西安市轨道交通草堂线速度目标值选择的探讨

丘崇誉

QIU Chong-yu

(中铁第一勘察设计院集团有限公司 线路运输处，陕西 西安 710043)

(Track and Transportation Department， China Railway First Survey and Design Institute Group Co.， Ltd.， Xi’an 710043， Shaanxi， China)

西安市轨道交通草堂线速度目标值选择的探讨

丘崇誉

QIU Chong-yu

(中铁第一勘察设计院集团有限公司 线路运输处，陕西 西安 710043)

(Track and Transportation Department， China Railway First Survey and Design Institute Group Co.， Ltd.， Xi’an 710043， Shaanxi， China)

草堂线是西安市城市外围市域轨道交通线，合理确定其速度目标值，是提高轨道交通服务质量的重要基础。在阐述线路和车站概况、线路特点、客流特点的基础上，从线站条件、运行时分、工程经济性、运营技术指标、环境影响等方面进行综合分析，合理确定草堂线速度目标值。

西安；草堂线；速度目标值

城市轨道交通网可以分为市区级、市域级、区域级 3 个层次，其中市域级线路以主城区为核心，沟通并连接副中心城市、新城、机场和外围功能组团等，是市域范围客运体系的骨干，承担市域内的长距离出行，为外围功能组团、新城区的乘客提供快速便捷的交通服务。草堂线是西安市线网规划中的市域快速轨道交通，是主城区与规划的外围副中心、新城间重要的快速轨道交通主通道，合理确定其速度目标值，是提高轨道交通服务质量的重要基础。因此，从线站条件、运行时分、工程经济性等方面对草堂线速度目标值的选择进行研究。

1　西安市轨道交通草堂线概况

1.1线路和车站概况

草堂线为主城区南部外围横向切线，向西串经长安区、韦曲、高新区等外围功能组团，并从主干线引出支线向户县副中心城市辐射。为在适度投资规模下加快城市西南片区与主城区间快速通道的建设，引导西南片区土地开发、支持高新区规模扩展，草堂线全线分 2 期建设，一期工程南起太平峪，北迄侧坡，与同期建成的地铁 6 号线换乘引入主城区，线路长 22.9 km，设车站 14 座；二期工程侧坡至航天基地，线路长 20.9 km，设车站 14座；户县至张良寨支线安排在二期建设，全长 12.1 km，设车站 5 座[1]。草堂线平面布置如图 1 所示。

图1　草堂线平面示意图

1.2线路特点

（1）草堂线属于市域外围线路，通过轨道交通网其他线路实现主城区与外围重点发展区域的融合。该线从主干线引出支线向户县副中心城市辐射，呈 Y 型线路形态，覆盖副城、新区、沿线外围功能组团，对速度要求较高，实现快速联系主城区。

（2）根据《城市轨道交通工程项目建设标准》(建标 104-2008) 要求，“每条线路长度不宜大于 35 km”“对超长线路应以最长交路运行 1 h 为目标，旅行速度达到最高运行速度的 45%～50% 为宜”[2]。草堂线全长约 55 km (含户县支线)，结合研究确定的运行交路方案，太平峪至航创路交路长度 37.9 km，户县至航天基地交路长度 46.7 km[1]，该线属于超长线路。

（3）线路沿城市主干道敷设，线形条件总体良好，平面限速点少，具备开行快速列车的条件。

（4）一期工程、支线、二期工程平均站间距分别为 1.73 km、1.49 km 和 2.01 km，全线平均站间距较西安地铁 1 号线至 3 号线站间距离长，有利于较高速度列车的运行。

