成都市軌道交通市域快線關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用

周旭

摘 要：根據(jù)成都市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃特征，以成都市軌道交通 18 號線（新機場線）為工程案例，以項目功能定位和運營需求為出發(fā)點，從速度目標值、運營模式、車輛選型、供電制式、隧道凈空斷面尺寸、軌道系統(tǒng)及弱電系統(tǒng)等多個方面進行分析論證，對成都市軌道交通市域快線的主要技術(shù)標準和關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)進行探索性的創(chuàng)新研究，以期為國內(nèi)其他城市市域快線技術(shù)標準的選取提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：市域快線;技術(shù)標準;關(guān)鍵參數(shù)

中圖分類號：U239.5

隨著城市化進程的不斷加快，目前國內(nèi)大部分城市都遇到了城市發(fā)展空間不足的問題，因此積極拓展城市空間，特別是發(fā)展新區(qū)、市郊組團及衛(wèi)星城，成為新一輪城市建設(shè)和發(fā)展的重點。為加速和帶動新區(qū)及外圍組團的發(fā)展，連接城市外圍機場、高鐵站等交通樞紐，各地陸續(xù)規(guī)劃建設(shè)了連接中心城區(qū)和外圍組團的城市軌道交通市域快線（以下簡稱“市域快線”），此類快線具備線路長度長（≥50 km）、車站數(shù)量少（站間距大）、運行速度高（≥100km/h）三大特點。成都市軌道交通18 號線就是此類項目的典型代表。

1 成都市域快線的規(guī)劃及理念

1.1 規(guī)劃概況

成都市軌道交通線網(wǎng)共規(guī)劃有46條線路，總規(guī)模2450.04km。在線網(wǎng)規(guī)劃之初，規(guī)劃研究單位根據(jù)沿線的城市規(guī)劃特征，系統(tǒng)分析了每條規(guī)劃線路的線站位方案和功能定位，首次在規(guī)劃階段將線網(wǎng)明確區(qū)分為普線線網(wǎng)（最高運行速度為80 km/h）和市域快線線網(wǎng)（最高運行速度≥100km/h）2個層級（圖1），其中市域快線線網(wǎng)規(guī)模共計1 129 km。

1.2 規(guī)劃理念

成都市域快線的規(guī)劃理念相對以往的線網(wǎng)規(guī)劃有明顯不同：從功能看，主要解決外圍組團和中心城區(qū)，以及組團之間的快速聯(lián)系;從布局看，旨在實現(xiàn)中心城區(qū)的快速穿越，以及中心城區(qū)與外圍組團間的切向快速轉(zhuǎn)移;從技術(shù)標準看，側(cè)重快速性（規(guī)劃車站間距大、速度目標值高）、舒適性（車廂內(nèi)坐席率高、站立密度低）以及運營的靈活性（多種交路、多種運營模式、互聯(lián)互通）。

2 成都市軌道交通 18 號線概況

隨著成都天府國際機場（以下簡稱“天府機場”）選址的確定，成都市在軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃中增加了連接中心城區(qū)、天府新區(qū)、東部新區(qū)及天府機場的18號線一、二期工程，線路起于成都火車南站，止于天府機場，全長69.4 km，設(shè)車站12座，將于2020年底全線通車，后續(xù)三期工程還將向北經(jīng)中心城區(qū)延伸至火車北站，向南延伸至臨江站（圖 2）。全線設(shè)車輛綜合基地1處，停車場1處，主變電所5座，采用速度目標值為140 km/h的8輛編組市域A型車，以及AC25kV架空懸掛接觸網(wǎng)供電制式。

18號線是一條典型的“機場+市域”復(fù)合功能線路，其具有兩大功能定位：①作為機場線，滿足機場客流的出行需求（火車南站 — 天府機場40 min可達）;②滿足沿線通勤客流的出行需求，緩解成都市南北中軸線尤其是既有軌道交通1號線的巨大客流壓力。

