长株潭城际轨道交通西环线车辆选型研究

2021-03-22贺圣彦邓娟红

城市轨道交通研究 2021年3期

戴旺梁玉邱冰贺圣彦邓娟红

(湖南省交通规划勘察设计院有限公司， 410200，长沙∥第一作者，高级工程师)

长株潭城际轨道交通西环线(以下简称“西环线”)工程起于湘潭火车站，自西南向东北穿越湘潭火车站片区、九华经济开发区、观音港片区、大王山旅游度假区，止于长沙轨道交通3号线(以下简称“3号线”)一期工程的山塘站。西环线是打造长沙—株洲—湘潭 “半小时经济圈”的市域快线，通过建设该线以推进长株潭都市圈同城化，优化城市空间布局，促进城市群协调发展，实现3个城市间的资源共享。

国内研究人员对如何因地制宜地选择市域快线或市郊铁路的车辆制式及其相关技术条件进行了研究。文献[1]总结了市域快线的主要特点，提出了市域快线的车型、编组及速度等级选择的主要依据。文献[2]从客流预测、列车尺寸、车辆编组、最高速度选择以及供电方式等方面研究了成都地铁18号线(市域快线制式)的车辆型式。文献[3]研究了兼容机场线和市域快线2种不同轨道交通制式的车辆配置。文献[4]等对几种轨道交通制式进行了对比分析，总结出了市域快线的适用范围和功能定位，以及确定市域快线列车设计速度的依据。

本文结合西环线的规划要求，从线路等级速度、车体尺寸和车辆编组、乘车舒适性、供电制式等方面提出该线车辆制式的相关建议，以期为类似的市域快线在车辆选型上提供参考。

1 线路等级速度的选择

1.1 线路等级速度对单程运行时间、速度效率的影响

西环线全长32.2 km。为实现长株潭“半小时经济圈”，该线车型的设计速度可在80 ～140 km/h间选择。表1为不同的线路等级速度所对应的运行参数。

由表1可知，从单程运行时间角度看，100 km/h的列车比80 km/h列车节约2 min 14 s，120 km/h的列车比100 km/h列车节约1 min 23 s，140 km/h

表1 西环线列车不同线路等级速度下的运行参数

的列车比120 km/h列车节约21 s。由此可见，提高线路等级速度，可节约单程运行时间，但随着线路等级速度的逐步提高，其时间节约的效果越来越不显著。表1中的旅速系数是列车速度效率的体现，市域快线应将旅速系数取值区间在0.500～0.600作为选择站间距和设计速度的基准[4]。随着线路等级速度的提升，旅速系数越来越小，即速度效率越来越低。因此，综合长株潭半小时经济圈规划和速度效率分析，西环线线路等级速度取100 km/h或120 km/h较为合理。

1.2 线路等级速度对线站位适用性分析

在列车的牵引、制动性能一致的情况下，若线路车站间距小，选取过高的线路等级速度，在行驶过程中速度有可能达不到设计值，会造成车辆动力性能的浪费。表2基于西环线的站间距，对列车在各区间内的最大运行速度是否可以达到线路等级速度进行计算。

根据表2可以计算出，线路等级速度为80 km/h和100 km/h的列车在全线所有区间均能发挥速度优势；线路等级速度为120 km/h的列车在9个区间内能发挥速度优势，占全线区间总数的75%；线路等级速度为140 km/h的列车只在3个区间内能发挥速度优势，仅占全线区间总数的25%。可见，西环线在现有规划设计的站间距情况下，选取过高的线路等级速度并不能完全发挥其速度优势，反而会造成能耗的增加和动力性能的浪费。

1.3 线路等级速度对列车配属数的影响

线路等级速度不同，全线的旅行速度也会随之不同，这将直接影响线路的运用车数，进而导致全线列车配属数不同。根据西环线的行车规划，近期建设的线路位于湘潭站至山塘站区段，列车开行对数为12对/h，在始发站和终点站的折返时间为2 min，由此计算得到不同线路等级速度下的列车配属数，如表3所示。

表2 西环线各区间最大运行速度和线路等级速度的计算和对比

表3 西环线不同设计速度下的列车配属数

从表3可以看出，如果以线路等级速度为80 km/h列车的配属数为基准，线路等级速度为100 km/h、120 km/h、140 km/h列车的配属数可分别减少2列、3列、3列。可见，在线路条件相同的情况下，随着速度的提高，线路列车配属数有所减少，但相比线路等级速度为100 km/h和120 km/h的列车配属数，线路等级速度为140 km/h时的配属数减少并不明显，没有体现出其速度优势。

1.4 线路等级速度对隧道断面面积的影响

一般地铁线路的线路等级速度为80 km/h，在此线路等级速度下，标准的单洞单线隧道断面积一般为20 ～22 m2。线路等级速度为80 km/h、100 km/h、120 km/h和140 km/h时，其合理的隧道断面分别为20.63 m2、25.87 m2、27.74 m2、33.74 m2。由此可见，为控制隧道内压力变化幅值及其梯度，隧道阻塞比会随着列车速度的增加而减小，隧道断面面积随之会相应增大[5]。西环线的地下线路长度约为6.67 km，若加大线路的等级速度，隧道断面面积随之增大，地下区间投资成本将大幅度提升，因而需要基于不同线路等级速度下隧道断面面积对地下段的工程成本进行对比分析。