1.3客流特点

草堂线位于主城区外围，沿城市南部各组团间行走，是引导副城、高新拓展区快速开发的轨道线，沿线以通勤客流、商务客流、旅游客流为主，高峰时段通勤客流特征明显。

客流预测结果显示，远期 (2042 年) 全日运量达到 88.11 万人次，全日平均乘距 12 km 左右，高峰小时最大断面客流为 3.25万人次[1]。客流强度低于中心线路，居民的平均出行距离较市区线长。高峰时段通勤客流特征明显，客流初期 (2020 年)、近期(2027 年)、远期早高峰均出现在 7 : 00—8 : 00、占全日客流量的 15.9%，晚高峰出现在 18 : 00—19 : 00、占全日客流量的 11.8%；早晚客流总量占全日客流量的 27.7% 左右[3]。

从客流特征分析，草堂线主要承担草堂、户县至西安主城区的客流，客流平均运距长，需要快速通过本线。

2　西安市轨道交通草堂线速度目标值的选择

《西安市城市轨道交通线网规划 (修编)》包括15 条线，已经运营的 1 号线、2 号线及在建或拟建的 3 号线至 6 号线、临潼线等均采用 80 km/h 速度目标值。结合西安市轨道交通线路和国内地铁超长线路运营情况，围绕 80 km/h、100 km/h、120 km/h 3个速度目标值方案，主要从线站条件、运行时分、工程经济性等方面进行分析。

2.1线站条件分析

草堂线主要以高架为主，线路基本沿草堂大道、西太路和规划路布设，沿线地形开阔，控制因素较市区线路少，全线共设曲线 34 处，曲线总长6 162.95 m，占全线总长的 26.87%，其中 400 m≤R＜500 m 半径 4 处，500 m≤R＜650 m 半径 2 处，主要设在车站进出站端加减速地段，基本不需要限速，其余地段采用较大的曲线半径，能够较好地适应 3 种速度目标值。

车站分布方面，草堂线 45% 区间的站间距离在 1 000～1 500 m 之间，45% 区间的站间距离在1 500～2 000 m 之间，大于 2 000 m 的区间较少，仅占全线区间的 10% 左右；全线贯通后平均站间距为 1.6 km。根据预测的最高断面客流量，草堂线初期、近期、远期采用 B 型 4 动 2 拖 6 辆编组列车，通过“地铁牵引计算仿真系统”对不同速度起停车距离进行计算，计算结果如表 1 所示。

表1　不同速度起停车距离表

由表 1 可知，80 km/h 速度目标值起停车总距离最大为 593 m，高速运行距离较长，达速比为63.1%；100 km/h 速度目标值起停车总距离最大为1 237 m，平均站间距离达速比为 23.0%，达速运行距离相对较短；120 km/h 速度目标值方案不能达速，起停车距离之和大于本线最大站间距离。综合远期全线贯通运营后平均站间距较短的特点，从发挥速度优势角度分析，80 km/h 速度目标值适应性较好。

2.2运行时分分析

西安市轨道交通线网规划中要求市域快速轨道交通能够提供快速便捷的交通服务，要求外围功能组团、新城区的乘客在 30 min 左右的时间抵达中心市区，而且各功能组团、新城区之间 1 h 左右能够相互通达[1]。草堂线属于市域外围线路，主要加强外围副中心、新城之间的联系，时间目标值确定为 1 h。按照 B 型 4 动 2 拖 6 辆编组列车进行计算，考虑旅行时间含平均每站 30 s 停站时间，80 km/h、100 km/h、120 km/h 速度目标值运营时间如表 2 所示。

表2　运行时间比较表 min

由表 2 可知，3 个速度目标值方案主干线全线总运行时间均在 1 h 以内，符合时间目标值要求。100 km/h 较 80 km/h 速度方案运行时间压缩约 4 min，优势不明显；120 km/h 较 100 km/h 速度方案运行时分压缩 0.6 min，时间基本相同，节省时间有限。

2.3工程经济性分析

（1）工程建设规模分析。从全线建设规模分析，80 km/h 与 100 km/h、120 km/h 相比，车站设置情况一致。根据《地铁设计规范》，不同速度目标值要求的平面最小曲线半径不同，一般情况下速度越小，采用的最小曲线半径越小，线路长度越长。结合沿线控制因素，80 km/h 比 100 km/h、120 km/h线路长度分别增加 84 m 和217 m；另外，由于 80 km/h 采用较小曲线半径可以更好地适应道路红线，减少线路切入地块的长度，并能够有效绕避建筑物。因此，与 100 km/h、120 km/h 相比，80 km/h 速度目标值拆迁量分别减少 13 723 m2和 20 573 m2。

