高 杰

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

川道型城市作為一種狹長的帶形城市結(jié)構(gòu)，在我國黃河沿岸普遍存在，特別是在西北五省，具有代表性的省會(huì)城市有西寧、蘭州。受地理地形條件限制，川道型城市有著獨(dú)特的空間拓展模式和階段，形成了相應(yīng)的土地利用形態(tài)和空間結(jié)構(gòu)，決定了擁有相對(duì)較高的公交出行比例，其走廊客流聚集效應(yīng)相對(duì)于平原城市更強(qiáng)，平均出行距離更長，發(fā)展軌道交通是解決川道型城市交通難題的重要選擇之一，選擇合理的系統(tǒng)制式和車輛選型是前期規(guī)劃研究的關(guān)鍵[1]。

1 研究背景

西寧市是青海省的省會(huì)，是青藏高原唯一一座人口超過百萬的城市。市區(qū)位于河湟谷地，受“四山夾三河”的地理?xiàng)l件限制，中心城區(qū)整體呈現(xiàn)“十字”川道型城市形態(tài)(圖1)，平均人口密度高達(dá)1.5萬人/km2，其中大十字中心交匯區(qū)10 km2范圍內(nèi)人口密度高達(dá)4萬人/km2。中心城區(qū)已無空間建設(shè)新的道路資源，迫切需要建設(shè)軌道交通緩解城市交通壓力，引導(dǎo)城市的重點(diǎn)區(qū)域發(fā)展[2]。

圖1 西寧市川道型城市特點(diǎn)示意

1.1 前期線路規(guī)劃方案

從建設(shè)特點(diǎn)來看，西寧市與常規(guī)城市有所差異，具有以下特征：川道型城市形態(tài)導(dǎo)致道路資源極為緊張，道路面積嚴(yán)重匱乏；川道內(nèi)聚集特征明顯，呈現(xiàn)出“橫向聚集、軸向交流”的特征；沿線多為已建成區(qū)，建筑物密集、交通擁擠、道路紅線較窄；高原半干旱氣候，冬季風(fēng)沙較大，冰凍期長，采暖期長達(dá)半年之久。

基于以上原因，西寧市中心城區(qū)規(guī)劃3條線路：1號(hào)線西起西城大街，終止于東川金開路，全長29.4 km，為東西向貫通西寧市主城區(qū)的主骨干線路；2號(hào)線起于北川花園臺(tái)村，終止于博文路，全長21.2 km，是北川交通走廊和東川交通走廊的骨架線路；3號(hào)線起于西川21號(hào)路，終止于塔爾寺，全長41.0 km，為西川交通走廊和南川交通走廊的骨架線路(圖2)。建設(shè)規(guī)劃首先實(shí)施1號(hào)線和3號(hào)線一期工程(圖3)，全長47.7 km，為減少拆遷和占用既有道路，并兼顧降低建設(shè)投資，主城區(qū)線路采取地下敷設(shè)方式，主城區(qū)以外采取高架敷設(shè)為主。

1.2 客流預(yù)測(cè)

與全國其他城市相比，西寧市現(xiàn)狀居民出行方式結(jié)構(gòu)特征主要表現(xiàn)為：步行比例高。西寧市居民出行方式構(gòu)成中，步行比例高達(dá)40.85%；公共交通在居民出行中占據(jù)主導(dǎo)地位。西寧市居民乘坐常規(guī)公交出行的比例高達(dá)35.07 %，僅次于步行比例；自行車出行比例很低。主要原因是地理氣候因素：太陽輻射強(qiáng)、晝夜溫差大、冰凍期長，客觀限制自行車、電動(dòng)車的使用。

圖2 西寧市城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃示意

圖3 西寧市城市軌道交通建設(shè)規(guī)劃示意

根據(jù)《客流預(yù)測(cè)研究報(bào)告》相關(guān)結(jié)果，1號(hào)線高峰小時(shí)客流規(guī)模為初期1.25萬人/h，近期1.95萬人/h，遠(yuǎn)期2.4萬人/h；3號(hào)線高峰小時(shí)客流規(guī)模為初期0.95萬人/h，近期1.60萬人/h，遠(yuǎn)期2.4萬人/h。結(jié)合西寧市的城市規(guī)模、城市形態(tài)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和客流狀況，其軌道交通線網(wǎng)基本定位為中運(yùn)量級(jí)線路。

