簡(jiǎn)析城市軌道交通工程速度目標(biāo)值選擇

王 雨

(北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070）

1 國(guó)內(nèi)外城市軌道交通速度目標(biāo)值

城市軌道交通工程速度目標(biāo)值的選擇，即對(duì)城市軌道交通工程車(chē)輛最高運(yùn)行速度的選擇，是軌道交通項(xiàng)目設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一，其內(nèi)涵決定了線(xiàn)路、列車(chē)總體技術(shù)條件、列車(chē)運(yùn)行控制及通信信號(hào)系統(tǒng)等主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的選擇，是確定工程規(guī)模、車(chē)輛選型、設(shè)備配置以及工程投資的基礎(chǔ)。《城市軌道交通工程項(xiàng)目建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》指出“城市軌道交通建設(shè)應(yīng)根據(jù)線(xiàn)網(wǎng)規(guī)劃,依據(jù)建設(shè)線(xiàn)路的客流特征、運(yùn)量等級(jí)和速度目標(biāo)等進(jìn)行功能定位，確定工程規(guī)模、運(yùn)營(yíng)規(guī)模和效益規(guī)模。”[1]

1.1 國(guó)內(nèi)城市軌道交通速度目標(biāo)值

地鐵A型車(chē)、B型車(chē)的車(chē)輛最高運(yùn)行速度為80 km/h或100 km/h[2]。目前我國(guó)地鐵線(xiàn)路絕大多數(shù)采用80 km/h的目標(biāo)速度，北京地鐵6號(hào)線(xiàn)、成都地鐵10號(hào)線(xiàn)1期采用了100 km/h的目標(biāo)速度，廣州地鐵3號(hào)線(xiàn)則采用了120 km/h的目標(biāo)速度[3]。重慶的跨座式單軌采用80 km/h的目標(biāo)速度。有軌電車(chē)方面，除建設(shè)較早的線(xiàn)路目標(biāo)速度稍低，絕大多數(shù)線(xiàn)路的目標(biāo)速度采用70 km/h。

1.2 國(guó)外城市軌道交通速度目標(biāo)值

國(guó)外地鐵的目標(biāo)速度在70～120 km/h之間，例如倫敦地鐵96 km/h，加拿大蒙特利爾地鐵72 km/h,莫斯科地鐵采用了120 km/h的目標(biāo)速度，屬于目標(biāo)速度較高的情況。國(guó)外有軌電車(chē)目標(biāo)速度與我國(guó)大致相同，市區(qū)范圍內(nèi)有軌電車(chē)線(xiàn)路的目標(biāo)速度大多為70 km/h，部分市區(qū)連接市郊的線(xiàn)路，目標(biāo)速度為100 km/h左右。國(guó)外部分有軌電車(chē)速度目標(biāo)值如表1所示。

表1 國(guó)外有軌電車(chē)速度目標(biāo)值Tab.1 Speed target values of foreign trams

2 影響速度目標(biāo)值選擇的因素

2.1 線(xiàn)路長(zhǎng)度和功能、時(shí)間目標(biāo)值和站間距適應(yīng)性

線(xiàn)路速度目標(biāo)值的確定與線(xiàn)路長(zhǎng)度和功能、時(shí)間目標(biāo)值、站間距適應(yīng)性等有密切的關(guān)系。不同功能定位的線(xiàn)路，客流特征不同，全程運(yùn)行目標(biāo)時(shí)間不同。排除特大型城市，一般的城市局域線(xiàn)或者城市干線(xiàn)，主要功能是中心區(qū)范圍內(nèi)組團(tuán)的連接，線(xiàn)路長(zhǎng)度較短，其出行時(shí)間宜控制在30～40 min；城市快線(xiàn)的功能是城市中心組團(tuán)與城市周邊組團(tuán)的連接，線(xiàn)路總長(zhǎng)度較長(zhǎng)，周邊地區(qū)站間距較大，客流平均運(yùn)距較長(zhǎng)，為保障乘客出行效率，一般情況下選擇較高的目標(biāo)速度，其出行時(shí)間宜控制在60 min以?xún)?nèi)[4]。時(shí)間目標(biāo)值決定了對(duì)旅行速度的要求，線(xiàn)路長(zhǎng)度和功能、旅行速度和站間距，是目標(biāo)速度選擇的綜合考量因素。綜合目前的相關(guān)研究成果，不同線(xiàn)路長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的速度目標(biāo)值、站間距適應(yīng)性和旅速的總結(jié)如表2所示[5]。

