青島城市軌道交通R3線速度目標值的選擇

葉佩文

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，710043，西安∥工程師)

隨著我國城市化進程的飛速發(fā)展，城市軌道交通線路長度出現(xiàn)增長的趨勢，出現(xiàn)了超長線路是難免的。速度目標值也是城市軌道交通超長線路主要技術(shù)標準中的核心指標。它直接影響土建規(guī)模及設(shè)備系統(tǒng)的選擇。速度目標值的選擇與線路長度、客流構(gòu)成、站間距離，以及服務(wù)水平等密切相關(guān)，過高或過低的速度目標值都會給運營帶來不利的影響。過高的速度目標值，會造成工程投資的增加，對站間距離并不大的線路會影響行車效率，對縮短運行時分的效果并不明顯;而過低的速度目標值，不利于吸引客流，同時會造成運用車數(shù)的增加。因此，合理確定城市軌道交通超長線路的速度目標值，對運營組織意義重大。

R3 線是青島城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃中“一環(huán)四線”的組成部分，全線在黃島區(qū)范圍內(nèi)，是通往董家口經(jīng)濟區(qū)的軌道交通快線。本工程線路起自青島市黃島區(qū)(即西海岸新區(qū))內(nèi)經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)的嘉陵江路站，經(jīng)由經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)、靈山衛(wèi)影視文化產(chǎn)業(yè)區(qū)、新區(qū)中心區(qū)、古鎮(zhèn)口軍民融合創(chuàng)新示范區(qū)、董家口經(jīng)濟區(qū)等5 個片區(qū)，線路所經(jīng)片區(qū)的規(guī)劃人口密集，形成了黃島區(qū)內(nèi)各組團間及黃島區(qū)與青島主城區(qū)和紅島經(jīng)濟區(qū)之間的主要客流走廊。R3 線全長70.14 km，設(shè)車站22 座，是典型的城市軌道交通超長線路。為其選擇合理的速度目標值可以快速輸送乘客、縮短乘客出行時間，并提高城市軌道交通的整體服務(wù)水平。

1 速度目標值選擇的宏觀分析

1.1 線路功能定位與速度目標值選擇的關(guān)系分析

城市軌道交通線路依據(jù)所承擔的功能及技術(shù)標準的不同，可分為以下3 個層次:

1)城市組團快線:聯(lián)系城市核心區(qū)與外圍組團，或聯(lián)絡(luò)多個外圍組團，以長距離出行服務(wù)為主。其平均站間距離為2 ～3 km，最高速度一般為100 ～120 km/h。組團快線將帶動城市外圍組團的建設(shè)與城市更新，促進城市內(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)點及沿線片區(qū)，以中短距離出行服務(wù)為主。其平均站間距離約1 ～2 km，最高速度一般為 80 ～ 100 km/h。城市干線覆蓋城市主要客運交通走廊，起到緩解城市交通壓力、促進土地集約利用及促進城市主要發(fā)展軸發(fā)展的作用。

3)城市局域線:聯(lián)系相鄰組團或組團內(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。其平均站間距離約1 km，最高速度一般不大于80 km/h。城市局域線將在上層次線路基礎(chǔ)上，進一步增加覆蓋，以緩解交通壓力，并加強外圍城區(qū)各片區(qū)間的聯(lián)系。

城市軌道交通長距離線路一般屬于前兩類，即城市組團快線或城市干線，速度目標值一般在80 km/h 及以上。青島城市軌道交通R3 線南段連接董家口經(jīng)濟區(qū)，北段銜接青島市的M1 線、M6 線和R2 線，在引導周邊區(qū)域發(fā)展的同時，與青島市西岸城區(qū)中的南北向線路形成換乘，以發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)化效應(yīng)。R3 線屬于城市組團快線。經(jīng)定性分析，本項目速度目標值宜優(yōu)先選擇100 ～120 km/h。

1.2 客流特征分析

根據(jù)R3 線客流預(yù)測結(jié)果，遠期全日客流量達到59.66 萬人次，平均乘距16.5 km，高峰小時單向最大斷面流量為2.29 萬人次。R3 線共設(shè)22 座車站，其中經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)設(shè)車站4 座，靈山灣影視文化產(chǎn)業(yè)區(qū)共設(shè)車站5 座，新區(qū)中心區(qū)和古鎮(zhèn)口區(qū)共設(shè)車站7 座，董家口經(jīng)濟區(qū)設(shè)車站6 座。分析上述5 個片區(qū)之間聯(lián)系后，可統(tǒng)計出各片區(qū)客流之間的分布如表1所示。

