丘崇譽(yù)

QIU Chong-yu

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 線路運(yùn)輸處，陜西 西安 710043)

(Track and Transportation Department， China Railway First Survey and Design Institute Group Co.， Ltd.， Xi’an 710043， Shaanxi， China)

西安市軌道交通草堂線速度目標(biāo)值選擇的探討

丘崇譽(yù)

QIU Chong-yu

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 線路運(yùn)輸處，陜西 西安 710043)

(Track and Transportation Department， China Railway First Survey and Design Institute Group Co.， Ltd.， Xi’an 710043， Shaanxi， China)

草堂線是西安市城市外圍市域軌道交通線，合理確定其速度目標(biāo)值，是提高軌道交通服務(wù)質(zhì)量的重要基礎(chǔ)。在闡述線路和車站概況、線路特點(diǎn)、客流特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，從線站條件、運(yùn)行時(shí)分、工程經(jīng)濟(jì)性、運(yùn)營(yíng)技術(shù)指標(biāo)、環(huán)境影響等方面進(jìn)行綜合分析，合理確定草堂線速度目標(biāo)值。

西安；草堂線；速度目標(biāo)值

城市軌道交通網(wǎng)可以分為市區(qū)級(jí)、市域級(jí)、區(qū)域級(jí) 3 個(gè)層次，其中市域級(jí)線路以主城區(qū)為核心，溝通并連接副中心城市、新城、機(jī)場(chǎng)和外圍功能組團(tuán)等，是市域范圍客運(yùn)體系的骨干，承擔(dān)市域內(nèi)的長(zhǎng)距離出行，為外圍功能組團(tuán)、新城區(qū)的乘客提供快速便捷的交通服務(wù)。草堂線是西安市線網(wǎng)規(guī)劃中的市域快速軌道交通，是主城區(qū)與規(guī)劃的外圍副中心、新城間重要的快速軌道交通主通道，合理確定其速度目標(biāo)值，是提高軌道交通服務(wù)質(zhì)量的重要基礎(chǔ)。因此，從線站條件、運(yùn)行時(shí)分、工程經(jīng)濟(jì)性等方面對(duì)草堂線速度目標(biāo)值的選擇進(jìn)行研究。

1　西安市軌道交通草堂線概況

1.1線路和車站概況

草堂線為主城區(qū)南部外圍橫向切線，向西串經(jīng)長(zhǎng)安區(qū)、韋曲、高新區(qū)等外圍功能組團(tuán)，并從主干線引出支線向戶縣副中心城市輻射。為在適度投資規(guī)模下加快城市西南片區(qū)與主城區(qū)間快速通道的建設(shè)，引導(dǎo)西南片區(qū)土地開發(fā)、支持高新區(qū)規(guī)模擴(kuò)展，草堂線全線分 2 期建設(shè)，一期工程南起太平峪，北迄側(cè)坡，與同期建成的地鐵 6 號(hào)線換乘引入主城區(qū)，線路長(zhǎng) 22.9 km，設(shè)車站 14 座；二期工程側(cè)坡至航天基地，線路長(zhǎng) 20.9 km，設(shè)車站 14座；戶縣至張良寨支線安排在二期建設(shè)，全長(zhǎng) 12.1 km，設(shè)車站 5 座[1]。草堂線平面布置如圖 1 所示。

圖1　草堂線平面示意圖

1.2線路特點(diǎn)

（1）草堂線屬于市域外圍線路，通過軌道交通網(wǎng)其他線路實(shí)現(xiàn)主城區(qū)與外圍重點(diǎn)發(fā)展區(qū)域的融合。該線從主干線引出支線向戶縣副中心城市輻射，呈 Y 型線路形態(tài)，覆蓋副城、新區(qū)、沿線外圍功能組團(tuán)，對(duì)速度要求較高，實(shí)現(xiàn)快速聯(lián)系主城區(qū)。

（2）根據(jù)《城市軌道交通工程項(xiàng)目建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》(建標(biāo) 104-2008) 要求，“每條線路長(zhǎng)度不宜大于 35 km”“對(duì)超長(zhǎng)線路應(yīng)以最長(zhǎng)交路運(yùn)行 1 h 為目標(biāo)，旅行速度達(dá)到最高運(yùn)行速度的 45%～50% 為宜”[2]。草堂線全長(zhǎng)約 55 km (含戶縣支線)，結(jié)合研究確定的運(yùn)行交路方案，太平峪至航創(chuàng)路交路長(zhǎng)度 37.9 km，戶縣至航天基地交路長(zhǎng)度 46.7 km[1]，該線屬于超長(zhǎng)線路。

