芜湖城市轨道交通2 号线总体技术研究

2021-11-18周江天胡江民

铁道勘察 2021年5期

周江天胡江民

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

城市轨道交通是一个复杂的系统工程,总体技术方案的选择对是否满足交通需求、投资、建设周期、运营组织及成本影响极大。纵观我国城市轨道交通发展历程,城市轨道交通系统模式以地铁为主,对地铁系统的总体技术方案研究较多且已基本形成相对明确的结论。然而,对于需要建设轨道交通但又达不到建设地铁标准的城市而言,地铁系统的相关研究成果无法照搬。因此,对于芜湖同类的中等规模城市,研究其系统、车辆、供电、信号等制式及行车组织、敷设方式、线站位等总体技术方案具有重要意义。

1 芜湖城市轨道交通建设必要性

2011 年,芜湖行政区划进行调整,将原巢湖市无为县二坝镇、汤沟镇纳入芜湖,芜湖市中心城区面积由826.7 km2变为1 290.37 km2。基于此,《芜湖市城市总体规划(2012～2030)》提出着力构建“多中心、组团式、拥江发展”的空间发展格局,中心城区空间结构规划为“龙湖为心、两江三城”。但现状城市空间以外延式拓展布局为主,组团式发展形态仍未真正形成,现状城市发展与规划的“拥江发展”格局还存在差距[1]。

2014 年芜湖中心城区人口已达168 万人,预测2020 年人口为251 万,2030 年人口为292 万[2];出行总量达983.6 万人次/d,出行需求大;同时中心城区处于拥堵及堵塞状态的道路占比达34.2%,部分道路已达超饱和状态,如不建设以轨道交通为主导的公共交通,将难以满足巨大的出行需求[3]。

2 芜湖城市轨道交通2 号线概况

轨道交通2 号线为东西向骨干线路,可强化江南城区中心区、城东产业组团与江北新城之间的联系;东起万春湖路站,西至江北火车站,线路长30.405 km,设车站19 座(高架站17 座、地下站2 座),设江北停车场1 座、梦溪路车辆基地1 座(见图1)。

图1 芜湖轨道交通2 号线示意

2 号线一期东起万春湖路站,西至北京路站,全长15.853 km,其中地下线长1.409 km,地面及高架线14.447 km。全线共设车站11 座(高架站10 座、地下站1 座);在北京路站西侧设置与1 号线联络渡线;设梦溪路车辆基地1 座;设全网5 线共用控制中心1 座;设政务中心主变电所1 座[4]。

3 轨道交通2 号线制式研究

3.1 系统制式

(1)系统制式研究原则

①满足规划运量规模;

②提供合理服务水平;

③符合城市整体交通需求;

④满足国产化要求;

⑤将投资控制在合理范围之内。

(2)客流指标

轨道交通2 号线客流预测指标见表1。

表1 轨道交通2 号线各特征年客流预测指标

从特征年客流预测指标可知,2 号线远期最大断面客流为2.05 万人次/h,属于中运量[5]。因此,2 号线系统制式应从中运量系统中选择。

(3)系统制式分析

根据原建设部CJJ/T 114-2007《城市公共交通分类标准》,满足芜湖轨道交通2 号线规划运量规模的系统制式有:地铁系统(B 型车、LB型车)[6]、轻轨系统(C 型车、LC型车)、跨座式单轨[7]、中低速磁浮、自动导向轨道系统(胶轮特制车)[8],中运量各类型轨道交通系统分析比较见表2。

