成都市轨道交通市域快线关键技术研究及应用

2020-12-07周旭

现代城市轨道交通 2020年11期

周旭

摘要：根据成都市轨道交通线网规划特征，以成都市轨道交通 18 号线（新机场线）为工程案例，以项目功能定位和运营需求为出发点，从速度目标值、运营模式、车辆选型、供电制式、隧道净空断面尺寸、轨道系统及弱电系统等多个方面进行分析论证，对成都市轨道交通市域快线的主要技术标准和关键技术参数进行探索性的创新研究，以期为国内其他城市市域快线技术标准的选取提供参考和借鉴。

关键词：市域快线;技术标准;关键参数

中图分类号：U239.5

随着城市化进程的不断加快，目前国内大部分城市都遇到了城市发展空间不足的问题，因此积极拓展城市空间，特别是发展新区、市郊组团及卫星城，成为新一轮城市建设和发展的重点。为加速和带动新区及外围组团的发展，连接城市外围机场、高铁站等交通枢纽，各地陆续规划建设了连接中心城区和外围组团的城市轨道交通市域快线（以下简称“市域快线”），此类快线具备线路长度长（≥50 km）、车站数量少（站间距大）、运行速度高（≥100km/h）三大特点。成都市轨道交通18 号线就是此类项目的典型代表。

1 成都市域快线的规划及理念

1.1 规划概况

成都市轨道交通线网共规划有46条线路，总规模2450.04km。在线网规划之初，规划研究单位根据沿线的城市规划特征，系统分析了每条规划线路的线站位方案和功能定位，首次在规划阶段将线网明确区分为普线线网（最高运行速度为80 km/h）和市域快线线网（最高运行速度≥100km/h）2个层级（图1），其中市域快线线网规模共计1 129 km。

1.2 规划理念

成都市域快线的规划理念相对以往的线网规划有明显不同：从功能看，主要解决外围组团和中心城区，以及组团之间的快速联系;从布局看，旨在实现中心城区的快速穿越，以及中心城区与外围组团间的切向快速转移;从技术标准看，侧重快速性（规划车站间距大、速度目标值高）、舒适性（车厢内坐席率高、站立密度低）以及运营的灵活性（多种交路、多种运营模式、互联互通）。

2 成都市轨道交通 18 号线概况

随着成都天府国际机场（以下简称“天府机场”）选址的确定，成都市在轨道交通线网规划中增加了连接中心城区、天府新区、东部新区及天府机场的18号线一、二期工程，线路起于成都火车南站，止于天府机场，全长69.4 km，设车站12座，将于2020年底全线通车，后续三期工程还将向北经中心城区延伸至火车北站，向南延伸至临江站（图 2）。全线设车辆综合基地1处，停车场1处，主变电所5座，采用速度目标值为140 km/h的8辆编组市域A型车，以及AC25kV架空悬挂接触网供电制式。

18号线是一条典型的“机场+市域”复合功能线路，其具有两大功能定位：①作为机场线，满足机场客流的出行需求（火车南站 — 天府机场40 min可达）;②满足沿线通勤客流的出行需求，缓解成都市南北中轴线尤其是既有轨道交通1号线的巨大客流压力。

3 关键技术研究及应用

在18号线项目的前期研究和设计阶段，研究人员确定了该线路在中心城区是复合功能线，外围是快线、专线的设计理念;初步设定其最高运行速度应在120km/h以上，并具有灵活的运营方式;在制式选择方面，采取了有别于常规地铁的研究思路。在此基础上，研究人员从速度目标值、运营模式、车辆选型、供电制式、隧道净空断面尺寸、轨道系统及弱电系统等多个方面进行分析论证，对成都市域快线的主要技术标准和关键技术参数进行了探索性的创新研究，下面将对其进行介绍。

3.1 列车速度目标值

在18号线项目规划阶段，鉴于其机场线的特点，规划部门提出了中心城区至天府机场全程旅行时间需控制在40 min以内的时间要求。根据18号线的规划线站位方案及平均站间距等特点，再综合考虑上述时间要求，选择的列车最高运行速度应该为120～160km/h。进一步的速度牵引计算结果表明，120km/h的速度难以满足40min的时间要求，而对于160km/h的速度，全线仅2 个区间可达到，且此速度下的旅行时间相对140km/h仅缩短了1min。因此，综合考虑车辆选型及购置费、运营效率、能耗、土建工程成本等方面的因素，研究人员最终选用了适合本线特点的最高运行速度为140km/h的市域A型车，这是目前国内市域A型车能够达到的最高速度。