（3）線路沿城市主干道敷設(shè)，線形條件總體良好，平面限速點(diǎn)少，具備開行快速列車的條件。

（4）一期工程、支線、二期工程平均站間距分別為 1.73 km、1.49 km 和 2.01 km，全線平均站間距較西安地鐵 1 號(hào)線至 3 號(hào)線站間距離長(zhǎng)，有利于較高速度列車的運(yùn)行。

1.3客流特點(diǎn)

草堂線位于主城區(qū)外圍，沿城市南部各組團(tuán)間行走，是引導(dǎo)副城、高新拓展區(qū)快速開發(fā)的軌道線，沿線以通勤客流、商務(wù)客流、旅游客流為主，高峰時(shí)段通勤客流特征明顯。

客流預(yù)測(cè)結(jié)果顯示，遠(yuǎn)期 (2042 年) 全日運(yùn)量達(dá)到 88.11 萬人次，全日平均乘距 12 km 左右，高峰小時(shí)最大斷面客流為 3.25萬人次[1]?？土鲝?qiáng)度低于中心線路，居民的平均出行距離較市區(qū)線長(zhǎng)。高峰時(shí)段通勤客流特征明顯，客流初期 (2020 年)、近期(2027 年)、遠(yuǎn)期早高峰均出現(xiàn)在 7 : 00—8 : 00、占全日客流量的 15.9%，晚高峰出現(xiàn)在 18 : 00—19 : 00、占全日客流量的 11.8%；早晚客流總量占全日客流量的 27.7% 左右[3]。

從客流特征分析，草堂線主要承擔(dān)草堂、戶縣至西安主城區(qū)的客流，客流平均運(yùn)距長(zhǎng)，需要快速通過本線。

2　西安市軌道交通草堂線速度目標(biāo)值的選擇

《西安市城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃 (修編)》包括15 條線，已經(jīng)運(yùn)營(yíng)的 1 號(hào)線、2 號(hào)線及在建或擬建的 3 號(hào)線至 6 號(hào)線、臨潼線等均采用 80 km/h 速度目標(biāo)值。結(jié)合西安市軌道交通線路和國(guó)內(nèi)地鐵超長(zhǎng)線路運(yùn)營(yíng)情況，圍繞 80 km/h、100 km/h、120 km/h 3個(gè)速度目標(biāo)值方案，主要從線站條件、運(yùn)行時(shí)分、工程經(jīng)濟(jì)性等方面進(jìn)行分析。

2.1線站條件分析

草堂線主要以高架為主，線路基本沿草堂大道、西太路和規(guī)劃路布設(shè)，沿線地形開闊，控制因素較市區(qū)線路少，全線共設(shè)曲線 34 處，曲線總長(zhǎng)6 162.95 m，占全線總長(zhǎng)的 26.87%，其中 400 m≤R＜500 m 半徑 4 處，500 m≤R＜650 m 半徑 2 處，主要設(shè)在車站進(jìn)出站端加減速地段，基本不需要限速，其余地段采用較大的曲線半徑，能夠較好地適應(yīng) 3 種速度目標(biāo)值。

車站分布方面，草堂線 45% 區(qū)間的站間距離在 1 000～1 500 m 之間，45% 區(qū)間的站間距離在1 500～2 000 m 之間，大于 2 000 m 的區(qū)間較少，僅占全線區(qū)間的 10% 左右；全線貫通后平均站間距為 1.6 km。根據(jù)預(yù)測(cè)的最高斷面客流量，草堂線初期、近期、遠(yuǎn)期采用 B 型 4 動(dòng) 2 拖 6 輛編組列車，通過“地鐵牽引計(jì)算仿真系統(tǒng)”對(duì)不同速度起停車距離進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表 1 所示。

表1　不同速度起停車距離表

由表 1 可知，80 km/h 速度目標(biāo)值起停車總距離最大為 593 m，高速運(yùn)行距離較長(zhǎng)，達(dá)速比為63.1%；100 km/h 速度目標(biāo)值起停車總距離最大為1 237 m，平均站間距離達(dá)速比為 23.0%，達(dá)速運(yùn)行距離相對(duì)較短；120 km/h 速度目標(biāo)值方案不能達(dá)速，起停車距離之和大于本線最大站間距離。綜合遠(yuǎn)期全線貫通運(yùn)營(yíng)后平均站間距較短的特點(diǎn)，從發(fā)揮速度優(yōu)勢(shì)角度分析，80 km/h 速度目標(biāo)值適應(yīng)性較好。