本文從1、3號(hào)線的功能定位、線路條件、客流需求等方面對(duì)制式及車型編組問題進(jìn)行分析，在適用性和經(jīng)濟(jì)性等方面綜合比選[3]。

2 系統(tǒng)制式和車型選擇研究

2.1 系統(tǒng)制式研究

根據(jù)西寧市的氣候環(huán)境、規(guī)劃現(xiàn)狀、線網(wǎng)方案及客流預(yù)測(cè)結(jié)果，主要選擇方案有普通輪軌、跨座式單軌、直線電機(jī)Lb和中低速磁浮四種制式系統(tǒng)[4]。

跨座式單軌一般采取高架敷設(shè)的方式，列車牽引耗能高，對(duì)冰雪天氣適應(yīng)性差，道岔結(jié)構(gòu)復(fù)雜而笨重，轉(zhuǎn)換時(shí)間較長[5]；直線電機(jī)Lb車輛的效率較低，氣隙控制技術(shù)復(fù)雜，我國產(chǎn)業(yè)體系尚沒有形成，車輛價(jià)格和后期運(yùn)營費(fèi)用偏高；中低速磁浮車輛載客有比較明確的限制，不適合大客流線路或客流增長快的線路，且由于技術(shù)尚不成熟，運(yùn)營維護(hù)費(fèi)較高。綜上所述，推薦西寧軌道交通采用技術(shù)成熟、安全可靠的普通輪軌系統(tǒng)。

2.2 車輛選型研究

根據(jù)國辦發(fā)[2018]52號(hào)文：申報(bào)建設(shè)地鐵的城市一般公共財(cái)政預(yù)算收入應(yīng)在300億元以上，地區(qū)生產(chǎn)總值在3000億元以上，市區(qū)常住人口在300萬人以上；申報(bào)建設(shè)輕軌的城市一般公共財(cái)政預(yù)算收入應(yīng)在150億元以上，地區(qū)生產(chǎn)總值在1500億元以上，市區(qū)常住人口在150萬人以上；擬建地鐵、輕軌線路初期客運(yùn)強(qiáng)度分別不低于每日每千米0.7，0.4萬人次，遠(yuǎn)期客流規(guī)模分別達(dá)到單向高峰小時(shí)3萬人次以上、1萬人次以上?！苯刂?018年末，西寧市區(qū)與湟中縣常住人口之和為177.56萬人(2019年12月湟中縣撤縣改區(qū))，2018年西寧市地區(qū)生產(chǎn)總值1286.41億元，全市地方一般公共預(yù)算收入為92.95億元，但通過上級(jí)補(bǔ)助和調(diào)入資金，全市一般公共預(yù)算收入總量達(dá)337.9億元。西寧市區(qū)常住人口數(shù)量滿足輕軌建設(shè)條件，其他兩個(gè)條件暫不滿足。但考慮到西寧市在青海省的首位度極高，采取了省市共建的模式，建設(shè)資金和運(yùn)營補(bǔ)虧都可以得到保障，所以車輛選型在滿足運(yùn)能的條件下要充分考慮經(jīng)濟(jì)性因素[6]。

西寧軌道交通1、3號(hào)線預(yù)測(cè)的遠(yuǎn)期高峰小時(shí)最大斷面客流量為2.4萬人/h，屬于中運(yùn)量等級(jí)，僅從滿足運(yùn)輸需求的角度分析看，適應(yīng)的車型有B、C、Lb型車及單軌車型。依據(jù)2.1節(jié)研究結(jié)論，車輛選型應(yīng)在滿足運(yùn)能需求的普通輪軌系統(tǒng)B型車或C型車(本文以株洲廠研發(fā)的高地板鉸接輕軌車輛參數(shù)進(jìn)行比選)中進(jìn)行重點(diǎn)研究。