3 關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用

在18號線項目的前期研究和設(shè)計階段，研究人員確定了該線路在中心城區(qū)是復(fù)合功能線，外圍是快線、專線的設(shè)計理念;初步設(shè)定其最高運行速度應(yīng)在120km/h以上，并具有靈活的運營方式;在制式選擇方面，采取了有別于常規(guī)地鐵的研究思路。在此基礎(chǔ)上，研究人員從速度目標值、運營模式、車輛選型、供電制式、隧道凈空斷面尺寸、軌道系統(tǒng)及弱電系統(tǒng)等多個方面進行分析論證，對成都市域快線的主要技術(shù)標準和關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)進行了探索性的創(chuàng)新研究，下面將對其進行介紹。

3.1 列車速度目標值

在18號線項目規(guī)劃階段，鑒于其機場線的特點，規(guī)劃部門提出了中心城區(qū)至天府機場全程旅行時間需控制在40 min以內(nèi)的時間要求。根據(jù)18號線的規(guī)劃線站位方案及平均站間距等特點，再綜合考慮上述時間要求，選擇的列車最高運行速度應(yīng)該為120～160km/h。進一步的速度牽引計算結(jié)果表明，120km/h的速度難以滿足40min的時間要求，而對于160km/h的速度，全線僅2 個區(qū)間可達到，且此速度下的旅行時間相對140km/h僅縮短了1min。因此，綜合考慮車輛選型及購置費、運營效率、能耗、土建工程成本等方面的因素，研究人員最終選用了適合本線特點的最高運行速度為140km/h的市域A型車，這是目前國內(nèi)市域A型車能夠達到的最高速度。

3.2 運營模式

18號線是機場線。對于帶有機場服務(wù)功能的城市軌道交通線路，目前國內(nèi)已有的運營模式見表1。

鑒于18號線“機場+市域”的復(fù)合功能定位，采用不同車型的快慢車混跑運營模式（模式5）是最合適的選擇，因此在項目可行性研究和初步設(shè)計階段，考慮采用慢車車輛座椅縱列式布置、快車車輛座椅橫列式布置的方式，并在快車停靠車站單獨設(shè)置快車?？空九_，在站廳層設(shè)置單獨付費區(qū)，擬達到使快慢車客流分流的目的，并預(yù)留了票價差異化的條件。但在初步設(shè)計后期，出于保持服務(wù)水平一致性的考慮，研究人員最終選擇了統(tǒng)一車型、適當提高舒適度標準的快慢車混跑運營模式（模式4），并在國內(nèi)首次構(gòu)建了完整的快慢車運營模式理論體系。

3.3 車輛選型

根據(jù)市域快線的工程適用范圍、線路長度、站點布局和旅行時間要求，業(yè)內(nèi)將市域快線列車的速度目標值統(tǒng)一為120～160km/h。但在車輛的選擇和研制開發(fā)方面卻形成了以下2種思路：①直接使用鐵路CRH動車組或?qū)⑵渖约痈脑旌螅―型車）使用;②使用經(jīng)過提速改造的地鐵A、B型車輛。由中華人民共和國國家市場監(jiān)督管理總局和國家標準化管理委員會于2019年發(fā)布的國家標準《城市軌道交通市域快線120km/h～160km/h車輛通用技術(shù)條件》（GB/T 37532-2019）中明確規(guī)定，市域快線車輛分為市域A型車、市域B型車和市域D型車3種類型。

在18號線前期研究階段，研究人員考察分析了當時在建的溫州市軌道交通S1線（目前已投入運營）所使用的市域D型車，經(jīng)過深入的研究和謹慎的對比得出以下結(jié)論。

（1）市域D型車車體斷面大，會增加土建工程規(guī)模;車門少，可能造成停站時間延長;檢修體制與地鐵車輛區(qū)別較大。

（2）市域A型車由于經(jīng)地鐵A型車改造而來，因此相關(guān)檢修經(jīng)驗豐富，許多配件可通用，更符合城市軌道交通資源共享的需求;此外，其車輛外部尺寸、車門數(shù)量、軸重、動力性能（尤其是高速段的平均加速度）等更能適應(yīng)市域快線的需要。

綜合上述分析，18號線采用市域A型車，這是國內(nèi)首次研制并投入使用的、速度為140 km/h的市域A 型車。在18號線空載試運行期間，該型車的運行狀況良好。

