長(zhǎng)株潭城際軌道交通西環(huán)線車輛選型研究

戴 旺 梁 玉 邱 冰 賀圣彥 鄧娟紅

(湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司， 410200， 長(zhǎng)沙∥第一作者， 高級(jí)工程師)

長(zhǎng)株潭城際軌道交通西環(huán)線(以下簡(jiǎn)稱“西環(huán)線”)工程起于湘潭火車站，自西南向東北穿越湘潭火車站片區(qū)、九華經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)、觀音港片區(qū)、大王山旅游度假區(qū)，止于長(zhǎng)沙軌道交通3號(hào)線(以下簡(jiǎn)稱“3號(hào)線”)一期工程的山塘站。西環(huán)線是打造長(zhǎng)沙—株洲—湘潭 “半小時(shí)經(jīng)濟(jì)圈”的市域快線，通過建設(shè)該線以推進(jìn)長(zhǎng)株潭都市圈同城化，優(yōu)化城市空間布局，促進(jìn)城市群協(xié)調(diào)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)3個(gè)城市間的資源共享。

國(guó)內(nèi)研究人員對(duì)如何因地制宜地選擇市域快線或市郊鐵路的車輛制式及其相關(guān)技術(shù)條件進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[1]總結(jié)了市域快線的主要特點(diǎn)，提出了市域快線的車型、編組及速度等級(jí)選擇的主要依據(jù)。文獻(xiàn)[2]從客流預(yù)測(cè)、列車尺寸、車輛編組、最高速度選擇以及供電方式等方面研究了成都地鐵18號(hào)線(市域快線制式)的車輛型式。文獻(xiàn)[3]研究了兼容機(jī)場(chǎng)線和市域快線2種不同軌道交通制式的車輛配置。文獻(xiàn)[4]等對(duì)幾種軌道交通制式進(jìn)行了對(duì)比分析，總結(jié)出了市域快線的適用范圍和功能定位，以及確定市域快線列車設(shè)計(jì)速度的依據(jù)。

本文結(jié)合西環(huán)線的規(guī)劃要求，從線路等級(jí)速度、車體尺寸和車輛編組、乘車舒適性、供電制式等方面提出該線車輛制式的相關(guān)建議，以期為類似的市域快線在車輛選型上提供參考。

1 線路等級(jí)速度的選擇

1.1 線路等級(jí)速度對(duì)單程運(yùn)行時(shí)間、速度效率的影響

西環(huán)線全長(zhǎng)32.2 km。為實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)株潭“半小時(shí)經(jīng)濟(jì)圈”，該線車型的設(shè)計(jì)速度可在80 ～140 km/h間選擇。表1為不同的線路等級(jí)速度所對(duì)應(yīng)的運(yùn)行參數(shù)。

由表1可知，從單程運(yùn)行時(shí)間角度看，100 km/h的列車比80 km/h列車節(jié)約2 min 14 s，120 km/h的列車比100 km/h列車節(jié)約1 min 23 s，140 km/h

表1 西環(huán)線列車不同線路等級(jí)速度下的運(yùn)行參數(shù)

的列車比120 km/h列車節(jié)約21 s。由此可見，提高線路等級(jí)速度，可節(jié)約單程運(yùn)行時(shí)間，但隨著線路等級(jí)速度的逐步提高，其時(shí)間節(jié)約的效果越來越不顯著。表1中的旅速系數(shù)是列車速度效率的體現(xiàn)，市域快線應(yīng)將旅速系數(shù)取值區(qū)間在0.500～0.600作為選擇站間距和設(shè)計(jì)速度的基準(zhǔn)[4]。隨著線路等級(jí)速度的提升，旅速系數(shù)越來越小，即速度效率越來越低。因此，綜合長(zhǎng)株潭半小時(shí)經(jīng)濟(jì)圈規(guī)劃和速度效率分析，西環(huán)線線路等級(jí)速度取100 km/h或120 km/h較為合理。