（2）建筑限界影响分析。隧道的大小和桥涵的宽窄取决于限界，限界越大，安全度越高，但工程量和投资也随之增加[4]。80 km/h 和 100 km/h 速度目标值的建筑限界主要由车辆限界和设备限界确定，两者相差甚微，采用相同的现行地铁设计限界标准可以满足运营需求；120 km/h 速度目标值的建筑限界通过空气动力学效应来确定，为确保行车安全和减少空气动力学效应对行车和乘客舒适度等的不利影响，需要增加隧道断面尺寸。在建筑限界中，配套 120 km/h 的桥梁和路基等地面工程因限界变化引起的工程投资变化很小，影响较大的主要是隧道工程，工程设计中主要通过放大隧道断面有效面积来降低空气动力学效应[5]。草堂线隧道长约 3 km，主要采用盾构法施工，120 km/h 速度方案隧道每双延米需要增加约 1.5 万元，增加工程投资较多。

（3）牵引供电系统影响分析。①对牵引变电所的影响。轨道交通列车速度目标值的选取与牵引耗电量关系密切，速度越高，耗电量越大，牵引电流随之增大，相应牵引变电所设置数量及设备容量增加。经测算，80 km/h、100 km/h 和 120 km/h 速度目标值分别需要设置 10 座、10 座和 11 座牵引变电所。②对接触网的影响。正线采用架空接触网，其中高架段采用柔性接触网、地下段采用刚性接触网，3 种速度目标值方案均能满足，但 100 km/h 及以上速度目标值方案接触网悬挂点增多，同时机械分段采用滑道式膨胀元件进行分段，投资较 80 km/h速度目标值增加约 10% 左右。

（4）机电系统设备影响分析。3 个速度目标值方案对机电系统设备要求各不相同，通过对各系统制式应用的了解，3 种速度目标值信号系统方案无本质差别；而对屏蔽门/站台门等车站乘降设备的规格要求有所不同，但对项目总体投资影响很小。因此，3 个速度目标值方案对机电系统和车站乘降设备等的选型影响小，工程投资差别不大[6]。

（5）运用车数及购置费分析。计算公式为

式中：Ny为运用车总列数，列；L 为起终点站距离，km；V 为列车平均旅行速度，km/h；T 为列车交路两端折返时间，h；N 为高峰小时列车开行数量，列/h[7]。

3 个速度目标值的运用车数和车辆购置费如表3 所示。

表3　运用车数及购置费比较

经测算，以 80 km/h 方案为基础，远期较100 km/h 方案增加运用车30辆、较 120 km/h 方案增加运用车 36 辆；车辆购置费采用 80 km/h 方案远期较 100km/h 方案节省车辆购置费 1 500 万元、较120 km/h 方案节省车辆购置费 18 000 万元。因此，采用 80 km/h 速度目标方案，车辆购置费最为节省。

（6）车辆段及综合维修基地影响分析。草堂线设1处车辆段，为厂架修段，初近期厂架修设施预留，由线网中其他线路车辆段承担，远期择机建设厂架修设施。西安市已经开通运营的轨道交通线路及规划线路均采用 80 km/h 的车辆，如果采用相同的车辆，有利于检修工装设备的共享，实现“集中修”，使车辆维修系统最优化利用。不同速度目标值运用车数不同，需要停车列检列位不同，根据计算，远期 80 km/h 需要 68 列位，100 km/h 需要 63 列位，120 km/h 需要 62 列位，各速度目标值对列检列位的需求稍有区别，但对总投资影响不大。

