蕪湖城市軌道交通2 號線總體技術研究

2021-11-18 03:49:28周江天胡江民

鐵道勘察 2021年5期

周江天胡江民

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

城市軌道交通是一個復雜的系統工程,總體技術方案的選擇對是否滿足交通需求、投資、建設周期、運營組織及成本影響極大。縱觀我國城市軌道交通發展歷程,城市軌道交通系統模式以地鐵為主,對地鐵系統的總體技術方案研究較多且已基本形成相對明確的結論。然而,對于需要建設軌道交通但又達不到建設地鐵標準的城市而言,地鐵系統的相關研究成果無法照搬。因此,對于蕪湖同類的中等規模城市,研究其系統、車輛、供電、信號等制式及行車組織、敷設方式、線站位等總體技術方案具有重要意義。

1 蕪湖城市軌道交通建設必要性

2011 年,蕪湖行政區劃進行調整,將原巢湖市無為縣二壩鎮、湯溝鎮納入蕪湖,蕪湖市中心城區面積由826.7 km2變為1 290.37 km2。基于此,《蕪湖市城市總體規劃(2012～2030)》提出著力構建“多中心、組團式、擁江發展”的空間發展格局,中心城區空間結構規劃為“龍湖為心、兩江三城”。但現狀城市空間以外延式拓展布局為主,組團式發展形態仍未真正形成,現狀城市發展與規劃的“擁江發展”格局還存在差距[1]。

2014 年蕪湖中心城區人口已達168 萬人,預測2020 年人口為251 萬,2030 年人口為292 萬[2];出行總量達983.6 萬人次/d,出行需求大;同時中心城區處于擁堵及堵塞狀態的道路占比達34.2%,部分道路已達超飽和狀態,如不建設以軌道交通為主導的公共交通,將難以滿足巨大的出行需求[3]。

2 蕪湖城市軌道交通2 號線概況

軌道交通2 號線為東西向骨干線路,可強化江南城區中心區、城東產業組團與江北新城之間的聯系;東起萬春湖路站,西至江北火車站,線路長30.405 km,設車站19 座(高架站17 座、地下站2 座),設江北停車場1 座、夢溪路車輛基地1 座(見圖1)。

圖1 蕪湖軌道交通2 號線示意

2 號線一期東起萬春湖路站,西至北京路站,全長15.853 km,其中地下線長1.409 km,地面及高架線14.447 km。全線共設車站11 座(高架站10 座、地下站1 座);在北京路站西側設置與1 號線聯絡渡線;設夢溪路車輛基地1 座;設全網5 線共用控制中心1 座;設政務中心主變電所1 座[4]。

3 軌道交通2 號線制式研究

3.1 系統制式

(1)系統制式研究原則

①滿足規劃運量規模;

②提供合理服務水平;

③符合城市整體交通需求;

④滿足國產化要求;

⑤將投資控制在合理范圍之內。

(2)客流指標

軌道交通2 號線客流預測指標見表1。

表1 軌道交通2 號線各特征年客流預測指標

從特征年客流預測指標可知,2 號線遠期最大斷面客流為2.05 萬人次/h,屬于中運量[5]。因此,2 號線系統制式應從中運量系統中選擇。

(3)系統制式分析

根據原建設部CJJ/T 114-2007《城市公共交通分類標準》,滿足蕪湖軌道交通2 號線規劃運量規模的系統制式有:地鐵系統(B 型車、LB型車)[6]、輕軌系統(C 型車、LC型車)、跨座式單軌[7]、中低速磁浮、自動導向軌道系統(膠輪特制車)[8],中運量各類型軌道交通系統分析比較見表2。