表1 R3 線所經(jīng)各片區(qū)之間遠期客流分布 人次

從表1 可以看出:5 個片區(qū)中董家口經(jīng)濟區(qū)內(nèi)部出行量相對較大，占總客運量的16.3%;新區(qū)中心區(qū)和古鎮(zhèn)區(qū)內(nèi)部出行總量約占10.6%;其他2 個區(qū)內(nèi)部出行量占總客運量的比例均在10%以下;新區(qū)中心區(qū)和古鎮(zhèn)區(qū)與其他3 個區(qū)之間的出行量都比較大，均占R3 線總客運量的15%以上;靈山灣影視文化產(chǎn)業(yè)區(qū)是西海岸新區(qū)未來的中心，與經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)和新區(qū)中心區(qū)之間的出行量均較大。

從客流特征來看，由于本項目是連接經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)、靈山灣影視文化產(chǎn)業(yè)區(qū)、新區(qū)中心區(qū)、古鎮(zhèn)區(qū)及董家口經(jīng)濟區(qū)的快速軌道交通線路，各片區(qū)之間距離相對較遠，且各個片區(qū)的職住比相對平衡，所以區(qū)域之間交通出行量相對較少，致使本線客運強度不高、平均運距較長。因此，本線需選用較高的速度目標值來滿足乘客出行需求，同時使車輛性能也能得到較好發(fā)揮。

1.3 乘車時間目標值分析

《青島市城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃調(diào)整》(2014年)所提出的軌道交通層級體系在空間上對應(yīng)了不同范疇的交通圈層。現(xiàn)按交通圈層對各層次線網(wǎng)之間的銜接模式展開分析，交通圈層大致可分為以下3 個層次:

1)一日生活圈層:以青島為核心，加強都市圈內(nèi)及山東半島城市之間的軌道交通系統(tǒng)銜接，以高速鐵路與城際鐵路為支撐，實現(xiàn)生活休閑出行時間一日往返。

2)一小時通勤圈層:在距離青島市中心50 ～60 km 半徑范圍內(nèi)，依托城際鐵路和城市軌道交通快線，確保外圍組團、新城(即墨城區(qū)、膠州城區(qū)、平度城區(qū)、萊西城區(qū)、董家口港城、膠州濱海新城、鰲山灣新區(qū)、空港新城、姜山新城、新河新城)的通勤出行1 h 到達青島中心城區(qū)。

3)中心城區(qū)內(nèi)部圈層:中心城區(qū)范圍內(nèi)為居民日常出行集中區(qū)域，即東岸城區(qū)、西岸城區(qū)、北岸城區(qū)之間依托城市軌道交通快線和市區(qū)軌道交通線路實現(xiàn)1 h 可達，各大核心區(qū)之間及大城區(qū)內(nèi)部實現(xiàn)45 min 可達。

《城市軌道交通工程項目建設(shè)標準》［3］規(guī)定:“對超長線路應(yīng)以最長交路運行1 h 為目標，旅行速度達到最高運行速度的45% ～50%為宜?！鼻鄭u市域的城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃是為了引導青島城市空間拓展，促進“1 h 交通圈”的形成。結(jié)合青島未來“依托主城、擁灣發(fā)展、組團布局、軸向輻射”的城市空間發(fā)展戰(zhàn)略，滿足軸線上的“中心城市—次中心城市—重點鎮(zhèn)”形式的軌道交通需求已成為市域軌道交通線網(wǎng)的最基本需求。

R3 線是城市軌道交通快線，是聯(lián)系城市以及邊緣組團的快速軌道交通系統(tǒng)。其將城市市區(qū)以外的多個點或塊與城市邊緣的交通接口連接起來，通過換乘也可以連接到城市中心。根據(jù)青島市規(guī)劃目標:青島城區(qū)將實現(xiàn)95%出行者的出行時間在45 min 之內(nèi)，到周邊縣市控制在1 h 左右。因此，R3 線時間目標值可確定為:董家口經(jīng)濟區(qū)至靈山彎影視文化產(chǎn)業(yè)區(qū)的出行時間可定在45 min 之內(nèi)，至經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)1 h 左右。

2 速度目標值選擇方案

2.1 R3線速度目標值方案

根據(jù)目前國內(nèi)地鐵實際運營情況，結(jié)合本線功能定位、客流特征分析及車站分布情況，本線最高運行速度目標值將分別按 80 km/h、100 km/h、120 km/h 三個方案設(shè)立。

