城市軌道交通超長線路速度目標值選擇淺析

強士盎

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安 710043)

《城市軌道交通工程項目建設標準》(以下簡稱“建設標準”)規(guī)定，城市軌道交通“每條線路長度不宜大于35 km，對超長線路應以最長交路運行1 h為目標”［1]。而隨著城市化進程的推進，不少城市市區(qū)規(guī)模越來越大，當前城市軌道交通規(guī)劃和建設，延伸的里程已覆蓋了城市和鄉(xiāng)鎮(zhèn)的大部分區(qū)域，城市軌道交通線路長度有增長的趨勢。

目前城市軌道交通對超長線路沒有明確的定義，“建設標準”根據(jù)國際城市軌道交通建設經驗和我國城市規(guī)劃規(guī)模的分析，提出了擬建新線建設長度不宜大于35 km的限制概念，與當前軌道交通列車最高運行速度 80 km/h、旅行速度 35 km/h［2]、1 h 運程的適應性基本相符。但隨著城市的發(fā)展，國內出現(xiàn)了越來越多長度超過35 km的軌道交通線路;同時隨著車輛制造技術的進步，不同速度對應的車輛種類也在不斷增加。城市軌道交通線路選擇合理的最高運行速度可以快速輸送乘客，縮短乘客出行時間，提高軌道交通的整體服務水平，速度目標值(車輛最高運行速度)作為軌道交通的主要技術標準之一，在超長線路中越來越受到重視。

本論文的研究對象超長線路是指超過40 km的軌道交通線路。對目前國內城市軌道交通超長線路分布概況、列車速度目標值等相關數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，總結超長線路速度目標值選取要考慮的因素及注意事項，為相關領域內的設計者和決策者提供參考。

1 目前國內城市軌道交通超長線路分布概況

1.1 國內超長線路分布概況

城市軌道交通超長線路的存在主要與城市發(fā)展規(guī)模、城市形態(tài)及客流需求等有關，主要分布在特大城市或城市形態(tài)為帶狀的城市。目前國內北京、上海、天津、廣州、深圳等城市的超長地鐵線路已運營，而重慶、西安等城市的超長地鐵線路已經在建或已完成規(guī)劃，國內既有及規(guī)劃主要超長線路的分布概況見表1。

1.2 國內城市軌道交通主要超長線路速度目標值

國內主要超長線路速度目標值見表2。

由表2可見，城市軌道交通超長線路均采用了適合高運量或大運量的A型或B型地鐵車輛，這與城市的規(guī)模與發(fā)展及客流需求相適應。而列車最高運行速度均采用80 km/h及以上，其中僅廣州地鐵3號線采用了120 km/h，其他大部分線路采用80 km/h的最高運行速度。

表1 既有及規(guī)劃超長線路分布概況

表2 國內主要超長線路速度目標值

2 城市軌道交通超長線路速度目標值的選擇

“建設標準”第十四條規(guī)定:“城市軌道交通建設應根據(jù)線網(wǎng)規(guī)劃，依據(jù)建設線路的客流特征、運量等級和速度目標等進行功能定位，確定工程規(guī)模、運營規(guī)模和效益規(guī)模。其項目構成應滿足城市軌道交通系統(tǒng)運營模式和客運需求。”［1]

城市軌道交通線路選擇合理的最高運行速度，可以快速輸送乘客，縮短乘客出行時間，提高軌道交通的整體服務水平，城市軌道交通超長線路的速度目標值的選擇要考慮與線路功能定位、客流出行特征、車站分布(站間距離)等相適應，此外還要考慮運營的經濟性以及不同速度目標值對環(huán)境的影響等。

2.1 線路功能定位與速度目標的關系

對一個城市而言，城市軌道交通線路依照所承擔的功能及線路技術標準的不同，可分為以下3個層次。

(1)城市組團快線

聯(lián)系城市核心區(qū)與外圍組團，或聯(lián)絡多個外圍組團，以長距離出行服務為主。平均站間距離2～3 km，最高速度一般為100～120 km/h。組團快線將帶動城市外圍組團的開發(fā)建設與城市更新，促進城市內外一體化及城市多中心結構的形成。

(2)城市干線

聯(lián)系城市主要聚集節(jié)點及其沿線片區(qū)，以中短距離出行服務為主。平均站間距離約1 km，最高速度一般為80～100 km/h。干線覆蓋城市主要客運交通走廊，將緩解城市交通壓力、促進土地集約利用及城市主要發(fā)展軸的發(fā)展。