表2 中運量系統制式對比

從系統運輸能力方面分析,2 號線遠期最大斷面客流為2.05 萬人次/h,地鐵系統(B 型車、LB型車)運輸能力遠高于需求,不宜采用,其他中運量系統制式運輸能力與客流需求較為匹配;從造價方面分析,跨座式單軌造價最低,為地鐵的30%～50%,為其他中運量系統制式的70%～80%;從工期方面分析,跨座式單軌較其他中運量系統制式短1～4 年;從線路適應性方面分析,跨座式單軌最小曲線半徑(50 m)小于地鐵,最大坡度(60‰)大于地鐵,與其他中運量系統制式相當,對減少拆遷、上跨高鐵、下穿長江適應性更強;從能耗方面分析,跨座式單軌與自動導軌相當,高于地鐵、輕軌,低于磁浮;從環境適應性方面分析,跨座式單軌采用膠輪系統,噪聲振動與自動導軌相當,但遠小于鋼輪鋼軌系統的地鐵、輕軌;從對城市影響分析,跨座式單軌以高架敷設方式為主,對日照、城市分割影響高于以地下敷設方式為主的地鐵,與其他以高架敷設方式為主的中運量系統相比,跨座式單軌高架體量最小,對城市影響最小,且有較好景觀效果;從安全性方面分析,跨座式單軌因騎跨在軌道梁上,基本無脫軌風險,安全性相對更高。因跨座式具有上述優點,更適合蕪湖這種中等規模城市,故推薦蕪湖軌道交通2 號線系統制式采用跨座式單軌。

3.2 車輛制式

(1)車輛主要技術參數

主要針對跨座式單軌車輛進行研究。考慮跨座式單軌車輛在國內外實際適用情況,重點研究在我國重慶及日本應用的大型單軌車(簡稱MA 型車)和在巴西等國應用較多的輕型單軌車(簡稱MB 型車),兩種車型參數對比見表3[9-10]。

表3 車輛主要技術參數

(2)車輛制式分析

①運能及載客率

MA 型車6 輛編組時,車輛長89.400 m,定員962 人/列,載客率10.76 人/延米;系統能力26 對/h,系統運能25 012 人/h[11]。

MB 型車6 輛編組時,車輛長74.164 m,定員856 人/列,載客率11.54 人/延米,接近地鐵B 型車12.27 人/延米;系統能力30 對/h,系統運能25 680人/h[12]。

MB 型車載客率高,相同編組時,運能高且列車長度短,利于減小車站規模。

②車輛總體構造

MB 型車總體上車輛高度小、地板面高度和整體重心低,側傾力矩小,動力學性能和乘坐舒適度優;采用單軸轉向架,所需的車輪數量少,轉彎半徑小,過彎阻力小,曲線通過能力強,彎道輪胎磨損小,噪聲及能耗低。

③供電電壓

MA 型車與MB 型車分別采用DC1500V 和DC750V 電壓制式,MA 型車的電壓要求更符合目前國內軌道交通的發展趨勢,也較為經濟合理。

④檢修疏散

MA 型車、MB 型車車廂地板距軌道梁頂面分別為1.13 m、0.45 m。全線貫通的應急疏散平臺與軌道梁面高差較小時,日常檢修、維護及緊急情況下救援疏散更便捷,也有利于保證區間高架系統整體景觀的協調性。

⑤國產化及車輛單價

MA 型車國產化率更高,在價格方面具有優勢。

⑥工程差異

軌道梁:軌道梁基準尺寸為MA 型車型軌道梁為I型斷面,寬×高=850 mm×1 500 mm,MB 型車型軌道梁為矩形斷面,寬×高=690 mm×1 300 mm。

盾構隧道斷面:MA 型車盾構直徑為7.0 m,MB 型車盾構直徑為5.8 m。

道岔:MA 型車正線主要采用關節式道岔,結構較為復雜,側向允許列車通過的速度為≤25 km/h;MB型車正線主要采用換梁型道岔,結構簡單,側向允許列車通過的速度達40 km/h。

綜上,MB 型車雖然單價高,供電電壓低,但載客率高,相同編組時運能大,線路適應性強,檢修疏散便捷,土建工程更經濟,推薦采用。

3.3 供電制式

(1)供電電壓制式

城市軌道交通車輛電壓制目前常用的主要有DC1500V 和DC750V 兩種[13]。相同編組形式下,DC1500V 電壓制式供電距離更大[14],為DC750V 供電距離的1.25～1.5 倍,有利于減少牽引變電所數量,從而減少軌道交通土建及機電設備投資[15],單從供電電壓制式方面分析,蕪湖軌道交通2 號線宜采用DC1500V 電壓制式;但從供電制式與車輛制式相統一的角度出發,2 號線采用MB 型車整體上更經濟、環保、便捷,故推薦采用與MB 型車匹配的DC750V。

