石家莊市域（郊）鐵路車輛選型研究

王耀光

（中國鐵路設計集團有限公司,天津 300308）

0 引言

近年來，中央不斷提出建設世界級城市群的規(guī)劃，2021 年2 月24 日，中共中央、國務院印發(fā)的《國家綜合立體交通網(wǎng)規(guī)劃綱要》中提出，京津冀、長三角、粵港澳大灣區(qū)和成渝地區(qū)雙城經(jīng)濟圈作為“極”，加快建設高效率國家綜合立體交通網(wǎng)主骨架，同時以這4個極來建設面向世界的四大國際性綜合交通樞紐集群[1-2]。

2016 年2 月，《“十三五”時期京津冀國民經(jīng)濟和社會發(fā)展規(guī)劃》[3]發(fā)布實施，提出把交通一體化作為京津冀協(xié)同發(fā)展的先導性領域率先發(fā)展，打造“軌道上的京津冀”。

石家莊作為京津冀城市群中重要的中心城市，近期印發(fā)的《石家莊市國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和二〇三五年遠景目標綱要》中[4]指出，“十四五”期間重點打造軌道上的石家莊，大力推動市域（郊）快速軌道交通發(fā)展，構建1 小時通勤圈。

市域(郊)鐵路是在市域行政管轄區(qū)域內或都市圈范圍內，連接市區(qū)與外圍組團或衛(wèi)星城，串聯(lián)沿線主要城鎮(zhèn)、樞紐點或新城開發(fā)區(qū)，采用大站距、全封閉、最高運行速度為100～160 km/h[5-6]，融入城市軌道交通系統(tǒng)網(wǎng)絡，基于城市軌道交通運營管理經(jīng)驗，以城市客運服務為主，舒適度較高的快速軌道交通系統(tǒng)[7-10]。

目前市域（郊）鐵路車輛選型存在諸多問題，如：速度目標值選取不合理，車輛檢修場地、設施資源共享問題考慮不周，列車編組不盡合理等。該文以石家莊市域（郊）鐵路線網(wǎng)規(guī)劃研究為依托，深入研究市域（郊）車輛選型問題，以期對提高車輛選型準確性，降低工程投資有一定指導意義。

1 典型市域（郊）鐵路車輛制式選擇

近年來，我國大中城市市域（郊）鐵路建設進入快車道，不同城市、不同線路車輛選型也不盡相同，已開通運營或在建典型市域（郊）鐵路車輛制式統(tǒng)計見表1。

根據(jù)表1 統(tǒng)計近年來新開通或在建市域（郊）鐵路車輛選型情況，從供電制式角度分析，最高設計速度為120 km/h 時，均采用DC1500 V 供電制式，最高設計速度大于120 km/h 時，均采用AC25 kV 的供電制式。除青島8、15 號線，上海16 號線外其余線路均采用接觸網(wǎng)供電。從站立標準角度分析，因為市域（郊）鐵路主要服務中心城區(qū)和周邊組團通勤客流，舒適性要相應提高，均采用了比6 人/m2更低的站立標準。

表1 典型市域（郊）鐵路車輛選型情況

續(xù)表1 典型市域（郊）鐵路車輛選型情況

2 石家莊市軌道交通線網(wǎng)分析

2.1 城市軌道交通運營情況

石家莊已開通運營3 條地鐵線路，車輛選型情況見表2。

表2 石家莊市已運營軌道交通車輛選型情況

由表2 可知，石家莊已開通運營城市軌道交通車輛均采用設計速度為80 km/h 的6 輛編組A 型車。

2.2 市域（郊）鐵路線網(wǎng)分析

石家莊市域（郊）鐵路線網(wǎng)規(guī)劃布局方案分別見表3。

表3 市域（郊）線網(wǎng)布局方案

由表3 可知，石家莊市域（郊）鐵路共規(guī)劃7 條主線、2 條支線，其中S1/S1-1 為利用既有鐵路開行市郊列車線路。因石家莊市域（郊）鐵路與城市軌道交通一并由石家莊地鐵公司負責運營，因此建議市域（郊）鐵路車輛選型優(yōu)先考慮偏向城軌模式的市域A 型車及市域B 型車。

3 石家莊市域（郊）鐵路車輛選型制約因素分析

3.1 速度目標值分析

通常認為列車在區(qū)間保持勻速運行距離的比例占整個區(qū)間的50%以上，即線路站間距應大于列車加減速距離和的2 倍以上，圖1 為列車區(qū)間運行示意圖。

圖1 列車區(qū)間運行示意圖

根據(jù)列車加減速及最高運行速度即可計算得到不同速度等級下極限站間距，見表4。

表4 不同速度等級列車加減速距離及極限站間距

從表4 可以看出，120 km/h 的速度目標值的合理站間距離在3.0 km 及以上，140 km/h 的速度目標值的合理站間距離在4.6 km 及以上，160 km/h 的速度目標值的合理站間距離在6.6 km 及以上。據(jù)此分別計算了速度分別為120 km/h、140 km/h、160 km/h 時各條線滿足極限站間距的區(qū)間比例。

根據(jù)表5～7 計算結果可知，當選用速度目標值為120 km/h 時，列車勻速運行的距離占全長比例除S4 外其他線路均超過50%；當選用速度目標值為140 km/h 時，列車勻速運行的距離占全長比例僅有S1/S1-1，S2，S3，S7/S7-1 超過50%；當選用速度目標值為160 km/h 時，列車勻速運行的距離占全長比例僅有S7/S 7-1 超過50%。