表2 中运量系统制式对比

从系统运输能力方面分析,2 号线远期最大断面客流为2.05 万人次/h,地铁系统(B 型车、LB型车)运输能力远高于需求,不宜采用,其他中运量系统制式运输能力与客流需求较为匹配;从造价方面分析,跨座式单轨造价最低,为地铁的30%～50%,为其他中运量系统制式的70%～80%;从工期方面分析,跨座式单轨较其他中运量系统制式短1～4 年;从线路适应性方面分析,跨座式单轨最小曲线半径(50 m)小于地铁,最大坡度(60‰)大于地铁,与其他中运量系统制式相当,对减少拆迁、上跨高铁、下穿长江适应性更强;从能耗方面分析,跨座式单轨与自动导轨相当,高于地铁、轻轨,低于磁浮;从环境适应性方面分析,跨座式单轨采用胶轮系统,噪声振动与自动导轨相当,但远小于钢轮钢轨系统的地铁、轻轨;从对城市影响分析,跨座式单轨以高架敷设方式为主,对日照、城市分割影响高于以地下敷设方式为主的地铁,与其他以高架敷设方式为主的中运量系统相比,跨座式单轨高架体量最小,对城市影响最小,且有较好景观效果;从安全性方面分析,跨座式单轨因骑跨在轨道梁上,基本无脱轨风险,安全性相对更高。因跨座式具有上述优点,更适合芜湖这种中等规模城市,故推荐芜湖轨道交通2 号线系统制式采用跨座式单轨。

3.2 车辆制式

(1)车辆主要技术参数

主要针对跨座式单轨车辆进行研究。考虑跨座式单轨车辆在国内外实际适用情况,重点研究在我国重庆及日本应用的大型单轨车(简称MA 型车)和在巴西等国应用较多的轻型单轨车(简称MB 型车),两种车型参数对比见表3[9-10]。

表3 车辆主要技术参数

(2)车辆制式分析

①运能及载客率

MA 型车6 辆编组时,车辆长89.400 m,定员962 人/列,载客率10.76 人/延米;系统能力26 对/h,系统运能25 012 人/h[11]。

MB 型车6 辆编组时,车辆长74.164 m,定员856 人/列,载客率11.54 人/延米,接近地铁B 型车12.27 人/延米;系统能力30 对/h,系统运能25 680人/h[12]。

MB 型车载客率高,相同编组时,运能高且列车长度短,利于减小车站规模。

②车辆总体构造

MB 型车总体上车辆高度小、地板面高度和整体重心低,侧倾力矩小,动力学性能和乘坐舒适度优;采用单轴转向架,所需的车轮数量少,转弯半径小,过弯阻力小,曲线通过能力强,弯道轮胎磨损小,噪声及能耗低。

③供电电压

MA 型车与MB 型车分别采用DC1500V 和DC750V 电压制式,MA 型车的电压要求更符合目前国内轨道交通的发展趋势,也较为经济合理。

④检修疏散

MA 型车、MB 型车车厢地板距轨道梁顶面分别为1.13 m、0.45 m。全线贯通的应急疏散平台与轨道梁面高差较小时,日常检修、维护及紧急情况下救援疏散更便捷,也有利于保证区间高架系统整体景观的协调性。

⑤国产化及车辆单价

MA 型车国产化率更高,在价格方面具有优势。

⑥工程差异

轨道梁:轨道梁基准尺寸为MA 型车型轨道梁为I型断面,宽×高=850 mm×1 500 mm,MB 型车型轨道梁为矩形断面,宽×高=690 mm×1 300 mm。

盾构隧道断面:MA 型车盾构直径为7.0 m,MB 型车盾构直径为5.8 m。

道岔:MA 型车正线主要采用关节式道岔,结构较为复杂,侧向允许列车通过的速度为≤25 km/h;MB型车正线主要采用换梁型道岔,结构简单,侧向允许列车通过的速度达40 km/h。

综上,MB 型车虽然单价高,供电电压低,但载客率高,相同编组时运能大,线路适应性强,检修疏散便捷,土建工程更经济,推荐采用。

3.3 供电制式

(1)供电电压制式

城市轨道交通车辆电压制目前常用的主要有DC1500V 和DC750V 两种[13]。相同编组形式下,DC1500V 电压制式供电距离更大[14],为DC750V 供电距离的1.25～1.5 倍,有利于减少牵引变电所数量,从而减少轨道交通土建及机电设备投资[15],单从供电电压制式方面分析,芜湖轨道交通2 号线宜采用DC1500V 电压制式;但从供电制式与车辆制式相统一的角度出发,2 号线采用MB 型车整体上更经济、环保、便捷,故推荐采用与MB 型车匹配的DC750V。