(3)城市局域線

聯(lián)系相鄰組團或組團內部各片區(qū)，是城市干線和快線的補充線路，以中短距離出行服務為主。平均站間距離約1 km，最高速度一般不大于80 km/h。局域線將在上層次線路基礎上，進一步增加覆蓋、緩解交通壓力，并加強外圍城區(qū)各片區(qū)間的聯(lián)系。

城市軌道交通超長線路一般屬于前兩類，即城市組團快線或者城市干線，速度目標一般在80 km/h及以上。進行速度目標比選時，首先應根據(jù)其功能定位，并充分考慮同一客流走廊內小汽車、公交汽車等交通方式的出行時間，合理確定旅客出行的時間目標值，進而框定軌道交通合理的旅行速度［3]。

2.2 客流出行特征對速度目標選擇的影響

進行速度目標選擇時，要考慮各級運距的乘客量及客流出行距離等客流出行特征。據(jù)統(tǒng)計，一般城市軌道交通線路長度在30 km內的線路，不同乘距的客流粗框比例大致是:5 km內乘距占10%，5～10 km乘距占40%，10～15 km乘距占20%，15 km以上占30%。由此可見，5～10 km乘距比例最大。故一般線路采用80 km/h的最高運行速度，旅行速度達到35 km/h，大部分乘客一次出行時間僅10～20 min，服務水平較高，速度目標值的選取與客流需求相適應，是合理的。

對于超長線路來說，也應考慮滿足特定乘距范圍內的客流出行需要，這個特定乘距范圍客流所占的客流比例應該是最大的。特定乘距范圍數(shù)值及所占比例直接影響長大線路的平均乘距，若長大線路的平均乘距較短，則選用較低的速度目標值就可滿足大部分乘客快速出行需求，若長大線路的平均乘距較長，則要選用較高的速度目標值來滿足乘客出行需求［4-5]。

2.3 車站分布對速度目標選擇的影響

對于軌道交通速度應追求旅行速度為主。對于全封閉的城市軌道交通線路，旅行速度與車輛的最高速度有關，也與車站的間距有關。車輛的最高速度由車輛相關性能決定，而車站間距應根據(jù)線路功能、沿線用地規(guī)劃確定。

“建設標準”規(guī)定:“對超長線路應以最長交路運行1 h為目標，旅行速度達到最高運行速度的45%～50% 為宜。”［1]

條文說明中也闡述了速度目標與站間距的關系。

(1)車輛的最高速度目標定為80 km/h時，站間距大部分在1.2～1.5 km，可以滿足旅行速度35 km/h。站間距大部分在2.0～2.5 km，可以滿足旅行速度40～45 km/h［1]。

(2)車輛的最高速度目標定為100 km/h時，站間距2.5～3.0 km，可以滿足旅行速度45～55 km/h［1]。

(3)對于站間距普遍大于3.0 km的線路，可能屬于城郊組團之快速線路，可以追求最高速度≥120 km/h，可有效提高旅行速度≥60 km/h［1]。

不同站間距的旅行速度見表3［1]。

表3 不同站間距地鐵列車的旅行速度 km/h

可見，列車的旅行速度與站間距關系密切，速度目標選擇時應考慮與車站分布相匹配，不盲目追求列車的最高運行速度。

2.4 速度目標值選擇的經濟性分析

不同速度目標的經濟性分析主要有以下幾個方面:車輛購置費比較、牽引供電系統(tǒng)比較、建筑限界比較、相關設備比較等。

(1)車輛購置費比較

不同速度車輛的購置費差別主要是由于車輛購置數(shù)量及車輛單價不同引起的。車輛購置數(shù)量在線路長度及運營交路方案相同的情況下主要是由列車的旅行速度決定的，旅行速度高車輛周轉快，需要的運用車數(shù)少，需購置車數(shù)就少，反之則引起購置車數(shù)量增加。不同速度車輛單價也不同，根據(jù)車輛廠最新報價，同類型車輛80 km/h車輛單價最低，100 km/h車輛單價比80 km/h車輛高約50萬元/輛，120 km/h車輛單價比100 km/h 車輛高約50 萬元/輛［6]。