表5 滿足極限站間距區(qū)間統(tǒng)計情況（120 km/h）

因此，選用速度目標值為120 km/h 時能更好發(fā)揮線路優(yōu)勢，該次研究建議石家莊市域（郊）鐵路線網(wǎng)所涉及各線均采用120 km/h 的速度目標值。

表6 滿足極限站間距區(qū)間統(tǒng)計情況（140 km/h）

表7 滿足極限站間距區(qū)間統(tǒng)計情況（160 km/h）

3.2 運能適應性分析

列車車型、編組方式與客流需求的適應性可通過計算線路能力儲備的方式判斷，計算公式為：

式中，N——能力儲備（%）；

D——列車定員（人/列）；

K——設計高峰小時最大列車開行對數(shù)（對/h）；

G——高峰小時單向最大斷面客流量（人次/h）。

一般情況下，線路的能力儲備為單向最大斷面客流量的10%～20%。

根據(jù)表1 調研國內新開通或在建市域（郊）線路站立標準，石家莊市域（郊）鐵路推薦采用4 人/m2的標準，在考慮乘客舒適性的同時也兼顧了經(jīng)濟性。

根據(jù)《市域（郊）鐵路設計規(guī)范》[11]，新建市域（郊）鐵路遠期高峰時段不宜大于4 min，即除S1/S1-1 線外其余線路遠景年高峰小時對數(shù)不應小于15 對。利用既有鐵路開行市域（郊）列車，列車運行間隔應結合既有鐵路能力富余情況確定，高峰時段不宜大于15 min，即S1/S1-1 線高峰小時對數(shù)不應小于4 對（如表8）。

表8 遠景年石家莊市域（郊）鐵路線網(wǎng)各線客流指標

基于此，根據(jù)式（1），分別計算選用市域A 型車和市域B 型車在不同編組情況下能力儲備情況。

根據(jù)表9、表10 計算結果，采用市域A 型車，3、4、6 輛編組情況下，所有線路均滿足客流運輸需求。采用市域B 型車，3 輛編組情況下，高峰小時對數(shù)按照系統(tǒng)能力30 對計算，S3、S4 號線無法滿足客流運輸需求，S2 號線雖滿足客流需求，但能力富裕較低，應對客流預測風險性較差，其他線路可滿足客流運輸需求，4、6 輛編組情況下，所有線路均滿足客流運輸需求。

表9 市域A 型車各線客流適應性

表10 市域B 型車各線客流適應性

基于運能適應性分析，石家莊市域（郊）鐵路車輛選型可選3 輛編組市域A 型車或4 輛編組市域B 型車。

3.3 供電制式分析

目前，市域（郊）鐵路可采用DC1500 V、AC25 kV及DC1500 V/AC 25 kV 供電制式，這三種供電制式均可滿足最高運行速度120 km/h 的要求。在二十世紀七八十年代，DC1500 V 供電制式在世界各國得到了廣泛的應用，隨著技術的發(fā)展，更為經(jīng)濟、有效的AC25 kV 供電制式得到了大力發(fā)展，并逐漸得到推廣。DC1500 V 及AC25 kV供電制式對比及使用范圍見表11。

根據(jù)表11～12 不同供電制式優(yōu)缺點分析及供電制式與速度對比分析，當列車速度目標值為120 km/h 時，通常選擇直流制式更加經(jīng)濟合理，當速度目標值達到140～160 km/h 時，直流制式車輛研制成本增加，國內外無運營業(yè)績，配套的直流牽引供電系統(tǒng)也很不經(jīng)濟[6]。

表11 DC1 500 V 及AC25 kV 供電制式對比及使用范圍

表12 市域A、市域B 型車供電制式與速度對比

根據(jù)3.1 節(jié)分析，石家莊市域（郊）鐵路線網(wǎng)各線選用速度目標值為120 km/h，因此，采用DC1500 V 供電制式更為合理。

3.4 車輛、檢修設施資源共享分析

車型選擇需充分考慮工程本身條件，是否與相關線路貫通運營，是否需要檢修資源共享等問題。為最大化利用既有城市軌道交通資源，石家莊市域（郊）鐵路需與中心城區(qū)既有城市軌道交通實現(xiàn)資源共享，根據(jù)石家莊市已運營軌道交通車輛選型情況統(tǒng)計（表2），如選用A型車即可實現(xiàn)與既有城市軌道交通資源共享的最大化。

4 結論

該文通過調研國內近年來開通市域（郊）鐵路實際情況并結合石家莊客流、既有軌道交通情況，從速度目標值、運能適應性、供電制式、車輛及檢修設施資源共享等角度對石家莊市域（郊）鐵路車輛選型進行分析，得出了經(jīng)濟合理的車輛選型結論，即：選用速度目標值為120 km/h 的3 輛編組市域A 型車。

速度目標值的選擇需根據(jù)線路具體設站情況，保證車輛保持勻速運行距離的比例占整個區(qū)間長度的50%以上。

運能適應性分析需根據(jù)高峰斷面客流，分析不同車型不同編組能力儲備情況，分析結論得出均滿足能力儲備要求下的不同車型不同編組的多方案情況。

供電制式選擇可根據(jù)速度目標值確定，如若速度目標值選用120 km/h，供電制式建議選用DC1500 V；如若速度目標值大于120 km/h，供電制式建議選用AC25 kV。

根據(jù)不同城市實際情況，如需與中心城區(qū)既有軌道交通貫通運營時，應選擇與既有軌道交通相同或外觀相近車型，以便最大化實現(xiàn)資源共享。