成渝中線高鐵速度目標(biāo)值研究

馬紅偉

(1.軌道交通工程信息化國家重點(diǎn)實(shí)驗室(中鐵一院)，西安 710043；2.陜西省鐵道及地下交通工程重點(diǎn)實(shí)驗室(中鐵一院)，西安 710043)

1 成渝中線高鐵概況

成渝中線高鐵位于我國西部地區(qū)人口密集、社會經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)的成渝城市群，連接區(qū)域內(nèi)成都、重慶兩大核心城市。線路西起成都樞紐成都站，向東順直引線，經(jīng)東部新城、樂至、安岳、大足等區(qū)縣引入重慶樞紐重慶站，運(yùn)營長度(成都站至重慶站)276.84 km，新建長度260.08 km。全線共分布成都、東部新城、樂至、安岳、大足、沙坪壩、重慶等7處車站，平均站間距離46.14 km，最大站間距離71.47 km(大足北—沙坪壩)，最小站間距離8.40 km(沙坪壩—重慶)。

本線主要承擔(dān)成渝雙城間城際客流，兩端通過成都、重慶兩大樞紐聯(lián)通沿江、渝長廈等客運(yùn)主通道，兼顧成都平原與沿江、湘閩等地之間的區(qū)際交流；是成渝雙城間城際客運(yùn)主通道和長江經(jīng)濟(jì)帶綜合立體交通走廊的組成部分。

根據(jù)運(yùn)量預(yù)測，本線初、近、遠(yuǎn)期區(qū)段客流密度分別為1 424、1 730、1 990萬人/年，開行動車組對數(shù)分別為69、86、108對/d，其中成渝雙城間城際客車以8輛編組為主、區(qū)際長途客車以16輛編組為主；遠(yuǎn)景年輸送能力為單向3 000萬人次。

成渝中線高鐵平、縱斷面示意見圖1。

2 建設(shè)更高標(biāo)準(zhǔn)鐵路必要性分析

成渝城市群地處“一帶一路”、長江經(jīng)濟(jì)帶的交匯點(diǎn)，是國家推進(jìn)新型城鎮(zhèn)化的重要示范區(qū)，成都、重慶是成渝雙城經(jīng)濟(jì)圈核心城市，兩市文化相近，地緣相鄰；加快兩市產(chǎn)業(yè)、人口及各類生產(chǎn)要素的合理流動和高效聚集，是促進(jìn)區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必由之路[1]，也是落實(shí)國家區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略部署的重要措施；推動成渝地區(qū)雙城經(jīng)濟(jì)圈建設(shè)，對于形成西部高質(zhì)量發(fā)展的重要增長極，打造內(nèi)陸開放戰(zhàn)略高地具有重要意義。

目前，連接兩市的高標(biāo)準(zhǔn)鐵路主要有成渝高鐵[2]，該線是成都平原東出華中華東、南下華南的客運(yùn)主通道，主要承擔(dān)成都平原及沿線地區(qū)至華中華東、華南的區(qū)際旅客交流以及成內(nèi)渝沿線客流，已不宜也無能力再承擔(dān)成渝雙城間日益增長的直通城際客流需求。本項目是成渝雙城間最順直、最快捷的城際客流主通道，主要承擔(dān)成渝間直通城際客流，兼顧成都平原及沿線地區(qū)東出或南下中長途客流。項目的建設(shè)對實(shí)現(xiàn)兩大中心城市的高效、優(yōu)質(zhì)連接，打造我國經(jīng)濟(jì)增長第四極、建設(shè)具有國際影響力的世界級城市群具有重要意義[3]?；诒卷椖抗δ芏ㄎ弧⒔ㄔO(shè)意義和成渝兩大核心城市間直通城際客流便捷、快速、高品質(zhì)的出行需求，本線應(yīng)采用更高的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

另外，我國高鐵技術(shù)經(jīng)過多年實(shí)踐和發(fā)展，目前已具備突破現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的儲備和條件，國家在《交通強(qiáng)國戰(zhàn)略綱要》和《基礎(chǔ)設(shè)施高質(zhì)量發(fā)展意見》中明確提出了“合理統(tǒng)籌安排更高標(biāo)準(zhǔn)軌道交通”的發(fā)展戰(zhàn)略和要求。本項目線路長度、工程規(guī)模、工程難度適中，工程形式齊全，建設(shè)意義重大、必要性突出，具有踐行交通強(qiáng)國戰(zhàn)略[4]、集成實(shí)踐我國高鐵科研試驗和技術(shù)創(chuàng)新成果的條件和優(yōu)勢；采用更高標(biāo)準(zhǔn)對落實(shí)交通強(qiáng)國戰(zhàn)略、保持我國高鐵技術(shù)的世界領(lǐng)先地位、引領(lǐng)我國乃至世界高速鐵路向更高層次發(fā)展具有重要意義。

