市域快速軌道交通的技術特征與標準研究

萬學紅 李忍相 馮愛軍

(1.北京城建設計發展集團股份有限公司,100037,北京;2.京津冀城際鐵路投資有限公司,100101,北京∥第一作者,教授級高級工程師)

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市域快速軌道交通的技術特征與標準研究

萬學紅1李忍相2馮愛軍1

(1.北京城建設計發展集團股份有限公司,100037,北京;2.京津冀城際鐵路投資有限公司,100101,北京∥第一作者,教授級高級工程師)

我國未來對市域快速軌道交通(簡稱“市域快軌”)的建設需求巨大,但是缺少相應的設計標準。通過比較國內外市域快軌的技術特征,總結出我國市域快軌在技術標準方面存在的主要問題，闡述了我國市域快軌的功能需求和服務目標定位,提出了有別于我國既有地鐵或鐵路設計標準的市域快軌技術標準,包括標準項及標準取值,對制定我國市域快軌設計標準具有參考價值。

市域快速軌道交通; 技術特征; 技術標準

First-author′s address Beijing Urban Construction Design & Development Group Co.,Ltd.，100037，Beijing,China

隨著我國城市軌道交通的快速發展和國家新型城鎮化規劃實施對都市圈和城市群交通建設的推動,在城市軌道交通網絡中起著重要支撐作用的市域快速軌道交通(以下簡稱“市域快軌”),被提上重要議事日程。

相對于地鐵,市域快軌具有服務半徑大、旅行時間長、運行速度快、服務水平要求高等特點。相對于普通鐵路及城際鐵路線路,市域快軌線路又具有站間距小、快速起停要求高、市區多地下、故障救援快、高峰小時行車對數多等特點。但因市域快軌的發展滯后且管理缺失,致使其適用范圍、功能定位、技術標準等應用條件遲遲未予明確；同時，既有的地鐵設計規范[1-3]及城際鐵路設計規范[4]又不能很好地滿足市域快軌的設計需要,故而城市軌道交通網絡未能科學合理構建，市域快軌功能也未得到有效發揮。

目前已有少量的市域快軌技術特征的研究成果。文獻[5]對國外市域快軌線路技術特征作了分析,文獻[6]研究了市域快軌線路設計方案的評價方法,文獻[7-8]分別討論了市域快軌線的功能定位及合理長度,文獻[9]研究了北京市域快軌線路的主要技術指標。本文擬總結既有的市域快軌方面的研究成果,結合筆者多年軌道交通線路設計經驗,對我國市域快軌的主要技術特征指標進行分析,為相關的技術標準制定提供參考。

1 市域快軌主要技術特征分析

1.1 國內既有市域快軌

盡管國內市域快軌的建設存在政策、規范、產品等方面的缺陷,但由于其需求客觀存在,故各個城市還是逐步進行了市域快軌的建設。市域快軌建設在取得一定成績的同時,也存在這樣或者那樣的問題。總體來看,其技術特征如下。

(1)線網層次。目前國內一二線城市軌道交通的建設基本進行至第二或第三輪,相應的軌道交通線網也進行了幾輪的修編。在以前的軌道交通建設中,由于對市域快軌的認識不足或不清晰,整個線網的構成基本以地鐵為主,線網中缺乏市域快軌的層次或沒能體現市域快軌技術特點。

(2)系統制式。目前，國內現行技術規范標準主要有國鐵標準及地鐵標準兩大系統,缺乏專門的市域快軌技術規范標準。因此，各大城市存在兩種市域快軌建設方式,一是直接利用國鐵線路,開行市郊列車;二是以地鐵延伸線的方式,采用地鐵制式,提供市域快軌的服務。

(3)運營特點。采用地鐵技術標準建設的市域快軌運營模式單一,除速度低之外,多采用站站停的運營模式,無法應對中短、快慢客流差異性需求。采用國鐵技術標準建設的市域快軌,雖然速度高,采用了快慢車、大小交路等運營模式,但高峰小時及非高峰小時運營間隔過大,沒有真正提供公交化的服務水平。

