上海軌道交通市域線機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線的車輛選型*

劉高坤 楊 輝

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，430063，武漢∥第一作者，工程師)

根據(jù)《上海市城市總體規(guī)劃(2017—2035年)》[1]，上海規(guī)劃了22條市域線，總長(zhǎng)約1 157 km。上海軌道交通市域線機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線(以下簡(jiǎn)為“機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線”)是上海軌道交通市域線的重要組成部分，全長(zhǎng)68.6 km，其中橋梁長(zhǎng)4.4 km，地下線長(zhǎng)60.5 km，路基長(zhǎng)3.7 km，橋隧比為94.7%。全線設(shè)9座車站(見圖1)，其中地下站6座，地面站3座(虹橋站、七寶站、上海東站)，平均站間距離為8.6 km。

圖1 機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線線路平面示意圖

機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線不僅是城市軌道交通網(wǎng)的重要組成和上海市東西主軸內(nèi)的市域快速通道，而且是虹橋和浦東兩大綜合交通樞紐的快速通道，還通過與國(guó)家鐵路網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)了浦東綜合交通樞紐對(duì)長(zhǎng)三角區(qū)域的服務(wù)。機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線是我國(guó)第一條與普通鐵路實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通的市域鐵路，其將同近滬地區(qū)的滬寧(上?！暇?城際鐵路、滬杭客專(上?！贾菘瓦\(yùn)專線)，以及上海的嘉閔線及金山線等市域鐵路實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。

1 速度目標(biāo)值及供電制式選擇

1.1 速度目標(biāo)值選擇

上海市域鐵路機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線平均站間距約8.6 km，大于地鐵線路的一般站間距，小于城際鐵路站間距。因此，其速度目標(biāo)值也應(yīng)高于地鐵速度目標(biāo)值，并低于城際鐵路速度目標(biāo)值。本文重點(diǎn)研究了速度目標(biāo)值分別為120 km/h、160 km/h及200 km/h的3個(gè)方案。

機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線采用大站直達(dá)列車和站站停列車組合運(yùn)行的方案[2]。結(jié)合車站分布、線路走向及列車停站方式，通過牽引計(jì)算仿真模擬，得到上海虹橋站—浦東機(jī)場(chǎng)站在不同速度目標(biāo)值方案下的旅行時(shí)間如表1所示。其中，上海虹橋站—浦東機(jī)場(chǎng)站的旅行時(shí)間要求為40 min。

表1 不同速度目標(biāo)值下的旅行時(shí)間對(duì)照

從表1可知：各方案的大站直達(dá)列車均可滿足旅行時(shí)間要求；120 km/h方案中的站站停列車無法滿足旅行時(shí)間要求；只有速度目標(biāo)值達(dá)160 km/h及以上時(shí)，才能使站站停列車滿足旅行時(shí)間要求，并將大站直達(dá)列車從上海虹橋站至浦東機(jī)場(chǎng)站的運(yùn)行時(shí)間控制在30 min左右；與160 km/h方案相比，200 km/h方案大站直達(dá)列車與站站停列車的旅行時(shí)間分別僅節(jié)省2 min和1 min，節(jié)時(shí)效果不明顯。

速度目標(biāo)值不同，則線路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)不同，工程投資規(guī)模也不同。經(jīng)研究，與160 km/h方案相比，120 km/h方案投資僅節(jié)省約2%，200 km/h方案投資增幅約為8%。可見，200 km/h方案的工程投資明顯更高。

從線路條件及站間距適應(yīng)性來看，160 km/h方案列車運(yùn)行效率相對(duì)較高，200 km/h速度目標(biāo)值方案無法充分發(fā)揮高速效能。

綜上分析，機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線速度目標(biāo)值推薦采用160 km/h。

1.2 供電制式選擇

我國(guó)高鐵(最高運(yùn)行速度為250～350 km/h)和城際動(dòng)車組(最高運(yùn)行速度為120 km/h、160 km/h、200 km/h)主要采用AC 25 kV供電制式，市域鐵路(最高運(yùn)行速度為100～160 km/h)主要采用AC 25 kV供電制式和DC 1500 V供電制式，城市軌道交通(最高運(yùn)行速度為80～120 km/h)以DC 1500 V和DC 750 V供電制式為主，如表2所示。

