Ⅱ型大城市軌道交通系統選型

顧靜航

根據2014年國務院下發的《關于調整城市規模劃分標準的通知》，我國按城區常住人口規模將城市劃分為五類七檔，1其中100萬～300萬人口的城市為II型大城市；300萬～500萬人口的城市為I型大城市；500萬～1 000萬人口的城市為特大城市；1 000萬以上人口的城市稱為超大城市。

依此標準，我國現階段開通城市軌道線線路的多為超大城市、特大和I型大城市，該類城市空間尺度大，居民出行強度高，故采用大、高運量地鐵制式的比例較大。統計數據表明，2016年末內地運營的軌道線路中地鐵線路占總里程數的83.95%[1]。

實際運營情況表明，以高標準、高投入獲得大客流和巨大外部效應的“地鐵模式”對于我國特大、超大及I型大城市是適宜的，而II型大城市的社會經濟、城市規模、交通特征與更大規模的城市存在顯著區別，需要有針對性地研究該類城市的軌道交通系統選型。

1 II型大城市軌道交通發展前景

1.1 Ⅱ型大城市的軌道交通需求

預計到2020年，II型大城市將達到164座，占全國城市總數的1/4[2]，成為新型城鎮化的中堅力量。《國家新型城鎮化規劃（2014—2020）》提出要努力實現1億左右的城鎮新增人口，百萬以上人口的城市公共交通出行占機動化出行比例達到 60%[3]。可以預見，人口的聚集伴隨城市擴張、機動化進程加速，將推動眾多II型大城市加入城市軌道交通的規劃、建設行列。

有研究表明，人均城市建設用地指標與公共交通分擔率呈顯著的對數曲線[4]，人口越密集，越有利于公共交通發展。京、滬作為國內超大城市代表，主城區人均建設用地低于100 m2，現狀公共交通（含出租車）占機動化出行分擔率達到60%，方能支撐以地鐵A、B型車為主的城軌網絡運營。而兩地外圍線路均面臨高、平峰客流不均，全日利用率偏低，運營維護成本巨大等問題。

相比而言，II型大城市的土地利用集約度、公共交通分擔率、人均出行距離均低于 I型及以上規模城市。

以大同、襄陽兩個典型的II型大城市為例，其現狀城市建設用地面積分別為153.39 km2、152.65 km2，建成區的空間尺度最遠不超過30 km，城市核心區的出行直徑控制在 10～15 km。兩地居民出行中有明顯的午高峰，慢行交通比例高達57.8%、63.2%，公交出行分擔率僅為21.5%，19.3%，平均出行距離為3.83 km、4.95 km。

在較小的空間尺度下，II型大城市可以較好地保持居住與崗位用地均衡，城市中心的單一聚集性使其交通特征與需要長距離出行的更大規模城市相差較遠。同時，II型大城市往往經濟能力有限，故此類城市無法承擔大規模、網絡化的地鐵建設及運營，適宜發展運量適中、成本較低的軌道交通模式。

需要注意的是，盡管II型大城市交通需求總體低于I型大城市、特大和超大城市，但不排除特殊地理形態下，如帶型城市主要交通廊道上客流聚集，達到大運量、高運量等級的情況。

針對以上情況，應單獨考慮主要廊道上的軌道系統制式選型，不排除同一城市中骨干線路采用大、高運量地鐵制式，而其他線路采用中運量系統制式的可能。但對于國內大多數平原型呈圈層拓展的 II型大城市而言，中運量軌道交通系統仍是較為適宜的選擇。

1.2 Ⅱ型大城市的軌道交通建設門檻

我國對于城市軌道交通采取嚴格審批制度，對申報建設城市的人口規模、經濟水平、政府財力、客流效果均有明確要求，詳細指標見表 1。在政策未調整的前提下，近期 II型大城市若想獲得軌道交通建設的入場門票，需從輕軌模式著手研究規劃。

表1 申報建設城市軌道交通基本指標[5-6]Tab. 1 Specifications for allowance to build the urban rapid transit systems

國家政策出臺于2003年，配合以軌道交通產業化要求，當時國內城市軌道交通可選擇的系統制式有限，除了以A、B型車為代表的地鐵模式外，即以C型車為代表的輕軌模式。從客流量級、技術標準、工程造價等指標衡量國內運營的輕軌線路，如長春3號線、4號線，上海5號線、6號線，可以認為，“輕軌模式”為典型的中運量制式，即單向運能在1～3萬人次/h[7]的軌道交通系統。

