多重功能復(fù)合的市域快軌速度目標值研究
——以成都市軌道交通13號線為例

周宏昌

(1.陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室(中鐵一院),西安 710043； 2.中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司,西安 710043)

引言

城市軌道交通根據(jù)不同的服務(wù)功能大致可以分為城區(qū)骨干線、區(qū)域輔助線以及市域快線等類型[1-3]。對于具有市域功能的線路，速度目標值是其重要的技術(shù)指標，合理確定速度目標值是提高城市軌道交通服務(wù)質(zhì)量的重要手段[4-6]。目前，隨著城市化進程的加速，各大城市規(guī)劃了越來越多的功能復(fù)合的超長線路。與一般線路比起來，該類線路可以更好地引導(dǎo)城市發(fā)展、帶動城市結(jié)構(gòu)優(yōu)化，加強中心城區(qū)與郊區(qū)的交流以及緩解中心城市的交通壓力，改善居民出行條件。

既有文獻大多基于市區(qū)標準線路長度對速度目標值進行研究，市區(qū)內(nèi)由于城市發(fā)展較為成熟，受道路紅線、線路路由、設(shè)站較密等條件的影響，市區(qū)內(nèi)軌道交通一般采用80～100 km/h的速度目標值[7-8]。文獻[9-15]雖然對超長市域線的速度目標值進行了研究，但是受限于沿線區(qū)域的空間規(guī)劃和布局，線路的服務(wù)功能單一，因此線路速度目標值仍沿用既有的研究方法[16]。

本文選擇的成都市軌道交通13號線全長近100 km，主要承擔中心城區(qū)內(nèi)部及中心城區(qū)與外圍區(qū)域間的快速聯(lián)系，兼顧機場服務(wù)功能，研究了市域內(nèi)外不同速度目標值的選擇對線路運營情況的影響。前人雖然對速度目標值也進行了一系列的研究，但基本基于標準線路長度。本文在既有研究的基礎(chǔ)上并結(jié)合國鐵的研究方法[17-18]，對13號線的速度目標值進行了深入的研究，相對于過去的研究更加綜合、完善。市域快線中不同的速度目標值的選擇會對運營產(chǎn)生不同的影響，深入研究速度目標值可以為類似復(fù)合功能的市域快線選擇合適的速度目標值提供參考。

本文的研究路線如圖1所示。

圖1 研究路線

1 成都市軌道交通13號線概況

成都市軌道交通13號線是成都市“中心穿越、全局覆蓋、遠景預(yù)留、互聯(lián)互通”的市域快線網(wǎng)的重要組成部分，13號線線路走向如圖2所示。

圖2 成都市軌道交通13號線線路走向示意

從圖2可以看出，13號線起點為城鐵溫江站，終點為T3T4航站樓(跨越了主城區(qū))，線路全長98.5 km，設(shè)站34座(其中換乘站22座)，平均站間距3.0 km，屬于標準的超長線路[19]?？紤]到中心城區(qū)與外圍區(qū)域的功能定位不同，需分別進行研究。其中13號線城區(qū)段平均站間距離1.48 km，站間距離較小，且受到地形限制最小曲線半徑為600 m，局部采用小半徑，其旅速主要受到線路條件與站間距離的影響，宜選用較小的速度目標值。市域范圍內(nèi)的溫江區(qū)、龍泉驛區(qū)、簡陽新區(qū)等外圍組團間距離較大，平均站間距4.35 km。地形限制小，有條件設(shè)置較大的曲線半徑，宜選用較高的速度目標值。因此，結(jié)合客流、車站分布以及線路特點，對城區(qū)段與市域段分別按照100、120、140 km/h的速度目標值方案進行技術(shù)經(jīng)濟比較，確定合理的速度目標值。

