長株潭城際軌道交通西環(huán)線車輛選型研究

戴 旺 梁 玉 邱 冰 賀圣彥 鄧娟紅

(湖南省交通規(guī)劃勘察設計院有限公司， 410200， 長沙∥第一作者， 高級工程師)

長株潭城際軌道交通西環(huán)線(以下簡稱“西環(huán)線”)工程起于湘潭火車站，自西南向東北穿越湘潭火車站片區(qū)、九華經(jīng)濟開發(fā)區(qū)、觀音港片區(qū)、大王山旅游度假區(qū)，止于長沙軌道交通3號線(以下簡稱“3號線”)一期工程的山塘站。西環(huán)線是打造長沙—株洲—湘潭 “半小時經(jīng)濟圈”的市域快線，通過建設該線以推進長株潭都市圈同城化，優(yōu)化城市空間布局，促進城市群協(xié)調(diào)發(fā)展，實現(xiàn)3個城市間的資源共享。

國內(nèi)研究人員對如何因地制宜地選擇市域快線或市郊鐵路的車輛制式及其相關技術條件進行了研究。文獻[1]總結(jié)了市域快線的主要特點，提出了市域快線的車型、編組及速度等級選擇的主要依據(jù)。文獻[2]從客流預測、列車尺寸、車輛編組、最高速度選擇以及供電方式等方面研究了成都地鐵18號線(市域快線制式)的車輛型式。文獻[3]研究了兼容機場線和市域快線2種不同軌道交通制式的車輛配置。文獻[4]等對幾種軌道交通制式進行了對比分析，總結(jié)出了市域快線的適用范圍和功能定位，以及確定市域快線列車設計速度的依據(jù)。

本文結(jié)合西環(huán)線的規(guī)劃要求，從線路等級速度、車體尺寸和車輛編組、乘車舒適性、供電制式等方面提出該線車輛制式的相關建議，以期為類似的市域快線在車輛選型上提供參考。

1 線路等級速度的選擇

1.1 線路等級速度對單程運行時間、速度效率的影響

西環(huán)線全長32.2 km。為實現(xiàn)長株潭“半小時經(jīng)濟圈”，該線車型的設計速度可在80 ～140 km/h間選擇。表1為不同的線路等級速度所對應的運行參數(shù)。

由表1可知，從單程運行時間角度看，100 km/h的列車比80 km/h列車節(jié)約2 min 14 s，120 km/h的列車比100 km/h列車節(jié)約1 min 23 s，140 km/h

表1 西環(huán)線列車不同線路等級速度下的運行參數(shù)

的列車比120 km/h列車節(jié)約21 s。由此可見，提高線路等級速度，可節(jié)約單程運行時間，但隨著線路等級速度的逐步提高，其時間節(jié)約的效果越來越不顯著。表1中的旅速系數(shù)是列車速度效率的體現(xiàn)，市域快線應將旅速系數(shù)取值區(qū)間在0.500～0.600作為選擇站間距和設計速度的基準[4]。隨著線路等級速度的提升，旅速系數(shù)越來越小，即速度效率越來越低。因此，綜合長株潭半小時經(jīng)濟圈規(guī)劃和速度效率分析，西環(huán)線線路等級速度取100 km/h或120 km/h較為合理。

1.2 線路等級速度對線站位適用性分析

在列車的牽引、制動性能一致的情況下，若線路車站間距小，選取過高的線路等級速度，在行駛過程中速度有可能達不到設計值，會造成車輛動力性能的浪費。表2基于西環(huán)線的站間距，對列車在各區(qū)間內(nèi)的最大運行速度是否可以達到線路等級速度進行計算。

根據(jù)表2可以計算出，線路等級速度為80 km/h和100 km/h的列車在全線所有區(qū)間均能發(fā)揮速度優(yōu)勢；線路等級速度為120 km/h的列車在9個區(qū)間內(nèi)能發(fā)揮速度優(yōu)勢，占全線區(qū)間總數(shù)的75%；線路等級速度為140 km/h的列車只在3個區(qū)間內(nèi)能發(fā)揮速度優(yōu)勢，僅占全線區(qū)間總數(shù)的25%?？梢姡鳝h(huán)線在現(xiàn)有規(guī)劃設計的站間距情況下，選取過高的線路等級速度并不能完全發(fā)揮其速度優(yōu)勢，反而會造成能耗的增加和動力性能的浪費。

