淺析新建市域(郊)鐵路系統(tǒng)設計關鍵技術

宋元勝

(中鐵二院(成都)工程咨詢有限公司, 成都 610031)

1 市域(郊)鐵路現(xiàn)狀

市域(郊)鐵路是連接都市圈中心城市城區(qū)和周邊城鎮(zhèn)組團，為通勤客流提供快速度、大運量、公交化運輸服務的軌道交通系統(tǒng)，單程通行時間宜不超過1 h，設計速度宜為100～160 km/h[1]。其服務功能介于城市軌道交通與城際鐵路之間，服務特性更接近于城市軌道交通。根據(jù)市域(郊)鐵路概念和特點，不難得出速度目標值100～160 km/h、公交化兩個關鍵性問題，那么在目前速度100～160 km/h客貨共線鐵路、120～200 km/h城際鐵路、城市軌道交通120～140 km/h快線設計技術都成熟的情況下，市域(郊)鐵路系統(tǒng)設計還有沒有關鍵技術，什么是關鍵技術？為此，筆者提出了新建市域(郊)鐵路系統(tǒng)設計的關鍵技術研究，本文從系統(tǒng)整體功能角度，而不是從特定項目或單體工程角度來研究關鍵技術，同時本文的關鍵技術不是指市域(郊)鐵路某一路段、某個單項(體)工程的關鍵技術，也不是指特定市域(郊)鐵路項目的關鍵技術，而是泛指所有新建市域(郊)鐵路設計具有的共同的、影響系統(tǒng)功能實現(xiàn)的技術。

國內外市域(郊)鐵路研究文獻較少，國內可查文獻主要集中在市域(郊)鐵路發(fā)展啟示、發(fā)展模式、區(qū)域適應性、運營管理和橋梁工程應用技術等方面，未見市域(郊)鐵路設計及關鍵技術的相關研究文獻。本文引用文獻主要集中在公交化、列車運行圖結構及穩(wěn)定性方面，對新建市域(郊)鐵路系統(tǒng)設計的關鍵技術研究有輔助作用。

目前，TB 10624-2020《市域(郊)鐵路設計規(guī)范》已頒布，其在總體設計下單列3.4 系統(tǒng)設計，但其條文內容除“3.4.1 市域(郊)鐵路應系統(tǒng)設計、總體功能最優(yōu)。各子系統(tǒng)間、固定和移動設施間、項目主體與外部環(huán)境間的標準與接口設計應匹配協(xié)調?！盵2]涉及筆者提出的市域(郊)鐵路系統(tǒng)設計關鍵技術之外，其它條文均為市域(郊)鐵路單項(體)工程的系統(tǒng)設計技術。同時，條文3.4.1強調的是標準與接口設計，無條文說明內容，可見市域(郊)鐵路設計規(guī)范也未明確和深入研究新建市域(郊)鐵路系統(tǒng)設計的系統(tǒng)性關鍵技術。筆者結合多年科研和項目管理經(jīng)驗，探索性提出新建市域(郊)鐵路系統(tǒng)設計的關鍵技術研究。

2 新建市域(郊)鐵路功能和系統(tǒng)設計目標

2.1 新建市域(郊)鐵路功能

(1)從概念角度分析市域(郊)鐵路功能

市域(郊)鐵路主要布局在經(jīng)濟發(fā)達、人口聚集的都市圈內的中心城市，聯(lián)通城區(qū)與郊區(qū)及周邊城鎮(zhèn)組團，采取靈活編組、高密度、公交化的運輸組織方式，重點滿足1 h通勤圈快速通達出行需求?？梢娛杏?郊)鐵路功能的內涵是滿足旅客通勤出行需求。因此，從時間分布上，要求市域(郊)鐵路主要為早晚高峰小時旅客出行服務；從運輸組織實施上，要求市域(郊)鐵路運輸組織提供公交化運輸；從旅客出行效率上，要求運輸組織不同需求的快慢列車以滿足旅客出行，顯然其外涵為滿足不同需求的公交化運輸需求，提供公交化的運輸服務。因此，新建市域(郊)鐵路系統(tǒng)功能是提供早晚高峰1 h通勤圈公交化運輸服務。

(2)從功能性比較角度分析市域(郊)鐵路功能

市域(郊)鐵路服務功能介于城市軌道交通與城際鐵路之間，因此將市域(郊)鐵路、城市軌道交通和城際鐵路的功能屬性進行對比分析，更好明晰市域(郊)鐵路功能，結果如表1所示。

表1 市域(郊)鐵路、城市軌道交通和城際鐵路的功能屬性對比分析表

從表1可看出，由于組織站站停列車開行，城市快速軌道交通不能滿足時間價值較高的旅客出行需求。城際鐵路服務范圍較廣，時間價值較高旅客相對較多，大站停列車開行數(shù)量較多，由于大站停列車擠壓站站停列車運行線，其公交化服務水平相對較差。我國城際鐵路運營主要照顧了時間價值較高的旅客出行，公交化的站站停列車開行數(shù)量較少，沿線車站服務水平較低。市域(郊)鐵路主要位于都市圈內人口比較密集區(qū)域，組織滿足時間價值較高的旅客出行需求較少，組織滿足通勤要求的站站停列車較多，因此市域(郊)鐵路既能照顧時間價值較高旅客，開行大站越行列車，又能較好地實現(xiàn)公交化服務，為都市圈提供早晚高峰通勤圈公交化運輸服務。