對(duì)于表2中的數(shù)據(jù)有一些需要說(shuō)明的地方，一是不同速度目標(biāo)值的加減速距離不同，目標(biāo)速度越高，其加減速距離越長(zhǎng)，因此，120 km/h的目標(biāo)速度主要適用于2 km以上站間距的線(xiàn)路。二是表2中的數(shù)據(jù)以鋼輪鋼軌系統(tǒng)、獨(dú)立路權(quán)為基礎(chǔ)，非鋼輪鋼軌系統(tǒng)的旅行速度會(huì)有一定影響，有軌電車(chē)屬于半獨(dú)立路權(quán)，受平交路口的影響，其旅行速度也會(huì)降低。部分我國(guó)城市軌道交通線(xiàn)路目標(biāo)速度情況如表3所示。[6]

表2 不同線(xiàn)路長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的速度目標(biāo)值、站間距和旅速Tab.2 Speed target values， station spacing and travel speeds corresponding to different line lengths

可以看出，大部分線(xiàn)路目標(biāo)速度、站間距、線(xiàn)路總長(zhǎng)度三者的關(guān)系符合表2，部分線(xiàn)路因?yàn)榫€(xiàn)路條件和統(tǒng)計(jì)誤差等因素，旅行速度與表2相比，存在一定的差異。

2.2 工程造價(jià)

選擇不同的目標(biāo)速度，城市軌道交通工程的總體造價(jià)不同[7]，車(chē)輛方面不同最高速度的每列車(chē)輛造價(jià)如表4所示。

從表4可以看出，最高速度越高的車(chē)輛，對(duì)應(yīng)的造價(jià)就越高，當(dāng)目標(biāo)速度為120 km/h時(shí)，對(duì)于車(chē)輛的密閉性有較高要求，將會(huì)大幅度提高車(chē)輛的造價(jià)。但是，隨著最高速度的提高，旅行速度也會(huì)增加，工程整體需要購(gòu)置的車(chē)輛數(shù)就會(huì)減少。所以，總體的車(chē)輛購(gòu)置費(fèi)還需要根據(jù)線(xiàn)路的具體情況計(jì)算比選。

目標(biāo)速度不同，對(duì)土建工程的造價(jià)也會(huì)有影響，目標(biāo)速度越高，限界要求也越大，地下線(xiàn)路需要增加結(jié)構(gòu)斷面，高架線(xiàn)路則需要增加橋面寬度。實(shí)際經(jīng)驗(yàn)表明，目標(biāo)速度從80 km/h增加到100 km/h對(duì)于土建工程造價(jià)的影響較小，但由100 km/h增加到120 km/h，則會(huì)造成較大幅度造價(jià)升高。

表3 我國(guó)城市軌道交通線(xiàn)路目標(biāo)速度情況Tab.3 Target speed of urban rail transit lines in China

表4 不同最高速度的車(chē)輛造價(jià)Table 4 Vehicle costs of different top speeds

另外，目標(biāo)速度越高，牽引變電所數(shù)量和設(shè)備容量也要增加，供電系統(tǒng)的整體造價(jià)將會(huì)升高。

2.3 運(yùn)營(yíng)能耗

最高運(yùn)行速度不同的車(chē)輛牽引、制動(dòng)性能不同，其牽引耗電量也有所區(qū)別。一般情況下，目標(biāo)速度越高，其年耗電量越大。以國(guó)內(nèi)某線(xiàn)路為例，線(xiàn)路長(zhǎng)28.8 km，平均站距3.5 km，使用6輛編組A型車(chē)，隨著最高運(yùn)行速度的增加，其牽引能耗增加情況如表5所示。

表5 不同目標(biāo)速度牽引能耗對(duì)比Tab.5 Comparison of traction energy consumption of different target speeds

可以看出，目標(biāo)速度由80 km/h提高到100 km/h，遠(yuǎn)期的全年耗電量提高約為1/3,但提高到120 km/h，遠(yuǎn)期的全年耗電量將大幅度提高，與80 km/h相比將近提高一倍。

2.4 環(huán)境保護(hù)

噪聲和振動(dòng)是城市軌道交通對(duì)于環(huán)境的主要不利影響。車(chē)輛產(chǎn)生的噪聲主要對(duì)高架段和地面段的環(huán)境造成影響，主要來(lái)源于輪軌摩擦與沖擊、車(chē)輛設(shè)備、空氣動(dòng)力噪音等。振動(dòng)主要對(duì)地下段造成影響，振動(dòng)來(lái)源于輪軌沖擊造成的軌道震動(dòng)，傳遞至周?chē)拇蟮丶敖ㄖ铩Ｔ肼暫驼駝?dòng)的大小都與運(yùn)行速度呈正比關(guān)系。以噪聲為例，根據(jù)相關(guān)研究結(jié)果[8]不同速度的噪聲達(dá)標(biāo)距離如表6所示。