1.2 線路等級(jí)速度對(duì)線站位適用性分析

在列車的牽引、制動(dòng)性能一致的情況下，若線路車站間距小，選取過高的線路等級(jí)速度，在行駛過程中速度有可能達(dá)不到設(shè)計(jì)值，會(huì)造成車輛動(dòng)力性能的浪費(fèi)。表2基于西環(huán)線的站間距，對(duì)列車在各區(qū)間內(nèi)的最大運(yùn)行速度是否可以達(dá)到線路等級(jí)速度進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)表2可以計(jì)算出，線路等級(jí)速度為80 km/h和100 km/h的列車在全線所有區(qū)間均能發(fā)揮速度優(yōu)勢(shì)；線路等級(jí)速度為120 km/h的列車在9個(gè)區(qū)間內(nèi)能發(fā)揮速度優(yōu)勢(shì)，占全線區(qū)間總數(shù)的75%；線路等級(jí)速度為140 km/h的列車只在3個(gè)區(qū)間內(nèi)能發(fā)揮速度優(yōu)勢(shì)，僅占全線區(qū)間總數(shù)的25%?？梢?，西環(huán)線在現(xiàn)有規(guī)劃設(shè)計(jì)的站間距情況下，選取過高的線路等級(jí)速度并不能完全發(fā)揮其速度優(yōu)勢(shì)，反而會(huì)造成能耗的增加和動(dòng)力性能的浪費(fèi)。

1.3 線路等級(jí)速度對(duì)列車配屬數(shù)的影響

線路等級(jí)速度不同，全線的旅行速度也會(huì)隨之不同，這將直接影響線路的運(yùn)用車數(shù)，進(jìn)而導(dǎo)致全線列車配屬數(shù)不同。根據(jù)西環(huán)線的行車規(guī)劃，近期建設(shè)的線路位于湘潭站至山塘站區(qū)段，列車開行對(duì)數(shù)為12對(duì)/h，在始發(fā)站和終點(diǎn)站的折返時(shí)間為2 min，由此計(jì)算得到不同線路等級(jí)速度下的列車配屬數(shù)，如表3所示。

表2 西環(huán)線各區(qū)間最大運(yùn)行速度和線路等級(jí)速度的計(jì)算和對(duì)比

表3 西環(huán)線不同設(shè)計(jì)速度下的列車配屬數(shù)

從表3可以看出，如果以線路等級(jí)速度為80 km/h列車的配屬數(shù)為基準(zhǔn)，線路等級(jí)速度為100 km/h、120 km/h、140 km/h列車的配屬數(shù)可分別減少2列、3列、3列?？梢?，在線路條件相同的情況下，隨著速度的提高，線路列車配屬數(shù)有所減少，但相比線路等級(jí)速度為100 km/h和120 km/h的列車配屬數(shù)，線路等級(jí)速度為140 km/h時(shí)的配屬數(shù)減少并不明顯，沒有體現(xiàn)出其速度優(yōu)勢(shì)。

1.4 線路等級(jí)速度對(duì)隧道斷面面積的影響

一般地鐵線路的線路等級(jí)速度為80 km/h，在此線路等級(jí)速度下，標(biāo)準(zhǔn)的單洞單線隧道斷面積一般為20 ～22 m2。線路等級(jí)速度為80 km/h、100 km/h、120 km/h和140 km/h時(shí)，其合理的隧道斷面分別為20.63 m2、25.87 m2、27.74 m2、33.74 m2。由此可見，為控制隧道內(nèi)壓力變化幅值及其梯度，隧道阻塞比會(huì)隨著列車速度的增加而減小，隧道斷面面積隨之會(huì)相應(yīng)增大[5]。西環(huán)線的地下線路長(zhǎng)度約為6.67 km，若加大線路的等級(jí)速度，隧道斷面面積隨之增大，地下區(qū)間投資成本將大幅度提升，因而需要基于不同線路等級(jí)速度下隧道斷面面積對(duì)地下段的工程成本進(jìn)行對(duì)比分析。

