西安市軌道交通草堂線速度目標值選擇的探討

丘崇譽

QIU Chong-yu

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司 線路運輸處，陜西 西安 710043)

(Track and Transportation Department， China Railway First Survey and Design Institute Group Co.， Ltd.， Xi’an 710043， Shaanxi， China)

西安市軌道交通草堂線速度目標值選擇的探討

丘崇譽

QIU Chong-yu

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司 線路運輸處，陜西 西安 710043)

(Track and Transportation Department， China Railway First Survey and Design Institute Group Co.， Ltd.， Xi’an 710043， Shaanxi， China)

草堂線是西安市城市外圍市域軌道交通線，合理確定其速度目標值，是提高軌道交通服務(wù)質(zhì)量的重要基礎(chǔ)。在闡述線路和車站概況、線路特點、客流特點的基礎(chǔ)上，從線站條件、運行時分、工程經(jīng)濟性、運營技術(shù)指標、環(huán)境影響等方面進行綜合分析，合理確定草堂線速度目標值。

西安；草堂線；速度目標值

城市軌道交通網(wǎng)可以分為市區(qū)級、市域級、區(qū)域級 3 個層次，其中市域級線路以主城區(qū)為核心，溝通并連接副中心城市、新城、機場和外圍功能組團等，是市域范圍客運體系的骨干，承擔市域內(nèi)的長距離出行，為外圍功能組團、新城區(qū)的乘客提供快速便捷的交通服務(wù)。草堂線是西安市線網(wǎng)規(guī)劃中的市域快速軌道交通，是主城區(qū)與規(guī)劃的外圍副中心、新城間重要的快速軌道交通主通道，合理確定其速度目標值，是提高軌道交通服務(wù)質(zhì)量的重要基礎(chǔ)。因此，從線站條件、運行時分、工程經(jīng)濟性等方面對草堂線速度目標值的選擇進行研究。

1　西安市軌道交通草堂線概況

1.1線路和車站概況

草堂線為主城區(qū)南部外圍橫向切線，向西串經(jīng)長安區(qū)、韋曲、高新區(qū)等外圍功能組團，并從主干線引出支線向戶縣副中心城市輻射。為在適度投資規(guī)模下加快城市西南片區(qū)與主城區(qū)間快速通道的建設(shè)，引導(dǎo)西南片區(qū)土地開發(fā)、支持高新區(qū)規(guī)模擴展，草堂線全線分 2 期建設(shè)，一期工程南起太平峪，北迄側(cè)坡，與同期建成的地鐵 6 號線換乘引入主城區(qū)，線路長 22.9 km，設(shè)車站 14 座；二期工程側(cè)坡至航天基地，線路長 20.9 km，設(shè)車站 14座；戶縣至張良寨支線安排在二期建設(shè)，全長 12.1 km，設(shè)車站 5 座[1]。草堂線平面布置如圖 1 所示。

圖1　草堂線平面示意圖

1.2線路特點

（1）草堂線屬于市域外圍線路，通過軌道交通網(wǎng)其他線路實現(xiàn)主城區(qū)與外圍重點發(fā)展區(qū)域的融合。該線從主干線引出支線向戶縣副中心城市輻射，呈 Y 型線路形態(tài)，覆蓋副城、新區(qū)、沿線外圍功能組團，對速度要求較高，實現(xiàn)快速聯(lián)系主城區(qū)。

（2）根據(jù)《城市軌道交通工程項目建設(shè)標準》(建標 104-2008) 要求，“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，旅行速度達到最高運行速度的 45%～50% 為宜”[2]。草堂線全長約 55 km (含戶縣支線)，結(jié)合研究確定的運行交路方案，太平峪至航創(chuàng)路交路長度 37.9 km，戶縣至航天基地交路長度 46.7 km[1]，該線屬于超長線路。

（3）線路沿城市主干道敷設(shè)，線形條件總體良好，平面限速點少，具備開行快速列車的條件。

（4）一期工程、支線、二期工程平均站間距分別為 1.73 km、1.49 km 和 2.01 km，全線平均站間距較西安地鐵 1 號線至 3 號線站間距離長，有利于較高速度列車的運行。

1.3客流特點

草堂線位于主城區(qū)外圍，沿城市南部各組團間行走，是引導(dǎo)副城、高新拓展區(qū)快速開發(fā)的軌道線，沿線以通勤客流、商務(wù)客流、旅游客流為主，高峰時段通勤客流特征明顯。