2.2 不同速度目標值方案對運營的影響

2.2.1 對乘車時間目標值的適應(yīng)性分析

R3 線客流平均運距長，且線路起終點間的長途客流比例大。實際運營中，在行車量較小的平峰時段可開行部分大站?？燔?，以滿足跨組團、遠距離客流需求;運距較短的客流由站站停列車兼顧。

根據(jù)列車牽引模擬計算，采用3 節(jié)動車1 節(jié)拖車的4 輛編組列車在不同速度目標值方案下的旅行時間見表2。

表2 不同速度目標值方案運營時分比較表

由表2 可知，120 km/h 方案與 100 km/h 方案相比站站停列車節(jié)省約5.3 min，大站停列車節(jié)省6.7 min;120 km/h 方案與80 km/h 方案相比站站停列車節(jié)省約12.8 min，大站停列車節(jié)省15.4 min。120 km/h 方案大站停列車旅行時間較站站停列車節(jié)省 8.7 min。

120 km/h 方案大站停列車全線總旅行時間在60 min 以內(nèi)，與 100 km/h、80 km/h 方案相比有一定優(yōu)勢。結(jié)合不同乘距的客流出行比例分析，采用120 km/h 最高運營速度目標方案能夠較好地適應(yīng)本線乘車時間目標的需求。

2.2.2 運營技術(shù)指標分析

經(jīng)列車牽引模擬計算，3 節(jié)動車1 節(jié)拖車的4輛編組列車在不同速度目標值方案下的各項運營技術(shù)指標見表3。

表3 不同速度目標值方案的運營技術(shù)指標分析表

由表3 可見:站站停列車120 km/h 方案較100 km/h方案每列次車全線能耗增加約45 kW·h，旅行速度提高約 4. 7 km/h;120 km/h 方案較80 km/h方案每列次車全線能耗平均增加約78k W·h，旅行速度提高約10.3 km/h;120 km/h方案與100 km/h 方案相比，大站停列車能耗增加約44 kW·h，旅行速度提高約7.7 km/h;120 km/h方案與80 km/h方案相比，每列次車全線能耗平均增加約73 kW·h，旅行速度提高約15.5 km/h。由此可見，120 km/h 方案具有速度優(yōu)勢，且更適合開行大站?？燔?。

2.2.3 大站快車越行站站停慢車分析

本線初、近、遠期高峰小時開行對數(shù)分別為18對/h、27 對/h、30 對/h，列車按大小交路運行，開行比例為2∶1。大交路為嘉陵江路站—董家口火車站，小交路為嘉陵江路站—大珠山站。大站快車越行站站停慢車會對站站停慢車運行時間產(chǎn)生較大影響。

經(jīng)模擬鋪畫列車運行圖，120 km/h 方案按每列站站停列車允許被越行2 次考慮，則當通過能力為大交路開行14 對/h(大站停和站站停列車各占一半)、小交路開行6 對/h 時，大站停列車旅行時間較站站停列車節(jié)省8. 7 min(站站停列車不被越行時);站站停列車由于被大站停列車越行，則旅行時間又需增加8.6 min。100 km/h 方案按每列站站停列車允許被越行2 次考慮，則當通過能力為大交路開行13 對/h、小交路開行7 對/h 時，大站停列車旅行時間較站站停列車節(jié)省7.3 min(站站停列車不被越行時);站站停列車被大站停列車越行時，則旅行時間又需增加8.9 min。

經(jīng)綜合分析，大站快車越行站站停列車情況下的運輸能力無法滿足近、遠期高峰時段的運輸需求，采用越行方式雖然可以適當提高運輸能力，但使站站停列車運輸質(zhì)量降低，且部分車站需設(shè)置越行線，增加了工程投資。因此，本工程建議不采用大站快車越行站站停慢車方案，本文也不再展開研究。

2.3 不同速度目標值方案的站間距適應(yīng)性分析

《城市軌道交通工程項目建設(shè)標準》的條文說明中也闡述了速度目標值與站間距的關(guān)系如下:

1)車輛的最高速度目標值定為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 時，可以滿足旅行速度40 ～45 km/h。

2)車輛的最高速度目標值定為100 km/h 時，站間距離在 2. 5 ～ 3. 0 km，可以滿足旅行速度 45 ～55 km/h。

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

由此可見，列車的旅行速度與站間距關(guān)系密切，速度目標值選擇時應(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。在站站停運營方式下，列車在每個區(qū)間都要作加減速運營，列車運行速度越高，起動和制動距離就越長。在站間距一定的條件下，速度目標值選擇過小，則列車加速時間短、旅行速度低、旅行時間加長;速度目標值選擇過大，則導致列車還沒有運行到最高速度或以最高速度運行極短時間后就開始減速，造成浪費。本工程全線站間距離情況見表4。

