多重功能复合的市域快轨速度目标值研究——以成都市轨道交通13号线为例

周宏昌

(1.陕西省铁道及地下交通工程重点实验室(中铁一院),西安 710043； 2.中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

引言

城市轨道交通根据不同的服务功能大致可以分为城区骨干线、区域辅助线以及市域快线等类型[1-3]。对于具有市域功能的线路，速度目标值是其重要的技术指标，合理确定速度目标值是提高城市轨道交通服务质量的重要手段[4-6]。目前，随着城市化进程的加速，各大城市规划了越来越多的功能复合的超长线路。与一般线路比起来，该类线路可以更好地引导城市发展、带动城市结构优化，加强中心城区与郊区的交流以及缓解中心城市的交通压力，改善居民出行条件。

既有文献大多基于市区标准线路长度对速度目标值进行研究，市区内由于城市发展较为成熟，受道路红线、线路路由、设站较密等条件的影响，市区内轨道交通一般采用80～100 km/h的速度目标值[7-8]。文献[9-15]虽然对超长市域线的速度目标值进行了研究，但是受限于沿线区域的空间规划和布局，线路的服务功能单一，因此线路速度目标值仍沿用既有的研究方法[16]。

本文选择的成都市轨道交通13号线全长近100 km，主要承担中心城区内部及中心城区与外围区域间的快速联系，兼顾机场服务功能，研究了市域内外不同速度目标值的选择对线路运营情况的影响。前人虽然对速度目标值也进行了一系列的研究，但基本基于标准线路长度。本文在既有研究的基础上并结合国铁的研究方法[17-18]，对13号线的速度目标值进行了深入的研究，相对于过去的研究更加综合、完善。市域快线中不同的速度目标值的选择会对运营产生不同的影响，深入研究速度目标值可以为类似复合功能的市域快线选择合适的速度目标值提供参考。

本文的研究路线如图1所示。

图1 研究路线

1 成都市轨道交通13号线概况

成都市轨道交通13号线是成都市“中心穿越、全局覆盖、远景预留、互联互通”的市域快线网的重要组成部分，13号线线路走向如图2所示。

图2 成都市轨道交通13号线线路走向示意

从图2可以看出，13号线起点为城铁温江站，终点为T3T4航站楼(跨越了主城区)，线路全长98.5 km，设站34座(其中换乘站22座)，平均站间距3.0 km，属于标准的超长线路[19]。考虑到中心城区与外围区域的功能定位不同，需分别进行研究。其中13号线城区段平均站间距离1.48 km，站间距离较小，且受到地形限制最小曲线半径为600 m，局部采用小半径，其旅速主要受到线路条件与站间距离的影响，宜选用较小的速度目标值。市域范围内的温江区、龙泉驿区、简阳新区等外围组团间距离较大，平均站间距4.35 km。地形限制小，有条件设置较大的曲线半径，宜选用较高的速度目标值。因此，结合客流、车站分布以及线路特点，对城区段与市域段分别按照100、120、140 km/h的速度目标值方案进行技术经济比较，确定合理的速度目标值。

2 速度目标值的选择

2.1 客流特点分析

成都市轨道交通13号线的中心城区段线路长度28.2 km，占13号全线长度的28.83%，根据远期全日客流预测结果可知，其内部客流交换最高，占比高达全日客流的57.15%；龙泉驿片区内部交流占比为1.29%，与中心城区客流交换占全日客流的12.54%，中心城区、龙泉驿、简阳新城客流占全线客流的74.08%；西端的温江组团及东部的简阳组团内部及与中心城区交换客流占全线客流24.95%，其中温江与中心区的客流交换与其内部客流占比为15.72%。13号线中心城区的客流吸引较大，提供较多的工作岗位，客流具有较强的向心性。东端的龙泉驿区、简阳新城约占全线客流的27.13%，而线路长约占全线的50%。从客流特点中可以看出，本线客流主要以中心城区的内部交流以及中心城区与外围组团的跨组团交流为主。因此，提升中心城区内部以及中心城区与外围间的交流效率是解决客流需求的主要问题。