2.2運(yùn)行時(shí)分分析

西安市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃中要求市域快速軌道交通能夠提供快速便捷的交通服務(wù)，要求外圍功能組團(tuán)、新城區(qū)的乘客在 30 min 左右的時(shí)間抵達(dá)中心市區(qū)，而且各功能組團(tuán)、新城區(qū)之間 1 h 左右能夠相互通達(dá)[1]。草堂線屬于市域外圍線路，主要加強(qiáng)外圍副中心、新城之間的聯(lián)系，時(shí)間目標(biāo)值確定為 1 h。按照 B 型 4 動(dòng) 2 拖 6 輛編組列車進(jìn)行計(jì)算，考慮旅行時(shí)間含平均每站 30 s 停站時(shí)間，80 km/h、100 km/h、120 km/h 速度目標(biāo)值運(yùn)營(yíng)時(shí)間如表 2 所示。

表2　運(yùn)行時(shí)間比較表 min

由表 2 可知，3 個(gè)速度目標(biāo)值方案主干線全線總運(yùn)行時(shí)間均在 1 h 以內(nèi)，符合時(shí)間目標(biāo)值要求。100 km/h 較 80 km/h 速度方案運(yùn)行時(shí)間壓縮約 4 min，優(yōu)勢(shì)不明顯；120 km/h 較 100 km/h 速度方案運(yùn)行時(shí)分壓縮 0.6 min，時(shí)間基本相同，節(jié)省時(shí)間有限。

2.3工程經(jīng)濟(jì)性分析

（1）工程建設(shè)規(guī)模分析。從全線建設(shè)規(guī)模分析，80 km/h 與 100 km/h、120 km/h 相比，車站設(shè)置情況一致。根據(jù)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》，不同速度目標(biāo)值要求的平面最小曲線半徑不同，一般情況下速度越小，采用的最小曲線半徑越小，線路長(zhǎng)度越長(zhǎng)。結(jié)合沿線控制因素，80 km/h 比 100 km/h、120 km/h線路長(zhǎng)度分別增加 84 m 和217 m；另外，由于 80 km/h 采用較小曲線半徑可以更好地適應(yīng)道路紅線，減少線路切入地塊的長(zhǎng)度，并能夠有效繞避建筑物。因此，與 100 km/h、120 km/h 相比，80 km/h 速度目標(biāo)值拆遷量分別減少 13 723 m2和 20 573 m2。

（2）建筑限界影響分析。隧道的大小和橋涵的寬窄取決于限界，限界越大，安全度越高，但工程量和投資也隨之增加[4]。80 km/h 和 100 km/h 速度目標(biāo)值的建筑限界主要由車輛限界和設(shè)備限界確定，兩者相差甚微，采用相同的現(xiàn)行地鐵設(shè)計(jì)限界標(biāo)準(zhǔn)可以滿足運(yùn)營(yíng)需求；120 km/h 速度目標(biāo)值的建筑限界通過空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)來確定，為確保行車安全和減少空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)對(duì)行車和乘客舒適度等的不利影響，需要增加隧道斷面尺寸。在建筑限界中，配套 120 km/h 的橋梁和路基等地面工程因限界變化引起的工程投資變化很小，影響較大的主要是隧道工程，工程設(shè)計(jì)中主要通過放大隧道斷面有效面積來降低空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)[5]。草堂線隧道長(zhǎng)約 3 km，主要采用盾構(gòu)法施工，120 km/h 速度方案隧道每雙延米需要增加約 1.5 萬元，增加工程投資較多。

（3）牽引供電系統(tǒng)影響分析。①對(duì)牽引變電所的影響。軌道交通列車速度目標(biāo)值的選取與牽引耗電量關(guān)系密切，速度越高，耗電量越大，牽引電流隨之增大，相應(yīng)牽引變電所設(shè)置數(shù)量及設(shè)備容量增加。經(jīng)測(cè)算，80 km/h、100 km/h 和 120 km/h 速度目標(biāo)值分別需要設(shè)置 10 座、10 座和 11 座牽引變電所。②對(duì)接觸網(wǎng)的影響。正線采用架空接觸網(wǎng)，其中高架段采用柔性接觸網(wǎng)、地下段采用剛性接觸網(wǎng)，3 種速度目標(biāo)值方案均能滿足，但 100 km/h 及以上速度目標(biāo)值方案接觸網(wǎng)懸掛點(diǎn)增多，同時(shí)機(jī)械分段采用滑道式膨脹元件進(jìn)行分段，投資較 80 km/h速度目標(biāo)值增加約 10% 左右。

