淺析新建市域(郊)鐵路系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

2022-07-02 06:39:52宋元?jiǎng)?/span>

高速鐵路技術(shù) 2022年3期

宋元?jiǎng)?/p>

(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(tuán)，為通勤客流提供快速度、大運(yùn)量、公交化運(yùn)輸服務(wù)的軌道交通系統(tǒng)，單程通行時(shí)間宜不超過1 h，設(shè)計(jì)速度宜為100～160 km/h[1]。其服務(wù)功能介于城市軌道交通與城際鐵路之間，服務(wù)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(diǎn)，不難得出速度目標(biāo)值100～160 km/h、公交化兩個(gè)關(guān)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(shè)計(jì)技術(shù)都成熟的情況下，市域(郊)鐵路系統(tǒng)設(shè)計(jì)還有沒有關(guān)鍵技術(shù)，什么是關(guān)鍵技術(shù)？為此，筆者提出了新建市域(郊)鐵路系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)研究，本文從系統(tǒng)整體功能角度，而不是從特定項(xiàng)目或單體工程角度來研究關(guān)鍵技術(shù)，同時(shí)本文的關(guān)鍵技術(shù)不是指市域(郊)鐵路某一路段、某個(gè)單項(xiàng)(體)工程的關(guān)鍵技術(shù)，也不是指特定市域(郊)鐵路項(xiàng)目的關(guān)鍵技術(shù)，而是泛指所有新建市域(郊)鐵路設(shè)計(jì)具有的共同的、影響系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的技術(shù)。

國內(nèi)外市域(郊)鐵路研究文獻(xiàn)較少，國內(nèi)可查文獻(xiàn)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(yīng)性、運(yùn)營管理和橋梁工程應(yīng)用技術(shù)等方面，未見市域(郊)鐵路設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)的相關(guān)研究文獻(xiàn)。本文引用文獻(xiàn)主要集中在公交化、列車運(yùn)行圖結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性方面，對新建市域(郊)鐵路系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)研究有輔助作用。

目前，TB 10624-2020《市域(郊)鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》已頒布，其在總體設(shè)計(jì)下單列3.4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)，但其條文內(nèi)容除“3.4.1 市域(郊)鐵路應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、總體功能最優(yōu)。各子系統(tǒng)間、固定和移動(dòng)設(shè)施間、項(xiàng)目主體與外部環(huán)境間的標(biāo)準(zhǔn)與接口設(shè)計(jì)應(yīng)匹配協(xié)調(diào)。”[2]涉及筆者提出的市域(郊)鐵路系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)之外，其它條文均為市域(郊)鐵路單項(xiàng)(體)工程的系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)。同時(shí)，條文3.4.1強(qiáng)調(diào)的是標(biāo)準(zhǔn)與接口設(shè)計(jì)，無條文說明內(nèi)容，可見市域(郊)鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范也未明確和深入研究新建市域(郊)鐵路系統(tǒng)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性關(guān)鍵技術(shù)。筆者結(jié)合多年科研和項(xiàng)目管理經(jīng)驗(yàn)，探索性提出新建市域(郊)鐵路系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)研究。

2 新建市域(郊)鐵路功能和系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)

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(jì)發(fā)達(dá)、人口聚集的都市圈內(nèi)的中心城市，聯(lián)通城區(qū)與郊區(qū)及周邊城鎮(zhèn)組團(tuán)，采取靈活編組、高密度、公交化的運(yùn)輸組織方式，重點(diǎn)滿足1 h通勤圈快速通達(dá)出行需求。可見市域(郊)鐵路功能的內(nèi)涵是滿足旅客通勤出行需求。因此，從時(shí)間分布上，要求市域(郊)鐵路主要為早晚高峰小時(shí)旅客出行服務(wù)；從運(yùn)輸組織實(shí)施上，要求市域(郊)鐵路運(yùn)輸組織提供公交化運(yùn)輸；從旅客出行效率上，要求運(yùn)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(yùn)輸需求，提供公交化的運(yùn)輸服務(wù)。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(yùn)輸服務(wù)。