3 列車編組方案研究

遠(yuǎn)期高峰時(shí)段列車最小運(yùn)行間隔按2 min考慮、站立標(biāo)準(zhǔn)按6人/m2考慮， B、C型車研究年度不同列車編組方案見表1。

表1 B、C型車運(yùn)能與線網(wǎng)預(yù)測(cè)客流的適應(yīng)性分析

從表1研究結(jié)果來看，B型車4輛及以上編組和C型車5輛(4輛編組時(shí)運(yùn)能余量僅4.5%)及以上編組均能適應(yīng)預(yù)測(cè)客流結(jié)果的需求。

乘客舒適度作為軌道交通“以人為本”的最主要衡量指標(biāo)之一，當(dāng)列車運(yùn)行間隔一定時(shí)，列車編組輛數(shù)就成為最直接的影響因素[7]。西寧1、3號(hào)線遠(yuǎn)期高峰小時(shí)最大單向斷面流量均為2.4萬人/h，平均運(yùn)距分別為8.76 km和6.77 km，兩條線的遠(yuǎn)期預(yù)測(cè)客流最大斷面值相同，列車編組方案比選以1號(hào)線為例進(jìn)行分析。

1號(hào)線不同編組方案的各種相關(guān)指標(biāo)見表2。

表2 1號(hào)線列車編組方案

通過表2可以看出，初、近、遠(yuǎn)期比較有價(jià)值的列車編組方案為B型車5-5-5、4-4-6和4-4-4三種編組方案以及C型車5-5-5編組方案，均可滿足本線遠(yuǎn)期能力需求，優(yōu)缺點(diǎn)分析如下。

(1)方案1：初、近、遠(yuǎn)期均采用B型車5輛固定編組，推薦開行對(duì)數(shù)分別為11，17對(duì)/h和20對(duì)/h。運(yùn)能余量適中，初、近、遠(yuǎn)期采用相同編組易于運(yùn)營、管理及檢修。但該方案具有以下不足之處：首先5輛編組列車在國內(nèi)僅有蘇州地鐵2號(hào)線采用，車輛采購周期較長且單價(jià)會(huì)相對(duì)較高；其次1號(hào)線作為西寧市東西向的主骨干線路，采用5輛編組高峰小時(shí)開行對(duì)數(shù)較少、服務(wù)水平較低。

(2)方案2：初、近期采用B型車4輛編組方案，遠(yuǎn)期采用B型車6輛編組，推薦開行對(duì)數(shù)分別為14，21對(duì)/h和17對(duì)/h。該方案考慮到1號(hào)線為西寧市東西向主骨干線路，且由于川道型城市客流的集聚效應(yīng)，遠(yuǎn)期客流存在較大的不確定性。其缺點(diǎn)主要是4輛編組的列車在遠(yuǎn)期合理處置的問題。一種方案是對(duì)列車進(jìn)行擴(kuò)編，將4輛編組的列車擴(kuò)編為6輛編組，這在技術(shù)上可以實(shí)現(xiàn)，但增加了復(fù)雜性及成本，4輛編組列車在出廠時(shí)就需要預(yù)留擴(kuò)編條件，造成單車購置費(fèi)增加；同時(shí)4輛編組在近期過渡到遠(yuǎn)期6輛編組時(shí)，會(huì)存在不同編組數(shù)輛的列車混跑，給乘客上車和車站運(yùn)營管理造成不便；因4輛編組與6輛編組列車長度不一致，給列車檢修也造成不便。另一種方案是將4輛編組的列車運(yùn)用在后續(xù)建設(shè)的線路上，但存在后續(xù)線路建設(shè)運(yùn)營時(shí)間的接續(xù)匹配問題、線路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和系統(tǒng)制式統(tǒng)一問題以及投資主體和運(yùn)營管理體制不同等問題[8]，存在一定的實(shí)施難度。