(2)外部電源供電方式

城市軌道交通外部電源供電方式可分為集中供電、分散供電和混合式供電[16]。因混合式供電運行調度復雜,電源開閉所對主變電所的支援能力差,可靠性較低,故重點研究集中供電與分散供電方式,兩種供電方式對比見表4。

表4 集中與分散供電方式技術對比

分散供電雖然投資較省,但可靠性低,且從蕪湖市外電現狀及規劃看,220 kV、110 kV 變電站具有中心城區豐富,其他地區匱乏的特點,分散供電也難以實現,故推薦2 號線采用集中式供電。

3.4 信號制式

2 號線采用跨座式單軌制式,普通地鐵軌道信號系統利用鋼軌檢測列車位置及傳輸信息的軌道電路不能滿足單軌列車控制需求。結合國內外單軌信號制式應用情況,重點研究基于ATP/TD 環線的ATC 系統和基于無線通信的ATC 系統(CBTC)[17],兩種信號制式對比見表5。CBTC 系統組成簡單、功能強大,已實現國產化,結合在建及建成的國內外軌道交通線路信號設備選擇情況,充分考慮軌道交通線網在車輛、備品備件、培訓等方面的資源共享及信號技術發展趨勢,推薦蕪湖2 號線正線信號制式采用基于無線通信的ATC 系統(CBTC)。

表5 ATP/TD 環線與CBTC 方案對比

3.5 道岔制式

(1)道岔制式對比

跨座式單軌道岔制式主要有整體梁型和節段梁型,兩種道岔制式對比見表6[18-19]。

表6 不同道岔制式主要技術特點對比

(2)道岔制式分析與選擇

道岔線形分析:換梁型道岔導向面、穩定面為圓曲線,由機械加工而成,精度高;關節可撓型道岔在梁內設可撓機構,使導向面和穩定面變形為多條折線,形成近似圓曲線。換梁型道岔線形線更加流暢,乘客舒適性較高。

側向允許通過速度分析:換梁型道岔可根據速度需要選取圓曲線半徑,側向允許通過速度一般為40 km/h,高于關節可撓型道岔的25 km/h。

節能分析:換梁型道岔和樞軸型道岔用電量小于關節可撓型道岔和關節型道岔,更節能。

建設成本分析:換梁型道岔及樞軸型道岔制造和安裝成本低,投資相對較小。

維護成本分析:換梁型道岔和樞軸型式道岔機械裝置構造更為簡單,故障率低,維護成本低。

綜上,推薦蕪湖2 號線采用整體梁型道岔,結合整體梁型道岔特點,過岔速度、舒適度要求高的正線采用換梁型道岔,過岔速度低、舒適度無要求的車輛基地采用樞軸型道岔。

4 行車組織

4.1 列車編組方案研究

2 號線初、近、遠期高峰小時最大斷面流量分別為0.69 萬人次、1.48 萬人次和2.05 萬人次,結合前述車輛選型研究結論,對2 號線車輛編組研究3 個方案。

方案一:初、近期4 輛,遠期6 輛編組;

方案二:初期4 輛,近、遠期6 輛編組;

方案三:初、近、遠期均采用6 輛編組。

3 個方案對比見表7。

表7 列車編組方案對比

方案一近期采用4 輛編組,高峰小時開行對數30 對,遠期采用6 輛編組時,開行對數降為28 對,降低了服務頻率;方案三初期能力富余較多,且初期運用車數多,車輛購置費高;方案二初期車輛購置費低,初期服務頻率較高,與客流增長相匹配。故推薦2 號線列車編組方案為初期4 輛,近遠期6 輛編組。