隨著近年國內軌道交通產業的長足發展，各地涌現出Lb型車（直線電機）、跨座式單軌、中低速磁懸浮等多種新型軌道交通系統，以上均屬于中運量系統，供II型大城市選擇參考。

2 國內中運量軌道交通系統發展現狀

2.1 B型車

從實際應用來看，作為大運量軌道系統代表的地鐵B型車在某些城市也承擔了中運量運輸功能。如廣州3號線支線、蘇州1號線選擇3B、4B的小編組運營模式，系統運能達2.13萬人次/h、2.82萬人次/h[7]。

B型車輛限界較大，對線路標準、土建規模、設備系統等要求較高，嚴苛的建設條件導致系統造價偏高。另外，國家對軌道交通的審批門檻使得有資格選擇B型車的城市全為I型及以上大城市，這些城市均傾向以較高的代價構筑大運量客運系統。目前除廣州3號線支線、蘇州1號線外的所有運營、在建及規劃B型車系統均選擇5B以上編組規模，這兩條線路也因為運力不足，飽受詬病。可見，B型車雖能承擔中運量功能，但并未體現系統運能優勢，非II型大城市最佳選擇。

2.2 Lb型車

Lb型車是采用直線電機驅動的車輛，為非黏著式牽引技術，車體相對于B型車較小，擁有良好的爬坡能力，可適應較小曲線半徑，運行噪聲也小于B型車。參照廣州軌道4號線相關數據，Lb型車正線最大爬坡度60‰，最小平曲線半徑150 m，4輛編組車輛系統運能可達2.77萬人次/h[8]。

Lb型車靈活的道路適應性，較低的修建標準，曾引發眾多城市關注，但目前僅有廣州、北京部分線路采用，且沒有后續建設計劃。主要源于電機和感應板的實際間隙大于理論值（見圖1），導致“電氣－機械”轉換效率較低，系統能耗較大，運營成本偏高。有統計數據表示，直線電機系統比傳統鋼輪鋼軌系統多耗電 6.25%～7.5%[9]。較低的普及率也導致車輛購置費用較高，維修困難。隨著諸多與 Lb型車同樣輕巧的中運量軌道車輛國產化，Lb型車的優勢并非不可替代，故而推廣受限。

圖1 直線電機車輛與感應板Fig. 1 Type Lb vehicles and the induction plate

2.3 C型車

C型車與B型車同為旋轉電機驅動的鋼輪鋼軌系統，但車體較小，軸重較輕，目前國產C型車有高地板和70%低地板兩種類型。高地板車輛構造原理與B型車相同，70%低地板車輛采用獨立輪對，車體為3模塊鉸接式設計（見圖2）。按6人/m2的站立密度標準，1～4輛編組的車輛系統運能在0.78萬～2.51萬人次/h。

圖2 70%低地板C型車立面及平面示意Fig. 2 Elevation and layout diagram for 70% low-floor Type C vehicles

C型車對道路的適應性較強，高、低地板車型的正線最小曲線半徑分別為270 m[10]、150 m，小于B型車300 m的規范標準。70%低地板C型車采用彈性車輪，運行噪聲比B型車輛低10 dB左右。

目前C型車在國內運用較廣，上海市5、6、8號線采用高地板C型車系統；長春市3、4號線和北湖線采用70%低地板C型車系統；另外，沈陽渾南新區內的4條有軌電車線路也選擇了70%低地板C型車。

C型車所需工程投資和后期運營維護費用較少，以長春為例，分別于2001年、2006年、2012年開通運營的3號線一期、3號線二期、4號線一期，其平均造價指標僅為1.00億元/km、1.04億元/km、1.52億元/km，遠低于全國同期修建軌道交通線路的平均造價。2015年3號線實現最高日客運量19.73萬人次，接近部分城市的地鐵線路指標。

C型車車體較小，以同樣編組計算，比B型車運力減少14.8%～23.1%。由于人口上升速度高于預期，上海運營的C型車線路均面臨不同程度的運力緊張，此后中國特大、超大城市對C型車的選擇趨于謹慎，僅用于城市外圍組團和新區內部，如長春北湖輕軌、沈陽渾南有軌電車線。

2.4 跨座式單軌

跨座式單軌為車輛與特制軌道梁組合一體運行的膠輪導軌系統，軌道梁具有導向和承重雙重功能。由于軌道梁截面較大，地下敷設成本過高，跨座式單軌多以高架敷設方式為主。采用編組化運營，按6人/m2的站立密度標準，6輛編組的系統運能可達2.31萬人次/h[11]。