綜上，本項目采用更高技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，是滿足雙城間直通城際客流快速、便捷、高品質(zhì)出行的需要，是實(shí)現(xiàn)項目功能定位和建設(shè)意義的需要，是踐行交通強(qiáng)國戰(zhàn)略、引領(lǐng)我國乃至世界高速鐵路向更高層次發(fā)展的需要。

3 更高標(biāo)準(zhǔn)鐵路系統(tǒng)制式研究比選

考慮項目特點(diǎn)并結(jié)合《交通強(qiáng)國建設(shè)綱要》科技創(chuàng)新要求，本次研究了400 km/h級輪軌系統(tǒng)、600 km/h級磁懸浮系統(tǒng)以及1 000 km/h級真空管道運(yùn)輸系統(tǒng)等3個方案。

真空管道系統(tǒng)：真空管道運(yùn)輸系統(tǒng)是一種無空氣阻力、無摩擦的運(yùn)輸形式。技術(shù)原理是在地面或地下修建一個密閉的管道，用真空泵抽成真空或部分真空，組織列車運(yùn)行，行車阻力小、運(yùn)行能耗少，同時降低噪音、減少對環(huán)境的污染。目前相關(guān)院校和科研部門正在對1 000 km/h級真空管道運(yùn)輸系統(tǒng)進(jìn)行前期研究，但僅停留在理論研究階段，關(guān)鍵技術(shù)尚有待突破[5]，還不具備進(jìn)行大規(guī)模工程應(yīng)用和實(shí)踐的條件，經(jīng)研究后予以放棄。

輪軌系統(tǒng)方案：400 km/h級輪軌系統(tǒng)是在現(xiàn)有350 km/h級高鐵標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行技術(shù)延伸，使線路標(biāo)準(zhǔn)滿足400 km/h動車組運(yùn)行要求，目前我國已開展多次超過400 km/h的運(yùn)行試驗，積累了豐富的試驗經(jīng)驗，同時滿足400 km/h動車組列車技術(shù)方案已通過國家評審，樣車已下線。400 km/h級速度等級是輪軌系統(tǒng)未來發(fā)展主要方向。采用輪軌方案，線路西起成都樞紐成都站，順直向東接入沙坪壩站并利用在建成渝高鐵配套工程引入重慶樞紐在建重慶站，線路全長276.84 km，其中新建長度260.08 km，全線運(yùn)行時分55 min。

磁浮系統(tǒng)方案：磁浮軌道系統(tǒng)是一種運(yùn)用“同性相斥、異性相吸”的電磁原理、依靠電磁力使車廂懸浮并行走的軌道運(yùn)輸方式，有常導(dǎo)和超導(dǎo)兩種類型。常導(dǎo)式磁浮，運(yùn)行速度較低，用感應(yīng)線性電機(jī)來驅(qū)動；超導(dǎo)式磁浮線路速度較高，可實(shí)現(xiàn)400 km/h及以上，用同步線性電機(jī)來驅(qū)動，技術(shù)難度較大。目前我國滿足600 km/h的高速磁浮列車樣車已下線，正在進(jìn)行試車試驗。采用高速磁浮方案，項目起終點(diǎn)車站位置及線路方案與400 km/h輪軌方案基本相同，線路全長270.13 km；系統(tǒng)采用常導(dǎo)長定子磁浮系統(tǒng)[6]，參照TB 10630—2019《磁浮鐵路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(試行)》進(jìn)行相關(guān)設(shè)計，全線運(yùn)行時分約40 min。

結(jié)合現(xiàn)狀技術(shù)發(fā)展體系，主要對輪軌系統(tǒng)方案和磁浮系統(tǒng)方案進(jìn)行綜合分析，兩大方案經(jīng)濟(jì)技術(shù)特征及優(yōu)缺點(diǎn)分析如表1所示。