表6 不同速度的噪聲達(dá)標(biāo)距離Table 6 Noise standard distance at different speeds

可以看出，當(dāng)目標(biāo)速度由80 km/h提高到100 km/h，噪聲達(dá)標(biāo)距離增加約30%。當(dāng)目標(biāo)速度提高到120 km/h，噪聲的達(dá)標(biāo)距離增加60%以上。

3 A市中運(yùn)量交通系統(tǒng)速度目標(biāo)值的選擇

A市規(guī)劃快速軌道交通線(xiàn)路長(zhǎng)度28.4 km，設(shè)車(chē)站14座，平均站間距2.18 km。線(xiàn)路功能城區(qū)內(nèi)部以通勤為主，外部連接城市對(duì)外交通樞紐，屬于城市快線(xiàn)，時(shí)間目標(biāo)值為40 min。根據(jù)客流預(yù)測(cè)情況，A市軌道交通遠(yuǎn)期高峰小時(shí)單向斷面客流為1.5萬(wàn)人/小時(shí)，根據(jù)列車(chē)牽引計(jì)算[9]得70 km/h、80 km/h、100 km/h、120 km/h不同目標(biāo)速度值的旅行速度和旅行時(shí)間，結(jié)果如圖1和表7所示。

圖1 不同目標(biāo)速度值的旅行速度和旅行時(shí)間對(duì)比圖Fig.1 Travel speed and travel time of different target speed values

表7 不同目標(biāo)速度值的旅行速度和旅行時(shí)間Tab.7 Travel speed and time for different target speed values

從時(shí)間效率角度來(lái)看，70 km/h的目標(biāo)速度其對(duì)應(yīng)的運(yùn)行時(shí)間超出了時(shí)間目標(biāo)值，80 km/h、100 km/h、120 km/h 4種目標(biāo)速度的全線(xiàn)運(yùn)行時(shí)間為40 min左右或更短，從出行體驗(yàn)來(lái)說(shuō)較好。

從速度效率的角度來(lái)說(shuō)，120 km/h的目標(biāo)速度情況下，旅行速度占最高速度的比例只有43%，效率較低。

由于80 km/h、100 km/h兩種目標(biāo)速度在土建工程的造價(jià)差異較小，這里主要從車(chē)輛成本的角度比較，目標(biāo)速度分別為80 km/h、100 km/h的車(chē)輛所需要的車(chē)輛總數(shù)及造價(jià)如表8所示。

表8 80 km/h與100 km/h目標(biāo)速度的車(chē)輛造價(jià)Tab.8 Vehicle cost of target speed of 80 km/h and 100 km/h

從表8可以看出，雖然100 km/h車(chē)輛的單價(jià)比80 km/h車(chē)輛高，但是因?yàn)槁眯兴俣鹊奶岣撸傮w需要的車(chē)輛數(shù)減少，其車(chē)輛的總體造價(jià)也相應(yīng)降低。但是，牽引能耗方面100 km/h目標(biāo)速度車(chē)輛比80 km/h目標(biāo)速度車(chē)輛的年耗電量要高出一些，所以選擇100 km/h的目標(biāo)速度，運(yùn)營(yíng)階段成本較高，選擇80 km/h的目標(biāo)速度，建設(shè)階段的投資較大[10]。考慮客流主要集中在中心區(qū)范圍內(nèi)，因此，選擇80 km/h的目標(biāo)速度比較合理。

4 結(jié)論

城市軌道交通工程速度目標(biāo)值的選擇與線(xiàn)路的長(zhǎng)度與功能、時(shí)間目標(biāo)值、站間距、工程造價(jià)、運(yùn)營(yíng)能耗、環(huán)境保護(hù)等因素有關(guān)。在選擇速度目標(biāo)值時(shí)，需要綜合分析對(duì)比上述因素，保證工程建設(shè)的經(jīng)濟(jì)合理，滿(mǎn)足功能需求。對(duì)于一般的城市局域線(xiàn)或城市干線(xiàn)，目標(biāo)速度值宜低于100 km/h，在滿(mǎn)足時(shí)間目標(biāo)值的條件下，速度目標(biāo)值越低，運(yùn)營(yíng)成本越低，環(huán)境不良影響越小。