但目前國內能夠生產速度超過80 km/h車輛的廠家有限，生產快線車輛能力情況如下。

株洲電力機車廠已能生產120 km/h的A型車(SIEMENS技術)和B型車，已用于上海11號線和廣州地鐵3號線。四方機車車輛廠已能生產140 km/h的A型車(BOMBARDIER技術)，目前處于方案設計階段。浦鎮(zhèn)車輛廠已能生產140 km/h的A型車(ALSTOM技術)，目前已完成方案設計，價格約1 300萬元/輛。長春客車廠已能生產135 km/h的A型車，已用于香港地鐵［7]。

(2)牽引供電系統(tǒng)比較

不同速度車輛對牽引供電系統(tǒng)的影響主要從耗電量、牽引變電所數(shù)量、機組安裝容量等方面進行分析比較。不同速度車輛列車的牽引、制動等性能不同，其牽引耗電量差別較大，一般來說行車速度越高，牽引年用電量越高，運營費用增加越大［8]。牽引變電所設置數(shù)量及機組裝機容量與牽引耗電量是正比關系;速度目標值提高時，牽引變電所設置數(shù)量及設備容量必須增加。

(3)建筑限界比較

我國A、B型車的車輛限界、設備限界和建筑限界已在國家現(xiàn)行標準《地鐵限界標準》(CJJ96—2003)和現(xiàn)行國家標準《地鐵設計規(guī)范》(GB50157—2003)中作出規(guī)定;跨座式單軌車限界和Lb型車限界正在研究編制。

研究表明:地鐵車輛若采用80 km/h的速度目標值(允許瞬時超速5 km/h)，維持現(xiàn)行地鐵設計限界標準不變;如果采用100 km/h的速度目標值(為最高行車速度)，維持現(xiàn)行地鐵設計限界標準不變;如果采用100 km/h需要瞬時超速5～10 km/h或采用120 km/h的速度目標值，則應根據(jù)乘客的舒適度標準，依據(jù)列車車輛密封性指標和區(qū)間隧道斷面的阻塞比校核隧道斷面的凈空面積，并適當增加斷面尺寸［9]。

(4)相關設備比較

不同速度目標值方案對信號、屏蔽門、車站設備、軌道、道岔等設備的要求有所不同。

根據(jù)目前國內外信號系統(tǒng)工程實際的應用情況和對信號系統(tǒng)供貨商不同制式系統(tǒng)設備的了解，信號系統(tǒng)在相關專業(yè)(車輛、軌道、供電、限界、線路等)滿足其設計技術條件(不同速度目標值)的前提下，80、100、120 km/h三種速度目標值信號系統(tǒng)方案本身并無實質性的變化，但80、100 km/h速度目標值有成熟的應用經驗，120 km/h速度目標值無成熟應用經驗，設備還需進一步研發(fā)、試驗。

對于軌道設備，地下線、高架線均采用整體道床，對于不同速度目標值軌道設備無差別;地面線采用碎石道床，隨著速度目標值的提高，道床頂面寬度相應增寬，道砟數(shù)量相應增加，但增加量較小［10-12]。因此，不同速度目標值方案對軌道工程投資影響很小。

對屏蔽門、車站設備等設備強度或規(guī)格要求有所不同，但對投資影響很小。因此，不同速度目標值方案對信號、屏蔽門、車站、軌道、道岔等設備工程影響較小。

2.5 不同速度目標值方案對環(huán)境的影響

城市軌道交通項目對沿線聲環(huán)境的影響主要來自于高架段和地面段。軌道交通噪聲大小不僅與列車對數(shù)有關，還受運行速度的影響。本次研究，根據(jù)鐵計【2006】44號《鐵路建設項目環(huán)境影響評價噪聲振動源強取值和治理原則指導意見》，采用模式法對城市軌道交通高架區(qū)間沿線聲環(huán)境的影響進行預測［13]。不同速度對噪聲大小的影響預測結果見表4，達標距離見表5。

表4 不同速度對噪聲大小的影響

表5 不同速度下的達標距離m

可見，速度越大，超標范圍越大。若按居住區(qū)的標準來衡量(晝間60 dB/夜間50 dB)，80 km/h時的達標距離為255 m;100 km/h時的達標距離增大為330 m;120 km/h時的達標距離增大為415 m。

3 關于“超長線路應以最長交路運行1 h為目標”的探討

“建設標準”規(guī)定:“對超長線路應以最長交路運行1 h為目標，旅行速度達到最高運行速度的45%～50%為宜［1]。”1 h的運行時間目標目前已成為大多數(shù)城市軌道交通線路進行速度目標值選擇的限制性因素，那么1 h的時間目標究竟能否被突破?

