、3號線客流規(guī)模相當，考慮到川道型城市客流聚集性相比平原城市更為集中的特點，車輛選型應留有一定的富余量，同時參考國內(nèi)車型選擇的普遍性，從運營和維修角度采用B型車更為合理。1、3號線所采用的最小曲線半徑為300 m，B、C型車均可以滿足線路平面需求。盡管C型車的曲線半徑標準、轉(zhuǎn)彎半徑可以更小，對于繞避建筑物和減少拆遷有利，但是采用更小的半徑不僅使鋼軌和車輪的磨耗較大[14]，且對運營產(chǎn)生限速，因而采用更小半徑的必要性不大，C型車的優(yōu)勢無法得以體現(xiàn)。

5 經(jīng)濟性分析

本文對滿足客流需求的B型車4輛編組和C型車5輛編組進行經(jīng)濟性分析研究。

5.1 土建規(guī)模及工程投資比較

(1)土建規(guī)模及投資分析

B、C型車區(qū)間盾構(gòu)隧道建筑限界一致，區(qū)間工程兩種車型差別不大，不同點在于車站有效站臺長度，車站公共區(qū)布置和規(guī)模略有不同。一個站臺寬度相同的標準車站，C型車5輛編組的車站比B型車4輛編組的車站主體建筑面積增加約910 m2，投資增加約930萬元/站(表4)。

表4 4B及5C編組標準車站建筑方案比較

若考慮在土建投資相當?shù)臈l件下，C型車需采用4輛編組，但4C編組列車運能為4B編組列車的87%，對于客流的適應性較差。

因此，B型車4輛編組工程投資較低、客流適應性強，車站土建投資經(jīng)濟性優(yōu)于C型車5輛編組。

(2)車輛段規(guī)模及工程投資比較

車輛基地用地按最大規(guī)?？刂?，檢修規(guī)模按近期設(shè)計，遠期預留，其余停車列檢及周月檢規(guī)模按近期設(shè)計，統(tǒng)籌遠期，按遠景規(guī)模預留[15]。

1、3號線車輛分別按4B編組和5C編組計算的車輛基地規(guī)模，如表5所示。

表5 1、3號線B、C型車車輛基地規(guī)模比較

按照大架修段每輛車占地指標1 000 m2計算，遠期4B方案征地面積約為36 hm2，5C方案征地面積約為43 hm2。按照定修段每輛車占地指標900 m2計算[16]，遠期4B方案征地面積約為33 hm2，5C方案征地面積約為39 hm2。

在運能基本一致的前提下，5C方案列車長度較4B長約20 m，運用車數(shù)有所增加，1、3號線車輛基地遠期5C方案征地面積均大于4B方案。

5.2 車輛購置費分析

C型車5輛編組目前在國內(nèi)的城市軌道交通線路中尚未有采用，需要建模、研發(fā)，車輛采購周期較長且單價會相對較高。

普通輪軌系統(tǒng)B型車目前的估算價格基本為700萬元/輛左右，C型車目前的估算價格基本為670萬元/輛左右，1號線采用B型車4輛編組初期需購置37列/148輛車，采用C型車5輛編組初期需購置35列/175輛車，購置C型車將較購置B型車增加13 650萬元；3號線一期采用B型車4輛編組初期需購置18列/72輛車，采用C型車5輛編組初期需購置18列/90輛車，購置C型車將較購置B型車增加9 900萬元。從車輛購置費進行分析，選用B型車更為合理。

5.3 運營經(jīng)濟性分析[17]

(1)B、C型車牽引耗電量比較

B型車4輛編組與C型車5輛編組有多種動拖比組合方式，本文按B型車4輛編組3M1T滿載(AW2)與C型車5輛編組4M1T滿載(AW2)為例進行計算(考慮1號線和3號線一期在25‰以上的縱坡長度接近全線總長度的12%和40%，高架線路在雨雪惡劣天氣影響下，C型車3M2T故障救援能力不足[18])，1號線與3號線牽引耗電量比較見表6。

表6 1、3號線一期不同車型牽引耗電量比較

由表6可以看出，B型車4輛編組一列車往返的耗電量與人公里能耗均低于C型車5輛編組。根據(jù)初步確定的全日列車開行計劃及列車運行交路，若以每度電0.8元計算，1號線特征年牽引耗電一項B型車較C型車將分別節(jié)省支出約330，693萬元/年和990萬元/年，3號線分別節(jié)省支出約333，365萬元/年和531萬元/年。

(2)運營成本比較[19]

僅從1號線來看，其遠期B型車4輛編組與C型車5輛編組的運用車數(shù)分別為224輛和260輛，B型車車輛數(shù)量比C型車少36輛，車輛修理費、清潔費等相關(guān)費用也會減少。綜合考慮車輛運用數(shù)量和列車能耗的減少等因素，B型車4輛編組的運營成本略低于C型車5輛編組。

6 結(jié)語

結(jié)合川道型城市軌道交通客流和線路設(shè)置的特殊性，詳細分析了各種制式及車輛選型的適用性及經(jīng)濟性，構(gòu)建了相應的評判標準，得到以下結(jié)論。

(1)B型車4輛編組具有一定抗風險能力，可以提高運營組織的靈活性，降低運營管理調(diào)度的難度，相比C型車5輛編組具有更好的經(jīng)濟性。

(2)1、3號線選用同一種車型及編組，能夠形成較好的資源共享優(yōu)勢。

(3)川道型城市軌道交通制式及車輛選型研究，既要立足于客流預測，又要考慮到川道效應的聚集效應和特殊性，在土建、場段等環(huán)節(jié)上做好發(fā)展預留(建議車站和場段的土建規(guī)模按照B型車6輛編組預留)，避免出現(xiàn)國內(nèi)部分軌道交通線路建成幾年后因無法滿足客流需求而被迫進行改造的不利局面。

從實際需求來看，西寧市急需建設(shè)軌道交通來破解城市交通難題，其地面道路交通早已不堪重負，嚴重制約了城市發(fā)展。積極發(fā)展軌道交通是解決這種川道型城市交通瓶頸的有效手段，其客流特點與傳統(tǒng)的平原城市有較大差異，統(tǒng)一用國辦發(fā)[2018]52號文各項指標來衡量未免有失偏頗[20]。例如同為川道型城市的蘭州，其地鐵1號線(6 A編組)開通半年來，客流強度在全國已開通地鐵城市中相比較已處于中等水平。只有充分考慮到川道型城市的現(xiàn)狀與遠期規(guī)劃發(fā)展條件，研究軌道交通的制式與車型選擇如何滿足城市需求，才能使其成為城市科學、先進、合理的綜合公共交通體系中的重要組成部分。