(2)外部电源供电方式

城市轨道交通外部电源供电方式可分为集中供电、分散供电和混合式供电[16]。因混合式供电运行调度复杂,电源开闭所对主变电所的支援能力差,可靠性较低,故重点研究集中供电与分散供电方式,两种供电方式对比见表4。

表4 集中与分散供电方式技术对比

分散供电虽然投资较省,但可靠性低,且从芜湖市外电现状及规划看,220 kV、110 kV 变电站具有中心城区丰富,其他地区匮乏的特点,分散供电也难以实现,故推荐2 号线采用集中式供电。

3.4 信号制式

2 号线采用跨座式单轨制式,普通地铁轨道信号系统利用钢轨检测列车位置及传输信息的轨道电路不能满足单轨列车控制需求。结合国内外单轨信号制式应用情况,重点研究基于ATP/TD 环线的ATC 系统和基于无线通信的ATC 系统(CBTC)[17],两种信号制式对比见表5。CBTC 系统组成简单、功能强大,已实现国产化,结合在建及建成的国内外轨道交通线路信号设备选择情况,充分考虑轨道交通线网在车辆、备品备件、培训等方面的资源共享及信号技术发展趋势,推荐芜湖2 号线正线信号制式采用基于无线通信的ATC 系统(CBTC)。

表5 ATP/TD 环线与CBTC 方案对比

3.5 道岔制式

(1)道岔制式对比

跨座式单轨道岔制式主要有整体梁型和节段梁型,两种道岔制式对比见表6[18-19]。

表6 不同道岔制式主要技术特点对比

(2)道岔制式分析与选择

道岔线形分析:换梁型道岔导向面、稳定面为圆曲线,由机械加工而成,精度高;关节可挠型道岔在梁内设可挠机构,使导向面和稳定面变形为多条折线,形成近似圆曲线。换梁型道岔线形线更加流畅,乘客舒适性较高。

侧向允许通过速度分析:换梁型道岔可根据速度需要选取圆曲线半径,侧向允许通过速度一般为40 km/h,高于关节可挠型道岔的25 km/h。

节能分析:换梁型道岔和枢轴型道岔用电量小于关节可挠型道岔和关节型道岔,更节能。

建设成本分析:换梁型道岔及枢轴型道岔制造和安装成本低,投资相对较小。

维护成本分析:换梁型道岔和枢轴型式道岔机械装置构造更为简单,故障率低,维护成本低。

综上,推荐芜湖2 号线采用整体梁型道岔,结合整体梁型道岔特点,过岔速度、舒适度要求高的正线采用换梁型道岔,过岔速度低、舒适度无要求的车辆基地采用枢轴型道岔。

4 行车组织

4.1 列车编组方案研究

2 号线初、近、远期高峰小时最大断面流量分别为0.69 万人次、1.48 万人次和2.05 万人次,结合前述车辆选型研究结论,对2 号线车辆编组研究3 个方案。

方案一:初、近期4 辆,远期6 辆编组;

方案二:初期4 辆,近、远期6 辆编组;

方案三:初、近、远期均采用6 辆编组。

3 个方案对比见表7。

表7 列车编组方案对比

方案一近期采用4 辆编组,高峰小时开行对数30 对,远期采用6 辆编组时,开行对数降为28 对,降低了服务频率;方案三初期能力富余较多,且初期运用车数多,车辆购置费高;方案二初期车辆购置费低,初期服务频率较高,与客流增长相匹配。故推荐2 号线列车编组方案为初期4 辆,近远期6 辆编组。