由于采用橡膠輪，跨座式單軌具有噪聲低、轉彎半徑小、爬坡能力強等優點，在我國典型的山地城市重慶有較好的應用效果。目前眾多II型城市也紛紛將單軌納入其首選對象，蕪湖市近期獲國務院批準建設的2條城市軌道交通線路即規劃采用單軌制式。

跨座式單軌的結構造成換乘節點、車輛場段等體量較大（見圖3），成網運營并不經濟。全世界僅重慶擁有2條單軌線路，且無續建計劃，其余城市均只有一條線路運營。

圖3 重慶2號線車輛段Fig. 3 Segment for Chongqing Metro Line

2.5 中低速磁懸浮

中低速磁懸浮是依靠磁場力量支撐車體并使用直線電機推動車體前進的非接觸型軌道交通模式（見圖4），僅在日本、韓國、中國等少數國家有商業運營。2015年12月，國內完全自主知識產權的長沙磁浮線開通試運營，成為世界最長的中低速磁浮交通商業運營線。

圖4 磁懸浮列車工作原理Fig. 4 The working principle of the magnetically levitated train

我國中低速磁懸浮技術參數[12]如下：軌距2 000 mm（非標準軌距），車體采用3模塊設計，車輛基本寬度3.0 m，長度約15 m，定員451人[12]。車輛最大可適應70‰的坡道，100 m的轉彎半徑，最高運行時速100 km/h。

中低速磁懸浮系統的爬坡能力、道路曲線適應性都優于鋼輪鋼軌系統。由于牽引系統沒有機械傳動，車輛承載依靠磁場，無輪軌接觸摩擦，所以運行噪聲較地鐵車輛小6～13 dB。

與單軌系統類似，中低速磁懸浮列車主要適應高架敷設方式，地下線路成本較高。由于與 Lb型車同樣采用直線電機驅動，系統能耗較高。中低速磁懸浮在世界范圍尚屬于新興事物，技術成熟度較低，車輛生產周期較長、購置費用較高，系統制式無法與現有軌道交通共享，公眾對電磁輻射較為敏感等均是其推廣的不利因素。另外，磁懸浮列車的牽引技術要求嚴格控制載重量，防止過載導致車輛與軌道距離過近，無法啟動，增加了線路高峰期的運營風險和組織難度。

3 II型大城市中運量系統選擇

3.1 現有中運量系統與城市的互適性

對比國內所有技術成熟的中運量軌道交通系統發現：中低速磁懸浮系統運力有限，系統運能約 1萬人次/h，應對突發大客流能力較弱，并不適用于II型大城市的骨干公交運輸體系，可作為示范線、觀光線。

B型車系統雖然技術成熟，編組靈活，客流包容性強，利于網絡資源共享，但國家的審批門檻是II型大城市面臨的重大障礙。軌道交通若停留在規劃控制層面，選擇B型車系統是可行的；若想近期籌備建設，則需要在Lb型車、高地板C型車、70%低地板C型車、跨座式單軌中選擇。

3.2 備選系統優缺點

3.2.1 服務水平

Lb型車、高地板C型車、70%低地板C型車、跨座式單軌的車輛長寬尺寸（含車鉤連接處）約為17.8 m×2.89 m、19.5 m×2.6 m、28.3 m×2.6 m、13.9 m×2.98 m。4類車型可靈活編組，理論上運能均可達大運量級別。目前上海軌道交通6號線采用高地板C型車7節編組，系統運能已經超過B型車6節編組，為4.47萬人次/h；重慶軌道交通3號線采用跨座式單軌8節編組，系統運能亦超越中運量級，達3.10萬人次/h。

考慮到II型城市的交通需求偏小，以站臺長度小于85 m，系統運能不超過3萬人次/h為比選前提。4類車型可分別實現4輛、4輛、3輛、6輛編組運營，列車定員為922人、836人、780人、962人。相應列車長度為71.6 m、77.9 m、84.9 m、83.4 m。

受道岔結構的限制，跨座式單軌的最小發車間隔為2 min 30 s，其余系統均能實現每小時30對的發車頻率。照此計算，以上4類軌道交通系統單向高峰小時運能分別為2.77、2.51、2.34、2.31萬人次。可見，Lb型車和高地板C型車單位運輸能力更大；跨座式單軌每小時發車對數低于其他系統，服務水平偏低。

3.2.2 道路適應性

軌道交通系統的道路適應性主要體現在線路的最大爬升坡度，最小平曲線半徑，區間橫斷面等。較好的適應能力意味著與道路有更高的貼合度，降低對沿線地塊的侵入，從而節省大量的征地、拆遷費用。