表2 國(guó)內(nèi)外典型市域/城際軌道交通線路供電制式選擇

直流供電制式相比交流供電制式，具有牽引加速性能較強(qiáng)、速度控制精確、隧道斷面較小及車輛成本較低等優(yōu)勢(shì)[3]。在世界范圍內(nèi)，速度目標(biāo)值在120 km/h及以下的城市軌道交通線路得到了非常廣泛的應(yīng)用。但直流供電制式存在供電范圍較短、較高速度下電能損耗較大、牽引功率的局限，因此，在目前投入運(yùn)營(yíng)的軌道交通線路中，除港鐵機(jī)場(chǎng)快線(MTR Airport Express)的速度目標(biāo)值達(dá)130 km/h外，其他線路的速度目標(biāo)值均不超過120 km/h。當(dāng)線路設(shè)計(jì)速度超過130 km/h時(shí)，基本采用交流供電制式。

機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線定位為市域鐵路，其速度目標(biāo)值推薦160 km/h。從牽引功率、技術(shù)成熟性、可靠性角度出發(fā)，推薦機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線采用AC 25 kV供電制式。

機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線不僅要同城際鐵路互聯(lián)互通，還要同市域鐵路金山線(已建成，采用AC 25 kV接觸網(wǎng)供電制式)及嘉閔線(建設(shè)規(guī)劃已批復(fù)，采用AC 25 kV接觸網(wǎng)供電制式)等線路貫通運(yùn)營(yíng)。從便于實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通、較少運(yùn)營(yíng)維護(hù)工作量、實(shí)現(xiàn)資源共享的角度出發(fā)，機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線推薦選用AC 25 kV供電制式、速度目標(biāo)值為160 km/h的市域動(dòng)車組。

2 車體尺寸選擇

機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線將與近滬地區(qū)范圍內(nèi)的國(guó)家干線鐵路及城際鐵路實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，其主要車型有CRH1B/E、CRH2A、CRH380B/D、CR400和CRH6A等。為了合理利用空間，節(jié)省工程投資，機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線車輛的外形尺寸，如長(zhǎng)度、寬度、高度、地板面高度、車輛定距、軸重等參數(shù)，宜同國(guó)家鐵路、城際鐵路的動(dòng)車組保持一致，以保證機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線市域列車與國(guó)有鐵路城際列車、市域鐵路跨線列車對(duì)土建設(shè)施的需求一致。

機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線列車初、近期為4輛編組，遠(yuǎn)期為8輛編組。為減少遠(yuǎn)期列車采購(gòu)成本，推薦遠(yuǎn)期的8輛編組列車優(yōu)先采用2列4輛編組列車重聯(lián)。為了統(tǒng)一站臺(tái)門結(jié)構(gòu)尺寸、簡(jiǎn)化站臺(tái)門方案、便于運(yùn)營(yíng)組織、減少后期維護(hù)工作，在滿足列車運(yùn)能的前提下，將頭車兩端車鉤中心距與中間車的車鉤中心距統(tǒng)一為25 000 mm。列車重連位置車門與站臺(tái)門設(shè)置方案如圖2所示。

圖2 列車車門與站臺(tái)門設(shè)置方案

機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線列車基本參數(shù)如表3所示。

表3 車輛基本參數(shù)表

3 列車載客量與編組

3.1 列車載客量

機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線平均乘客乘車距離較大(初期與近期為24.0 km，遠(yuǎn)期為20.0 km)，而且該線連通了虹橋火車站、虹橋機(jī)場(chǎng)、浦東機(jī)場(chǎng)、上海東站等對(duì)外綜合交通樞紐。由此可預(yù)見，其乘客大多攜帶行李，特別是大件行李。針對(duì)這一客流特點(diǎn)，機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線選用1.5 m寬大開度車門，采用橫縱結(jié)合的座椅布置方式，并增大座椅間距，設(shè)置行李存放區(qū)和行李架。為提高乘客乘車舒適度，機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線列車額定載客量按站立密度為4人/m2考慮，超載載客量按站立密度為6人/m2考慮，得到列車載客量如表4所示。

表4 機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線列車載客量

3.2 列車編組

根據(jù)客流預(yù)測(cè)成果[2]，機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線初、近、遠(yuǎn)期全日最大單向斷面客流量分別為2.68萬人次/d、3.48萬人次/d、5.06萬人次/d，初、近、遠(yuǎn)期的高峰時(shí)段最大單向斷面客流量分別為0.41萬人次/h、0.52萬人次/h、0.89萬人次/h。合理的列車編組應(yīng)不僅能滿足各設(shè)計(jì)年度的高峰時(shí)段斷面客流量，還應(yīng)具有一定的運(yùn)能儲(chǔ)備余量。

目前，市域動(dòng)車組列車主要有4輛編組、6輛編組、8輛編組。機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線的編組方案主要有：