(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(wù)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(jìn)行對比分析，更好明晰市域(郊)鐵路功能，結(jié)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(shí)間價(jià)值較高的旅客出行需求。城際鐵路服務(wù)范圍較廣，時(shí)間價(jià)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(yùn)行線，其公交化服務(wù)水平相對較差。我國城際鐵路運(yùn)營主要照顧了時(shí)間價(jià)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(wù)水平較低。市域(郊)鐵路主要位于都市圈內(nèi)人口比較密集區(qū)域，組織滿足時(shí)間價(jià)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(shí)間價(jià)值較高旅客，開行大站越行列車，又能較好地實(shí)現(xiàn)公交化服務(wù)，為都市圈提供早晚高峰通勤圈公交化運(yùn)輸服務(wù)。

2.2 新建市域(郊)鐵路的系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)

市域(郊)鐵路系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)以實(shí)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(yùn)輸服務(wù)，市域(郊)鐵路通過能力、運(yùn)輸服務(wù)水平要滿足高峰1 h公交化運(yùn)輸需求。通過能力反映是指在一定的機(jī)車車輛類型、信號(hào)設(shè)備和行車組織方法條件下，鐵路區(qū)段內(nèi)各種基礎(chǔ)設(shè)施和固定設(shè)備在單位時(shí)間內(nèi)所能通過或接發(fā)的列車對數(shù)[4]。可見，設(shè)計(jì)通過能力為運(yùn)輸服務(wù)水平的基礎(chǔ)，只有最大化提高設(shè)計(jì)通過能力才能盡可能多開列車，提高市域(郊)鐵路服務(wù)水平。服務(wù)水平反映的是運(yùn)輸組織和管理能力，是滿足運(yùn)輸需求和指導(dǎo)固定設(shè)備配置的關(guān)鍵，服務(wù)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(shè)計(jì)通過能力時(shí)需要考慮服務(wù)水平的可實(shí)施性，與公交化運(yùn)輸方案對應(yīng)的服務(wù)水平設(shè)計(jì)時(shí)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(shí)現(xiàn)最高的服務(wù)水平，故市域(郊)鐵路系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要協(xié)調(diào)通過能力和服務(wù)水平才能實(shí)現(xiàn)其功能目標(biāo)，新建市域(郊)鐵路系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)通過能力和服務(wù)水平最大化的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)國辦函[2020]116號(hào)，新建市域(郊)鐵路應(yīng)根據(jù)客流需求等設(shè)置越行條件，盡可能滿足快慢線運(yùn)輸組織要求，推行“站站停”與“大站停”相結(jié)合的靈活運(yùn)輸組織模式，提供多樣化、便捷化出行服務(wù)。因組織站站停列車的市域(郊)鐵路在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上已實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力和服務(wù)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(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。

3.1 從功能和系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)分析

市域(郊)鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范對于系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力計(jì)算方法沒有描述，僅在5.2.2條規(guī)定“系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力應(yīng)滿足設(shè)計(jì)年度客流需求，快慢車組合運(yùn)行時(shí)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(shè)計(jì)規(guī)范》條文說明中的能力計(jì)算辦法進(jìn)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(yùn)行圖通過能力(對或列)；

TW——綜合維修天窗時(shí)間(min)；

I——列車追蹤間隔(min)；

S——客運(yùn)區(qū)段長度(km)；

v——列車運(yùn)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(yùn)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(zhǔn)確計(jì)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(wù)水平是指站站停列車服務(wù)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(dāng)S越=0時(shí)，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(wù)水平，服務(wù)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(wù)水平兩個(gè)指標(biāo)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(wù)水平主要由公交化運(yùn)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能力和服務(wù)水平最大化，關(guān)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(wù)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(jié)論。因此，從功能和系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)分析，越行站站間距離設(shè)計(jì)就是市域(郊)鐵路系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。