Lb型車、高地板C型車、70%低地板C型車、跨座式單軌車輛可適應的正線最大坡度為60‰、40‰、50‰、60‰；一般情況下正線最小曲線半徑為150 m、270 m、150 m、100 m。高地板C型車的轉彎性能較差，若想達到更小的轉彎半徑150 m，則需限速至50 km/h以下[10]。由于跨座式單軌采用橡膠輪胎包覆混凝土軌道梁的走行方式，其線路橫斷面最大（見圖6），從軌道底到車輛結構頂的高度 5.74 m，含支撐梁高度達7.24 m。Lb型車輛、高地板C型車、70%低地板C型車僅需4.1 m、4.3 m，4.1 m。

圖6 跨座式單軌橫斷面示意Fig. 6 The cross section of the cross-saddle monorail

綜上分析，以上4類車型的道路適應能力均優于A、B型車，其中，Lb型車最靈活，其次是70%低地板C型車。采用鋼輪鋼軌走行系統的高地板C型車的轉彎和爬坡能力稍差，但仍高于 B型車輛最小半徑300 m、最大坡度30‰的標準，可以適應國內大部分城市。

跨座式單軌車輛的轉彎性能最優，但較大的車輛限界導致長距離地下敷設并不經濟，限制了線路豎向的靈活度。其余系統均可適應高架、地面、地下多種敷設方式。

3.2.3 環境適應性

軌道交通系統的環境適應性包含系統對地形、氣候的適應能力，以及系統對環境、居民的影響。

4類車型技術成熟，在世界各大城市都有應用，其中以鋼輪鋼軌系統應用最為廣泛，除縱斷面起伏過大的線路均能適應。Lb型車輛由電磁驅動牽引，不受輪軌間黏著系數的影響，對于長大縱坡、雨雪天氣適應力較強，在高緯度城市如莫斯科也有運營。跨座式單軌的爬坡性能較好，但橡膠輪胎對冰雪適應性較差。日本單軌主要應用在中低緯度地區，也曾出現在惡劣天氣下列車限速、晚點，部分停運的個別案例[13]。冰雪期較長的城市選擇跨座式單軌需在車輛和軌道梁上增設防滑、除雪裝置，并存在一定運營風險。

在環境影響方面，傳統鋼輪鋼軌系統的車輪與軌道相互撞擊，經軌枕、道床傳導，對周圍環境產生的振動、噪聲影響較Lb型車、跨座式單軌大。70%低地板C型車由于采用彈性車輪設計，通過鋼輪內部的彈性橡膠減振，緩沖，其磨耗和噪聲較高地板C型車有較明顯的改善。

3.2.4 系統拓展能力

軌道交通系統的拓展能力除了考慮單一線路客流增長后提升運能的可能性，還涉及軌道成網運營后資源共享的便捷度、軌道系統上下游產業鏈的成熟度等。綜合比較發現，跨座式單軌系統在運量提升和規模化運營方面存在劣勢；Lb型車系統在我國推廣不足，車輛產能受限；鋼輪鋼軌系統仍是目前市場的主流選擇。

3.3 Ⅱ型大城市的系統選型建議

與我國超大、特大城市相比，II型大城市城區范圍緊湊，人口密集度不高，交通需求有限，出行距離較短。此類城市若規劃交通功能為主的城市軌道系統，宜在Lb型車、高地板C型車、70%低地板C型車、跨座式單軌4類中運量系統中選擇。

從服務水平分析，4類車型相近，但Lb型車、高地板C型車的單位運輸效率更高。由于跨座式單軌系統發車頻率受限，無法通過加密行車對數提升運能，對于未來客流有超預期增長風險的線路，應謹慎選擇。

從建設條件分析，Lb型車和70%低地板C型車的適應能力最強。高地板C型車的線路平縱斷面標準較高，線路穿越城市老城等密集建設區時，容易引發較大的沿線征地拆遷，對于山地城市應做牽引計算，確保行車安全。跨座式單軌的轉彎和爬坡性能最優，但不適用于地下段較長的線路，對于冰雪期較長的城市，也應謹慎選擇。

從資源共享角度分析，II型大城市通常財力有限，交通結構簡單，引入多種軌道交通制式既不經濟，也無必要，建議全網采用單一軌道制式。因此II型大城市的軌道交通制式選擇除了滿足本線需求，還應考慮系統的拓展、兼容性，以適應全網資源共享。