2.2 新建市域(郊)鐵路的系統(tǒng)設計目標

市域(郊)鐵路系統(tǒng)設計應以實現(xiàn)系統(tǒng)功能優(yōu)化為目的[3]，要提供早晚高峰1 h通勤圈公交化運輸服務，市域(郊)鐵路通過能力、運輸服務水平要滿足高峰1 h公交化運輸需求。通過能力反映是指在一定的機車車輛類型、信號設備和行車組織方法條件下，鐵路區(qū)段內各種基礎設施和固定設備在單位時間內所能通過或接發(fā)的列車對數(shù)[4]?？梢?，設計通過能力為運輸服務水平的基礎，只有最大化提高設計通過能力才能盡可能多開列車，提高市域(郊)鐵路服務水平。服務水平反映的是運輸組織和管理能力，是滿足運輸需求和指導固定設備配置的關鍵，服務水平的要求反過來通過大站停列車的多少制約市域(郊)鐵路的通過能力，因此規(guī)劃設計通過能力時需要考慮服務水平的可實施性，與公交化運輸方案對應的服務水平設計時需要考慮通過能力條件是否具備，在通過能力能夠滿足的條件下，盡可能實現(xiàn)最高的服務水平，故市域(郊)鐵路系統(tǒng)設計需要協(xié)調通過能力和服務水平才能實現(xiàn)其功能目標，新建市域(郊)鐵路系統(tǒng)設計需要實現(xiàn)系統(tǒng)通過能力和服務水平最大化的設計目標。

3 系統(tǒng)設計的關鍵技術

根據(jù)國辦函[2020]116號，新建市域(郊)鐵路應根據(jù)客流需求等設置越行條件，盡可能滿足快慢線運輸組織要求，推行“站站?！迸c“大站?！毕嘟Y合的靈活運輸組織模式，提供多樣化、便捷化出行服務。因組織站站停列車的市域(郊)鐵路在系統(tǒng)設計上已實現(xiàn)系統(tǒng)設計能力和服務水平的最大化，本文在列車越行條件下研究市域(郊)鐵路系統(tǒng)設計的關鍵技術。

3.1 從功能和系統(tǒng)設計目標分析

市域(郊)鐵路設計規(guī)范對于系統(tǒng)設計能力計算方法沒有描述，僅在5.2.2條規(guī)定“系統(tǒng)設計能力應滿足設計年度客流需求，快慢車組合運行時不宜大于24對/h……”。在越行條件下，新建市域(郊)鐵路系統(tǒng)能力可參照TB 10621-2014《高速鐵路設計規(guī)范》條文說明中的能力計算辦法進行類推，平行圖區(qū)間通過能力可描述為[5]：

(1)

式中：N——平行運行圖通過能力(對或列)；

TW——綜合維修天窗時間(min)；

I——列車追蹤間隔(min)；

S——客運區(qū)段長度(km)；

v——列車運行速度(km/h)。

市域(郊)鐵路為公交化鐵路，越行條件下其平行運行圖區(qū)間通過能力可根據(jù)(1)式類推，可粗略描述為：

(2)

式中：I站、I直——站站停、大站車追蹤間隔(min)；

S越——越行區(qū)段長度(km)。

無論式(2)是否能準確計算市域(郊)鐵路的平行圖通過能力，都可以看出，市域(郊)鐵路通過能力由大站車、站站停列車追蹤間隔和大站車越行站間距離決定。

市域(郊)鐵路的服務水平是指站站停列車服務車站的水平，集中體現(xiàn)在站站停列車的追蹤間隔。從式(2)也可以看出，當S越=0時，該式代表了無越行條件下線路的最大通過能力和最大服務水平，服務水平由站站停列車的追蹤間隔決定。

因此，新建市域(郊)鐵路系統(tǒng)能力和服務水平兩個指標的決定因素均可歸集到列車追蹤間隔，系統(tǒng)能力由大站車、站站停列車追蹤間隔決定，服務水平主要由公交化運輸?shù)恼菊就Ａ熊囎粉欓g隔決定。因此，在越行條件下，站站停列車受大站停列車越行影響，直接影響系統(tǒng)能力，而要實現(xiàn)系統(tǒng)能力和服務水平最大化，關鍵影響因素就是越行站的站間距離。理論上，越行站的站間距離越小，開行的大站和站站列車對數(shù)越多，站站車開行對數(shù)越多，服務水平就越高。

不同越行站間距離對列車對數(shù)影響如圖1所示，從式(2)和圖1均可得出以上結論。因此，從功能和系統(tǒng)設計目標分析，越行站站間距離設計就是市域(郊)鐵路系統(tǒng)設計的關鍵技術。