4.2 运营交路方案研究

(1)客流特征

2 号线各设计年度早高峰断面流量示意见图2～图4。

图2 2 号线初期早高峰客流断面示意

图3 2 号线近期早高峰客流断面示意

图4 2 号线远期早高峰客流断面示意

由图2～图4 可知,①初期、近期、远期高峰小时客流“向心”特点突出;②初期高峰小时最大断面客流量位于芜湖火车站—弋江路区间,近、远期高峰小时最大断面客流量均位于文化路—北京路区间,其中远期下行方向有3 个区间断面流量在2 万人次以上,有6 个区间断面流量在(1.5～2)万人次间,上行方向断面流量均较小;③近、远期客流断面差异较小,高峰客流断面呈现明显的潮汐现象。

(2)列车运营交路方案

根据2 号线客流特征,列车运营交路研究3 个方案,见图5～图7。

图5 2 号线远期列车运行交路示意(方案一)

图6 2 号线远期列车运行交路示意(方案二)

图7 2 号线远期列车运行交路示意(方案三)

方案一:大交路万春湖路—江北火车站14 对,小交路万春湖路—经二路14 对。

方案二:大交路万春湖路—江北火车站18 对,小交路万春湖路—商贸中心9 对。

方案三:单一交路万春湖路—江北火车站28 对。3 个方案对比分析见表8。

表8 2 号线远期交路方案比较

从与客流特征的匹配性来看,方案一最强,各段运能余量适中;方案二次之,经二路—江北火车站段运能余量偏高;方案三最差,线路两端运能余量太大,降低车辆满载率,导致车辆空驶。

从服务水平来看,3 个方案的差别主要体现在线路西端,方案一线路西端服务水平为14 对,方案二为18 对,方案三为28 对,方案一在线路西端服务水平最低,但也可以满足客流的需要。

从车辆购置费来看,方案一最低,方案二略高,方案三最高。

从运营管理来看,方案一、方案二采用大小交路套跑的形式,运营管理相对复杂,且方案二大小交路比例为2 ∶1,小交路以外区段列车间隔不均衡,会导致间隔时间长的列车较拥挤。方案三采用一个大交路,运营管理简便。

综上,方案一具有满足客流需求,与线网中其他线路的服务水平较匹配,车辆购置费最省的优点,推荐采用。

4.3 配线

(1)配线原则

①根据列车运行交路,设置必要的渡线和折返线;②有条件时与各规划轨道交通线预留设联络线条件;③每隔4～6 座车站(或间隔不大于10 km)设停车线,并根据故障运行和维修作业的要求设置必要的单渡线;④为方便列车出入车辆段(停车场),设必要的渡线和出入段(场)线;⑤考虑遇到非正常情况或紧急情况时,能够提供采取相应的列车运行模式的线路条件;⑥需综合考虑对道路交通组织和景观影响。

(2)配线方案

根据配线原则,结合推荐列车运行交路方案及工程条件,2 号线设辅助线的车站共有11 处,其中设渡线车站5 处,梦溪路站和江北火车站分别为梦溪路车辆基地和江北停车场的接轨站,见图8。

图8 2 号线辅助配线示意

5 敷设方式

跨座式单轨结构小巧,墩柱小,占地少,可在路中或路侧2～3 m 宽绿化带中布线,同时噪音低、振动小,且高架敷设方式明显比地下敷设方式更经济[20]。因此,2 号线总体敷设方式优先选择高架敷设方式,考虑建设国铁芜湖火车站已为轨道交通预留地下换乘通道,为使轨道交通与铁路形成便捷换乘的综合交通枢纽,2 号线一期除芜湖火车站段采用地下敷设方式外,其余地段均采用高架敷设方式;另外,2 号线二期规划有过江隧道,故2 号线二期海事局至商贸中心站段采用地下敷设方式。

综上,2 号线敷设方式为:芜湖火车站段、海事局至商贸中心站(不含)采用地下敷设,其余地段采用高架敷设。