北京市域快軌新機場線車輛選型研究

徐成永 李 猛

(北京城建設(shè)計發(fā)展集團股份有限公司 北京 100037)

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北京市域快軌新機場線車輛選型研究

徐成永 李 猛

(北京城建設(shè)計發(fā)展集團股份有限公司 北京 100037)

北京軌道交通新機場線是一條服務(wù)于北京新機場的專線，線路全長41 km，平均站間距19 km，初步客流預(yù)測遠期高峰小時斷面約5 800人/h，旅行時間目標為從市內(nèi)航空主客源地至新機場北航站樓半小時到達。從線路長度、站間距及機場專線的旅行時間目標來看，本線宜采用最高運行速度140 km/h及以上車輛。結(jié)合本線線路敷設(shè)方式、資源共享條件及車輛技術(shù)成熟度等，本線車型及最高運行速度選擇受到一定限制。當前國內(nèi)市域快軌發(fā)展面臨技術(shù)標準不明確、線網(wǎng)層次不清晰等問題，新機場線作為特殊的市域快軌，其車輛選型受線路功能定位、乘客乘坐舒適度、旅行時間等多種因素影響，需結(jié)合多方面因素綜合考慮。從新機場線的特殊性及設(shè)計目標入手，對本線最高運行速度、車輛型式的選擇進行分析，得到本線適宜采用最高運行速度160 km/h、在城際動車組成熟平臺基礎(chǔ)上進行改進的市域型車的結(jié)論。

城市軌道交通；新機場線；市域快軌；車輛選型；最高運行速度

1 研究背景

2012年11月，國家發(fā)展改革委批復(fù)了北京市城市軌道交通近期建設(shè)規(guī)劃調(diào)整方案(2007—2016年)，同意新增新機場快線，線路自中心城區(qū)至北京新機場，采用快速軌道交通方式以實現(xiàn)半小時到達，項目爭取與新機場同步建設(shè)[1]。

列車最高運行速度是本線的重要技術(shù)指標，它直接影響到土建工程規(guī)模及設(shè)備系統(tǒng)的選擇。它的選擇與線路長度、客流構(gòu)成、站間距離以及服務(wù)水平密切相關(guān)，過高或過低的速度目標值都會給運營帶來不利的影響。根據(jù)國內(nèi)外大城市機場專線軌道交通的發(fā)展經(jīng)驗：適用于機場線列車的最高運營速度一般為100～160 km/h[2-3]。針對北京新機場線，從航站樓到市中心距離40 km以上，要實現(xiàn)半小時到達中心城區(qū)，列車旅行速度應(yīng)在80 km/h以上，則新機場線列車最高速度應(yīng)該在120～160 km/h。

但是選擇120、140還是160 km/h的最高速度值,需根據(jù)新機場線具體線路的功能、時間目標要求、乘客群體、線網(wǎng)資源共享及外部制約條件等多個因素來進行研究決定。此外，單純提高車輛最高運行速度可能對旅行時間影響不大，應(yīng)綜合點到點交通運行時間來考慮，如通過減少換乘距離、增加軌道交通覆蓋范圍等增加可達性，綜合提高軌道交通的快速可達性。

此外，新機場線線路、站間距較長，對乘坐舒適度要求較高，屬于連接機場與市中心的專線，也是一條特殊的市域快線。根據(jù)國內(nèi)外建設(shè)經(jīng)驗[4-5]，本線車輛選型存在兩種選擇，一種是在目前的地鐵A/B型車上進行升級，另一種是使用國鐵動車組進行優(yōu)化。普通地鐵服務(wù)范圍為中心城，市域快軌列車則服務(wù)市域或都市圈、聯(lián)系中心城與外圍組團。因此，與普通地鐵相比，本線列車線路長、平均站間距大、乘客乘坐時間長，直接采用地鐵列車難以滿足本線對于旅行時間及乘坐的舒適性要求。相較于國鐵，本線站間距較??；國鐵列車雖然已經(jīng)研制出時速160/200 km/h的CRH6型動車組，但由于服務(wù)客流性質(zhì)不同，不能直接用于城軌交通系統(tǒng)中。因此，新機場線車輛選型是系統(tǒng)建設(shè)面臨的一個難題。

本文結(jié)合新機場線工程特點及設(shè)計目標，對車型及最高運行速度選擇進行了專門研究，最后對市域快線車輛選型的要素進行總結(jié)，提供一種市域快軌車輛選擇的思路和方法。