1.5 西环线线路等级速度的选择

综上所述，西环线线路等级速度的适应性分析如表4所示。从表4可知，结合不同线路等级速度下的单程运行时间、线站位条件适应性、近期列车配属数量和隧道断面面积，西环线的线路等级速度的最佳选择为100 km/h。考虑到西环线在远期规划向北延伸至长沙西站，作为连接长沙和湘潭的市域线，从长远考虑，采用120 km/h的线路等级速度也是很好的选择。

表4 西环线线路等级速度的适应性分析

2 车型和车辆编组

2.1 车型

列车的车型直接影响列车定员数，车型的选择首先应满足客流需求。表5为西环线工程客流主要参数的预测结果。

表5 西环线的客流预测数据

目前，国内市域快线的车辆大多采用地铁的A、B型车或高速铁路的CRH动车组。其中，地铁A型车和CRH6的车体尺寸大于地铁B型车的车体尺寸，能满足更大的客流需求。但从表5可以看出，西环线在远期(2046年)的单向最大断面客流小于3万人次/h，所以选择B型车即可满足该线的客流需求。按照规划，西环线将与3号线一期工程(已于2020年6月开通)贯通运营，考虑到3号线一期工程采用B型车，相同的车辆和限界断面尺寸可以实现车辆系统、供电系统和轨道系统在检修维护上的资源共享，节约工程的整体投资成本。因而，从满足客流需求和资源共享的角度考虑，推荐西环线釆用与3号线一期工程相同的车型——地铁B型车。

2.2 车辆编组数

列车编组数应与线路功能定位相适应，在满足各设计年度高峰断面客流量的基础上，还需具有一定的运能储备[6]。现在国内的城市轨道交通线路中，以6辆编组列车居多，其次是4辆编组列车。由于西环线要和3号线贯通运营，为了应对高峰时段的客流量，建议西环线考虑采用6节编组列车。

在动力配置上，列车可供选择的动拖比有1∶1和2∶1，即3动3拖编组和4动2拖编组。表6给出了不同条件下2种动力配比的对比情况。

表6 2种动拖比的参数对比

从表6可知，3动3拖编组列车的故障运行能力尚可，但故障救援能力不足，在列车的实际运行中，当轨道湿滑时，即使采用高加速开关措施，其黏着系数也难以达到0.230。而4动2拖编组列车的计算黏着系数取值更为合理，因而故障运行能力和救援能力均较强，当列车发生故障时，对正常运营的干扰较小，运营灵活性较高。根据上述分析，西环线工程推荐釆用6辆编组列车，采用4动2拖的配比形式。

3 乘车舒适性分析

人员的站立密度是影响乘客乘坐舒适性的重要因素，在进行车辆选型时应合理确定乘客站立面积的标准及与之对应的服务标准。表7给出了国内城市轨道交通车辆拥挤程度的评价准则。

表7 国内城市轨道交通车辆拥挤程度评价准则表

根据建标104—2008《城市轨道交通工程项目建设标准》的规定：车辆的座位数宜占总定员的15%～20%。当全程线路大于12 km时，根据客流性质，宜适当降低车辆定员”。[7]

西环线服务的是长沙、株洲、湘潭的跨市出行人员，乘客的平均运距较长，对乘车舒适性的要求比城市轨道交通线路高。根据西环线工程客流预测，本项目远期最大单方向断面客流为2.01万人次/h，且线路较长(30 km以上)，建议采用4人/m2的立席人数标准。

4 供电制式选择

国内城市轨道交通线路与干线铁路主要釆用交流25 kV、直流1 500 V 、直流750 V 3种牵引供电制式，其中：铁路线一般采用交流25 kV，城市轨道交通线路一般采用直流1 500 V。随着技术的发展，基于资源整合的需求，市域快线作为衔接地铁与铁路的轨道交通方式，应考虑在未来有与铁路、地铁网的共线运营或换乘的可能性。此外，线路等级速度对弓网受流质量、车辆研发成本、配套工程投资等方面有较大的影响，因而是确定供电制式的重要因素之一。

根据国内外经验，线路等级速度≤120 km/h的列车一般适用于长度≤50 km的线路，此时采用直流供电和交流供电均可,线路等级速度不是供电制式的控制因素，供电制式取决于线路与铁路或地铁的衔接关系；线路等级速度为120 ～160 km/h的列车适用于长度50 ～100 km的线路，此时若采用直流供电制式，会对车辆性能、配套工程有较高的要求，与交流供电制式相比无明显技术经济优势；线路等级速度≥160 km/h的列车适用于长度≥100 km的线路，此时若采用直流供电制式，弓网受流质量较差，车辆研制成本显著增加，配套供电系统投资较大。

基于上文的分析，西环线推荐线路等级速度的最佳选择为100 km/h， 120 km/h次之。结合上文不同线路等级速度下的供电适应性分析结论，采用交流、直流供电模式均可，但考虑到西环线将与3号线贯通运营，基于线路衔接关系，为实现资源共享，西环线推荐采用与3号线一期工程相同的1 500 V直流供电模式。