1.5 西環(huán)線線路等級(jí)速度的選擇

綜上所述，西環(huán)線線路等級(jí)速度的適應(yīng)性分析如表4所示。從表4可知，結(jié)合不同線路等級(jí)速度下的單程運(yùn)行時(shí)間、線站位條件適應(yīng)性、近期列車配屬數(shù)量和隧道斷面面積，西環(huán)線的線路等級(jí)速度的最佳選擇為100 km/h?？紤]到西環(huán)線在遠(yuǎn)期規(guī)劃向北延伸至長(zhǎng)沙西站，作為連接長(zhǎng)沙和湘潭的市域線，從長(zhǎng)遠(yuǎn)考慮，采用120 km/h的線路等級(jí)速度也是很好的選擇。

表4 西環(huán)線線路等級(jí)速度的適應(yīng)性分析

2 車型和車輛編組

2.1 車型

列車的車型直接影響列車定員數(shù)，車型的選擇首先應(yīng)滿足客流需求。表5為西環(huán)線工程客流主要參數(shù)的預(yù)測(cè)結(jié)果。

表5 西環(huán)線的客流預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)

目前，國(guó)內(nèi)市域快線的車輛大多采用地鐵的A、B型車或高速鐵路的CRH動(dòng)車組。其中，地鐵A型車和CRH6的車體尺寸大于地鐵B型車的車體尺寸，能滿足更大的客流需求。但從表5可以看出，西環(huán)線在遠(yuǎn)期(2046年)的單向最大斷面客流小于3萬人次/h，所以選擇B型車即可滿足該線的客流需求。按照規(guī)劃，西環(huán)線將與3號(hào)線一期工程(已于2020年6月開通)貫通運(yùn)營(yíng)，考慮到3號(hào)線一期工程采用B型車，相同的車輛和限界斷面尺寸可以實(shí)現(xiàn)車輛系統(tǒng)、供電系統(tǒng)和軌道系統(tǒng)在檢修維護(hù)上的資源共享，節(jié)約工程的整體投資成本。因而，從滿足客流需求和資源共享的角度考慮，推薦西環(huán)線釆用與3號(hào)線一期工程相同的車型——地鐵B型車。

2.2 車輛編組數(shù)

列車編組數(shù)應(yīng)與線路功能定位相適應(yīng)，在滿足各設(shè)計(jì)年度高峰斷面客流量的基礎(chǔ)上，還需具有一定的運(yùn)能儲(chǔ)備[6]?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)的城市軌道交通線路中，以6輛編組列車居多，其次是4輛編組列車。由于西環(huán)線要和3號(hào)線貫通運(yùn)營(yíng)，為了應(yīng)對(duì)高峰時(shí)段的客流量，建議西環(huán)線考慮采用6節(jié)編組列車。

在動(dòng)力配置上，列車可供選擇的動(dòng)拖比有1∶1和2∶1，即3動(dòng)3拖編組和4動(dòng)2拖編組。表6給出了不同條件下2種動(dòng)力配比的對(duì)比情況。

表6 2種動(dòng)拖比的參數(shù)對(duì)比

從表6可知，3動(dòng)3拖編組列車的故障運(yùn)行能力尚可，但故障救援能力不足，在列車的實(shí)際運(yùn)行中，當(dāng)軌道濕滑時(shí)，即使采用高加速開關(guān)措施，其黏著系數(shù)也難以達(dá)到0.230。而4動(dòng)2拖編組列車的計(jì)算黏著系數(shù)取值更為合理，因而故障運(yùn)行能力和救援能力均較強(qiáng)，當(dāng)列車發(fā)生故障時(shí)，對(duì)正常運(yùn)營(yíng)的干擾較小，運(yùn)營(yíng)靈活性較高。根據(jù)上述分析，西環(huán)線工程推薦釆用6輛編組列車，采用4動(dòng)2拖的配比形式。

3 乘車舒適性分析

人員的站立密度是影響乘客乘坐舒適性的重要因素，在進(jìn)行車輛選型時(shí)應(yīng)合理確定乘客站立面積的標(biāo)準(zhǔn)及與之對(duì)應(yīng)的服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)。表7給出了國(guó)內(nèi)城市軌道交通車輛擁擠程度的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則。