1.2 國外既有市域快軌

與我國城市軌道交通建設正處于起步或者發展階段不同,國外發達國家大城市軌道交通已經基本穩定。市域快軌的技術特征與其所在國家和城市的經濟、人口、文化、歷史等多方面因素密切相關。從總體來看,在以日本為代表的亞洲國家與在以法國、英國為代表的歐美國家相比，兩者市域快軌的技術特征有所不同。

1.2.1 國外市域快軌概況

(1)有通勤都市圈軌道交通線網規模大即圍繞核心城市,都存在著一個跨越行政區的通勤都市圈。其具體范圍各不相同,一般為50～100km，與中心城的連接強度也不相同。盡管通勤都市圈范圍很大,但主要出行客流集中在30～50 km半徑組團附近。國外通勤公交化的軌道交通線網規模都遠高于目前我國各大城市規劃的軌道交通線網規模。

(2)市域快軌層次清晰。服務于通勤都市圈的市域快軌系統獨立于地鐵系統。在人口規模大、相對比較密集的城市(如東京、大阪),市域快軌是支撐其整個都市圈發展的主體軌道交通系統。市域快軌無論采取國鐵制式還是地鐵制式,都應能提供公交化的早晚高峰通勤服務。

(3)利用國鐵提供城市快速通勤服務。國外的國鐵建設年代較早、規模較大,且貨運萎縮。故國鐵系統能夠被市域快軌利用。其中，東京、大阪的利用規模小,而在歐美城市則為大規模主體利用。無論市域快軌利用國鐵的規模是大是小,其高峰時段均提供了類似地鐵的高密度、公交化服務。

(4)客運能力特點。東京、大阪市域快軌的客運能力遠大于地鐵,而歐美城市市域快軌客運能力基本小于地鐵系統。市域快軌的客運能力需求與城市的人口規模、分布密切相關。對于強中心的城市(如東京、大阪)而言,市域快軌的客運能力需求一般較大。盡管職住平衡是各大城市規劃的追求目標,但基本都未實現。這就導致了市域快軌潮汐性特征明顯,盡管全天客流量不大,但高峰小時客流量較大。

(5)系統制式。國外市域快軌一般統一采用國鐵或單獨市域快軌的系統制式。市域快軌各線路之間，甚至市域快軌與地鐵之間,基本都有互聯互通。

1.2.2 技術特征

盡管國外市域快軌長短、建設時序、系統制式各不相同,但總的看來,在如下方面仍有規律可循:

(1) 最高速度及旅行速度。最高運營速度一般為100～160 km/h之間,旅行速度則為50～80 km/h。需要指出的是,國外的市域快軌建設年代較早,多為20世紀初,現在的最高速度是多年來不斷改造升級后的速度。受曲線半徑等工程條件限制,部分線路最高運營速度僅達到100 km/h。

(2) 站間距。亞洲城市和歐美城市的市域快軌站間距有著明顯的不同。在亞洲城市，站間距多為2 km左右;在歐美城市，站間距為3～5 km左右。這主要是因為亞洲城市人口密度大,且主要新城與中心城區都已連片發展,故站間距相對較小。

(3) 列車編組與客流特征。在東京、大阪等亞洲城市,市域快軌一般為8～10節編組,而地鐵為6～8節編組；市域快軌高峰小時斷面客流明顯較大。在歐美城市情況則相反,中心城區地鐵編組要一般大于市域快軌列車編組。

(4) 運營模式。各大城市都采用快慢車混跑、大小交路套跑,以及跨線運營等多種靈活的運營組織模式。

(5) 銜接模式。各大城市的市域快軌都會深入中心城區或貫穿中心城區,并能與多條地鐵線路換乘銜接。

1.3 我國市域快軌的功能定位分析

城市軌道交通屬于集多專業、多工種于一身的復雜系統，為梳理市域快軌的主要關鍵技術,應做到：①確定功能需求和服務目標定位;②根據功能需求、服務目標定位,制定系統解決方案;③根據系統解決方案確立技術特征和標準。市域快軌的技術特征和標準應體現其快速、大間距、運營組織靈活，以及客流潮汐性等特點，故應在鐵路技術規范標準和地鐵技術規范標準的基礎上,重點對市域快軌的差異性進行分析研究,并提出相應解決方案。