(3)方案3：初、近、遠(yuǎn)期均采用B型車4輛固定編組，推薦開行對(duì)數(shù)分別為14，21對(duì)/h和25對(duì)/h。該方案與客流量匹配性好，運(yùn)能適應(yīng)性較強(qiáng)，整體服務(wù)水平較高，列車滿載率指標(biāo)優(yōu)于其他方案[9]，運(yùn)營經(jīng)濟(jì)性較好。目前國內(nèi)大部分城市軌道交通線路均采用初、近、遠(yuǎn)期相同的列車編組方案[10]，已形成了相對(duì)成熟的運(yùn)營管理及維修經(jīng)驗(yàn)，初、近、遠(yuǎn)期采用相同編組方案從運(yùn)營、管理及檢修角度都非常方便，整體上看屬于系統(tǒng)的最優(yōu)方案，車輛段及停車場(chǎng)規(guī)模容易控制。

(4)方案4：初、近、遠(yuǎn)期均采用C型車5輛固定編組，推薦開行對(duì)數(shù)分別為12，19對(duì)/h和23對(duì)/h，其優(yōu)點(diǎn)同方案3。

從運(yùn)營角度來看，在相同運(yùn)能需求下，小編組列車可提供更小的行車間隔。1號(hào)線初、近期高峰小時(shí)預(yù)測(cè)客流量較小，采用以上4個(gè)編組方案均能滿足客流需要，4、5輛編組方案相對(duì)6輛編組方案有乘客等待時(shí)間短、服務(wù)水平高、線路滿載率相對(duì)高的優(yōu)點(diǎn)。由于初、近期年限相隔較近，為避免運(yùn)營不久就改變編組，一般初、近期宜采用相同的編組輛數(shù)[11]，綜合考慮客流適應(yīng)性、服務(wù)水平和運(yùn)營管理等因素，西寧軌道交通1、3號(hào)線初、近、遠(yuǎn)期列車編組推薦采用方案3或方案4，即B型車4輛固定編組或C型車5輛固定編組。

4 適應(yīng)性分析

1、3號(hào)線作為西寧市規(guī)劃第一批建設(shè)的城市軌道交通線路，車輛選型除應(yīng)滿足自身客流需求外，還應(yīng)綜合考慮整個(gè)城市軌道交通線網(wǎng)車輛選型的規(guī)劃和協(xié)調(diào)[12]，以實(shí)現(xiàn)線網(wǎng)資源的最大共享和利用。

4.1 車輛選型與線網(wǎng)資源共享的適應(yīng)性分析

西寧市中心區(qū)軌道交通線網(wǎng)總長為91.6 km，根據(jù)全國城市線網(wǎng)規(guī)劃經(jīng)驗(yàn)，線網(wǎng)在100～150 km內(nèi)設(shè)大架修車輛基地1處[13]?？紤]到建設(shè)時(shí)序、用地條件、交通條件等因素，大架修基地設(shè)置在1號(hào)線吳仲村車輛段內(nèi)(圖4)，負(fù)責(zé)全網(wǎng)各線列車的大架修任務(wù)。因此軌道交通1、2、3號(hào)線應(yīng)選用相同的車輛類型，以提高車輛檢修效率，減少取送檢修車走行距離。市域其他線路車輛制式選擇可在后續(xù)研究時(shí)再行確定。

圖4 西寧市遠(yuǎn)景軌道交通線網(wǎng)車輛基地規(guī)劃

4.2 不同車型與線路平面條件的適應(yīng)性分析

為滿足1、3號(hào)線列車最高運(yùn)行速度80 km/h的運(yùn)營要求，正線曲線半徑不應(yīng)低于400 m，困難地段可采用300 m。根據(jù)統(tǒng)計(jì)1號(hào)線、3號(hào)線一期線路平面設(shè)計(jì)特征及主要技術(shù)參數(shù)見表3。