2 設(shè)計目標及車輛選型的制約因素

2.1 設(shè)計目標

車輛選型與線路功能定位、需求密切相關(guān)，車輛及最高運行速度選擇服務(wù)于總體設(shè)計目標(見表1)。

表1 新機場線設(shè)計目標

總結(jié)歸納為，在滿足快速、舒適的前提下，車輛選型應(yīng)確保工程可行、風(fēng)險可控、造價最優(yōu)。

2.2 車輛選型的制約因素

2.2.1 旅行時間目標

從與道路交通的競爭性、航空旅客對旅行時間的期望、上位規(guī)劃對本線的時間目標等因素考慮，本線旅行時間目標確定為從航空主客流源地金融街至新機場不大于30 min。

2.2.2 最高運行速度

確定旅行時間目標后，根據(jù)本線線路長度、站間距、曲線及坡度、列車加減速性能等要素，可確定初步的最高運行速度目標。根據(jù)牽引仿真計算結(jié)果,本線選用140 km/h及以上速度方案可滿足擬定的時間目標。

最高運行速度的選定除受旅行時間目標直接影響外，還受制于工程條件和運營經(jīng)濟性等要素。例如，國內(nèi)京滬高鐵設(shè)計之初,土建和車輛等機電設(shè)備均考慮了持續(xù)運行350 km/h的條件，但后來出于安全、運營效率和運營經(jīng)濟性等因素的考慮，降速為300 km/h運行。

2.2.3 供電制式

常規(guī)地鐵車輛一般采用DC750 V或DC1 500 V的架空接觸網(wǎng)/接觸軌供電，國鐵干線及高速鐵路一般采用AC25 kV供電。針對類似新機場線線路特點,介于常規(guī)地鐵和國鐵干線之間的市域快軌，其供電制式選擇需結(jié)合線路特點、工程條件、線網(wǎng)資源共享等因素綜合考慮確定。

從牽引變電所設(shè)置數(shù)量與經(jīng)濟性、外電源協(xié)調(diào)難度、對土建影響等綜合考慮，本線適宜選擇AC25 kV的供電方式。

2.2.4 車輛成熟度與可靠性

如前所述，本線宜選擇最高運行速度140 km/h及以上、采用AC25 kV供電的車輛,這種車輛目前在國內(nèi)城軌線路尚無實際應(yīng)用業(yè)績。經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，可供選擇的主要是基于A型車平臺研發(fā)生產(chǎn)的120～160 km/h市域樣車，另一種是基于國鐵動車組平臺研發(fā)生產(chǎn)的CRH6F型城際動車組。

這兩種平臺車型理論上皆可滿足本線運營需求，但從車輛成熟度出發(fā)，前者目前在國內(nèi)仍為樣車階段，部分車型試驗正在進行中，無實際運營業(yè)績。CRH6F型城際動車組目前已于2015年在國內(nèi)實際線路上通過30萬km運用考核，成熟度具備一定優(yōu)勢。

2.2.5 線網(wǎng)資源共享

市域線的資源共享面臨兩難處境：一方面，與普通城軌線路資源共享存在限界及速度差異較大的問題。例如，常規(guī)A型車落弓高度為3 810 mm、車輛建筑限界一般為5 400 mm左右(以北京為例)；AC25 kV供電市域車落弓高度由于高壓絕緣子的設(shè)置至少為4 400 mm，CRH6F為4 640 mm，加上接觸網(wǎng)安裝高度的變化，車輛建筑限界達到7 600 mm[6]。另一方面，與國鐵線路資源共享存在票制票價、客流性質(zhì)、運營管理方式的區(qū)別。

根據(jù)《北京市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃》(2020)(見圖1)，目前與北京新機場線關(guān)系密切的線路主要為19號線、S6線(城際聯(lián)絡(luò)線)、平谷線等。由于19號線為穿城線路，線路基本以地下敷設(shè)為主，從經(jīng)濟性考慮，其已確定采用DC1 500 V供電的A型車[7]。如前所述，從限界上考慮，新機場線與19號線無法實現(xiàn)資源共享。因此，新機場線宜考慮與S6、平谷線資源共享，而原規(guī)劃S6線已納入京津冀城際網(wǎng)中的城際聯(lián)絡(luò)線[8]。綜上可以看出，從上位規(guī)劃及建設(shè)運營的經(jīng)濟性來看，北京新機場線宜考慮與城際聯(lián)絡(luò)線(原規(guī)劃S6線)、平谷線資源共享，選擇斷面與城際列車相當?shù)能囆汀?/p>