鑒于 Lb型車能耗偏大造成運營維護費用較高，跨座式單軌系統體量較大，多線修建占用土地資源較多。若城市有修建3條及以上軌道線路的計劃，建議優先選擇規模化運營成本最低的鋼輪鋼軌系統，即高地板C型車或70%低地板C型車。

4 結語

我國廣大 II型大城市現正處于城鎮化率 30%～70%的快速發展期。在國家倡導大幅提升大城市公交出行比例的同時，城市擴張及道路擁堵，勢必催生II型大城市的城市軌道規劃、建設需求。

從II型大城市的交通需求和建設實力綜合判斷，推薦選擇中運量軌道交通系統：Lb型車、高地板C型車、70%低地板C型車、跨座式單軌。4類軌道系統能滿足國內絕大多數II型大城市的客流需求，具體線路選型需結合城市特征和工程條件進一步分析比選。

[1] 劉宇, 樊佳慧, 賀力霞, 等. 2016年中國城市軌道交通運營線路統計與分析[J]. 都市快軌交通, 2017, 30(1):4-6.Liu Yu, Fan Jiahui, He Lixia, et al．China’s operational urban rail transit lines, 2016: statistics and analysis[J].Urban rapid rail transit, 2017, 30(1): 4-6.

[2] 包敘定. “十三五”城軌交通發展形勢報告[J]. 城市軌道交通, 2016(1): 15-23.BAO Xuding. “13th Five-Year” urban rail transit development situation report[J]. China metros, 2016(1): 15-23.

[3] 中共中央、國務院. 國家新型城鎮化規劃(2014—2020年)[N]. 人民日報, 2014-03-17(009).

[4] 路錫明, 董志國. 上海市主城區公共交通分擔率與土地利用相關性[J]. 城市交通, 2014, 12(4): 1-2.LU Ximing, DONG Zhiguo. Relationship between transit travel mode share and land use in main urban area of Shanghai[J]. Urban transport of China, 2014, 12(4): 1-2.

[5] 國務院辦公廳. 國務院辦公廳關于加強城市快速軌道交通建設管理的通知(國辦發[2003]81號)[EB/OL](2005-08-14)[2017-04-18]. http: //www.gov.cn/zwgk/2005-08/14/content_22487.html.

[6] 國家發展改革委. 國家發展改革委關于加強城市軌道交通規劃建設管理的通知: 發改基礎[2015]49號[EB/OL].(2015-01-16)[2017-04-18]. http: //www.sdpc.gov.cn/zcfb/zcfbtz/201501/t20150116_660386.html.

[7] 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: 51.Standard for construction of urban rail transit project 104-2008[S]. Beijing: China Planning Publishing House,2008: 51.

[8] 龐紹煌, 高偉. 廣州地鐵 4號線直線電機車輛[J]. 都市快軌交通, 2006, 19(1): 77-79.PANG Shaohuang, GAO Wei. The Linear motor vehicle in Guangzhou Metro Line 4[J]. Urban rapid rail transit,2006, 19(1): 77-79.

[9] 王春輝. 城市軌道交通車輛選型的探析[J]. 鐵道建筑技術, 2013(10): 80-83.WANG Chunhui. Analysis of city rail transit vehicle selection[J]. Railway construction technology, 2013(10):80-83.

[10] 王亞紅, 張學軍, 邱麗麗. 輕軌線路平面最小曲線半徑探討[J]. 都市快軌交通, 2011, 24(4): 78-81.WANG Yahong, ZHANG Xuejun, QIU Lili. Discussion on the minimum plane curve radius of light rail lines[J].Urban rapid rail transit, 2011, 24(4): 78-81.

[11] 吳新安, 張麗. 重慶軌道交通 3號線跨座式單軌線路運量提升對策[J]. 現代城市軌道交通, 2015(6): 62-65.WU Xin’an, ZHANG Li. Countermeasures of capacity improvement for straddle monorail track on Chongqing Metro Line 3[J]. Modern urban transit, 2015(6): 62-65.

[12] 中低速磁浮交通車輛通用技術條件: CJ/T 375-2011[S].北京: 中國標準出版社, 2011: 3-4.CJ/T 375-2011 General specification for medium and low speed maglev vehicles[S]. Beijing: China Standard Publishing House, 2011: 3-4

[13] 郭鍇, 武農. 跨座式單軌交通的認識誤區分析及發展展望[J]. 鐵道標準設計, 2016, 60(3): 1-6.GUO Kai, WU Nong. Eliminate misunderstanding and promote development of straddle monorail[J]. Railway standard design, 2016, 60(3): 1-6.