方案一，初、近、遠(yuǎn)期均采用8輛編組；

方案二，初、近期采用6輛編組，遠(yuǎn)期采用8輛編組；

方案三，初、近期采用4輛編組，遠(yuǎn)期逐漸過渡到8輛編組。

機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線各編組方案在不同設(shè)計(jì)年度的運(yùn)能余量見表5。由表5分析可知：方案一與方案二的初、近期運(yùn)能富余較大，較浪費(fèi)；方案三在初、近期采用小編組列車，既提高了開行頻率，又實(shí)現(xiàn)了運(yùn)營(yíng)組織靈活，還節(jié)省了初、近期的工程投資，其遠(yuǎn)期可視客流變化情況調(diào)整編組，能更好地適應(yīng)客流。故方案三為推薦方案。

表5 機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線各編組方案在不同設(shè)計(jì)年度的運(yùn)能余量

4 列車救援與動(dòng)拖比選擇

4.1 列車救援

如機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線的列車編組采用方案三，則運(yùn)營(yíng)期內(nèi)會(huì)出現(xiàn)4輛編組和8輛編組列車混跑的情況。根據(jù)市域鐵路車輛救援要求[4-5]，同編組列車救援(4編組救援4編組、8編組救援8編組或兩列4編組重聯(lián)救援8編組)，無論動(dòng)拖比采用1∶1(2M(動(dòng)車)2T(拖車))還是3∶1(3M1T)，均能在線路最大坡度上完成救援。對(duì)于三林南站—上海東站區(qū)間，可能會(huì)有16輛編組的大鐵路跨線列車進(jìn)入機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線運(yùn)營(yíng)。由于4編組列車救援16編組列車沒有先例，故需對(duì)4編組列車采用不同動(dòng)拖比(1∶1和3∶1)的列車救援能力進(jìn)行線路仿真分析(啟動(dòng)時(shí)計(jì)算黏著系數(shù)取0.20)。

當(dāng)動(dòng)拖比為1∶1時(shí)：

1) 當(dāng)使用4輛編組AW0工況列車來救援8輛編組AW3工況無動(dòng)力列車時(shí)，能在≤12‰的坡道上啟動(dòng)。

2) 當(dāng)使用4輛編組AW0工況列車來救援16輛編組AW3工況無動(dòng)力列車，能在≤2‰的坡道上啟動(dòng)。

當(dāng)動(dòng)拖比為3∶1時(shí)：

1) 當(dāng)使用4輛編組AW0工況列車來救援8輛編組AW3工況無動(dòng)力列車時(shí)，能在≤25‰的坡道上啟動(dòng)。

2) 當(dāng)使用4輛編組AW0工況列車來救援16輛編組AW3工況無動(dòng)力列車時(shí)，能在≤10‰的坡道上啟動(dòng)。

由此可見：

1) 即使采用動(dòng)拖比為3∶1的4輛編組AW0工況列車，也僅能在10‰的坡度上救援16輛編組AW3工況無動(dòng)力列車。按規(guī)范，正線最大坡度為30‰。故該救援措施無法滿足16輛編組列車的救援要求。

2) 當(dāng)采用2列4輛編組AW0工況列車重聯(lián)救援16輛編組AW3工況列車時(shí)，其救援情況與使用4輛編組AW0工況列車救援8輛編組AW3工況無動(dòng)力列車的救援情況相同，僅能在≤25‰的坡道上啟動(dòng)。根據(jù)線路特征，當(dāng)考慮雙向救援時(shí)，該救援措施能夠滿足救援需求。

因此，在列車能實(shí)施正向救援和反向救援的前提下，3∶1的動(dòng)拖比能滿足機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線(8輛編組列車)及國(guó)家鐵路(16輛編組列車)跨線運(yùn)營(yíng)的救援需求，但車輛購(gòu)置成本和運(yùn)營(yíng)檢修成本會(huì)相應(yīng)增加。

4.2 列車動(dòng)力性能

4.2.1 動(dòng)力配置與動(dòng)拖比選擇

在初、近期，列車編組為4輛編組，動(dòng)拖比主要為3∶1及1∶1，則牽引性能參數(shù)見表6。

表6 不同動(dòng)拖比時(shí)的列車牽引性能參數(shù)

由表6可以看出，相對(duì)于2M2T，3M1T列車的電機(jī)數(shù)量增加了4臺(tái)，明顯提高了牽引功率。故3M1T列車在旅行時(shí)間、旅行速度、救援能力及達(dá)速比等方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。

3M1T列車主要存在以下缺點(diǎn)：①市域鐵路動(dòng)車組可靠性高，故障率低，在日常運(yùn)營(yíng)時(shí)動(dòng)力冗余較多，有一定的資源浪費(fèi)；②動(dòng)力配置增強(qiáng)，故列車購(gòu)置費(fèi)用相應(yīng)增加，列車全壽命周期運(yùn)用檢修維護(hù)工作量也將增加，故運(yùn)營(yíng)成本增加。