客流預(yù)測結(jié)果顯示，遠期 (2042 年) 全日運量達到 88.11 萬人次，全日平均乘距 12 km 左右，高峰小時最大斷面客流為 3.25萬人次[1]?？土鲝姸鹊陀谥行木€路，居民的平均出行距離較市區(qū)線長。高峰時段通勤客流特征明顯，客流初期 (2020 年)、近期(2027 年)、遠期早高峰均出現(xiàn)在 7 : 00—8 : 00、占全日客流量的 15.9%，晚高峰出現(xiàn)在 18 : 00—19 : 00、占全日客流量的 11.8%；早晚客流總量占全日客流量的 27.7% 左右[3]。

從客流特征分析，草堂線主要承擔草堂、戶縣至西安主城區(qū)的客流，客流平均運距長，需要快速通過本線。

2　西安市軌道交通草堂線速度目標值的選擇

《西安市城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃 (修編)》包括15 條線，已經(jīng)運營的 1 號線、2 號線及在建或擬建的 3 號線至 6 號線、臨潼線等均采用 80 km/h 速度目標值。結(jié)合西安市軌道交通線路和國內(nèi)地鐵超長線路運營情況，圍繞 80 km/h、100 km/h、120 km/h 3個速度目標值方案，主要從線站條件、運行時分、工程經(jīng)濟性等方面進行分析。

2.1線站條件分析

草堂線主要以高架為主，線路基本沿草堂大道、西太路和規(guī)劃路布設(shè)，沿線地形開闊，控制因素較市區(qū)線路少，全線共設(shè)曲線 34 處，曲線總長6 162.95 m，占全線總長的 26.87%，其中 400 m≤R＜500 m 半徑 4 處，500 m≤R＜650 m 半徑 2 處，主要設(shè)在車站進出站端加減速地段，基本不需要限速，其余地段采用較大的曲線半徑，能夠較好地適應(yīng) 3 種速度目標值。

車站分布方面，草堂線 45% 區(qū)間的站間距離在 1 000～1 500 m 之間，45% 區(qū)間的站間距離在1 500～2 000 m 之間，大于 2 000 m 的區(qū)間較少，僅占全線區(qū)間的 10% 左右；全線貫通后平均站間距為 1.6 km。根據(jù)預(yù)測的最高斷面客流量，草堂線初期、近期、遠期采用 B 型 4 動 2 拖 6 輛編組列車，通過“地鐵牽引計算仿真系統(tǒng)”對不同速度起停車距離進行計算，計算結(jié)果如表 1 所示。

表1　不同速度起停車距離表

由表 1 可知，80 km/h 速度目標值起停車總距離最大為 593 m，高速運行距離較長，達速比為63.1%；100 km/h 速度目標值起停車總距離最大為1 237 m，平均站間距離達速比為 23.0%，達速運行距離相對較短；120 km/h 速度目標值方案不能達速，起停車距離之和大于本線最大站間距離。綜合遠期全線貫通運營后平均站間距較短的特點，從發(fā)揮速度優(yōu)勢角度分析，80 km/h 速度目標值適應(yīng)性較好。

2.2運行時分分析

西安市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃中要求市域快速軌道交通能夠提供快速便捷的交通服務(wù)，要求外圍功能組團、新城區(qū)的乘客在 30 min 左右的時間抵達中心市區(qū)，而且各功能組團、新城區(qū)之間 1 h 左右能夠相互通達[1]。草堂線屬于市域外圍線路，主要加強外圍副中心、新城之間的聯(lián)系，時間目標值確定為 1 h。按照 B 型 4 動 2 拖 6 輛編組列車進行計算，考慮旅行時間含平均每站 30 s 停站時間，80 km/h、100 km/h、120 km/h 速度目標值運營時間如表 2 所示。

表2　運行時間比較表 min

由表 2 可知，3 個速度目標值方案主干線全線總運行時間均在 1 h 以內(nèi)，符合時間目標值要求。100 km/h 較 80 km/h 速度方案運行時間壓縮約 4 min，優(yōu)勢不明顯；120 km/h 較 100 km/h 速度方案運行時分壓縮 0.6 min，時間基本相同，節(jié)省時間有限。

2.3工程經(jīng)濟性分析

（1）工程建設(shè)規(guī)模分析。從全線建設(shè)規(guī)模分析，80 km/h 與 100 km/h、120 km/h 相比，車站設(shè)置情況一致。根據(jù)《地鐵設(shè)計規(guī)范》，不同速度目標值要求的平面最小曲線半徑不同，一般情況下速度越小，采用的最小曲線半徑越小，線路長度越長。結(jié)合沿線控制因素，80 km/h 比 100 km/h、120 km/h線路長度分別增加 84 m 和217 m；另外，由于 80 km/h 采用較小曲線半徑可以更好地適應(yīng)道路紅線，減少線路切入地塊的長度，并能夠有效繞避建筑物。因此，與 100 km/h、120 km/h 相比，80 km/h 速度目標值拆遷量分別減少 13 723 m2和 20 573 m2。