2 速度目標值的選擇

2.1 客流特點分析

成都市軌道交通13號線的中心城區(qū)段線路長度28.2 km，占13號全線長度的28.83%，根據(jù)遠期全日客流預(yù)測結(jié)果可知，其內(nèi)部客流交換最高，占比高達全日客流的57.15%；龍泉驛片區(qū)內(nèi)部交流占比為1.29%，與中心城區(qū)客流交換占全日客流的12.54%，中心城區(qū)、龍泉驛、簡陽新城客流占全線客流的74.08%；西端的溫江組團及東部的簡陽組團內(nèi)部及與中心城區(qū)交換客流占全線客流24.95%，其中溫江與中心區(qū)的客流交換與其內(nèi)部客流占比為15.72%。13號線中心城區(qū)的客流吸引較大，提供較多的工作崗位，客流具有較強的向心性。東端的龍泉驛區(qū)、簡陽新城約占全線客流的27.13%，而線路長約占全線的50%。從客流特點中可以看出，本線客流主要以中心城區(qū)的內(nèi)部交流以及中心城區(qū)與外圍組團的跨組團交流為主。因此，提升中心城區(qū)內(nèi)部以及中心城區(qū)與外圍間的交流效率是解決客流需求的主要問題。

2.2 時間目標值的確定

根據(jù)《成都市城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃修編》的要求，結(jié)合成都市軌道交通的定位，提出本次規(guī)劃所遵循的各范圍各期的時間目標，如圖3和表1所示。

圖3 成都市軌道交通線網(wǎng)層次

表1 成都市遠期及遠景軌道交通出行時間目標

根據(jù)成都市線網(wǎng)規(guī)劃，13號線與18號線均為兼具機場線功能的市域快線，兩線在市域與城區(qū)內(nèi)走向均不同。13號線主要服務(wù)于東部外圍組團及北部中心的東西向客流；18號線主要服務(wù)于北部中心與天府新區(qū)南北向及南部外圍組團客流。因此，兩線存在一定的互補關(guān)系。其中18號線的運營時間為44 min。

從表1可以看出，本線作為快線，中心城區(qū)旅行時間應(yīng)小于城區(qū)內(nèi)東西向普速干線4號線的旅行時間才具備競爭優(yōu)勢。溫江片區(qū)至市中心的時間宜按照0.5 h進行控制；作為機場線應(yīng)與18號線的旅行時間相當，機場片區(qū)至市中心的時間應(yīng)不大于1 h。

因此，結(jié)合現(xiàn)狀交通時間及線網(wǎng)規(guī)劃中對交通出行時間的要求，同時根據(jù)本線的特點，本線中心城區(qū)內(nèi)(七里溝至龍華寺段)旅行時間應(yīng)不大于40 min；城鐵溫江站至七里溝旅行時間應(yīng)不大于15 min。為與18號線形成互補關(guān)系，T3T4至煙草公司(三環(huán))旅行時間應(yīng)不大于45 min。

2.3 站間距離匹配性研究

13號線定位為市域快線，由拉近外圍組團與中心城區(qū)時空距離的時效性要求上出發(fā)，必須注重便捷、快速，縮短乘客在途時間，因此需選用較高的速度目標值。《城市軌道交通工程項目建設(shè)標準》中，也對不同站間距離的旅行速度做了統(tǒng)計，結(jié)果見表2。

表2 不同站間距與旅行速度匹配關(guān)系 km/h

如表2所示，以80 km/h速度目標值為例，當車站間距約為1.5 km時，其旅行速度在40 km/h以上；當站間距離在3.5 km以上時，旅行速度在70 km/h以上。要提高線路旅行速度，應(yīng)優(yōu)先減少車站數(shù)量，增大站間距離。

2.4 不同速度目標值方案對時間目標值的適應(yīng)性分析

2.4.1 城區(qū)范圍內(nèi)速度目標值比選

按照城區(qū)與市域不同車站分布及線路線型的分析，以不同時速的A型車為例，不同速度目標值方案的旅行時間、旅行速度見表3。

表3 城區(qū)內(nèi)不同速度目標值旅行時間與速度

由表3可見，采用100，120，140 km/h速度目標值方案在一期范圍的旅行時間均在40 min以內(nèi)，均可滿足線網(wǎng)提出的繞城至天府廣場30 min以內(nèi)的時間目標值要求。而從節(jié)時效果上來看，140 km/h的方案較120 km/h及100 km/h的方案均節(jié)時約為0.4，1.8 min，僅占到總旅行時間的1.1%和4.7%，節(jié)時效果均不明顯。且需對線路條件進行優(yōu)化，城區(qū)內(nèi)的拆遷量巨大。綜合分析，城區(qū)范圍內(nèi)采用100 km/h的速度目標值方案是合理的。