(1)功能定位。市域快軌應屬于城市軌道交通范疇,與城市中心區的軌道交通共同構建城市軌道交通網絡。市域快軌可自成體系,相對獨立運營,與城市中心區軌道交通接駁換乘,也可與城市中心區軌道交通互聯互通。

(2)服務范圍。市域快軌主要服務于城市中心區以外,且距大城市、特大城市和超大城市中心城區外20～100 km 半徑內的城市功能屬性和經濟屬性一致的城市和城鎮組團。其服務范圍不局限于城市行政轄區,可涵蓋核心城市周邊與之經濟、人口交流等較為緊密的區域。服務范圍內居民的工作、生活具有同城化特征。即服務區域非指行政區域,而以居民交往聯系的緊密程度及特征來界定。

(3)服務對象。在城市郊區和與中心城日常工作、生活交往緊密地區,民眾的早晚高峰時段出行需求最為迫切,所以市域快軌的服務對象以通勤乘客為主,以通商、通學等其它乘客為輔。

(4)最高速度與服務目標。城市規模愈大,通勤范圍愈大,通勤時間愈長。為提高城市都市圈的活力,宜縮短通勤時間。國外一些城市經驗表明,主城和衛星城之間的通勤時間約為1 h 時,更能吸引主城工作的民眾和新增的居民在衛星城集聚。所以，市域快軌的服務目標應使通勤交通出行時間不宜大于1 h。由于主要都市圈的輻射范圍為50～80 km,則按照列車旅行速度60～80 km/h計算,市域快軌列車的最高速度應為120～160 km/h。

(5)舒適標準。由于市域快軌運營速度快、站間距長,因此為提高乘車舒適性,需提高車廂內座席比例,車廂內有效空余地板面站立乘客密度不宜大于4人/m2。

2 市域快軌的技術標準

筆者認為市域快軌的技術標準與地鐵、鐵路存在以下方面有明顯差異。

2.1 系統運能

市域快軌系統運輸能力除參考客流預測確定外,也可結合城市發展的空間及資源共享需求綜合確定,并預留運能裕量,其遠期最大運輸能力不宜大于24對/h。其考慮因素為:①提高列車最高運行速度,會增加終點折返站列車進站時間,會影響到終點站折返能力,降低行車密度;②市域快軌沿線客流多為長距離出行，部分時間段出行較為集中,對出行時間要求較高,故在運營組織上宜采取快慢車越行組織模式,但快車對慢車的越行會造成能力的折減,會降低行車密度;③按照目前信號系統設計原理,列車之間的安全保障距離=列車制動距離+反應時間行走距離+安全距離+誤差,故隨著列車最高運行速度的提高,行車間隔需要加大,從而降低行車密度。

另外,從站間距、行車密度與區間風井工程實施規模的匹配性考慮。如地下線路的行車密度大于24對/h,即行車間隔小于2.5 min,則所有地下區間均須考慮設置區間風井。目前各城市市域快軌建設往往滯后于市區軌道交通,若市域快軌線路埋深較深,則其設置區間風井會大幅增加工程難度和投資。

2.2 車輛類型與供電制式

2.2.1 車輛類型

市域快軌車輛應滿足運行速度高、啟停頻繁的要求，才能為中長距離通勤客流提供公交化服務。為適應國內各城市的不同環境和需求,車輛應有廣泛適應性。國內廠商可提供市域A、B、D 3種車型。市域A、B型車的最高運行速度為120～160 km/h，其車輛基本外形尺寸與城市軌道交通A、B型車接近并滿足限界要求。主要區別在于牽引動力提升、齒輪驅動裝置改變及基礎制動方式改變(踏面制動變為輪盤制動)等。市域D型車的最高運行速度為120～160 km/h，其車輛斷面尺寸與既有城際動車組車輛接近。主要區別在于市域D型車縮短車輛定距，增強小曲線半徑通過能力。