（4）機(jī)電系統(tǒng)設(shè)備影響分析。3 個(gè)速度目標(biāo)值方案對(duì)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)備要求各不相同，通過對(duì)各系統(tǒng)制式應(yīng)用的了解，3 種速度目標(biāo)值信號(hào)系統(tǒng)方案無本質(zhì)差別；而對(duì)屏蔽門/站臺(tái)門等車站乘降設(shè)備的規(guī)格要求有所不同，但對(duì)項(xiàng)目總體投資影響很小。因此，3 個(gè)速度目標(biāo)值方案對(duì)機(jī)電系統(tǒng)和車站乘降設(shè)備等的選型影響小，工程投資差別不大[6]。

（5）運(yùn)用車數(shù)及購(gòu)置費(fèi)分析。計(jì)算公式為

式中：Ny為運(yùn)用車總列數(shù)，列；L 為起終點(diǎn)站距離，km；V 為列車平均旅行速度，km/h；T 為列車交路兩端折返時(shí)間，h；N 為高峰小時(shí)列車開行數(shù)量，列/h[7]。

3 個(gè)速度目標(biāo)值的運(yùn)用車數(shù)和車輛購(gòu)置費(fèi)如表3 所示。

表3　運(yùn)用車數(shù)及購(gòu)置費(fèi)比較

經(jīng)測(cè)算，以 80 km/h 方案為基礎(chǔ)，遠(yuǎn)期較100 km/h 方案增加運(yùn)用車30輛、較 120 km/h 方案增加運(yùn)用車 36 輛；車輛購(gòu)置費(fèi)采用 80 km/h 方案遠(yuǎn)期較 100km/h 方案節(jié)省車輛購(gòu)置費(fèi) 1 500 萬元、較120 km/h 方案節(jié)省車輛購(gòu)置費(fèi) 18 000 萬元。因此，采用 80 km/h 速度目標(biāo)方案，車輛購(gòu)置費(fèi)最為節(jié)省。

（6）車輛段及綜合維修基地影響分析。草堂線設(shè)1處車輛段，為廠架修段，初近期廠架修設(shè)施預(yù)留，由線網(wǎng)中其他線路車輛段承擔(dān)，遠(yuǎn)期擇機(jī)建設(shè)廠架修設(shè)施。西安市已經(jīng)開通運(yùn)營(yíng)的軌道交通線路及規(guī)劃線路均采用 80 km/h 的車輛，如果采用相同的車輛，有利于檢修工裝設(shè)備的共享，實(shí)現(xiàn)“集中修”，使車輛維修系統(tǒng)最優(yōu)化利用。不同速度目標(biāo)值運(yùn)用車數(shù)不同，需要停車列檢列位不同，根據(jù)計(jì)算，遠(yuǎn)期 80 km/h 需要 68 列位，100 km/h 需要 63 列位，120 km/h 需要 62 列位，各速度目標(biāo)值對(duì)列檢列位的需求稍有區(qū)別，但對(duì)總投資影響不大。

綜上所述，統(tǒng)籌工程建設(shè)、建筑限界、運(yùn)營(yíng)設(shè)施設(shè)備等因素進(jìn)行分析，速度目標(biāo)值 80 km/h 較100 km/h、120 km/h 方案工程投資分別節(jié)省 1.1 億元、 2.3 億元。從降低投資強(qiáng)度、減小征拆、提高工程可實(shí)施性等方面考慮，速度目標(biāo)值 80 km/h 方案優(yōu)勢(shì)明顯。

2.4運(yùn)營(yíng)技術(shù)指標(biāo)分析

速度目標(biāo)值越高，列車牽引能耗越大。經(jīng)列車牽引模擬計(jì)算，不同速度目標(biāo)值方案各項(xiàng)運(yùn)營(yíng)技術(shù)指標(biāo)如表 4 所示。由表 4 可知，80 km/h 較 100 km/h速度方案每列車全線能耗平均約節(jié)省 219 kW · h，節(jié)省 21.1% 左右，旅行速度降低約 4.1 km/h；100 km/h較 120 km/h 速度方案能耗約節(jié)省 203.5 kW · h，節(jié)省 16.4% 左右，旅行速度與 100 km/h 基本相當(dāng)。