2.4.2 市域范圍速度目標值比選

對于市域的城鐵溫江站—七里溝站區(qū)段及龍華寺站—T3T4站區(qū)段，以不同速度目標值的A型車為例，不同速度目標值方案的旅行時間、旅行速度見表4。

表4 市域線路不同速度目標值旅行時間與速度

而從節(jié)時效果上來看，由于市域范圍站間距離較大，140 km/h的方案較120 km/h的方案節(jié)時約為3.4 min，僅占到總旅行時間的6%，節(jié)時效果不明顯；而140 km/h的方案較100 km/h的方案節(jié)時約為9 min，約占總旅行時間的15%，節(jié)時效果明顯。市域線路全長約70 km，主要服務(wù)于城區(qū)與市域的交流客流、機場段客流，為提高服務(wù)水平與運營效率，建議采用140 km/h的速度目標值。

2.5 不同速度目標值方案對列車能耗的影響

列車能耗包括轉(zhuǎn)化為列車動能的能耗和列車運行過程中克服阻力所產(chǎn)生的能耗[20]。由于軌道交通列車總體上運行速度仍然較低，總能耗仍以轉(zhuǎn)化為動能能耗為主。而動能能耗對列車最高運行速度極其敏感，與最高速度的平方成正比。因此，最高速度值從120 km/h提高到140 km/h時增加的能耗要遠大于從100 km/h提高到120 km/h增加的能耗。在節(jié)時效果不明顯的區(qū)段，應(yīng)優(yōu)先采用較小的速度目標值方案。

2.6 不同最高速度目標值對供電方式的影響

目前，我國已開通運營和規(guī)劃在建的地鐵線路中，速度目標值為100～120 km線路一般采用的牽引供電方式為DC1500V，速度目標值140 km/h及以上線路一般采用的牽引供電方式為AC25kV，兩種牽引供電方式各有其特點。

對于AC25kV制式而言，主要優(yōu)點在于電壓等級高，供電半徑大，供電設(shè)施相對較少；供電系統(tǒng)本身的投資較直流制式少，且不受限于速度目標值，具有成熟的車型。其主要缺點在于線路中需要設(shè)置電分相，電分相會使列車的速度有一定損失；另外該種供電制式會產(chǎn)生三相不平衡和少量諧波，對于電力系統(tǒng)有一定的影響；同時交流電氣化鐵路會對沿線的通信設(shè)施設(shè)備產(chǎn)生一定的影響，需要進行相應(yīng)的電磁干擾防護；并且采用AC25kV制式會增大隧道斷面，土建投資較直流制式增多。

對于DC1500V制式而言，主要優(yōu)點在于電壓等級低，對隧道凈空要求低；一般情況下常規(guī)軌道交通線路隧道較多，采用直流制式可以節(jié)省土建的投資。缺點主要在于直流區(qū)段設(shè)備數(shù)量較多，維護工作量大，供電系統(tǒng)本身投資較大。具體對比詳見表5。

DC1500V的適用范圍一般不超過120 km/h，雖然AC25kV供電制式對凈空、安全防護距離等要求較高，但其對本線的速度目標值適應(yīng)性強。同時，采用AC25kV供電制式可有效減少全線牽引所的數(shù)量，節(jié)省投資約1.31億元。綜合比選后，推薦采用AC25kV供電制式。

表5 牽引供電方式比較

2.7 不同最高運行速度對土建工程的影響

當速度目標值大于100 km/h，為減小隧道空氣阻力、隧道內(nèi)壓力變化幅值及其梯度，隧道斷面應(yīng)隨列車速度的提高而增大。A型車100、120 km/h盾構(gòu)區(qū)間建筑限界內(nèi)徑6 800 mm，隧道內(nèi)徑7 100 mm，隧道外徑7 900 mm；A型車140 km/h盾構(gòu)區(qū)間建筑限界內(nèi)徑7 200 mm，隧道內(nèi)徑7 500 mm，隧道外徑8 300 mm；相應(yīng)地，地下區(qū)間土建投資也需大幅增加。采用140 km/h的速度目標值較采用100 km/h的速度目標值時，13號線地下區(qū)間需增加工程投資9.7億元。