综上所述，统筹工程建设、建筑限界、运营设施设备等因素进行分析，速度目标值 80 km/h 较100 km/h、120 km/h 方案工程投资分别节省 1.1 亿元、 2.3 亿元。从降低投资强度、减小征拆、提高工程可实施性等方面考虑，速度目标值 80 km/h 方案优势明显。

2.4运营技术指标分析

速度目标值越高，列车牵引能耗越大。经列车牵引模拟计算，不同速度目标值方案各项运营技术指标如表 4 所示。由表 4 可知，80 km/h 较 100 km/h速度方案每列车全线能耗平均约节省 219 kW · h，节省 21.1% 左右，旅行速度降低约 4.1 km/h；100 km/h较 120 km/h 速度方案能耗约节省 203.5 kW · h，节省 16.4% 左右，旅行速度与 100 km/h 基本相当。

2.5环境影响分析

草堂线以高架敷设为主，远期全线建成后桥梁占比超过 35.7%，高架地段列车运行噪声对沿线两侧环境影响较大。轨道交通噪声主要受列车对数和运行速度影响较大[6]。经检算，速度目标值越高，对两侧声环境的影响越大。如果按照居住区标准衡量 (昼间 60 dB、夜间 50 dB)[8]，在不考虑设置任何防护措施的情况下，80 km/h 的达标距离为 255 m、100 km/h 的达标距离为 330 m、120 km/h 的达标距离为 415 m。由此可见，速度越高，对环境的影响范围越大，但不论采用哪种速度目标值均需要采取声屏障、隔声窗等降噪措施，以缓解对环境的影响。

表4　运营技术指标分析表

综上所述，草堂线平均站间距离约为 1 606 m，120 km/h 速度目标值方案不能有效发挥速度优势，达速距离较短或不能达速，全线运行时间与 100 km/h速度方案基本相当；100 km/h 较 80 km/h 速度方案每列车虽然可以节省时间 5 min，但能耗增加 218.9 kW · h左右，增加约 21.1%，而且车辆购置费增加；采用80 km/h 的速度目标值可以较好适应各项要求，工程投资省，运营成本低，符合节能减排政策，综合优势明显。因此，草堂线速度目标值推荐采用 80 km/h。

3　结束语

在轨道交通领域中市域轨道是具有城市交通功能要求的“快速”轨道，草堂线作为行经西安市区和外围重要功能组团的超长线路，实现其快速功能有利于提高服务质量，便于旅客出行；通过与其他线路连接成网，实现副城、新区与主城区多节点、多层次、多方向的高效便捷联系，引导外围重点区域发展。因此，合理适度选择速度目标值是设计研究的关键，通过全面系统地量化如何实现“快速”功能，使草堂线速度目标值的选择更为经济、适度，项目研究更为科学，为其他项目建设提供参考。

[1] 中铁第一勘察设计院集团有限公司. 西安市域快速轨道交通草堂线可行性研究报告[R]. 西安：中铁第一勘察设计院集团有限公司，2013.

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[7] 赵金峰. 城市地铁工程地铁车辆配属辆数计算的探讨[J].地铁与轻轨，2000(1)：45-46.

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责任编辑：何 莹

Discussion on Selection of Speed Target Value of Rail Transit Hangtianjidi-Taipingyu Line in Xi’an

Hangtianjidi-Taipingyu line is an urban rail transit line located at periphery of Xi’an city, reasonable determination of the line’s speed target value is the important foundation of improving service quality of the rail transit. Based on summarizing general status of the line and station, characteristics of the line and the passenger flow, this paper makes comprehensive analysis from the aspects including conditions of the line and station, running time, engineering economy, operation technical index and environment influence, and then, reasonably determines the speed target value of Hangtianjidi-Taipingyu line.

Xi’an; Hangtianjidi-Taipingyu Line; Speed Target Value

1003-1421(2016)02-0076-05

U239.5

B

10.16668/j.cnki.issn.1003-1421.2016.02.16

2015-12-07

中铁第一勘察设计院集团有限公司科研开发项目 (院科 08-08)