特殊地形條件下的城市軌道交通車輛選型

李紅衛(wèi)

(貴陽市城市軌道交通有限公司，貴陽550022)

特殊地形條件下的城市軌道交通車輛選型

李紅衛(wèi)

(貴陽市城市軌道交通有限公司，貴陽550022)

在軌道交通前期規(guī)劃階段，通常對車輛選型不做深入研究，但特殊地形條件下的車輛選型則可能對后期工程建設產(chǎn)生很大影響。根據(jù)貴陽市地形起伏較大的特點，在建設規(guī)劃階段運用牽引計算，對快線系統(tǒng)的車輛指標進行定性和定量的專題研究。從符合上位規(guī)劃的角度分析并選取車輛最高速度，從適應地形條件的角度研究車輛動拖比及長大坡道的適應性。研究表明，貴陽軌道交通快線系統(tǒng)應選擇最高速度為100 km/h的B型車;全動車及4M2T都可滿足運營需要，但全動車對長大坡道的適應性更好;隨著前期規(guī)劃工作的深化，在后續(xù)設計階段應進一步比較兩種車型的適應性和經(jīng)濟性。

城市軌道交通;車輛選型;建設規(guī)劃;牽引計算;動拖比;全動車

1 研究背景

貴陽市是貴州省省會，現(xiàn)狀中心城區(qū)常住人口約300萬人，正處于快速發(fā)展階段，城市規(guī)?？焖倥蛎洠鞘邪l(fā)展規(guī)模預期不斷被改寫。貴陽市首輪軌道交通建設規(guī)劃于2010年獲得國家批復，批復方案為1號線和2號線一期，總長56 km，均采用常規(guī)地鐵B型車5輛編組，最高行車速度80 km/h。

貴陽市是典型的山地城市，溝深谷狹，地形起伏較大，常規(guī)軌道交通列車系統(tǒng)選型面臨諸多限制。同時城市發(fā)展規(guī)模預期不斷調(diào)整，也對城市軌道交通客流需求產(chǎn)生影響，進而影響了車輛選型。上輪建設規(guī)劃批復的B5編組方案在最終實施中調(diào)整為B6編組，采用常規(guī)車型4M2T的動力組合［1 2］。

因為常規(guī)B型車爬坡能力的限制，1、2號線在實施過程中，在遇到長大坡道時均不得不進行展線。1號線從金陽到主城區(qū)落差220 m，且主要集中在貴陽北站到扁井區(qū)間，該區(qū)間直線距離3.7 km，落差161 m，自然坡度達54‰，超過了普通電機車輛的爬坡能力。為滿足地鐵爬坡要求，需對線路進行展線設計，最終實施方案展線2.2 km，并增加雅關站1座［3］，如圖1所示。

圖1 貴陽1號線展線方案及高差關系Fig.1 Line location scheme andheight difference in Guiyang Metro Line 1

進一步思考貴陽地形特點和車輛性能適應性，可以看出在1、2號線線路方案一系列變化后面隱含的問題:一是1、2號線車輛沒有突破常規(guī)，仍然選用了一般平原城市采用的常規(guī)車型，并不適應貴陽的地形特點;二是規(guī)劃階段，特別是建設規(guī)劃階段沒有考慮開展系統(tǒng)車輛選型的研究。導致后續(xù)工作中，即便發(fā)現(xiàn)了系統(tǒng)不足的問題，也沒有時間和資金空間進行調(diào)整。

對此，應當提前在建設規(guī)劃階段開展車輛選型的技術性專題研究，突出山地城市特點對車輛性能的要求，最終提出適應貴陽市軌道交通線路條件的車輛性能指標和系統(tǒng)配置建議。

2 研究基礎和方法

貴陽市新一輪軌道交通建設規(guī)劃提出了144.7 km的建設方案，涉及城市軌道交通普通地鐵線，也有新增的市域快線?？紤]到貴陽線網(wǎng)規(guī)模不大，線路數(shù)并不多(見圖2)，并且1、2號線已經(jīng)實施，在沒有特殊的情況下，從資源共享及經(jīng)濟性方面考慮，新增線路宜與既有線路保持一致。因此，本文只針對新增快線(S線)系統(tǒng)展開系統(tǒng)配置(最高速度、動拖比)的研究。