表1 不同系統(tǒng)制式經(jīng)濟(jì)技術(shù)特征及優(yōu)缺點(diǎn)比較

綜合分析比選及推薦意見：比較而言，600 km/h磁浮方案雖然列車運(yùn)行時分可縮短約15 min，噪聲等環(huán)境影響也相對較小，但由于空氣阻力與速度的平方成正比關(guān)系，系統(tǒng)能耗大幅增加；從工程造價來看，600 km/h磁浮系統(tǒng)是400 km/h輪軌系統(tǒng)的2.0～3.0倍。目前，我國已建成的上海、北京、長沙等磁浮線運(yùn)營距離短，運(yùn)營實(shí)踐經(jīng)驗還在不斷總結(jié)，磁浮技術(shù)相關(guān)研究則主要集中在中低速范圍；總的來看，600 km/h磁浮系統(tǒng)還缺乏系統(tǒng)成熟的應(yīng)用方案，本線長達(dá)270 km，采用磁浮系統(tǒng)風(fēng)險較大。同時，由于磁浮系統(tǒng)與既有路網(wǎng)互不兼容，跨線列車無法上線運(yùn)行，融合性、協(xié)調(diào)性較差，削弱了本線功能。綜合考慮，本次推薦輪軌方案。

4 速度目標(biāo)值研究

4.1 客流特征及時間目標(biāo)值

客流特征：本項目是成渝間城際客流最快捷主通道、沿江高鐵通道的組成部分，主要承擔(dān)成渝間及沿線城際旅客出行，兼顧部分成都平原及川東地區(qū)至華中、華東、華南的中長途區(qū)際跨線旅客出行。其中成渝及沿線間城際客流占比約70%，中長途跨線通道客流占比約30%。

時間目標(biāo)值：本項目是落實(shí)國家區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略和基礎(chǔ)設(shè)施高質(zhì)量發(fā)展的支撐性、標(biāo)志性項目，《成渝城市群鐵路網(wǎng)規(guī)劃研究(2018-2035年)》提出成渝雙核間1 h到達(dá)，《交通強(qiáng)國建設(shè)綱要》也明確“都市區(qū)1 h通勤”的發(fā)展目標(biāo)。本項目以顯著提升成渝雙城間城際客流運(yùn)輸服務(wù)能力和水平為核心[7]，因此成都至重慶時間目標(biāo)值宜為1 h。

4.2 我國高鐵技術(shù)現(xiàn)狀、積累及未來發(fā)展分析

我國已建成世界上路網(wǎng)覆蓋面積最大的高速鐵路網(wǎng)，擁有350 km/h高速鐵路設(shè)計和驗收標(biāo)準(zhǔn)。在京滬高鐵、京津城際等積累了350 km/h運(yùn)營經(jīng)驗，在京滬、京廣等60余條350 km/h高速鐵路線路上組織開展了聯(lián)調(diào)聯(lián)試，積累了大量測試數(shù)據(jù)；在京滬、鄭徐高鐵上開展了累計行車?yán)锍?.7萬km的400 km/h綜合試驗，積累了豐富的高鐵科研試驗經(jīng)驗。

近年來，鐵科院完成了更高速度鐵路關(guān)鍵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究、新一代高鐵技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)研究、400 km/h高鐵關(guān)鍵技術(shù)研究等重大科研項目，分析了我國高速鐵路線路、隧道、接觸網(wǎng)、動車組等設(shè)施設(shè)備在不同速度等級下的安全性、舒適性指標(biāo)的統(tǒng)計特征和概率分布，獲得了高速鐵路關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)在不同速度條件下的變化規(guī)律[8]。2019年8月，時速400 km的動車組設(shè)計方案通過國家評審，目前中車集團(tuán)青島四方、長客滿足400 km/h速度等級的復(fù)興號動車組列車樣車已下線，正在進(jìn)行相關(guān)檢測試驗。

截止目前，我國高鐵室外最高試驗速度達(dá)到了486 km/h，國外輪軌系統(tǒng)室外最高試驗速度達(dá)到了574 km/h。有關(guān)研究試驗表明，輪軌系統(tǒng)能耗、噪聲與速度的平方成正比關(guān)系，是影響高鐵速度進(jìn)一步提高的主要控制因素。列車速度達(dá)到400 km/h以上后噪聲及能耗將明顯增加，振動問題也逐步凸顯，需對動車組性能和輪軌關(guān)系、弓網(wǎng)關(guān)系予以改進(jìn)[9]；目前中國中車下線的動車組設(shè)計參數(shù)已滿足現(xiàn)行規(guī)范環(huán)境指標(biāo)要求，結(jié)合基礎(chǔ)設(shè)施創(chuàng)新技術(shù)，上述問題已得到解決。速度達(dá)到450 km/h后需要進(jìn)一步研究新的應(yīng)對方案，由于空氣阻力是能耗增加的主要因素[10]，要大幅改善存在較大的技術(shù)難度。速度達(dá)到500 km/h及以上時，要完全合理解決將十分困難，從技術(shù)經(jīng)濟(jì)的角度看，航空運(yùn)輸、磁浮等交通運(yùn)輸方式優(yōu)勢將逐步顯現(xiàn)。