（2）建筑限界影響分析。隧道的大小和橋涵的寬窄取決于限界，限界越大，安全度越高，但工程量和投資也隨之增加[4]。80 km/h 和 100 km/h 速度目標值的建筑限界主要由車輛限界和設(shè)備限界確定，兩者相差甚微，采用相同的現(xiàn)行地鐵設(shè)計限界標準可以滿足運營需求；120 km/h 速度目標值的建筑限界通過空氣動力學效應(yīng)來確定，為確保行車安全和減少空氣動力學效應(yīng)對行車和乘客舒適度等的不利影響，需要增加隧道斷面尺寸。在建筑限界中，配套 120 km/h 的橋梁和路基等地面工程因限界變化引起的工程投資變化很小，影響較大的主要是隧道工程，工程設(shè)計中主要通過放大隧道斷面有效面積來降低空氣動力學效應(yīng)[5]。草堂線隧道長約 3 km，主要采用盾構(gòu)法施工，120 km/h 速度方案隧道每雙延米需要增加約 1.5 萬元，增加工程投資較多。

（3）牽引供電系統(tǒng)影響分析。①對牽引變電所的影響。軌道交通列車速度目標值的選取與牽引耗電量關(guān)系密切，速度越高，耗電量越大，牽引電流隨之增大，相應(yīng)牽引變電所設(shè)置數(shù)量及設(shè)備容量增加。經(jīng)測算，80 km/h、100 km/h 和 120 km/h 速度目標值分別需要設(shè)置 10 座、10 座和 11 座牽引變電所。②對接觸網(wǎng)的影響。正線采用架空接觸網(wǎng)，其中高架段采用柔性接觸網(wǎng)、地下段采用剛性接觸網(wǎng)，3 種速度目標值方案均能滿足，但 100 km/h 及以上速度目標值方案接觸網(wǎng)懸掛點增多，同時機械分段采用滑道式膨脹元件進行分段，投資較 80 km/h速度目標值增加約 10% 左右。

（4）機電系統(tǒng)設(shè)備影響分析。3 個速度目標值方案對機電系統(tǒng)設(shè)備要求各不相同，通過對各系統(tǒng)制式應(yīng)用的了解，3 種速度目標值信號系統(tǒng)方案無本質(zhì)差別；而對屏蔽門/站臺門等車站乘降設(shè)備的規(guī)格要求有所不同，但對項目總體投資影響很小。因此，3 個速度目標值方案對機電系統(tǒng)和車站乘降設(shè)備等的選型影響小，工程投資差別不大[6]。

（5）運用車數(shù)及購置費分析。計算公式為

式中：Ny為運用車總列數(shù)，列；L 為起終點站距離，km；V 為列車平均旅行速度，km/h；T 為列車交路兩端折返時間，h；N 為高峰小時列車開行數(shù)量，列/h[7]。

3 個速度目標值的運用車數(shù)和車輛購置費如表3 所示。

表3　運用車數(shù)及購置費比較

經(jīng)測算，以 80 km/h 方案為基礎(chǔ)，遠期較100 km/h 方案增加運用車30輛、較 120 km/h 方案增加運用車 36 輛；車輛購置費采用 80 km/h 方案遠期較 100km/h 方案節(jié)省車輛購置費 1 500 萬元、較120 km/h 方案節(jié)省車輛購置費 18 000 萬元。因此，采用 80 km/h 速度目標方案，車輛購置費最為節(jié)省。

（6）車輛段及綜合維修基地影響分析。草堂線設(shè)1處車輛段，為廠架修段，初近期廠架修設(shè)施預(yù)留，由線網(wǎng)中其他線路車輛段承擔，遠期擇機建設(shè)廠架修設(shè)施。西安市已經(jīng)開通運營的軌道交通線路及規(guī)劃線路均采用 80 km/h 的車輛，如果采用相同的車輛，有利于檢修工裝設(shè)備的共享，實現(xiàn)“集中修”，使車輛維修系統(tǒng)最優(yōu)化利用。不同速度目標值運用車數(shù)不同，需要停車列檢列位不同，根據(jù)計算，遠期 80 km/h 需要 68 列位，100 km/h 需要 63 列位，120 km/h 需要 62 列位，各速度目標值對列檢列位的需求稍有區(qū)別，但對總投資影響不大。