S1線一期上報規(guī)模28.5 km，望城坡站—貴安站;全線規(guī)模51 km，從貴陽東站—皂角壩站，平均站間距2.4 km。S2線一期上報規(guī)模62.7 km，貴陽北站—天馬街站;全線規(guī)模75.1 km，貴陽東站—北甘街站，平均站間距2.33 km。

圖2 貴陽市城市軌道交通遠景線網(wǎng)Fig.2 The prospect network of Guiyang urban rail transit

首先，通過對上位規(guī)劃的梳理，明確上位規(guī)劃對車輛的基本要求;其次，根據(jù)S線系統(tǒng)的性質(zhì)和功能定位、線路特征等要素，結合列車牽引計算，確定車輛的最高速度指標;最后，根據(jù)牽引計算及分析結果，確定車輛的動拖比，以達到系統(tǒng)配置的合理性，作為后續(xù)設計工作的參考依據(jù)。

3 上位規(guī)劃對車輛速度指標的要求

根據(jù)上位規(guī)劃［46］對出行時間的要求，結合各區(qū)位的空間尺度距離，估算出對運行速度的要求，如表1所示。

表1 根據(jù)上位規(guī)劃出行時間要求推算運行速度Tab.1 Comm ercial speed calculation according to the travel time requriem ent

根據(jù)上位規(guī)劃對出行時間的要求，結合線路條件［6］，估算出對運行速度的要求，如表2所示。

表2 根據(jù)線路條件推算運行速度Tab.2 Comm ercial speed calculation according to the rail condition

經(jīng)過定性分析及簡單的定量計算后，初步判斷S線運行速度要求不低于55 km/h，這要求S線車輛的設計速度不低于100 km/h，建議在運行速度100～120 km/h的車型范圍中選擇。

4 速度指標的確定

4.1 根據(jù)線路特點及車站分布驗證速度適應性

以最高速度120 km/h和最高速度100 km/h的列車為例，列車起動—惰行(以最高速度運行10 s)—制動(常用制動)3個工況的走行距離曲線詳見圖3。

圖3 列車起動惰性及制動走行距離曲線［7］Fig.3 Train start inertia and braking distance curve

由圖3可知，列車從起動—最高運行速度—惰行10 s—常用制動—停止，最高運行速度為120 km/h的列車需要走行約2 km的距離，100 km/h的列車需要走行約1.6 km的距離。因此，為充分發(fā)揮列車的速度效率，選擇最高運行速度為120 km/h的合理站間距宜為2 km以上，100 km/h的合理站間距宜為1.6 km以上［8］。

貴陽市軌道交通線網(wǎng)中的S線，均有站間距大的特點，S1線平均站間距2.4 km，最大站間距5.85 km，小于1.6 km站間距的區(qū)間有7個;S2線平均站間距2.33 km，最大站間距5.1 km，小于1.6 km站間距的區(qū)間有8個。

因此從線路特點、站間距條件來看，在全網(wǎng)范圍內(nèi)采用最高運行速度為120 km/h和100 km/h的列車均有發(fā)揮其速度效率的可能。

4.2 根據(jù)S線線路平曲線特點判斷速度適應性

影響車輛運行速度的另一個關鍵因素是線路平曲線半徑對應的限速。根據(jù)線路平面，計算出S1、S2線分別在100 km/h和120 km/h速度下的限速值，統(tǒng)計限速段的比例，匯總及分析如表3所示。

表3 S1、S2線在不同速度下的限速情況統(tǒng)計Tab.3 The statistics table about line S1 and S2 under the speed lim it of100 km/h and 120 km/h

經(jīng)過計算、統(tǒng)計匯總發(fā)現(xiàn):1)無論S1還是S2線，100 km/h速度下的限速段比例較低，對線路總體運行情況影響較小;2)120 km/h速度下受到的限速影響較大，尤其是S2線。由此判斷:S1、S2線如果選用速度為120 km/h的車輛，則難以發(fā)揮其速度優(yōu)勢。