表7 國(guó)內(nèi)城市軌道交通車輛擁擠程度評(píng)價(jià)準(zhǔn)則表

根據(jù)建標(biāo)104—2008《城市軌道交通工程項(xiàng)目建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定：車輛的座位數(shù)宜占總定員的15%～20%。當(dāng)全程線路大于12 km時(shí)，根據(jù)客流性質(zhì)，宜適當(dāng)降低車輛定員”。[7]

西環(huán)線服務(wù)的是長(zhǎng)沙、株洲、湘潭的跨市出行人員，乘客的平均運(yùn)距較長(zhǎng)，對(duì)乘車舒適性的要求比城市軌道交通線路高。根據(jù)西環(huán)線工程客流預(yù)測(cè)，本項(xiàng)目遠(yuǎn)期最大單方向斷面客流為2.01萬人次/h，且線路較長(zhǎng)(30 km以上)，建議采用4人/m2的立席人數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

4 供電制式選擇

國(guó)內(nèi)城市軌道交通線路與干線鐵路主要釆用交流25 kV、直流1 500 V 、直流750 V 3種牽引供電制式，其中：鐵路線一般采用交流25 kV，城市軌道交通線路一般采用直流1 500 V。隨著技術(shù)的發(fā)展，基于資源整合的需求，市域快線作為銜接地鐵與鐵路的軌道交通方式，應(yīng)考慮在未來有與鐵路、地鐵網(wǎng)的共線運(yùn)營(yíng)或換乘的可能性。此外，線路等級(jí)速度對(duì)弓網(wǎng)受流質(zhì)量、車輛研發(fā)成本、配套工程投資等方面有較大的影響，因而是確定供電制式的重要因素之一。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)，線路等級(jí)速度≤120 km/h的列車一般適用于長(zhǎng)度≤50 km的線路，此時(shí)采用直流供電和交流供電均可,線路等級(jí)速度不是供電制式的控制因素，供電制式取決于線路與鐵路或地鐵的銜接關(guān)系；線路等級(jí)速度為120 ～160 km/h的列車適用于長(zhǎng)度50 ～100 km的線路，此時(shí)若采用直流供電制式，會(huì)對(duì)車輛性能、配套工程有較高的要求，與交流供電制式相比無明顯技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)；線路等級(jí)速度≥160 km/h的列車適用于長(zhǎng)度≥100 km的線路，此時(shí)若采用直流供電制式，弓網(wǎng)受流質(zhì)量較差，車輛研制成本顯著增加，配套供電系統(tǒng)投資較大。

基于上文的分析，西環(huán)線推薦線路等級(jí)速度的最佳選擇為100 km/h， 120 km/h次之。結(jié)合上文不同線路等級(jí)速度下的供電適應(yīng)性分析結(jié)論，采用交流、直流供電模式均可，但考慮到西環(huán)線將與3號(hào)線貫通運(yùn)營(yíng)，基于線路銜接關(guān)系，為實(shí)現(xiàn)資源共享，西環(huán)線推薦采用與3號(hào)線一期工程相同的1 500 V直流供電模式。

5 結(jié)語

本文根據(jù)長(zhǎng)株潭城際軌道交通西環(huán)線的主要特征和功能定位，對(duì)線路等級(jí)速度、乘坐舒適度、編組方案及供電制式等方面進(jìn)行了分析探討，得出結(jié)論以下：

1) 推薦西環(huán)線線路等級(jí)速度的最佳選擇為100 km/h?？紤]到該線的遠(yuǎn)期規(guī)劃，120 km/h也是很好的選擇。

2) 列車車型推薦釆用B型車，采用6輛編組、4動(dòng)2拖形式，并采用4人/m2的立席人數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

3) 結(jié)合線路等級(jí)速度、線路銜接關(guān)系以及資源共享原則，建議該線采用1 500 V直流供電模式。