2.8 不同最高速度目標值對車輛購置費和車輛基地投資的影響

速度目標值越高，各設(shè)計年度的車輛購置費也越高。根據(jù)計算，以速度目標值100 km/h的列車車輛購置費用作為基準，速度目標值120 km/h的車輛購置費用在初、近、遠期分別增加1.59億元、1.20億元和2.46億元；速度目標值140 km/h的車輛購置費用在初、近、遠期分別增加2.31億元、2.04億元和3.42億元。

使用不同速度目標值的列車，旅行速度的不同會造成配車數(shù)量的差異，車輛基地的規(guī)模也會因配車數(shù)的不同而有所差別。根據(jù)估算，相比速度目標值為100 km/h列車，速度目標值為120 km/h的列車車輛基地投資近期及系統(tǒng)規(guī)模均減少923萬元，速度目標值為140 km/h的列車車輛基地投資近期減少1 846萬元、系統(tǒng)規(guī)模減少2 769萬元。

2.9 不同最高速度目標值對成都市線網(wǎng)的適應(yīng)性分析

據(jù)統(tǒng)計，成都市軌道交通線網(wǎng)可分為兩個層次：1，2，3，4，5，6，7，8，11，14，15，21，22，23，25，26，27，28，29，30，31，32號線皆為中心城、衛(wèi)星城或區(qū)域中心城內(nèi)部的普線；9，10，12，13，16，17，18，19，20，24號線均為市域線。根據(jù)線網(wǎng)規(guī)劃，本線應(yīng)綜合考慮線路適應(yīng)性和車輛大架修共享等因素，采用速度目標值100 km/h以上的列車。

目前已開通及正在實施的線路中，9，10號線采用了100 km/h的速度目標值，18，19號線采用140 km/h的速度目標值。本線與18號線為快線網(wǎng)內(nèi)的主要干線，遠期均考慮與18-1(資陽)線互聯(lián)互通，宜采用相同的速度目標值標準。因此，13號線宜采用140 km/h的速度目標值。

2.10 不同速度目標值社會經(jīng)濟效益分析

城市軌道交通建設(shè)項目速度目標值的選擇應(yīng)有利于實現(xiàn)項目綜合經(jīng)濟效益最大化。此處速度目標值可選方案有100，120 km/h和140 km/h。通過對影響速度目標值方案的土建投資、運營成本、客運量、旅客節(jié)約時間價值以及轉(zhuǎn)移運量運輸成本等因素的分析，同時按照效益最大化原則，對各方案加以綜合比較，提出最佳的速度目標值。

時間價值按城市居民人均可支配收入來測算，根據(jù)成都市經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃和人口規(guī)劃，測算出各預(yù)測年限的旅客單位旅行時間價值。本次13號線的預(yù)測年限分為初期、近期和遠期，初期為2025年，近期為2032年，遠期為2047年，全線的單位旅客時間價值分別為0.71元/min、1.01元/min和1.75元/min。其中，不同設(shè)計年度時間效益的節(jié)省與速度目標值的關(guān)系見表6。

表6 旅行時間效益的節(jié)省與速度目標值的關(guān)系 萬元/年

由表6可得，以速度目標值100 km/h為基準來討論旅行時間效益節(jié)省與速度目標值的關(guān)系。2025年，當速度目標值為120 km/h時，旅行時間效益節(jié)省了2 639萬元，速度目標值為140 km/h時，旅行時間效益節(jié)省了9 985萬元；2032年當速度目標值為120 km/h時，旅行時間效益節(jié)省了78 388萬元，速度目標值為140 km/h時，旅行時間效益節(jié)省了141 827萬元；2047年當速度目標值為120 km/h時，旅行時間效益節(jié)省了197 907萬元，速度目標值為140 km/h時，旅行時間效益節(jié)省了358 072萬元。