2.2 时间目标值的确定

根据《成都市城市轨道交通线网规划修编》的要求，结合成都市轨道交通的定位，提出本次规划所遵循的各范围各期的时间目标，如图3和表1所示。

图3 成都市轨道交通线网层次

表1 成都市远期及远景轨道交通出行时间目标

根据成都市线网规划，13号线与18号线均为兼具机场线功能的市域快线，两线在市域与城区内走向均不同。13号线主要服务于东部外围组团及北部中心的东西向客流；18号线主要服务于北部中心与天府新区南北向及南部外围组团客流。因此，两线存在一定的互补关系。其中18号线的运营时间为44 min。

从表1可以看出，本线作为快线，中心城区旅行时间应小于城区内东西向普速干线4号线的旅行时间才具备竞争优势。温江片区至市中心的时间宜按照0.5 h进行控制；作为机场线应与18号线的旅行时间相当，机场片区至市中心的时间应不大于1 h。

因此，结合现状交通时间及线网规划中对交通出行时间的要求，同时根据本线的特点，本线中心城区内(七里沟至龙华寺段)旅行时间应不大于40 min；城铁温江站至七里沟旅行时间应不大于15 min。为与18号线形成互补关系，T3T4至烟草公司(三环)旅行时间应不大于45 min。

2.3 站间距离匹配性研究

13号线定位为市域快线，由拉近外围组团与中心城区时空距离的时效性要求上出发，必须注重便捷、快速，缩短乘客在途时间，因此需选用较高的速度目标值。《城市轨道交通工程项目建设标准》中，也对不同站间距离的旅行速度做了统计，结果见表2。

表2 不同站间距与旅行速度匹配关系 km/h

如表2所示，以80 km/h速度目标值为例，当车站间距约为1.5 km时，其旅行速度在40 km/h以上；当站间距离在3.5 km以上时，旅行速度在70 km/h以上。要提高线路旅行速度，应优先减少车站数量，增大站间距离。

2.4 不同速度目标值方案对时间目标值的适应性分析

2.4.1 城区范围内速度目标值比选

按照城区与市域不同车站分布及线路线型的分析，以不同时速的A型车为例，不同速度目标值方案的旅行时间、旅行速度见表3。

表3 城区内不同速度目标值旅行时间与速度

由表3可见，采用100，120，140 km/h速度目标值方案在一期范围的旅行时间均在40 min以内，均可满足线网提出的绕城至天府广场30 min以内的时间目标值要求。而从节时效果上来看，140 km/h的方案较120 km/h及100 km/h的方案均节时约为0.4，1.8 min，仅占到总旅行时间的1.1%和4.7%，节时效果均不明显。且需对线路条件进行优化，城区内的拆迁量巨大。综合分析，城区范围内采用100 km/h的速度目标值方案是合理的。

2.4.2 市域范围速度目标值比选

对于市域的城铁温江站—七里沟站区段及龙华寺站—T3T4站区段，以不同速度目标值的A型车为例，不同速度目标值方案的旅行时间、旅行速度见表4。

表4 市域线路不同速度目标值旅行时间与速度

而从节时效果上来看，由于市域范围站间距离较大，140 km/h的方案较120 km/h的方案节时约为3.4 min，仅占到总旅行时间的6%，节时效果不明显；而140 km/h的方案较100 km/h的方案节时约为9 min，约占总旅行时间的15%，节时效果明显。市域线路全长约70 km，主要服务于城区与市域的交流客流、机场段客流，为提高服务水平与运营效率，建议采用140 km/h的速度目标值。

2.5 不同速度目标值方案对列车能耗的影响

列车能耗包括转化为列车动能的能耗和列车运行过程中克服阻力所产生的能耗[20]。由于轨道交通列车总体上运行速度仍然较低，总能耗仍以转化为动能能耗为主。而动能能耗对列车最高运行速度极其敏感，与最高速度的平方成正比。因此，最高速度值从120 km/h提高到140 km/h时增加的能耗要远大于从100 km/h提高到120 km/h增加的能耗。在节时效果不明显的区段，应优先采用较小的速度目标值方案。

2.6 不同最高速度目标值对供电方式的影响

目前，我国已开通运营和规划在建的地铁线路中，速度目标值为100～120 km线路一般采用的牵引供电方式为DC1500V，速度目标值140 km/h及以上线路一般采用的牵引供电方式为AC25kV，两种牵引供电方式各有其特点。