4.3 速度目標(biāo)值方案構(gòu)成及對比分析

4.3.1 速度目標(biāo)值方案構(gòu)成及說明

根據(jù)項目功能定位和時間目標(biāo)值，結(jié)合我國高鐵技術(shù)工程實(shí)踐和技術(shù)積累，主要研究了350 km/h、350 km/h預(yù)留400 km/h、400 km/h、450 km/h四個速度目標(biāo)值方案?？紤]國內(nèi)450 km/h高鐵技術(shù)缺乏全面系統(tǒng)的研究和試驗，且行車速度達(dá)到450 km/h時噪聲控制、能耗等問題突出[11]，目前還沒有形成完整、成熟的意見和解決方案，因此經(jīng)研究后予以放棄，重點(diǎn)對350 km/h、350 km/h預(yù)留400 km/h、400 km/h三個方案進(jìn)行分析比選。

3個方案線路走向、樞紐引入、車站布設(shè)基本一致，僅由于350 km/h方案最小曲線半徑采用一般7 000 m、困難5 500 m[12]，350 km/h預(yù)留400 km/h方案和400 km/h方案最小曲線半徑采用一般9 000 m、困難7 500 m，引起局部線位和工程略有差別。不同方案的主要差別在于站前站后設(shè)施設(shè)備的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、原則。各方案主要技術(shù)參數(shù)和設(shè)備配設(shè)原則如表2所示。

表2 不同設(shè)計速度主要設(shè)施設(shè)備設(shè)計參數(shù)、技術(shù)方案比較

(1)400 km/h方案與350 km/h方案的差異

站前工程：400 km/h方案提高了軌道不平順質(zhì)量指數(shù)(TQI)，32 m簡支箱梁適當(dāng)增加梁高及截面積、改善梁端轉(zhuǎn)角和殘余上拱，站場需對正線道岔進(jìn)行研制并取得上道許可。路基、隧道等結(jié)構(gòu)主要設(shè)計原則和所采用的參數(shù)基本與350 km/h方案一致。

牽引供電系統(tǒng)：400 km/h方案需增大變壓器容量和牽引網(wǎng)載流能力；為實(shí)現(xiàn)良好的弓網(wǎng)關(guān)系，經(jīng)計算和仿真實(shí)驗，接觸網(wǎng)增設(shè)加強(qiáng)線，確定正線接觸線截面120 mm2、額定張力31.5 kN，承力索截面120 mm2、額定張力27 kN。350 km/h方案正線接觸線截面150 mm2、額定張力30 kN，承力索額定張力21 kN[13]。

列控系統(tǒng)、調(diào)度指揮系統(tǒng)：400 km/h方案在350 km/h方案基礎(chǔ)上，主要增加智能調(diào)度系統(tǒng)和ATO智能列控系統(tǒng)。

通信、信息、災(zāi)害監(jiān)測、噪聲防護(hù)及其他：現(xiàn)有技術(shù)方案、設(shè)備性能基本能滿足400 km/h標(biāo)準(zhǔn)要求，400 km/h方案和350 km/h方案無明顯差別。

(2)350 km/h預(yù)留400 km/h方案與其他兩個方案的差異

350 km/h預(yù)留400 km/h方案基礎(chǔ)設(shè)施按照400 km/h標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，初期按350 km/h開通運(yùn)行?？紤]站后設(shè)備升級改造難度相對較小，為節(jié)約投資，固定設(shè)備與移動裝備的協(xié)調(diào)匹配，列控系統(tǒng)、運(yùn)輸指揮調(diào)度系統(tǒng)、變壓器容量等按350 km/h標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行配套設(shè)計。

4.3.2 不同速度目標(biāo)值方案經(jīng)濟(jì)技術(shù)特征比較

(1)在線路長度及工程設(shè)置上分析

進(jìn)入成都樞紐和重慶樞紐段，受城市建筑影響，線路受控因素多，工程艱巨，結(jié)合列車加減速地段，采用合理曲線半徑布線，350 km/h方案與400 km/h方案布線一致。