從機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線線路情況、救援性能、運(yùn)營(yíng)靈活性、全壽命周期成本等因素綜合考慮，機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線列車動(dòng)拖比暫推薦采用3∶1。

4.2.2 列車牽引性能

列車起動(dòng)牽引力是在額定載客量、車輪半磨耗的條件下計(jì)算確定的。動(dòng)拖比為3∶1時(shí)，列車牽引性能需滿足：最高運(yùn)行速度為160 km/h，平均起動(dòng)加速度≥1.0 m/s2，平均加速度≥0.4 m/s2。

5 列車疏散方式

5.1 國(guó)家鐵路動(dòng)車組列車的疏散方式

國(guó)家鐵路動(dòng)車組列車配置了應(yīng)急救援梯，如圖3所示。當(dāng)列車發(fā)生火災(zāi)等緊急情況時(shí)，由列車員操作應(yīng)急救援梯，并組織乘客疏散至道床面。

圖3 應(yīng)急疏散梯

5.2 城市軌道交通列車疏散方式

城市軌道交通列車運(yùn)行速度一般較低，且列車頭部一般采用非流線型設(shè)計(jì)，故可在列車頭部和尾部設(shè)置端門。當(dāng)在高架或未設(shè)置疏散平臺(tái)的區(qū)域發(fā)生緊急情況時(shí)，可利用端門疏散，如圖4所示。在地下區(qū)間一般設(shè)置高度為900 mm疏散平臺(tái)。疏散平臺(tái)與設(shè)備限界的距離一般控制為50～100 mm。

圖4 端門疏散梯

5.3 機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線列車疏散方式

機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線列車設(shè)計(jì)速度為160 km/h，橋隧比為94.7%。為減少列車運(yùn)行阻力及司機(jī)室噪聲，車頭需采用流線型，無法設(shè)置端門。

由于國(guó)家鐵路動(dòng)車組與機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線互聯(lián)互通運(yùn)營(yíng)，故機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線列車的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)需滿足國(guó)家鐵路動(dòng)車組限界標(biāo)準(zhǔn)：建(構(gòu))筑物距離線路中心距離不得小于2 200 mm。而機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線動(dòng)車組列車車體半寬為1 650 mm。如設(shè)置疏散平臺(tái)，則疏散平臺(tái)距離車輛側(cè)部最小距離為550 mm。在緊張氛圍或光線昏暗條件下，極易在人員疏散時(shí)發(fā)生掉落事件，危害乘客安全。因此，機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線無法按照常規(guī)模式貼臨列車設(shè)置架空疏散平臺(tái)。

因此，當(dāng)列車由于動(dòng)力故障或火災(zāi)等需要在區(qū)間疏散乘客時(shí)，機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線在地下及高架區(qū)間主要以道床面和電纜溝蓋板面作為縱向疏散通道進(jìn)行乘客緊急疏散，其列車也需相應(yīng)配置能夠滿足市域鐵路動(dòng)車組疏散需求的疏散設(shè)施。

為節(jié)省運(yùn)營(yíng)成本，機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線列車不配備乘務(wù)員。為便于乘客從列車疏散至地面，機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線動(dòng)車組疏散設(shè)施設(shè)計(jì)有多種結(jié)構(gòu)形式。參考國(guó)家鐵路適應(yīng)低站臺(tái)的車門結(jié)構(gòu)形式(見圖5)[5]，推薦在頭尾車中間車門附近設(shè)置下沉式踏步結(jié)構(gòu)形式的應(yīng)急疏散設(shè)施。通過仿真分析驗(yàn)證[6]，該設(shè)施疏散效率較高。

圖5 國(guó)家鐵路適應(yīng)低站臺(tái)車門結(jié)構(gòu)形式

6 結(jié)語(yǔ)

機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線是我國(guó)第一條與國(guó)家鐵路實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通的市域鐵路線路。本文從線路條件、站間距、時(shí)間目標(biāo)值、工程投資、技術(shù)成熟度、便于實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通、實(shí)現(xiàn)資源共享等角度出發(fā)，通過綜合分析提出，機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線車輛應(yīng)選用AC 25 kV供電制式、目標(biāo)速度為160 km/h的市域鐵路動(dòng)車組列車，并對(duì)該車型的車輛基本參數(shù)、定員、編組、動(dòng)拖比、疏散和救援性能展開分析和討論。

本文提出的車輛主要技術(shù)指標(biāo)及解決方案，可為類似條件線路的車輛選型提供參考借鑒。