2.11 不同速度目標值對環(huán)境的影響分析

按照晝夜不同的設(shè)計行車密度，線路兩側(cè)30 m處不同速度目標值的噪聲影響值即等效連續(xù)A聲級LeqA見表7。

表7 噪聲影響對比分析

由表7可見，速度越高，噪聲影響值越大。建議在滿足運營需求的前提下，盡量選擇較低的速度目標值。高架段落若采用直立式聲屏障，其造價僅約400萬元/km；隨著速度的提高若采用全封閉式聲屏障，造價約6 000萬元/km。同時采取設(shè)置浮置板軌道結(jié)構(gòu)與高彈性扣件的措施也可以有效降低橋梁結(jié)構(gòu)噪聲值。

3 速度目標值研究結(jié)論

通過對影響速度目標值的主要因素進行定性和定量的綜合比選，結(jié)果表明100，120，140 km/h三種速度目標值，在本線均能較好發(fā)揮速度優(yōu)勢，但仍有不同所在。

(1)從功能需求上分析，速度目標100 km/h及以下速度的列車運用較廣泛，工程投資相對較小，運營成本較低。但旅行時間較長，與規(guī)劃要求的吻合度差，客流的吸引力較弱，社會經(jīng)濟效益較差。本線作為市域快線，全線長度接近100 km，時間目標值的要求較高。外圍區(qū)段平均站間距較長，具備采用較高速度目標值的條件。

(2)從運營效率上分析，速度目標值為140 km/h的列車相比100，120 km/h的列車對13號線的適應(yīng)性更好，速度優(yōu)勢明顯，能較好地滿足時間目標的要求，能更好地發(fā)揮本線在建設(shè)規(guī)劃中的功能，具有較強客流吸引力和較高的社會經(jīng)濟效益。

(3)從車輛購置數(shù)量角度分析，速度目標值140 km/h的列車相比120 km/h的列車初期可節(jié)約1～2列運用車，近、遠期可節(jié)約2～3列運用車。速度目標值140 km/h的列車相比100 km/h的列車初期可節(jié)約3～4列運用車，近、遠期可節(jié)約5～6列運用車。

綜上所述，從與本線站間距適應(yīng)性、客流適應(yīng)性、運用車等方面綜合分析，推薦采用140 km/h的速度目標值，城區(qū)內(nèi)受線路條件限制按照100 km/h限速。

對于以城區(qū)功能為主兼顧市域功能的線路，宜采用城市軌道交通的建設(shè)標準；以市域功能為主兼顧城區(qū)功能的線路，需進行全線綜合研究，宜采用市域線路的建設(shè)標準。市域站間距離與城區(qū)站間距離相近的，應(yīng)統(tǒng)一標準；市域站間距離與城區(qū)站間距離差異較大的，需分段研究，統(tǒng)籌考慮時間目標值和工程經(jīng)濟性。

隨著城市化進程的發(fā)展，將出現(xiàn)更多的穿越中心城區(qū)的市域快線。這類線路在市域范圍具備較好的實施條件，應(yīng)增大站間距離，采用較高速度目標值；城區(qū)內(nèi)若受線路條件制約無法采用較高速度，需控制車站數(shù)量，優(yōu)化線路條件，盡量提高旅速，縮短旅行時間。

4 結(jié)語

貫穿城區(qū)的市域快線與一般線路相比，具有跨越區(qū)域較多、沿線客流特征復(fù)雜、線路功能定位多樣化等特點，其速度目標值的選擇也受到多種因素的影響。線路的功能定位確定了時間目標值，但速度目標值的選擇卻受客流特點、站間距、時間目標值的制約，同時也對供電方式、耗能、土建規(guī)模、社會經(jīng)濟效益以及環(huán)境等有著較大的影響。因此，確定合理的速度目標值不僅可以快速輸送旅客，提高線路的整體服務(wù)水平，以更加節(jié)能、環(huán)保的方式運營，也可以為后續(xù)的設(shè)計、施工指明方向。同時隨著城市化進程的加速，兼顧城區(qū)功能的超長市域線路將會越來越多，由于國內(nèi)對整個市域快線速度目標值的研究還處在探索階段，沒有形成比較成熟的模式，本文以成都市軌道交通13號線這種復(fù)合性的功能定位、超長的線路長度以及多樣化的客流組成的線路為例進行研究，并拓展了以城區(qū)功能為主兼顧市域功能的線路或者以市域功能為主兼顧城區(qū)功能的超長線路速度目標值的研究方法，對今后功能相符合的線路速度目標值的研究起到引領(lǐng)作用。