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(shè)內(nèi)容分析

市域(郊)鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范 3.4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容，簡單歸納起來，在固定設(shè)備方面主要對路基、橋梁、隧道和軌道等線下基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行了規(guī)定，要求設(shè)計(jì)應(yīng)采用與設(shè)計(jì)速度匹配的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，工程類別的選擇應(yīng)結(jié)合工程技術(shù)、地形地質(zhì)、社會(huì)環(huán)境以及土地利用等因素比選確定，同時(shí)對車站站臺(tái)、房屋配置、車輛基地及固定設(shè)施的養(yǎng)護(hù)維修等進(jìn)行了規(guī)范。在移動(dòng)設(shè)備方面主要對車輛站立標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)范，其余主要是對市域(郊)鐵路設(shè)計(jì)外部環(huán)境影響、工程安全、信息安全、接口設(shè)計(jì)等進(jìn)行了規(guī)范，同時(shí)規(guī)定市域(郊)鐵路設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮施工條件和養(yǎng)護(hù)維修條件，設(shè)備設(shè)施及部件的選擇應(yīng)遵循匹配合理、標(biāo)準(zhǔn)化、通用化的原則。從上述內(nèi)容看，市域(郊)鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范并未提出其設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)，且從其內(nèi)容上也難以分析出系統(tǒng)性的關(guān)鍵技術(shù)。

新建市域(郊)鐵路工程建設(shè)內(nèi)容總體上可分為站前和站后專業(yè)內(nèi)容兩大系列。站前專業(yè)的線路、軌道、地質(zhì)、路基、橋梁、隧道專業(yè)內(nèi)容是新建市域(郊)鐵路線下工程設(shè)計(jì)的組成部分，其專業(yè)技術(shù)是影響各專業(yè)內(nèi)部系統(tǒng)設(shè)計(jì)、單項(xiàng)或單體工程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，如線路選線無論采用何種技術(shù)、何種線路走向，線路的設(shè)計(jì)通過能力不會(huì)因此提高，僅可能減少工程投資和風(fēng)險(xiǎn)；橋梁設(shè)計(jì)無論采用何種梁式、跨度、結(jié)構(gòu)技術(shù)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?yàn)椴煌瑯蛄翰捎藐P(guān)鍵技術(shù)的不同而影響線路通過能力。站場專業(yè)設(shè)計(jì)成果為車站站場，為實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸專業(yè)設(shè)計(jì)輸出的新建市域(郊)鐵路服務(wù)水平和通過能力的載體。因此站前專業(yè)中，線下設(shè)計(jì)專業(yè)技術(shù)均為專業(yè)內(nèi)部設(shè)計(jì)技術(shù)或單項(xiàng)設(shè)計(jì)技術(shù)，并非市域(郊)鐵路影響系統(tǒng)功能的關(guān)鍵技術(shù)；站后專業(yè)技術(shù)均為成熟應(yīng)用技術(shù)和多途徑可實(shí)現(xiàn)技術(shù)，信號(hào)系統(tǒng)控制列車運(yùn)行間隔和安全，具有影響市域(郊)鐵路系統(tǒng)性服務(wù)功能和通過能力的特性，其它專業(yè)內(nèi)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(xiàng)或單體工程的內(nèi)容和技術(shù)，其專業(yè)技術(shù)不足以整體提高市域(郊)鐵路系統(tǒng)能力和服務(wù)水平。由此可見，能夠影響系統(tǒng)能力和服務(wù)水平的專業(yè)技術(shù)為運(yùn)輸、站場和信號(hào)專業(yè)技術(shù)。

運(yùn)輸與信號(hào)專業(yè)的技術(shù)交集在于列車追蹤間隔，是系統(tǒng)能力和服務(wù)水平實(shí)現(xiàn)的決定因素，運(yùn)輸專業(yè)設(shè)計(jì)的技術(shù)成果決定了站場專業(yè)設(shè)計(jì)空間位置，站場專業(yè)為滿足運(yùn)輸專業(yè)設(shè)計(jì)行車量、列車越行條件而進(jìn)行車站平面布置設(shè)計(jì)。因此，列車追蹤間隔、車站分布、行車量設(shè)計(jì)是決定新建市域(郊)鐵路通過能力和服務(wù)水平的關(guān)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(wù)水平和線路設(shè)計(jì)能力是否實(shí)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(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。