(1) 動力性能。在定員載荷下,列車運行于平直干燥軌道上,當采用額定供電電壓且車輪為半磨耗狀態時,列車加減速性能宜符合表1的規定。

(2) 故障救援。當損失1/4動力時,列車在超員載荷工況下仍可在30‰坡道上起動,并維持運行至線路終點站;當損失1/2動力時,列車在超員載荷工況下仍可在30‰坡道上起動,并使列車行駛到最近車站;一列空載列車可將另一列停在30‰坡道上的相同編組超員載荷故障列車牽引(或推送)至臨近車站;一列空載列車可將另一列停在30‰坡道上的相同編組故障空車牽引(或推送)到車輛段。

(3) 車體強度及定員。以每平方米有效空余地板面積站立的人數為依據:定員按4人/m2計算,超員按6人/m2計算,車體強度校核按9人/m2計算。車體結構設計滿足EN 12663要求,120 km/h速度等級的車體強度校核時，沿縱向壓縮載荷為800 kN,拉伸載荷為600 kN;140 km/h速度及以上等級的車體強度校核時，沿縱向壓縮載荷為1 200 kN,拉伸載荷為960 kN。

(4) 技術規格。車輛類型應根據當地的預測客流量、環境條件、線路條件、運輸能力要求等因素綜合比較選定。車輛的主要技術規格如表2所示。

表1 市域軌道交通車輛加減速性能要求

表2 市域快軌車輛主要技術規格

(5) 內部噪聲控制。車輛停止且所有輔助系統設備同時以額定功率運行時,客室座席區中部連續噪聲值不高于69 dB(A),司機室內噪聲值不高于68 dB(A);車輛以最高運行速度(120～160 km/h)(1±5%)運行時,客室座席區中部連續噪聲值不高于75 dB(A),司機室噪聲值不高于78 dB(A)。

(6) 外部噪聲控制。車輛起動時,外部最大噪聲不超過82 dB(A);車輛停止且空調工作,而牽引設備及牽引冷卻設備不工作時,外部連續噪聲不超過71 dB(A)。車輛以最高運行速度通過空曠平直線路時,外部連續噪聲限值見表3。

表3 市域快軌在空曠平直線路的外部連續噪聲限值

2.2.2 供電制式

市域快軌牽引供電制式選擇是一個綜合性系統問題,需經工程技術經濟綜合比選后確定與自身特點和負荷需求相適應的牽引供電制式。其中自身特點包含市域快軌在城市軌道交通線網中的地位和與其它軌道交通的銜接方式等因素;負荷需求包括速度目標值、行車組織、車輛選型等因素。

市域快軌宜采用AC 25 kV或DC 1 500 V供電制式。當列車速度目標值達到140 km/h及以上時,為保證車輛較大的加減速度、車輛牽引功率較大,宜采用高電壓等級的AC 25 kV供電制式。若與既有城市軌道交通或國鐵有互聯互通需求,經工程技術經濟綜合比較,可采用AC 25 kV/DC 1 500V雙流供電制式車輛。

2.3 線路技術標準

2.3.1 最小曲線半徑

根據超高參數,市域快軌線路的最小曲線半徑見表4、表5。

表4 市域快軌線路平面最小曲線半徑表

表5 市域快軌線路限速地段最小曲線半徑表 m

2.3.2 最大坡度

區間正線最大坡度不宜大于30‰,困難條件下不應大于35‰。聯絡線、出入線的最大坡度不宜大于40‰。最大坡度均不考慮各種坡度折減值。

2.3.3 其他線路設計標準

(1) 豎曲線。設計速度為160 km/h的正線線路,當相鄰坡段的坡度差大于或等于1‰時,應采用圓曲線型豎曲線連接;設計速度為160 km/h以下的正線線路,當相鄰坡段的坡度差大于或等于2‰時,應采用圓曲線型豎曲線連接,且豎曲線的半徑不應小于表6的規定,且采用市域A型車和市域D型車時最小豎曲線長度應不小于25 m,采用市域B型車時最小豎曲線長度不應小于20 m。