圖1 北京市軌道交通2020年線網(wǎng)規(guī)劃示意

2.2.6 機場專線的服務(wù)特性

本線從線路長度和站間距來看，具備市域快軌特征。但從運營服務(wù)定位來看，是服務(wù)于航空客流的專線。本線車輛選型，受制于本線的服務(wù)特性，主要包括以下方面：

1) 車輛內(nèi)飾、座席布置及舒適度、大件行李存放架、車門數(shù)量及開度、車輛噪聲等應(yīng)滿足航空服務(wù)水平和標準；

2) 本線在草橋設(shè)置城市航站樓，為配合實現(xiàn)城市值機功能，車輛設(shè)置專屬行李車廂。

3 車輛選型分析

3.1 市域A型車與城際動車組比較

下面對適用于本線的兩種車型的主要技術(shù)參數(shù)和在本線的適應(yīng)性進行對比。兩者主要技術(shù)參數(shù)對比如表2[9]所示。

從旅行時間目標、最高運行速度、供電制式及客流服務(wù)特性來說，兩種車型皆可滿足本線需求。

從制約本線的車輛成熟度和資源共享需求來看，城際動車組平臺車型適應(yīng)性更好，因此，本線適宜采用城際動車組平臺車型。

3.2 適用于新機場線的車輛參數(shù)優(yōu)化

如前所述，適用于本線的列車應(yīng)是具備國鐵城際列車斷面、最高運行速度為140 km/h及以上的車型。但是，是否采用CRH6F原型車即可完全滿足本線需求？CRH6F原型車運行于國鐵城際線，其服務(wù)的客流性質(zhì)決定了其車輛旅客界面與新機場線存在較大區(qū)別。

表2 兩種市域快軌列車主要技術(shù)參數(shù)及適應(yīng)性對比

例如，原型車采用購票對號入座、設(shè)置衛(wèi)生間、車輛超員及車體結(jié)構(gòu)強度采用站立6人/m2進行核算等。根據(jù)新機場線的客流服務(wù)特性，這些參數(shù)應(yīng)進行相應(yīng)優(yōu)化(見表3)。

表3 新機場線車輛參數(shù)的優(yōu)化

3.3 列車車體長度的優(yōu)化

從表3可以看出，與城際動車組相比，本線列車車體長度縮短了約1.7 m，對此，結(jié)合北京市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃及新機場線特征分析如下。

1) 車體長度直接影響車輛定距和列車載客定員，進而影響列車軸重。將24.5 m車長的城際動車組與22.8 m車長的優(yōu)化后車型主要技術(shù)參數(shù)對比如表4所示。

表4 24.5 m車長與22.8 m車長的參數(shù)對比

2) 由表4可知，如采用24.5 m車型，乘客站立面積需控制在32.6 m2才能滿足軸重不大于17 t的要求，通常的列車布置圖如圖2所示，其乘客站立面積約為35.5 m2，無法滿足軸重要求。

圖2 通常的列車平面布置

如要滿足軸重要求，可采取的措施有：座椅采用2+3布置、中間增加茶座、增加座席寬度和間隔、減少列車車門數(shù)量等。每項措施，均將導(dǎo)致車輛內(nèi)飾由適用于城市軌道交通的通勤客流，轉(zhuǎn)變?yōu)檫m用于中長距離出行的城際客流。誠然，新機場線定位為專線，這些措施對本線影響較小，但市域線車型應(yīng)結(jié)合北京市全線網(wǎng)統(tǒng)籌考慮，例如線路經(jīng)過燕郊的平谷線，將具備明顯的城市通勤客流特征，采用此種車型適用性較差。

因此，從本線需求考慮，采用22.8 m長的車體可控制軸重在17 t以內(nèi)。此外，較短的車體可減小站臺長度、增強小曲線半徑通過能力、減小站場土建規(guī)模以更適合線路在城市內(nèi)部的敷設(shè)。