3.2 运营模式

18号线是机场线。对于带有机场服务功能的城市轨道交通线路，目前国内已有的运营模式见表1。

鉴于18号线“机场+市域”的复合功能定位，采用不同车型的快慢车混跑运营模式（模式5）是最合适的选择，因此在项目可行性研究和初步设计阶段，考虑采用慢车车辆座椅纵列式布置、快车车辆座椅横列式布置的方式，并在快车停靠车站单独设置快车停靠站台，在站厅层设置单独付费区，拟达到使快慢车客流分流的目的，并预留了票价差异化的条件。但在初步设计后期，出于保持服务水平一致性的考虑，研究人员最终选择了统一车型、适当提高舒适度标准的快慢车混跑运营模式（模式4），并在国内首次构建了完整的快慢车运营模式理论体系。

3.3 車辆选型

根据市域快线的工程适用范围、线路长度、站点布局和旅行时间要求，业内将市域快线列车的速度目标值统一为120～160km/h。但在车辆的选择和研制开发方面却形成了以下2种思路：①直接使用铁路CRH动车组或将其稍加改造后（D型车）使用;②使用经过提速改造的地铁A、B型车辆。由中华人民共和国国家市场监督管理总局和国家标准化管理委员会于2019年发布的国家标准《城市轨道交通市域快线120km/h～160km/h车辆通用技术条件》（GB/T 37532-2019）中明确规定，市域快线车辆分为市域A型车、市域B型车和市域D型车3种类型。

在18号线前期研究阶段，研究人员考察分析了当时在建的温州市轨道交通S1线（目前已投入运营）所使用的市域D型车，经过深入的研究和谨慎的对比得出以下结论。

（1）市域D型车车体断面大，会增加土建工程规模;车门少，可能造成停站时间延长;检修体制与地铁车辆区别较大。

（2）市域A型车由于经地铁A型车改造而来，因此相关检修经验丰富，许多配件可通用，更符合城市轨道交通资源共享的需求;此外，其车辆外部尺寸、车门数量、轴重、动力性能（尤其是高速段的平均加速度）等更能适应市域快线的需要。

综合上述分析，18号线采用市域A型车，这是国内首次研制并投入使用的、速度为140 km/h的市域A 型车。在18号线空载试运行期间，该型车的运行状况良好。

3.4 供电制式

目前，国内城市轨道交通项目一般采用DC1500V（个别线路为DC750V）供电制式，铁路项目均采用AC25kV供电制式。在18号线设计初期，研究人员根据项目自身的特点，对交、直流供电制式进行了深入的分析比较，考虑到DC1500V供电制式的供电半径较小，若要在站间距较大的市域线上使用，必须在区间中部增设大量牵引变电站，从而使工程投资和后期运营维护工作量大幅增加，因此选择了AC25kV柔性架空接触网供电制式。

18号线AC25kV供电制式所采用的牵引供电系统与铁路一致，而对于电力系统（即中低压系统），则根据城市轨道交通的特点，在牵引变电站中单独设置2组AC110kV/35kV电力变压器，电缆线路为AC35kV双环网，并在车站设置AC35kV/0.4kV降压所用于电力系统供电。由此可见，18号线的供电制式既不同于常规城市轨道交通，又有别于铁路，是根据自身特点量身定做的一套市域快线供电方案，见表2。

3.5 隧道（车站）净空断面尺寸

确定区间隧道净空断面尺寸时需要考虑的因素包括隧道压力波、人体舒适度需求、隧道內设备安装需求、车辆尺寸及气密性等。

18号线选用4车门的市域A型车，动态气密性指数为客室3 s、司机室6 s（注：向车厢充气后气压泄至充气压力38%的时间为静态气密性指数，动态气密性指数在此基础上折减），在此前提下，从以下3方面确定圆形隧道断面尺寸，进而根据有效断面面积基本保持一致的原则，确定车站和其他型式隧道的断面尺寸。

（1）空气动力学仿真计算：对列车在140 km/h速度下产生的隧道压力波进行仿真计算，推算出满足人体舒适度所需的轨面以上内净空面积，再结合车辆断面尺寸，得出圆形隧道断面直径不应小于7.0 m。

（2）道床厚度、接触网导线高度及安装空间需求：在接触网导线高度为5.0 m的前提下，根据道床的最大高度及AC25kV柔性架空接触网的安装空间和绝缘要求进行计算，得出所需的圆形隧道断面直径不应小于7.2m。

（3）国家标准《标准轨距铁路建筑限界》（GB 146.2-1983）要求：该标准规定，最高运行速度为 160km/h的铁路单线隧道（无车辆气密性要求）轨面以上的内净空面积为42.06m2，由此可推算出圆形隧道断面直径应为7.5m。

由于18号线车辆具有一定的气密性，在7.2 m直径基础上考虑一定的限界富余，采用与最高运行速度为160km/h的铁路单线隧道相同的内净空面积，以满足运营期间乘客的舒适度需求，因此18号线圆形隧道断面直径确定为7.5m（图3）。