圖1 不同越行站間距離對列車對數(shù)影響示意圖

3.2 從工程建設內容分析

市域(郊)鐵路設計規(guī)范 3.4 系統(tǒng)設計內容，簡單歸納起來，在固定設備方面主要對路基、橋梁、隧道和軌道等線下基礎設施進行了規(guī)定，要求設計應采用與設計速度匹配的技術標準，工程類別的選擇應結合工程技術、地形地質、社會環(huán)境以及土地利用等因素比選確定，同時對車站站臺、房屋配置、車輛基地及固定設施的養(yǎng)護維修等進行了規(guī)范。在移動設備方面主要對車輛站立標準進行規(guī)范，其余主要是對市域(郊)鐵路設計外部環(huán)境影響、工程安全、信息安全、接口設計等進行了規(guī)范，同時規(guī)定市域(郊)鐵路設計應充分考慮施工條件和養(yǎng)護維修條件，設備設施及部件的選擇應遵循匹配合理、標準化、通用化的原則。從上述內容看，市域(郊)鐵路設計規(guī)范并未提出其設計關鍵技術，且從其內容上也難以分析出系統(tǒng)性的關鍵技術。

新建市域(郊)鐵路工程建設內容總體上可分為站前和站后專業(yè)內容兩大系列。站前專業(yè)的線路、軌道、地質、路基、橋梁、隧道專業(yè)內容是新建市域(郊)鐵路線下工程設計的組成部分，其專業(yè)技術是影響各專業(yè)內部系統(tǒng)設計、單項或單體工程設計的關鍵技術，如線路選線無論采用何種技術、何種線路走向，線路的設計通過能力不會因此提高，僅可能減少工程投資和風險；橋梁設計無論采用何種梁式、跨度、結構技術和施工方法，建成的都是一座橋梁，其為市域(郊)鐵路提供的線路通過能力是一致的，并不因為不同橋梁采用關鍵技術的不同而影響線路通過能力。站場專業(yè)設計成果為車站站場，為實現(xiàn)運輸專業(yè)設計輸出的新建市域(郊)鐵路服務水平和通過能力的載體。因此站前專業(yè)中，線下設計專業(yè)技術均為專業(yè)內部設計技術或單項設計技術，并非市域(郊)鐵路影響系統(tǒng)功能的關鍵技術；站后專業(yè)技術均為成熟應用技術和多途徑可實現(xiàn)技術，信號系統(tǒng)控制列車運行間隔和安全，具有影響市域(郊)鐵路系統(tǒng)性服務功能和通過能力的特性，其它專業(yè)內容雖屬于市域(郊)鐵路組成部分，自身也形成有效系統(tǒng)，但基本都是局限于本專業(yè)、本單項或單體工程的內容和技術，其專業(yè)技術不足以整體提高市域(郊)鐵路系統(tǒng)能力和服務水平。由此可見，能夠影響系統(tǒng)能力和服務水平的專業(yè)技術為運輸、站場和信號專業(yè)技術。

運輸與信號專業(yè)的技術交集在于列車追蹤間隔，是系統(tǒng)能力和服務水平實現(xiàn)的決定因素，運輸專業(yè)設計的技術成果決定了站場專業(yè)設計空間位置，站場專業(yè)為滿足運輸專業(yè)設計行車量、列車越行條件而進行車站平面布置設計。因此，列車追蹤間隔、車站分布、行車量設計是決定新建市域(郊)鐵路通過能力和服務水平的關鍵因素，而由于市域(郊)鐵路越行列車的存在，在既定行車量下，車站分布直接決定了列車間隔和通過能力的均衡性，越行站間距離決定了站站停列車服務水平和線路設計能力是否實現(xiàn)最大化。

綜上所述，越行站站間距離是新建市域(郊)鐵路系統(tǒng)設計的關鍵技術。

4 越行站等時距車站分布

圖2 不同越行站間距離下列車運行示意圖

依據(jù)運行圖則有：

Δt=tm-tk+t通發(fā)

(3)

(4)

T甲乙=Δt+(n-1)I站+t到通+t空費

(5)

(6)

t通發(fā),t到通——分別表示大站快車通過與站站車發(fā)車、到達的間隔時間(min);

T甲乙,T乙丙——分別表示大站快車在甲乙、乙丙區(qū)間運行間隔時間(min)；

z1、z2…zj——表示越行站之間站站車停車的無配線車站(j∈Ν)。

5 結束語

本文探索性地研究了市域(郊)鐵路系統(tǒng)設計的關鍵技術，得出以下主要結論：

(1)新建市域(郊)鐵路系統(tǒng)功能為提供早晚高峰1 h通勤圈公交化運輸服務；系統(tǒng)設計需要實現(xiàn)系統(tǒng)通過能力和服務水平最大化的設計目標。

(2)從功能、系統(tǒng)設計目標和工程建設的角度分析，列車越行條件下新建市域(郊)鐵路系統(tǒng)設計的關鍵技術為越行站站間距離。

(3)實現(xiàn)新建市域(郊)鐵路系統(tǒng)設計功能和目標的關鍵技術為越行站等時距車站分布。

本文結論對新建市域(郊)鐵路設計和運營具有指導意義，對越行條件下的城市軌道交通快線也具有一定借鑒作用。