表3 1、3號(hào)線一期線路平面設(shè)計(jì)特征及主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)客流預(yù)測(cè)結(jié)果，1、3號(hào)線客流規(guī)模相當(dāng)，考慮到川道型城市客流聚集性相比平原城市更為集中的特點(diǎn)，車輛選型應(yīng)留有一定的富余量，同時(shí)參考國內(nèi)車型選擇的普遍性，從運(yùn)營和維修角度采用B型車更為合理。1、3號(hào)線所采用的最小曲線半徑為300 m，B、C型車均可以滿足線路平面需求。盡管C型車的曲線半徑標(biāo)準(zhǔn)、轉(zhuǎn)彎半徑可以更小，對(duì)于繞避建筑物和減少拆遷有利，但是采用更小的半徑不僅使鋼軌和車輪的磨耗較大[14]，且對(duì)運(yùn)營產(chǎn)生限速，因而采用更小半徑的必要性不大，C型車的優(yōu)勢(shì)無法得以體現(xiàn)。

5 經(jīng)濟(jì)性分析

本文對(duì)滿足客流需求的B型車4輛編組和C型車5輛編組進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析研究。

5.1 土建規(guī)模及工程投資比較

(1)土建規(guī)模及投資分析

B、C型車區(qū)間盾構(gòu)隧道建筑限界一致，區(qū)間工程兩種車型差別不大，不同點(diǎn)在于車站有效站臺(tái)長度，車站公共區(qū)布置和規(guī)模略有不同。一個(gè)站臺(tái)寬度相同的標(biāo)準(zhǔn)車站，C型車5輛編組的車站比B型車4輛編組的車站主體建筑面積增加約910 m2，投資增加約930萬元/站(表4)。

表4 4B及5C編組標(biāo)準(zhǔn)車站建筑方案比較

若考慮在土建投資相當(dāng)?shù)臈l件下，C型車需采用4輛編組，但4C編組列車運(yùn)能為4B編組列車的87%，對(duì)于客流的適應(yīng)性較差。

因此，B型車4輛編組工程投資較低、客流適應(yīng)性強(qiáng)，車站土建投資經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于C型車5輛編組。

(2)車輛段規(guī)模及工程投資比較

車輛基地用地按最大規(guī)模控制，檢修規(guī)模按近期設(shè)計(jì)，遠(yuǎn)期預(yù)留，其余停車列檢及周月檢規(guī)模按近期設(shè)計(jì)，統(tǒng)籌遠(yuǎn)期，按遠(yuǎn)景規(guī)模預(yù)留[15]。

1、3號(hào)線車輛分別按4B編組和5C編組計(jì)算的車輛基地規(guī)模，如表5所示。

表5 1、3號(hào)線B、C型車車輛基地規(guī)模比較

按照大架修段每輛車占地指標(biāo)1 000 m2計(jì)算，遠(yuǎn)期4B方案征地面積約為36 hm2，5C方案征地面積約為43 hm2。按照定修段每輛車占地指標(biāo)900 m2計(jì)算[16]，遠(yuǎn)期4B方案征地面積約為33 hm2，5C方案征地面積約為39 hm2。

在運(yùn)能基本一致的前提下，5C方案列車長度較4B長約20 m，運(yùn)用車數(shù)有所增加，1、3號(hào)線車輛基地遠(yuǎn)期5C方案征地面積均大于4B方案。

5.2 車輛購置費(fèi)分析

C型車5輛編組目前在國內(nèi)的城市軌道交通線路中尚未有采用，需要建模、研發(fā)，車輛采購周期較長且單價(jià)會(huì)相對(duì)較高。

普通輪軌系統(tǒng)B型車目前的估算價(jià)格基本為700萬元/輛左右，C型車目前的估算價(jià)格基本為670萬元/輛左右，1號(hào)線采用B型車4輛編組初期需購置37列/148輛車，采用C型車5輛編組初期需購置35列/175輛車，購置C型車將較購置B型車增加13 650萬元；3號(hào)線一期采用B型車4輛編組初期需購置18列/72輛車，采用C型車5輛編組初期需購置18列/90輛車，購置C型車將較購置B型車增加9 900萬元。從車輛購置費(fèi)進(jìn)行分析，選用B型車更為合理。