1.3 線路等級速度對列車配屬數(shù)的影響

線路等級速度不同，全線的旅行速度也會隨之不同，這將直接影響線路的運用車數(shù)，進而導致全線列車配屬數(shù)不同。根據(jù)西環(huán)線的行車規(guī)劃，近期建設的線路位于湘潭站至山塘站區(qū)段，列車開行對數(shù)為12對/h，在始發(fā)站和終點站的折返時間為2 min，由此計算得到不同線路等級速度下的列車配屬數(shù)，如表3所示。

表2 西環(huán)線各區(qū)間最大運行速度和線路等級速度的計算和對比

表3 西環(huán)線不同設計速度下的列車配屬數(shù)

從表3可以看出，如果以線路等級速度為80 km/h列車的配屬數(shù)為基準，線路等級速度為100 km/h、120 km/h、140 km/h列車的配屬數(shù)可分別減少2列、3列、3列?？梢?，在線路條件相同的情況下，隨著速度的提高，線路列車配屬數(shù)有所減少，但相比線路等級速度為100 km/h和120 km/h的列車配屬數(shù)，線路等級速度為140 km/h時的配屬數(shù)減少并不明顯，沒有體現(xiàn)出其速度優(yōu)勢。

1.4 線路等級速度對隧道斷面面積的影響

一般地鐵線路的線路等級速度為80 km/h，在此線路等級速度下，標準的單洞單線隧道斷面積一般為20 ～22 m2。線路等級速度為80 km/h、100 km/h、120 km/h和140 km/h時，其合理的隧道斷面分別為20.63 m2、25.87 m2、27.74 m2、33.74 m2。由此可見，為控制隧道內(nèi)壓力變化幅值及其梯度，隧道阻塞比會隨著列車速度的增加而減小，隧道斷面面積隨之會相應增大[5]。西環(huán)線的地下線路長度約為6.67 km，若加大線路的等級速度，隧道斷面面積隨之增大，地下區(qū)間投資成本將大幅度提升，因而需要基于不同線路等級速度下隧道斷面面積對地下段的工程成本進行對比分析。

1.5 西環(huán)線線路等級速度的選擇

綜上所述，西環(huán)線線路等級速度的適應性分析如表4所示。從表4可知，結(jié)合不同線路等級速度下的單程運行時間、線站位條件適應性、近期列車配屬數(shù)量和隧道斷面面積，西環(huán)線的線路等級速度的最佳選擇為100 km/h?？紤]到西環(huán)線在遠期規(guī)劃向北延伸至長沙西站，作為連接長沙和湘潭的市域線，從長遠考慮，采用120 km/h的線路等級速度也是很好的選擇。

表4 西環(huán)線線路等級速度的適應性分析

2 車型和車輛編組

2.1 車型

列車的車型直接影響列車定員數(shù)，車型的選擇首先應滿足客流需求。表5為西環(huán)線工程客流主要參數(shù)的預測結(jié)果。

表5 西環(huán)線的客流預測數(shù)據(jù)

目前，國內(nèi)市域快線的車輛大多采用地鐵的A、B型車或高速鐵路的CRH動車組。其中，地鐵A型車和CRH6的車體尺寸大于地鐵B型車的車體尺寸，能滿足更大的客流需求。但從表5可以看出，西環(huán)線在遠期(2046年)的單向最大斷面客流小于3萬人次/h，所以選擇B型車即可滿足該線的客流需求。按照規(guī)劃，西環(huán)線將與3號線一期工程(已于2020年6月開通)貫通運營，考慮到3號線一期工程采用B型車，相同的車輛和限界斷面尺寸可以實現(xiàn)車輛系統(tǒng)、供電系統(tǒng)和軌道系統(tǒng)在檢修維護上的資源共享，節(jié)約工程的整體投資成本。因而，從滿足客流需求和資源共享的角度考慮，推薦西環(huán)線釆用與3號線一期工程相同的車型——地鐵B型車。

2.2 車輛編組數(shù)

列車編組數(shù)應與線路功能定位相適應，在滿足各設計年度高峰斷面客流量的基礎上，還需具有一定的運能儲備[6]?，F(xiàn)在國內(nèi)的城市軌道交通線路中，以6輛編組列車居多，其次是4輛編組列車。由于西環(huán)線要和3號線貫通運營，為了應對高峰時段的客流量，建議西環(huán)線考慮采用6節(jié)編組列車。