由表4 可知，本線站間距離大于3 km 的區(qū)間較多，占線路全長的比例高達61.5%，平均站間距在3.32 km 以上，對采用較高速度目標值的適應(yīng)性較好。

表4 R3 線站間距離分布表

2.4 不同速度目標值方案的經(jīng)濟性分析

不同速度目標值方案的經(jīng)濟性可按以下幾個方面分析:

1)土建工程:速度目標值的選擇對土建工程的影響較大，速度目標值越高，要求的建筑限界也越大。對于地下線來說，則應(yīng)根據(jù)乘客的舒適度標準，依據(jù)列車車輛密封性指標和區(qū)間隧道斷面的阻塞比來校核隧道斷面的凈空面積，并需適當增加斷面尺寸;對于高架線來說，本工程采用單線U 梁并置方案，線間距變化不大，其相應(yīng)梁寬度變化也不大，所以下部結(jié)構(gòu)的橋墩、基礎(chǔ)承重等變化不大。經(jīng)研究，本工程因大部分線路為高架橋梁，120 km/h 方案較100 km/h 方案(其與80 km/h 方案相當)土建工程投資增加約3.8 億元。

2)車輛購置費:由于不同速度目標值方案的運行時間和運行速度不同，運用車數(shù)和車輛購置費均有不同，具體見表5。由表5 可知，遠期120 km/h方案較100 km/h 方案減少運用車32 輛，較80 km/h 方案減少運用車76 輛;遠期120 km/h 方案較100 km/h 方案節(jié)省車輛購置費8 800 萬元，較80 km/h方案節(jié)省車輛購置費22 800 萬元。

表5 不同速度目標值方案的遠期運用車數(shù)和車輛購置費比較表

3)供電系統(tǒng):不同速度目標值方案在主變電所分布、中壓環(huán)網(wǎng)構(gòu)成、牽引網(wǎng)配置上基本相同，隨著速度目標值的提高，牽引變電所設(shè)置數(shù)量及設(shè)備容量必須增加。經(jīng)研究，120 km/h 方案較100 km/h方案和80 km/h 方案供電系統(tǒng)投資增加約0. 55億元。

4)其他相關(guān)設(shè)備系統(tǒng):對于軌道系統(tǒng)，地下線和高架線均采用整體道床，對于不同速度目標值方案的軌道設(shè)備差別不大;對于信號系統(tǒng)，根據(jù)目前國內(nèi)外信號系統(tǒng)實際情況和對信號系統(tǒng)供貨商不同制式設(shè)備的調(diào)查，80 km/h、100 km/h、120 km/h 方案本身并無實質(zhì)性的變化，但80 km/h、100 km/h 速度目標值方案有成熟的應(yīng)用經(jīng)驗，120 km/h 速度目標值方案的相關(guān)設(shè)備還需作進一步研發(fā)、試驗;對站臺屏蔽門、車站設(shè)備等不同的速度目標值方案對設(shè)備強度或規(guī)格要求有所不同，但對投資影響很小。因此，不同速度目標值方案對軌道、信號、站臺屏蔽門、車站等設(shè)備工程的影響較小。

經(jīng)綜合分析，在考慮遠期車輛購置費的前提下，120 km/h 方案較100 km/h 方案綜合投資增加約3.47 億元，120 km/h 方案較80 km/h 方案的綜合投資增加約2.07 億元，從城市軌道交通綜合經(jīng)濟性角度分析，120 km/h 方案的工程投資增加并不十分明顯。

3 結(jié)論

通過以上分析，在 80 km/h、100 km/h、120 km/h 最高運營速度目標值方案中，120 km/h 的最高運營速度目標值方案對乘車時間目標值和站間距的適應(yīng)性較好，具有達速距離較長、全線運行時間省的優(yōu)勢，也能滿足規(guī)劃的乘車時間目標值要求，且在運營技術(shù)指標上有明顯的優(yōu)勢，雖土建及設(shè)備系統(tǒng)投資均有所增加，在考慮遠期車輛購置費的前提下，120 km/h 方案的工程投資增加并不明顯。綜上所述，推薦青島城市軌道交通R3 線采用120 km/h 的最高運營速度目標值。

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