4 結(jié)論

北京市域快軌新機場線從站間距和功能定位來看具備明顯的市域快軌特征，目前國內(nèi)市域快軌車輛選型存在標準不明確、定位線網(wǎng)層次不清晰等問題。由中國土木工程協(xié)會牽頭編制的行業(yè)規(guī)范《市域快速軌道交通(120～160 km/h)技術(shù)規(guī)范》(征求意見稿)定義了3種車型，其中包含了與既有城市軌道交通車型斷面尺寸接近的市域A、B型車和與國鐵干線車型斷面尺寸接近的市域D型車，本文推薦新機場線采用的車型參數(shù)，與其市域D型車保持一致，符合在編規(guī)范的相關(guān)要求。

本文從新機場線設(shè)計目標、車輛選型控制性因素入手，得到如下結(jié)論。

1) 制約北京新機場線車輛選型的控制性因素主要有最高運行速度、車輛成熟度、線網(wǎng)資源共享三大因素。

2) 目前國內(nèi)市域快軌列車選擇主要包括地鐵平臺升級車型、城際動車組平臺兩種車型。從最高運行速度、車輛成熟度、北京軌道交通線網(wǎng)資源共享3個因素分析，表明城際動車組平臺車型更適應(yīng)于本線。

3) 根據(jù)線路實際需求，在城際動車組成熟平臺車型的基礎(chǔ)上進行適當優(yōu)化，得到一種改進型的市域型車更適應(yīng)于北京新機場線。這種優(yōu)化包括車體尺寸調(diào)整、取消衛(wèi)生間的設(shè)置、設(shè)置專用行李車廂等，以更好地適應(yīng)城軌交通機場專線客流服務(wù)特性。

[1] 國家發(fā)展改革委關(guān)于北京市城市軌道交通近期建設(shè)規(guī)劃調(diào)整方案(2007—2016)的批復(fù)：發(fā)改基礎(chǔ)[2012]3511號[A].北京，2012.

[2] 周宇冠.關(guān)于市域快速軌道交通的思考[J].鐵道標準設(shè)計, 2012(9): 22-26.

[3] 劉偉.惠莞深城際鐵路新塘至白云機場段速度目標值研究[J].高速鐵路技術(shù), 2013(51): 118-121.

[4] 李忍相, 馮愛軍, 萬學(xué)紅.北京市域快線主要技術(shù)指標研究[J].都市快軌交通,2014, 27(3):27-30.

[5] 雷磊, 高飛.軌道交通市域線車輛[J].鐵道車輛, 2009, 47 (2):16-18.

[6] 北京城建設(shè)計發(fā)展集團股份有限公司.北京軌道交通新機場線一期工程初步設(shè)計文件[A].北京, 2015.

[7] 北京城建設(shè)計發(fā)展集團股份有限公司.北京軌道交通19號線一期工程初步設(shè)計文件[A].北京, 2015.

[8] 京津冀城際鐵路投資公司.京津冀城際鐵路網(wǎng)規(guī)劃[A].北京, 2016.

[9] 王學(xué)亮, 馬云雙.和諧號CRH6型城際動車組簡介[J].高速鐵路技術(shù), 2013(51): 196-201.

[10] 中國鐵路總公司機車車輛設(shè)計定型管理辦法：鐵總科技[2014]169號[A].北京，2014.

(編輯：郝京紅)Vehicle Selection of New Airport Express in Beijing

Xu Chengyong Li Meng

(Beijing Urban Construction Design & Development Group Co., Ltd., Beijing 100037)

New Airport Express (NAE) in Beijing is an express line between Beijing New Airport and the city center, totaling almost 41km with an average station spacing of 19km. The evaluated maximum passenger volume is 5, 800 prs/h and the target travel time is less than 30minutes. The running speed of 140km/h or higher may be selected according to the line length and the station spacing. However, the maximum speed of rolling stock is limited because of tunnel section, resource sharing conditions and vehicle manufacturer. Regional rail development lacks technical standards and its construction is slow in China. As a special regional express rail, the vehicle selection of NAE has significant influence on passenger comfort, travel time and system function. A 160km/h maximum speed and an optimized regional vehicle based on CRH6F are recommended according to NAE's design targets.

urban rail transit; New Airport Express(NAE); regional rapid rail; vehicle selection; maximum running speed

10.3969/j.issn.1672-6073.2016.04.004

2016-06-22

2016-06-29

徐成永，男，碩士，教授級高級工程師，從事城市軌道交通規(guī)劃設(shè)計及相關(guān)研究工作，xucy@bjucd.com

北京市科委課題(Z111100059411009)

U231

A

1672-6073(2016)04-0020-04