在地下车站范围，接触网安装位置为轨面以上6.2m，若按照传统做法布置轨顶风道，轨面至中板高度将达到7.2 m，必然使工程投资进一步增加。因此，研究人员在进行深入研究后，将轨顶风道侧移至站台上方，将站台层高度降低为6.5 m（图 4），从而达到减少工程投资的目的。

3.6 轨道系统

目前，国内在城市轨道交通（<120 km/h）和高铁（≥ 160 km/h）轨道系统方面具有较丰富的运营经验，但在速度为120～160 km/h的市域快线轨道系统方面，没有可参考的先例。18号线设计人员结合城市轨道交通和高铁的技术特点，对市域快线轨道系统进行了以下改进和优化。

（1）全线采用高强度、耐磨的合金钢组合辙叉。

（2）将DZⅢ型扣件改良为DZⅢ-3型扣件，并将城市轨道交通项目中常用的e型弹条（18 mm）优化为在高铁项目中大量使用的C4弹条（20 mm）。

（3）优化减振方案，如在使用减振扣件的区段加大减振扣件刚度，在设置减振垫的区段采用框架型减振垫浮置板，在安装钢弹簧浮置板的区段增加道床板配重，以及加密隔振器等。

（4）采用双块式轨枕整体道床结构，实现跨区间无缝线路。

（5）引入轨道控制网（CPⅢ）和轨道精调技术。

3.7 弱电系统

3.7.1 信号系统

为保证18号线全线旅行时间在40min以内，18 号线的列车自动驾驶（ATO）系统按照正线最高速度140km/h设计，列车自动防护（ATP）系统的最高限制速度按不低于150 km/h设计，以实现真正意义上的最高速度140 km/h。

3.7.2 通信系统

18号线最高运行速度为140 km/h。目前，国内外尚无如此高速度下的城市轨道交通车地宽带无线通信系统应用案例。影响车地宽带无线通信系统选择的关键因素有丢包率、传输时延、切换性能、极限吞吐量及对高速的适应性等。选择适合本项目的车地宽带无线通信系统是实现车载乘客信息系统（PIS）、闭路电视监控系统（CCTV）数据无缝传输的基础。研究人员经过理论分析，并结合在轨道交通运行控制系统国家工程研究中心的实验室测试结果和成灌客运专线上的现场测试结果，在18号线上首次采用长期演进非授权频谱（LTE-U）技术作为车地宽带无线通信技术，测试时列车速度可达160 km/h，是目前国内城市轨道交通车地无线通信的最高速度。

4 结语

成都市轨道交通18号线是成都市轨道交通线网中首条开建的市域快线，其140 km/h的最高运行速度、快慢车混跑的运营模式、交流供电、高速度下的车地宽带无线通信等关键技术是国内城市轨道交通建设史上的首次探索。设计研究人员在设计中采用了多种新方法、新理念，确定了合理的技术标准，解决了众多技术难题，对我国各城市市域快线的建设和发展起到示范和引领作用。

参考文献

[1]中国地铁工程咨询有限责任公司.成都市城市轨道交通线网规划修编[R].四川成都：中国地铁工程咨询有限责任公司，2016.

[2]中铁二院工程集团有限责任公司.成都地铁18号线压力波研究报告[R].四川成都：中铁二院工程集团有限责任公司，2016.

[3]中铁二院工程集团有限责任公司.正线轨道系统扣件及减振设计方案专题研究[R].四川成都：中铁二院工程集团有限责任公司，2017.

[4]中铁二院工程集团有限责任公司.成都地铁18号线25kV牵引电磁环境弱电系统电磁兼容性分析研究报告[R].四川成都：中铁二院工程集团有限责任公司，2016.

[5]陈福贵.城市轨道交通快慢车理论[M].四川成都：西南交通大学出版社，2018.

[6]李剑虹，徐吉庆.东莞市城市快速轨道交通R2线车辆选型关键问题探讨[J].铁道机车车辆，2010（6）：70-75.

[7]卢恺，韩宝明，鲁放.我国轨道交通机场线规划与运营主要问题探讨[J].城市轨道交通研究，2014（8）：1-5.

[8]荆敏.市域轨道交通规划设计关键指标和主要运输组织模式研究[D]. 北京：北京交通大学，2016.

[9]郭欢.城市铁路列车最高运行速度的确定[D].北京：北京交通大学，2010.

[10] GB/T 37532-2019 城市轨道交通市域快线120 km/h～160 km/h车辆通用技术条件[S]. 2019.

[11] 曲尚开.市域铁路不同供电制式的适用性分析[J].科协论坛（下半月），2008（12）：1.