從目前國內已運營的地鐵線路來看，是可以的，例如上海地鐵9號線。上海地鐵交通9號線，也稱作申松線，是一條東西走向為主的線路。規(guī)劃中全線由松江新城站至崇明島，目前已通車運營的為西起松江新城站，東至楊高中路站的一期和二期工程，全長約46 km，高峰小時采用大小交路運行，其中大交路為松江新城站—楊高中路站，小交路為中春路站—楊高中路站。大交路全程運行時間約70 min，超過1 h的限制。

“建設標準”中規(guī)定的1 h的全程運行(可認為最長交路運程)，是避免司機駕駛疲勞，屬勞動安全問題，但是也沒有嚴格要求地鐵司機每隔1 h就必須換班休息。

目前國內的地鐵列車絕大部分可實現(xiàn)自動駕駛和非自動駕駛，駕駛室內一般配備2人，1人擔任司機，1人負責“打下手”。在地鐵行駛過程中，2人做得最多的就是單手指示手勢，通過手勢確認車門是否開啟正確、進出站信號燈等情況。地鐵司機基本上不用開車，主要負責監(jiān)視列車、站臺情況，只有在遇到意外或者緊急情況時，才會進行駕駛操作。地鐵列車司機幾乎都是每隔1～2 h換班休息1次。也就是1～2 h都是可以接受的，沒有1 h的強制要求，并且隨著運營管理技術及水平的進一步提高，超長線路的司機換班問題也可以通過在中間車站設置司機換班室等方式來解決。國鐵實行長交路，司機駕駛時間更長。

4 結語

城市軌道交通線路選擇合理的最高運行速度，可以快速輸送乘客，縮短乘客出行時間，提高軌道交通的整體服務水平。隨著城市化進程的推進，不少城市市區(qū)規(guī)模越來越大，相應的城市軌道交通超長線路也會越來越多。在進行城市軌道交通超長線路速度目標值方案比選時，不應死摳“1 h”的運行時間限制，不盲目追求列車的最高運行速度。應綜合考慮列車最高運行速度與線路功能定位、客流出行特征、車站分布(站間距離)等相適應，并考慮投資及運營的經濟性以及對環(huán)境的影響等因素，通過綜合分析比選論證，確定較優(yōu)的速度目標值方案。

［1]中華人民共和國建設部，中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會.建標104—2008 城市軌道交通工程項目建設標準［S].北京:中國計劃出版社，2008.

［2]北京城建設計研究總院.GB50157—2003 地鐵設計規(guī)范［S].北京:中國計劃出版社，2003.

［3]周立新，孔慶瑜.城市軌道交通系統(tǒng)分類法的探討［J].城市軌道交通研究，2005(2):28-31.

［4]沈景炎.關于城市軌道交通線路長度的研究和討論［J].都市快軌交通，2008(4):5-9.

［5]雷磊，羅霞.關于城市軌道交通線路合理長度的討論［J].都市快軌交通，2008(4):12-15.

［6]中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安市地鐵3號線一期工程可研報告［Z].西安:中鐵第一勘察設計院集團有限公司，2010.

［7]廣州地鐵設計研究院有限公司.廣州市軌道交通14號線可行性研究報告［Z].廣州:廣州地鐵設計研究院有限公司，2012.

［8]丁超，森和俊.地鐵列車節(jié)能運營速度的探討［J].鐵道機車車輛，2009(3):48-50.

［9]中華人民共和國行業(yè)標準.CJJ96—2003 地鐵限界標準［S].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2003.

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［11]吳建忠，曾向榮.地鐵軌道系統(tǒng)設計經濟化探討［J].城市軌道交通研究，2010(4):13-17.

［12]馬晉.短距離城際軌道交通工程速度目標值的選擇［J].鐵道標準設計，2010(10):22-24.

［13]中華人民共和國鐵道部.鐵計函［2006]44號 鐵路建設項目環(huán)境影響評價噪聲振動源強取值和治理原則指導意見［S].北京:鐵道部辦公廳，2006.