4.3 車輛速度牽引計算結果分析

通過牽引計算模擬結果驗證上述分析、判斷的準確度，同時進一步量化分析造成這一速度差異(或差異不大)的原因。

1)全線。相同動拖比下，對100 km/h和120 km/h車輛進行牽引計算比較，結果如表4所示，相比100 km/h的車輛，120 km/h的車輛運行速度提升僅有1 km/h，全線時間節(jié)約了1 min左右，速度優(yōu)勢基本未發(fā)揮，而能耗卻提高了21%～28%。

表4 S1、S2線牽引計算結果Tab.4 The traction calculation results about line S1 and S2

2)大站距區(qū)段。為了進一步比較速度差異性，分別選取S1、S2連續(xù)站間距較大區(qū)段進行牽引計算分析，如表5、表6所示。

表5 S1、S2線大站距區(qū)段Tab.5 The long station spacing sections of line S1 and line S2

表6 S1、S2線大站距區(qū)段牽引計算結果Tab.6 The traction calculation results for long station spacing sections of line S1 and line S2

分別選取的S1和S2的大站距區(qū)段牽引計算結果類似。120 km/h車輛的運行速度優(yōu)勢在2 km/h上下，時間節(jié)約了0.6 min左右。同樣能耗高出33%以上。

牽引計算結果顯示，即便在大站距區(qū)間，120 km/h的車輛速度優(yōu)勢仍不明顯，并且能耗較大。

3)達速比。通過另一個衡量速度的量化指標——達速比(達到設計速度80%的距離比例)來進一步對比分析。以S1為例，分別選擇全線、大站距區(qū)段、大站距曲線段和老城區(qū)段統(tǒng)計分析。

統(tǒng)計結果如表7所示:全線120 km/h車輛達速比比例不到3成;大站距區(qū)段略好，也只超過了一半;在老城區(qū)受小站距、曲線限速的影響比例為0。

綜合以上分析結果，S線推薦使用最高速度為100 km/h的車輛。

表7 達速比統(tǒng)計Tab.7 The statistics table about the proportion to achieve speed requirements

5 車輛性能(動拖比)指標的確定

5.1 動拖比牽引計算結果分析

使用常規(guī)4M2T車型與全動車，分別對本次貴陽軌道交通建設規(guī)劃中涉及的S1、S2線進行模擬牽引計算，將各線的模擬結果匯總對比，牽引計算結果如表8、表9顯示，無論是S1線還是S2線，兩種車型的運行速度相當，全動車略快。

表8 S1線牽引計算結果對比Tab.8 Com parison for the traction calculation results of Line S1

表9 S2牽引計算結果對比Tab.9 Comparison for the traction calculation results of Line S2

5.2 長大坡道的適應性

以坡度起伏最大的S1線為例，選取連續(xù)坡度最大、連續(xù)提升距離最高的振華廣場站—貴陽東站區(qū)間，該區(qū)間為連續(xù)20‰、34‰的上坡，高程總共提升超過110 m，如圖4所示。牽引計算分析對比結果如圖5、圖6所示。

應對連續(xù)大坡度的能力顯然全動車更具優(yōu)勢。常規(guī)車型爬坡能力弱，甚至無法達到最高設計速度;全動車爬坡能力強，不但能在短時間內(nèi)達到最高設計速度，還可以降低牽引率，維持在這樣一個高速運行狀態(tài)。

圖4 振華廣場站—貴陽東站縱斷面示意Fig.4 The longitudinal section diagram for Zhenhua Square Station Guiyang East Station

圖5 振華廣場站—貴陽東站常規(guī)車型牽引計算示意Fig.5 The traction calculation diagram for conventional models between Zhenhua Square Station to Guiyang East Station

圖6 振華廣場站—貴陽東站“全動車”牽引計算示意Fig.6 The traction calculation diagram for all- motor vehicles between Zhenhua Square Station to Guiyang East Station

另一方面，由于全動車爬坡性能的增強，對于線路的適應性也更強，在一些特殊路段的處理上也更為靈活，從而達到優(yōu)化線路、減小車站埋深的目的，以節(jié)約工程投資。