5.3 運(yùn)營經(jīng)濟(jì)性分析[17]

(1)B、C型車牽引耗電量比較

B型車4輛編組與C型車5輛編組有多種動(dòng)拖比組合方式，本文按B型車4輛編組3M1T滿載(AW2)與C型車5輛編組4M1T滿載(AW2)為例進(jìn)行計(jì)算(考慮1號(hào)線和3號(hào)線一期在25‰以上的縱坡長度接近全線總長度的12%和40%，高架線路在雨雪惡劣天氣影響下，C型車3M2T故障救援能力不足[18])，1號(hào)線與3號(hào)線牽引耗電量比較見表6。

表6 1、3號(hào)線一期不同車型牽引耗電量比較

由表6可以看出，B型車4輛編組一列車往返的耗電量與人公里能耗均低于C型車5輛編組。根據(jù)初步確定的全日列車開行計(jì)劃及列車運(yùn)行交路，若以每度電0.8元計(jì)算，1號(hào)線特征年?duì)恳碾娨豁?xiàng)B型車較C型車將分別節(jié)省支出約330，693萬元/年和990萬元/年，3號(hào)線分別節(jié)省支出約333，365萬元/年和531萬元/年。

(2)運(yùn)營成本比較[19]

僅從1號(hào)線來看，其遠(yuǎn)期B型車4輛編組與C型車5輛編組的運(yùn)用車數(shù)分別為224輛和260輛，B型車車輛數(shù)量比C型車少36輛，車輛修理費(fèi)、清潔費(fèi)等相關(guān)費(fèi)用也會(huì)減少。綜合考慮車輛運(yùn)用數(shù)量和列車能耗的減少等因素，B型車4輛編組的運(yùn)營成本略低于C型車5輛編組。

6 結(jié)語

結(jié)合川道型城市軌道交通客流和線路設(shè)置的特殊性，詳細(xì)分析了各種制式及車輛選型的適用性及經(jīng)濟(jì)性，構(gòu)建了相應(yīng)的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，得到以下結(jié)論。

(1)B型車4輛編組具有一定抗風(fēng)險(xiǎn)能力，可以提高運(yùn)營組織的靈活性，降低運(yùn)營管理調(diào)度的難度，相比C型車5輛編組具有更好的經(jīng)濟(jì)性。

(2)1、3號(hào)線選用同一種車型及編組，能夠形成較好的資源共享優(yōu)勢(shì)。

(3)川道型城市軌道交通制式及車輛選型研究，既要立足于客流預(yù)測(cè)，又要考慮到川道效應(yīng)的聚集效應(yīng)和特殊性，在土建、場(chǎng)段等環(huán)節(jié)上做好發(fā)展預(yù)留(建議車站和場(chǎng)段的土建規(guī)模按照B型車6輛編組預(yù)留)，避免出現(xiàn)國內(nèi)部分軌道交通線路建成幾年后因無法滿足客流需求而被迫進(jìn)行改造的不利局面。

從實(shí)際需求來看，西寧市急需建設(shè)軌道交通來破解城市交通難題，其地面道路交通早已不堪重負(fù)，嚴(yán)重制約了城市發(fā)展。積極發(fā)展軌道交通是解決這種川道型城市交通瓶頸的有效手段，其客流特點(diǎn)與傳統(tǒng)的平原城市有較大差異，統(tǒng)一用國辦發(fā)[2018]52號(hào)文各項(xiàng)指標(biāo)來衡量未免有失偏頗[20]。例如同為川道型城市的蘭州，其地鐵1號(hào)線(6 A編組)開通半年來，客流強(qiáng)度在全國已開通地鐵城市中相比較已處于中等水平。只有充分考慮到川道型城市的現(xiàn)狀與遠(yuǎn)期規(guī)劃發(fā)展條件，研究軌道交通的制式與車型選擇如何滿足城市需求，才能使其成為城市科學(xué)、先進(jìn)、合理的綜合公共交通體系中的重要組成部分。