表6 不同設計速度的市域快軌線路豎曲線半徑取值標準 m

(2) 超高。參考鐵路、地鐵、國外最大設計超高允許值,市域快軌最大實設超高限值為150 mm。參照鐵道科學研究院的相關試驗數據,欠超高允許值一般情況下為70 mm,困難情況下為90 mm。

(3) 站臺。車站站臺宜設置在直線上,當設在曲線上時,其站臺有效長度范圍的線路曲線最小半徑應符合表7規定。

(4) 道岔。正線道岔型號不應小于12號,困難條件下地下線正線道岔型號不應小于9號。單渡線和交叉渡線的線間距應符合表8規定。

表7 不同車型對應的站臺范圍線路曲線最小半徑

表8 市域快軌不同型號正線道岔的設計標準

2.4 列車交路與運營組織

(1) 行車制式。市域快軌屬于城市軌道交通,其行車制式如從資源共享及互聯互通等角度考慮,則正線宜采用右側行車；如考慮與國鐵(或城際鐵路)互聯互通,則可采用左側行車。

(2) 運營組織。市域快軌以服務于通勤客流為主,其線路運行時間越長,則對沿線居民的吸引力就越小。而列車頻繁停站又會降低旅行速度,延長出行時間。故為了減小列車頻繁停站對客流吸引能力的影響,滿足不同時段、不同乘客的出行需求,應提供差異化和高品質服務,提高運營效率，降低運營費用。即市域快軌應能提供不同服務水平的運營組織模式,高峰時宜采用高密度、公交化的運營組織模式,平峰時視客流量擬定靈活運營方式(如定點時刻表開行方式)；還可根據需求和沿線設站條件,設置相應的越站運營設施,提供快車越行服務。

(3) 停車線設置。停車線主要為故障列車臨時待避停放、臨時組織交路折返、組織臨時發車等功能,其設置間距應滿足列車故障救援要求。地鐵設計停車線間距為10 km，且將救援時間控制在30 min以內。而市域快軌線路長、站間距大、行車密度相對小,其救援時間可適當放大至45 min,相應停車線間距控制在15 km左右為宜;在兩組停車功能的配線間應增設單渡線。

(4) 列車編組。市域快軌線路長、服務范圍廣,客流風險高,且以地面和高架敷設方式為主,其遠期規模宜按照不小于6節編組進行規模控制。初期、近期需結合客流預測規模及需求、運營組織方案、運營經濟性等進行比較分析后,選擇過渡性編組方案。

(5) 壓力舒適度標準及隧道阻塞比。市域快軌以最大行車速度(120～160 km/h)運行時,將引起地下線路隧道內空氣壓力發生較大變化,從而對地下線路內部的人員造成生理上的影響。因此，必須將隧道內的空氣壓力控制在一定的壓力舒適度標準范圍內。當隧道內空氣總壓力變化值超過700 Pa時,密封指數低于0.5 s的非密閉車輛內壓力變化率應小于415 Pa/s。密封指數高于6 s的密閉車輛內壓力變化率應小于800 Pa/3s。對于列車設計運行速度為120 km/h及以下的線路,由于滿足壓力舒適度標準的隧道斷面阻塞比較大,即使采用非密閉車輛,隧道斷面仍然主要受設備及建筑限界限制,因此均采用非密閉車輛。隨著列車設計速度的提高,滿足壓力舒適度標準的隧道斷面阻塞比變小,隧道斷面因受空氣動力學影響而需隨之加大。當列車設計速度達到160 km/h及以上時,若仍采用非密閉車輛,隧道斷面將非常大，不經濟,因此需要加強列車的密閉性能,以減小隧道斷面。不同列車設計運行速度下的隧道斷面最大阻塞比應符合表9的要求。

2.5 車站設置

2.5.1 車站分布

中心城區外線路起點或終點車站宜與城市用地規劃相結合,靠近客流集中區域布置,以方便接駁換乘設施。中心城區內的線路起點或終點車站宜設在綜合交通樞紐或軌道交通站點,有條件的情況下宜與中心城區內軌道交通形成多點換乘。