对于AC25kV制式而言，主要优点在于电压等级高，供电半径大，供电设施相对较少；供电系统本身的投资较直流制式少，且不受限于速度目标值，具有成熟的车型。其主要缺点在于线路中需要设置电分相，电分相会使列车的速度有一定损失；另外该种供电制式会产生三相不平衡和少量谐波，对于电力系统有一定的影响；同时交流电气化铁路会对沿线的通信设施设备产生一定的影响，需要进行相应的电磁干扰防护；并且采用AC25kV制式会增大隧道断面，土建投资较直流制式增多。

对于DC1500V制式而言，主要优点在于电压等级低，对隧道净空要求低；一般情况下常规轨道交通线路隧道较多，采用直流制式可以节省土建的投资。缺点主要在于直流区段设备数量较多，维护工作量大，供电系统本身投资较大。具体对比详见表5。

DC1500V的适用范围一般不超过120 km/h，虽然AC25kV供电制式对净空、安全防护距离等要求较高，但其对本线的速度目标值适应性强。同时，采用AC25kV供电制式可有效减少全线牵引所的数量，节省投资约1.31亿元。综合比选后，推荐采用AC25kV供电制式。

表5 牵引供电方式比较

2.7 不同最高运行速度对土建工程的影响

当速度目标值大于100 km/h，为减小隧道空气阻力、隧道内压力变化幅值及其梯度，隧道断面应随列车速度的提高而增大。A型车100、120 km/h盾构区间建筑限界内径6 800 mm，隧道内径7 100 mm，隧道外径7 900 mm；A型车140 km/h盾构区间建筑限界内径7 200 mm，隧道内径7 500 mm，隧道外径8 300 mm；相应地，地下区间土建投资也需大幅增加。采用140 km/h的速度目标值较采用100 km/h的速度目标值时，13号线地下区间需增加工程投资9.7亿元。

2.8 不同最高速度目标值对车辆购置费和车辆基地投资的影响

速度目标值越高，各设计年度的车辆购置费也越高。根据计算，以速度目标值100 km/h的列车车辆购置费用作为基准，速度目标值120 km/h的车辆购置费用在初、近、远期分别增加1.59亿元、1.20亿元和2.46亿元；速度目标值140 km/h的车辆购置费用在初、近、远期分别增加2.31亿元、2.04亿元和3.42亿元。

使用不同速度目标值的列车，旅行速度的不同会造成配车数量的差异，车辆基地的规模也会因配车数的不同而有所差别。根据估算，相比速度目标值为100 km/h列车，速度目标值为120 km/h的列车车辆基地投资近期及系统规模均减少923万元，速度目标值为140 km/h的列车车辆基地投资近期减少1 846万元、系统规模减少2 769万元。

2.9 不同最高速度目标值对成都市线网的适应性分析

据统计，成都市轨道交通线网可分为两个层次：1，2，3，4，5，6，7，8，11，14，15，21，22，23，25，26，27，28，29，30，31，32号线皆为中心城、卫星城或区域中心城内部的普线；9，10，12，13，16，17，18，19，20，24号线均为市域线。根据线网规划，本线应综合考虑线路适应性和车辆大架修共享等因素，采用速度目标值100 km/h以上的列车。

目前已开通及正在实施的线路中，9，10号线采用了100 km/h的速度目标值，18，19号线采用140 km/h的速度目标值。本线与18号线为快线网内的主要干线，远期均考虑与18-1(资阳)线互联互通，宜采用相同的速度目标值标准。因此，13号线宜采用140 km/h的速度目标值。

2.10 不同速度目标值社会经济效益分析

城市轨道交通建设项目速度目标值的选择应有利于实现项目综合经济效益最大化。此处速度目标值可选方案有100，120 km/h和140 km/h。通过对影响速度目标值方案的土建投资、运营成本、客运量、旅客节约时间价值以及转移运量运输成本等因素的分析，同时按照效益最大化原则，对各方案加以综合比较，提出最佳的速度目标值。

时间价值按城市居民人均可支配收入来测算，根据成都市经济发展规划和人口规划，测算出各预测年限的旅客单位旅行时间价值。本次13号线的预测年限分为初期、近期和远期，初期为2025年，近期为2032年，远期为2047年，全线的单位旅客时间价值分别为0.71元/min、1.01元/min和1.75元/min。其中，不同设计年度时间效益的节省与速度目标值的关系见表6。