綜上分析，S線系統(tǒng)在全網(wǎng)資源共享原則的基礎上，采用了相同規(guī)模的6輛編組B型車，但針對其不同的功能定位和線路特性，推薦選取最高速度為100 km/ h的車型。而牽引計算模擬顯示，相比常規(guī)車型，加強動力性能的車型(可參照重慶As車)由于具備良好的爬坡性能，所示更能夠適應貴陽的地形特點。因此，建議在后續(xù)可研、設計階段，結合細化后的工程方案，繼續(xù)深入研究兩者對于貴陽快線系統(tǒng)的適應性、可行性和經(jīng)濟性。

6 結語

對于類似貴陽這種地形條件比較特殊的城市，在軌道交通建設規(guī)劃階段提前介入車輛選型的工作是十分必要的，不但能夠避免在后續(xù)工作中，因為車輛條件的限制而提高工程難度、增加工程量和投資，甚至影響工程整體進度，而且對穩(wěn)定規(guī)劃工程實施條件，指導后續(xù)的可研、設計工作有著重要的意義。

［1］中國中鐵二院工程集團有限責任公司.貴陽市軌道交通1號線一期工程可行性研究報告［R］.成都，2013.

［2］中國中鐵二院工程集團有限責任公司.貴陽市軌道交通2號線一期工程可行性研究報告［R］.成都，2013.

［3］趙亮.城市軌道交通線網(wǎng)實施規(guī)劃工作要點研究［J］.都市快軌交通，2015，28(5): 108- 111.

ZHAO Liang.Work points of urban rail transit network implementable planning［J］.Urban rapid rail transit，2015，28(5): 108- 111.

［4］中國城市規(guī)劃設計研究院.貴陽市城市總體規(guī)劃(2009—2020年)［R］.北京，2009.

［5］中國地鐵工程咨詢有限責任公司.貴陽市城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃修編［R］.北京，2015:65- 67.

［6］中國地鐵工程咨詢有限責任公司.貴陽市城市軌道交通建設規(guī)劃(2016—2022)［R］.北京，2015:42- 45.

［7］李劍虹，徐吉慶.東莞市城市快速軌道交通R2線車輛選型關鍵問題探討［J］.鐵道機車車輛，2010，30(6): 70- 75.

LI Jianhong，XU Jiqing.Discussion of the key issues on rolling stock choice for Dongguan metro line R2［J］.Rail way locomotive＆car，2010，30(6):70- 75.

［8］中國地鐵工程咨詢有限責任公司.貴陽市城市軌道交通建設規(guī)劃(2016—2022)車輛選型專題［R］.北京，2015:43 48.

(編輯:曹雪明)

Vehicle Selection of Urban Rail Transit under Special Terrain Conditions

LIHongwei
(Guiyang Urban Rail Transit Co.，Ltd.，Guiyang 550022)

Vehicle type selection is usually not studied in depth at the early stage of planning for urban rail transit，but under special terrain conditions itmay have a great influence on the follow- up construction.The traction calculation has been carried out in Guiyang urban rail network construction plans because of themountainous terrain in Guiyang，and the analysis ismade to identify the vehicle index for the rapid rail transit system.Themaximum speed of the vehicle is selected from the perspective of master planning.The vehiclemotor trailer ratio and the adaptability to long steep grade are analyzed from the angle of adapting to the terrain conditions.It is concluded that for Guiyang rapid rail transit system，vehicle B w ith the maximum speed of 100km/h should be chosen;all motor vehicles and the 4M 2T vehicles canmeet the operational needs，but the adaptability of all- motor vehicles on the long steep ramp is better.The adaptability and economy of the two models should be further compared in the follow up stage of design.

urban rail transit;vehicle selection;construction plan;traction calculation;motor- trailer ratio;all- motor vehicles

U231

A

1672- 6073(2017)02- 0015- 05

10.3969/j.issn.1672 6073.2017.02.004

2016- 12 21

2016 12 30

李紅衛(wèi)，男，高級工程師，從事軌道交通規(guī)劃、建設及運營管理工作，1150840045@qq.com