表9 不同列車設計運行速度下的隧道斷面最大阻塞比

2.5.2 車站布局

市域快軌車站布局應符合城市總體規劃和沿線城鎮分區規劃的要求,與城市詳細規劃的經濟技術指標和建筑景觀要求協調一致,并處理好與周邊建筑、道路交通、市政管線的關系。

市域快軌具有“大站快線”的特點,其線路敷設在城市外圍以地面線和高架線為主,進入城市密集區與市內軌道交通線路銜接換乘時,以地下線路為主。車站形式的選擇需要綜合線網關系、線路敷設方式、客流特征、地址環境條件和時序安排等綜合因素選擇與之相適應的車站形式。

在建設條件具備的情況下,宜優先選擇地面站或高架站,可通過室外場地交通銜接功能的整體規劃和建設,加強市域快軌車站在區域環境的顯著引導作用,方便乘客與地面多種交通方式的銜接換乘。在與中心城區軌道交通線銜接換乘時,會受中心城區建設條件限制,如采用地下線路敷設和地下車站形式,則弱化了外部交通方式的銜接,強化了內部軌軌換乘的便捷。

其站臺形式的選擇應充分考慮客流特征、換乘關系等方面因素,合理選擇島式、側式或島側混合等形式。車站在中心城區宜按地鐵方式將車站站房(站廳)和站臺整體合建；在市中心以外區域,如有條件可按鐵路方式將車站站房(站廳)和站臺分建,并采用天橋連接。

市域快軌連接城市邊緣的組團區域,其車站站間距大,需要通過多種交通方式輔助,才能滿足該區域內所有乘客與站點銜接的服務需求。故車站設計應做好與其它交通設施的統籌布局,構建無縫銜接、高效換乘的交通樞紐節點工程。

3 結語

市域快軌系統是一個多專業、綜合性的系統,本文分析了國內市域快軌存在的問題及國外市域快軌的發展現狀,描述了我國市域快軌的功能需求和服務目標定位,以及主要系統解決方案和技術特征,以助于市域快軌后續規劃設計,提高建設水平、減少投資浪費,提升軌道交通服務水平及競爭力。

[1] 中華人民共和國住房和城鄉建設部,中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.地鐵設計規范:GB 50157―2013[S].北京:中國計劃出版社,2013.

[2] 國家發展和改革委員會,建設部.城市軌道交通工程項目建設標準:建標104—2008[S].北京:中國計劃出版社,2008.

[3] 中華人民共和國住房和城鄉建設部,中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.城市軌道交通技術規范:GB 50490―2009[S].北京:中國建筑工業出版社,2009.

[4] 中華人民共和國國家鐵路局.城際鐵路技術規范:TB 10623―2014[S].北京:中國鐵道出版社,2015.

[5] 馮黎,顧保南.國外典型大城市市郊軌道交通的發展及其啟示[J].城市軌道交通研究,2008(12):49.

[6] 施毓鳳.市域軌道交通線路設計與評價方法研究[D].上海:同濟大學,2009.

[7] 邊曉春.南京市軌道交通市域快線功能定位研究[J].現代城市軌道交通,2011(1):10.

[8] 王少楠.市域軌道交通技術指標及合理經濟長度研究[D].北京:北京交通大學,2011.

[9] 李忍相,馮愛軍,萬學紅.北京市域快線主要技術指標研究[J].都市快軌交通,2014,27(3):33.

Technical Characteristics and Standard of Urban Rapid Rail Transit

WAN Xuehong, LI Renxiang, FENG Aijun

The demand for rapid urban rail transit in China is very huge, but the corresponding design standards are deficient. Based on a comparison between Chinese and international urban rapid rail systems in terms of technical characteristics, the main problems existing in technical standards of Chinese urban rapid rail system are summarized; the functional requirements and service target of urban rapid rail transit are elaborated. On this basis, a design technology standard is proposed which is different from the existing railway and subway design standards in China, including the normal term and normal value, and will provide a certain reference value for the design standards of urban rapid rail transit system in China.

urban rapid rail transit; technical characteristics; technical standards

U 212.31

10.16037/j.1007-869x.2016.06.003

2016-03-04)