表6 旅行时间效益的节省与速度目标值的关系 万元/年

由表6可得，以速度目标值100 km/h为基准来讨论旅行时间效益节省与速度目标值的关系。2025年，当速度目标值为120 km/h时，旅行时间效益节省了2 639万元，速度目标值为140 km/h时，旅行时间效益节省了9 985万元；2032年当速度目标值为120 km/h时，旅行时间效益节省了78 388万元，速度目标值为140 km/h时，旅行时间效益节省了141 827万元；2047年当速度目标值为120 km/h时，旅行时间效益节省了197 907万元，速度目标值为140 km/h时，旅行时间效益节省了358 072万元。

2.11 不同速度目标值对环境的影响分析

按照昼夜不同的设计行车密度，线路两侧30 m处不同速度目标值的噪声影响值即等效连续A声级LeqA见表7。

表7 噪声影响对比分析

由表7可见，速度越高，噪声影响值越大。建议在满足运营需求的前提下，尽量选择较低的速度目标值。高架段落若采用直立式声屏障，其造价仅约400万元/km；随着速度的提高若采用全封闭式声屏障，造价约6 000万元/km。同时采取设置浮置板轨道结构与高弹性扣件的措施也可以有效降低桥梁结构噪声值。

3 速度目标值研究结论

通过对影响速度目标值的主要因素进行定性和定量的综合比选，结果表明100，120，140 km/h三种速度目标值，在本线均能较好发挥速度优势，但仍有不同所在。

(1)从功能需求上分析，速度目标100 km/h及以下速度的列车运用较广泛，工程投资相对较小，运营成本较低。但旅行时间较长，与规划要求的吻合度差，客流的吸引力较弱，社会经济效益较差。本线作为市域快线，全线长度接近100 km，时间目标值的要求较高。外围区段平均站间距较长，具备采用较高速度目标值的条件。

(2)从运营效率上分析，速度目标值为140 km/h的列车相比100，120 km/h的列车对13号线的适应性更好，速度优势明显，能较好地满足时间目标的要求，能更好地发挥本线在建设规划中的功能，具有较强客流吸引力和较高的社会经济效益。

(3)从车辆购置数量角度分析，速度目标值140 km/h的列车相比120 km/h的列车初期可节约1～2列运用车，近、远期可节约2～3列运用车。速度目标值140 km/h的列车相比100 km/h的列车初期可节约3～4列运用车，近、远期可节约5～6列运用车。

综上所述，从与本线站间距适应性、客流适应性、运用车等方面综合分析，推荐采用140 km/h的速度目标值，城区内受线路条件限制按照100 km/h限速。

对于以城区功能为主兼顾市域功能的线路，宜采用城市轨道交通的建设标准；以市域功能为主兼顾城区功能的线路，需进行全线综合研究，宜采用市域线路的建设标准。市域站间距离与城区站间距离相近的，应统一标准；市域站间距离与城区站间距离差异较大的，需分段研究，统筹考虑时间目标值和工程经济性。

随着城市化进程的发展，将出现更多的穿越中心城区的市域快线。这类线路在市域范围具备较好的实施条件，应增大站间距离，采用较高速度目标值；城区内若受线路条件制约无法采用较高速度，需控制车站数量，优化线路条件，尽量提高旅速，缩短旅行时间。

4 结语

贯穿城区的市域快线与一般线路相比，具有跨越区域较多、沿线客流特征复杂、线路功能定位多样化等特点，其速度目标值的选择也受到多种因素的影响。线路的功能定位确定了时间目标值，但速度目标值的选择却受客流特点、站间距、时间目标值的制约，同时也对供电方式、耗能、土建规模、社会经济效益以及环境等有着较大的影响。因此，确定合理的速度目标值不仅可以快速输送旅客，提高线路的整体服务水平，以更加节能、环保的方式运营，也可以为后续的设计、施工指明方向。同时随着城市化进程的加速，兼顾城区功能的超长市域线路将会越来越多，由于国内对整个市域快线速度目标值的研究还处在探索阶段，没有形成比较成熟的模式，本文以成都市轨道交通13号线这种复合性的功能定位、超长的线路长度以及多样化的客流组成的线路为例进行研究，并拓展了以城区功能为主兼顾市域功能的线路或者以市域功能为主兼顾城区功能的超长线路速度目标值的研究方法，对今后功能相符合的线路速度目标值的研究起到引领作用。