綜上所述，統(tǒng)籌工程建設(shè)、建筑限界、運營設(shè)施設(shè)備等因素進行分析，速度目標值 80 km/h 較100 km/h、120 km/h 方案工程投資分別節(jié)省 1.1 億元、 2.3 億元。從降低投資強度、減小征拆、提高工程可實施性等方面考慮，速度目標值 80 km/h 方案優(yōu)勢明顯。

2.4運營技術(shù)指標分析

速度目標值越高，列車牽引能耗越大。經(jīng)列車牽引模擬計算，不同速度目標值方案各項運營技術(shù)指標如表 4 所示。由表 4 可知，80 km/h 較 100 km/h速度方案每列車全線能耗平均約節(jié)省 219 kW · h，節(jié)省 21.1% 左右，旅行速度降低約 4.1 km/h；100 km/h較 120 km/h 速度方案能耗約節(jié)省 203.5 kW · h，節(jié)省 16.4% 左右，旅行速度與 100 km/h 基本相當。

2.5環(huán)境影響分析

草堂線以高架敷設(shè)為主，遠期全線建成后橋梁占比超過 35.7%，高架地段列車運行噪聲對沿線兩側(cè)環(huán)境影響較大。軌道交通噪聲主要受列車對數(shù)和運行速度影響較大[6]。經(jīng)檢算，速度目標值越高，對兩側(cè)聲環(huán)境的影響越大。如果按照居住區(qū)標準衡量 (晝間 60 dB、夜間 50 dB)[8]，在不考慮設(shè)置任何防護措施的情況下，80 km/h 的達標距離為 255 m、100 km/h 的達標距離為 330 m、120 km/h 的達標距離為 415 m。由此可見，速度越高，對環(huán)境的影響范圍越大，但不論采用哪種速度目標值均需要采取聲屏障、隔聲窗等降噪措施，以緩解對環(huán)境的影響。

表4　運營技術(shù)指標分析表

綜上所述，草堂線平均站間距離約為 1 606 m，120 km/h 速度目標值方案不能有效發(fā)揮速度優(yōu)勢，達速距離較短或不能達速，全線運行時間與 100 km/h速度方案基本相當；100 km/h 較 80 km/h 速度方案每列車雖然可以節(jié)省時間 5 min，但能耗增加 218.9 kW · h左右，增加約 21.1%，而且車輛購置費增加；采用80 km/h 的速度目標值可以較好適應(yīng)各項要求，工程投資省，運營成本低，符合節(jié)能減排政策，綜合優(yōu)勢明顯。因此，草堂線速度目標值推薦采用 80 km/h。

3　結(jié)束語

在軌道交通領(lǐng)域中市域軌道是具有城市交通功能要求的“快速”軌道，草堂線作為行經(jīng)西安市區(qū)和外圍重要功能組團的超長線路，實現(xiàn)其快速功能有利于提高服務(wù)質(zhì)量，便于旅客出行；通過與其他線路連接成網(wǎng)，實現(xiàn)副城、新區(qū)與主城區(qū)多節(jié)點、多層次、多方向的高效便捷聯(lián)系，引導(dǎo)外圍重點區(qū)域發(fā)展。因此，合理適度選擇速度目標值是設(shè)計研究的關(guān)鍵，通過全面系統(tǒng)地量化如何實現(xiàn)“快速”功能，使草堂線速度目標值的選擇更為經(jīng)濟、適度，項目研究更為科學，為其他項目建設(shè)提供參考。

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責任編輯：何 瑩

Discussion on Selection of Speed Target Value of Rail Transit Hangtianjidi-Taipingyu Line in Xi’an

Hangtianjidi-Taipingyu line is an urban rail transit line located at periphery of Xi’an city, reasonable determination of the line’s speed target value is the important foundation of improving service quality of the rail transit. Based on summarizing general status of the line and station, characteristics of the line and the passenger flow, this paper makes comprehensive analysis from the aspects including conditions of the line and station, running time, engineering economy, operation technical index and environment influence, and then, reasonably determines the speed target value of Hangtianjidi-Taipingyu line.

Xi’an; Hangtianjidi-Taipingyu Line; Speed Target Value

1003-1421(2016)02-0076-05

U239.5

B

10.16668/j.cnki.issn.1003-1421.2016.02.16

2015-12-07

中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司科研開發(fā)項目 (院科 08-08)