在動力配置上，列車可供選擇的動拖比有1∶1和2∶1，即3動3拖編組和4動2拖編組。表6給出了不同條件下2種動力配比的對比情況。

表6 2種動拖比的參數(shù)對比

從表6可知，3動3拖編組列車的故障運行能力尚可，但故障救援能力不足，在列車的實際運行中，當軌道濕滑時，即使采用高加速開關措施，其黏著系數(shù)也難以達到0.230。而4動2拖編組列車的計算黏著系數(shù)取值更為合理，因而故障運行能力和救援能力均較強，當列車發(fā)生故障時，對正常運營的干擾較小，運營靈活性較高。根據(jù)上述分析，西環(huán)線工程推薦釆用6輛編組列車，采用4動2拖的配比形式。

3 乘車舒適性分析

人員的站立密度是影響乘客乘坐舒適性的重要因素，在進行車輛選型時應合理確定乘客站立面積的標準及與之對應的服務標準。表7給出了國內(nèi)城市軌道交通車輛擁擠程度的評價準則。

表7 國內(nèi)城市軌道交通車輛擁擠程度評價準則表

根據(jù)建標104—2008《城市軌道交通工程項目建設標準》的規(guī)定：車輛的座位數(shù)宜占總定員的15%～20%。當全程線路大于12 km時，根據(jù)客流性質(zhì)，宜適當降低車輛定員”。[7]

西環(huán)線服務的是長沙、株洲、湘潭的跨市出行人員，乘客的平均運距較長，對乘車舒適性的要求比城市軌道交通線路高。根據(jù)西環(huán)線工程客流預測，本項目遠期最大單方向斷面客流為2.01萬人次/h，且線路較長(30 km以上)，建議采用4人/m2的立席人數(shù)標準。

4 供電制式選擇

國內(nèi)城市軌道交通線路與干線鐵路主要釆用交流25 kV、直流1 500 V 、直流750 V 3種牽引供電制式，其中：鐵路線一般采用交流25 kV，城市軌道交通線路一般采用直流1 500 V。隨著技術的發(fā)展，基于資源整合的需求，市域快線作為銜接地鐵與鐵路的軌道交通方式，應考慮在未來有與鐵路、地鐵網(wǎng)的共線運營或換乘的可能性。此外，線路等級速度對弓網(wǎng)受流質(zhì)量、車輛研發(fā)成本、配套工程投資等方面有較大的影響，因而是確定供電制式的重要因素之一。

根據(jù)國內(nèi)外經(jīng)驗，線路等級速度≤120 km/h的列車一般適用于長度≤50 km的線路，此時采用直流供電和交流供電均可,線路等級速度不是供電制式的控制因素，供電制式取決于線路與鐵路或地鐵的銜接關系；線路等級速度為120 ～160 km/h的列車適用于長度50 ～100 km的線路，此時若采用直流供電制式，會對車輛性能、配套工程有較高的要求，與交流供電制式相比無明顯技術經(jīng)濟優(yōu)勢；線路等級速度≥160 km/h的列車適用于長度≥100 km的線路，此時若采用直流供電制式，弓網(wǎng)受流質(zhì)量較差，車輛研制成本顯著增加，配套供電系統(tǒng)投資較大。

基于上文的分析，西環(huán)線推薦線路等級速度的最佳選擇為100 km/h， 120 km/h次之。結(jié)合上文不同線路等級速度下的供電適應性分析結(jié)論，采用交流、直流供電模式均可，但考慮到西環(huán)線將與3號線貫通運營，基于線路銜接關系，為實現(xiàn)資源共享，西環(huán)線推薦采用與3號線一期工程相同的1 500 V直流供電模式。

5 結(jié)語

本文根據(jù)長株潭城際軌道交通西環(huán)線的主要特征和功能定位，對線路等級速度、乘坐舒適度、編組方案及供電制式等方面進行了分析探討，得出結(jié)論以下：

1) 推薦西環(huán)線線路等級速度的最佳選擇為100 km/h。考慮到該線的遠期規(guī)劃，120 km/h也是很好的選擇。

2) 列車車型推薦釆用B型車，采用6輛編組、4動2拖形式，并采用4人/m2的立席人數(shù)標準。

3) 結(jié)合線路等級速度、線路銜接關系以及資源共享原則，建議該線采用1 500 V直流供電模式。