4.2 運營交路方案研究

(1)客流特征

2 號線各設計年度早高峰斷面流量示意見圖2～圖4。

圖2 2 號線初期早高峰客流斷面示意

圖3 2 號線近期早高峰客流斷面示意

圖4 2 號線遠期早高峰客流斷面示意

由圖2～圖4 可知,①初期、近期、遠期高峰小時客流“向心”特點突出;②初期高峰小時最大斷面客流量位于蕪湖火車站—弋江路區間,近、遠期高峰小時最大斷面客流量均位于文化路—北京路區間,其中遠期下行方向有3 個區間斷面流量在2 萬人次以上,有6 個區間斷面流量在(1.5～2)萬人次間,上行方向斷面流量均較小;③近、遠期客流斷面差異較小,高峰客流斷面呈現明顯的潮汐現象。

(2)列車運營交路方案

根據2 號線客流特征,列車運營交路研究3 個方案,見圖5～圖7。

圖5 2 號線遠期列車運行交路示意(方案一)

圖6 2 號線遠期列車運行交路示意(方案二)

圖7 2 號線遠期列車運行交路示意(方案三)

方案一:大交路萬春湖路—江北火車站14 對,小交路萬春湖路—經二路14 對。

方案二:大交路萬春湖路—江北火車站18 對,小交路萬春湖路—商貿中心9 對。

方案三:單一交路萬春湖路—江北火車站28 對。3 個方案對比分析見表8。

表8 2 號線遠期交路方案比較

從與客流特征的匹配性來看,方案一最強,各段運能余量適中;方案二次之,經二路—江北火車站段運能余量偏高;方案三最差,線路兩端運能余量太大,降低車輛滿載率,導致車輛空駛。

從服務水平來看,3 個方案的差別主要體現在線路西端,方案一線路西端服務水平為14 對,方案二為18 對,方案三為28 對,方案一在線路西端服務水平最低,但也可以滿足客流的需要。

從車輛購置費來看,方案一最低,方案二略高,方案三最高。

從運營管理來看,方案一、方案二采用大小交路套跑的形式,運營管理相對復雜,且方案二大小交路比例為2 ∶1,小交路以外區段列車間隔不均衡,會導致間隔時間長的列車較擁擠。方案三采用一個大交路,運營管理簡便。

綜上,方案一具有滿足客流需求,與線網中其他線路的服務水平較匹配,車輛購置費最省的優點,推薦采用。

4.3 配線

(1)配線原則

①根據列車運行交路,設置必要的渡線和折返線;②有條件時與各規劃軌道交通線預留設聯絡線條件;③每隔4～6 座車站(或間隔不大于10 km)設停車線,并根據故障運行和維修作業的要求設置必要的單渡線;④為方便列車出入車輛段(停車場),設必要的渡線和出入段(場)線;⑤考慮遇到非正常情況或緊急情況時,能夠提供采取相應的列車運行模式的線路條件;⑥需綜合考慮對道路交通組織和景觀影響。

(2)配線方案

根據配線原則,結合推薦列車運行交路方案及工程條件,2 號線設輔助線的車站共有11 處,其中設渡線車站5 處,夢溪路站和江北火車站分別為夢溪路車輛基地和江北停車場的接軌站,見圖8。

圖8 2 號線輔助配線示意

5 敷設方式

跨座式單軌結構小巧,墩柱小,占地少,可在路中或路側2～3 m 寬綠化帶中布線,同時噪音低、振動小,且高架敷設方式明顯比地下敷設方式更經濟[20]。因此,2 號線總體敷設方式優先選擇高架敷設方式,考慮建設國鐵蕪湖火車站已為軌道交通預留地下換乘通道,為使軌道交通與鐵路形成便捷換乘的綜合交通樞紐,2 號線一期除蕪湖火車站段采用地下敷設方式外,其余地段均采用高架敷設方式;另外,2 號線二期規劃有過江隧道,故2 號線二期海事局至商貿中心站段采用地下敷設方式。

綜上,2 號線敷設方式為:蕪湖火車站段、海事局至商貿中心站(不含)采用地下敷設,其余地段采用高架敷設。