2.5環(huán)境影響分析

草堂線以高架敷設(shè)為主，遠(yuǎn)期全線建成后橋梁占比超過 35.7%，高架地段列車運(yùn)行噪聲對(duì)沿線兩側(cè)環(huán)境影響較大。軌道交通噪聲主要受列車對(duì)數(shù)和運(yùn)行速度影響較大[6]。經(jīng)檢算，速度目標(biāo)值越高，對(duì)兩側(cè)聲環(huán)境的影響越大。如果按照居住區(qū)標(biāo)準(zhǔn)衡量 (晝間 60 dB、夜間 50 dB)[8]，在不考慮設(shè)置任何防護(hù)措施的情況下，80 km/h 的達(dá)標(biāo)距離為 255 m、100 km/h 的達(dá)標(biāo)距離為 330 m、120 km/h 的達(dá)標(biāo)距離為 415 m。由此可見，速度越高，對(duì)環(huán)境的影響范圍越大，但不論采用哪種速度目標(biāo)值均需要采取聲屏障、隔聲窗等降噪措施，以緩解對(duì)環(huán)境的影響。

表4　運(yùn)營(yíng)技術(shù)指標(biāo)分析表

綜上所述，草堂線平均站間距離約為 1 606 m，120 km/h 速度目標(biāo)值方案不能有效發(fā)揮速度優(yōu)勢(shì)，達(dá)速距離較短或不能達(dá)速，全線運(yùn)行時(shí)間與 100 km/h速度方案基本相當(dāng)；100 km/h 較 80 km/h 速度方案每列車雖然可以節(jié)省時(shí)間 5 min，但能耗增加 218.9 kW · h左右，增加約 21.1%，而且車輛購(gòu)置費(fèi)增加；采用80 km/h 的速度目標(biāo)值可以較好適應(yīng)各項(xiàng)要求，工程投資省，運(yùn)營(yíng)成本低，符合節(jié)能減排政策，綜合優(yōu)勢(shì)明顯。因此，草堂線速度目標(biāo)值推薦采用 80 km/h。

3　結(jié)束語

在軌道交通領(lǐng)域中市域軌道是具有城市交通功能要求的“快速”軌道，草堂線作為行經(jīng)西安市區(qū)和外圍重要功能組團(tuán)的超長(zhǎng)線路，實(shí)現(xiàn)其快速功能有利于提高服務(wù)質(zhì)量，便于旅客出行；通過與其他線路連接成網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)副城、新區(qū)與主城區(qū)多節(jié)點(diǎn)、多層次、多方向的高效便捷聯(lián)系，引導(dǎo)外圍重點(diǎn)區(qū)域發(fā)展。因此，合理適度選擇速度目標(biāo)值是設(shè)計(jì)研究的關(guān)鍵，通過全面系統(tǒng)地量化如何實(shí)現(xiàn)“快速”功能，使草堂線速度目標(biāo)值的選擇更為經(jīng)濟(jì)、適度，項(xiàng)目研究更為科學(xué)，為其他項(xiàng)目建設(shè)提供參考。

[1] 中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司. 西安市域快速軌道交通草堂線可行性研究報(bào)告[R]. 西安：中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，2013.

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責(zé)任編輯：何 瑩

Discussion on Selection of Speed Target Value of Rail Transit Hangtianjidi-Taipingyu Line in Xi’an

Hangtianjidi-Taipingyu line is an urban rail transit line located at periphery of Xi’an city, reasonable determination of the line’s speed target value is the important foundation of improving service quality of the rail transit. Based on summarizing general status of the line and station, characteristics of the line and the passenger flow, this paper makes comprehensive analysis from the aspects including conditions of the line and station, running time, engineering economy, operation technical index and environment influence, and then, reasonably determines the speed target value of Hangtianjidi-Taipingyu line.

Xi’an; Hangtianjidi-Taipingyu Line; Speed Target Value

1003-1421(2016)02-0076-05

U239.5

B

10.16668/j.cnki.issn.1003-1421.2016.02.16

2015-12-07

中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司科研開發(fā)項(xiàng)目 (院科 08-08)