在成都、重慶樞紐外，樂至、安岳及大足等城區(qū)，受控因素少，350 km/h方案與400 km/h方案布線基本一致，差異較小。

本線在線路長度上，350 km/h方案與400 km/h方案長度一致，工程設(shè)置類型一致[14]。

(2)在主要設(shè)備設(shè)計參數(shù)及工程投資上分析

站前工程差異，線間距、路基工后沉降、隧道凈空面積等3個基礎(chǔ)參數(shù)，350 km/h標(biāo)準(zhǔn)與400 km/h標(biāo)準(zhǔn)無差別，故路基、隧道工程數(shù)量和工程投資差異很小[15]；站前工程僅橋涵與軌道在設(shè)計參數(shù)上有所加強(qiáng)，400 km/h比350 km/h橋涵與軌道每千米投資增加約10%。

站后工程差異，僅列控系統(tǒng)與供電系統(tǒng)需要加強(qiáng)，其他站后工程設(shè)備差異較小。400 km/h方案比350 km/h方案橋涵與軌道每千米投資增加30%左右。

不同速度目標(biāo)值方案工程規(guī)模、投資、運(yùn)行時間、投資差及節(jié)時效果、經(jīng)濟(jì)性分析[16]如表3所示。

表3 不同速度目標(biāo)值方案經(jīng)濟(jì)技術(shù)特征比較

由表3可知，不同速度目標(biāo)值方案均能滿足時間目標(biāo)值要求，工程投資相差不大[17]；400 km/h速度目標(biāo)值方案較350 km/h方案運(yùn)行時分節(jié)省5 min，工程投資增加16.98億元，占總投資的4.46%，財務(wù)指標(biāo)優(yōu)于350 km/h、350 km/h預(yù)留400 km/h方案。

4.3.3 速度目標(biāo)值方案綜合比選及推薦意見

3個方案均滿足雙城間時間目標(biāo)值要求，400 km/h速度目標(biāo)值方案運(yùn)輸服務(wù)水平更高，增加投資有限，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)略優(yōu)[18]。本項目是打造中國經(jīng)濟(jì)第四增長級、建設(shè)具有國際影響力的世界級城市群的標(biāo)志性項目，在探索城市群交通基礎(chǔ)設(shè)施高質(zhì)量發(fā)展方面具有先行示范作用[19]。目前我國400 km/h關(guān)鍵技術(shù)已趨于成熟，本項目工程規(guī)模、工程難度適中，沿線無重大地質(zhì)構(gòu)造、不良地質(zhì)等自然災(zāi)害，有突破我國現(xiàn)有高鐵建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)、引領(lǐng)世界鐵路技術(shù)發(fā)展方向的條件和優(yōu)勢。

綜合考慮，成渝中線高速鐵路速度目標(biāo)值推薦采用400 km/h的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)語

為促進(jìn)成渝經(jīng)濟(jì)圈成都、重慶兩大核心城市的一體化發(fā)展，滿足雙城間日益增長的直通城際客流便捷、快速、高品質(zhì)出行需求，同時為踐行交通強(qiáng)國戰(zhàn)略、引領(lǐng)軌道交通的發(fā)展，結(jié)合現(xiàn)有通道路網(wǎng)構(gòu)成，成渝中線高鐵應(yīng)采用更高技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[20]。

為實(shí)現(xiàn)更高技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的運(yùn)輸需求，對不同系統(tǒng)制式的400 km/h輪軌系統(tǒng)、600 km/h級磁懸浮系統(tǒng)以及1 000 km/h級真空管道運(yùn)輸系統(tǒng)進(jìn)行分析，采用技術(shù)相對成熟、與路網(wǎng)融合性強(qiáng)的輪軌系統(tǒng)。

在分析客流特征及時間目標(biāo)值的基礎(chǔ)上，充分結(jié)合我國高鐵技術(shù)現(xiàn)狀、積累及未來發(fā)展趨勢，對350 km/h、350 km/h預(yù)留400 km/h、400 km/h不同速度目標(biāo)值方案進(jìn)行綜合分析，推薦采用運(yùn)輸質(zhì)量高、經(jīng)濟(jì)性好的400 km/h方案。研究結(jié)論不僅滿足運(yùn)輸需求，且符合我國輪軌技術(shù)的發(fā)展方向，為項目建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)提供決策依據(jù)，同時為更高標(biāo)準(zhǔn)不同制式軌道交通選擇借鑒參考。