3.4 供電制式

目前，國內(nèi)城市軌道交通項目一般采用DC1500V（個別線路為DC750V）供電制式，鐵路項目均采用AC25kV供電制式。在18號線設(shè)計初期，研究人員根據(jù)項目自身的特點，對交、直流供電制式進行了深入的分析比較，考慮到DC1500V供電制式的供電半徑較小，若要在站間距較大的市域線上使用，必須在區(qū)間中部增設(shè)大量牽引變電站，從而使工程投資和后期運營維護工作量大幅增加，因此選擇了AC25kV柔性架空接觸網(wǎng)供電制式。

18號線AC25kV供電制式所采用的牽引供電系統(tǒng)與鐵路一致，而對于電力系統(tǒng)（即中低壓系統(tǒng)），則根據(jù)城市軌道交通的特點，在牽引變電站中單獨設(shè)置2組AC110kV/35kV電力變壓器，電纜線路為AC35kV雙環(huán)網(wǎng)，并在車站設(shè)置AC35kV/0.4kV降壓所用于電力系統(tǒng)供電。由此可見，18號線的供電制式既不同于常規(guī)城市軌道交通，又有別于鐵路，是根據(jù)自身特點量身定做的一套市域快線供電方案，見表2。

3.5 隧道（車站）凈空斷面尺寸

確定區(qū)間隧道凈空斷面尺寸時需要考慮的因素包括隧道壓力波、人體舒適度需求、隧道內(nèi)設(shè)備安裝需求、車輛尺寸及氣密性等。

18號線選用4車門的市域A型車，動態(tài)氣密性指數(shù)為客室3 s、司機室6 s（注：向車廂充氣后氣壓泄至充氣壓力38%的時間為靜態(tài)氣密性指數(shù)，動態(tài)氣密性指數(shù)在此基礎(chǔ)上折減），在此前提下，從以下3方面確定圓形隧道斷面尺寸，進而根據(jù)有效斷面面積基本保持一致的原則，確定車站和其他型式隧道的斷面尺寸。

（1）空氣動力學(xué)仿真計算：對列車在140 km/h速度下產(chǎn)生的隧道壓力波進行仿真計算，推算出滿足人體舒適度所需的軌面以上內(nèi)凈空面積，再結(jié)合車輛斷面尺寸，得出圓形隧道斷面直徑不應(yīng)小于7.0 m。

（2）道床厚度、接觸網(wǎng)導(dǎo)線高度及安裝空間需求：在接觸網(wǎng)導(dǎo)線高度為5.0 m的前提下，根據(jù)道床的最大高度及AC25kV柔性架空接觸網(wǎng)的安裝空間和絕緣要求進行計算，得出所需的圓形隧道斷面直徑不應(yīng)小于7.2m。

（3）國家標準《標準軌距鐵路建筑限界》（GB 146.2-1983）要求：該標準規(guī)定，最高運行速度為 160km/h的鐵路單線隧道（無車輛氣密性要求）軌面以上的內(nèi)凈空面積為42.06m2，由此可推算出圓形隧道斷面直徑應(yīng)為7.5m。

由于18號線車輛具有一定的氣密性，在7.2 m直徑基礎(chǔ)上考慮一定的限界富余，采用與最高運行速度為160km/h的鐵路單線隧道相同的內(nèi)凈空面積，以滿足運營期間乘客的舒適度需求，因此18號線圓形隧道斷面直徑確定為7.5m（圖3）。

在地下車站范圍，接觸網(wǎng)安裝位置為軌面以上6.2m，若按照傳統(tǒng)做法布置軌頂風(fēng)道，軌面至中板高度將達到7.2 m，必然使工程投資進一步增加。因此，研究人員在進行深入研究后，將軌頂風(fēng)道側(cè)移至站臺上方，將站臺層高度降低為6.5 m（圖 4），從而達到減少工程投資的目的。

3.6 軌道系統(tǒng)

目前，國內(nèi)在城市軌道交通（<120 km/h）和高鐵（≥ 160 km/h）軌道系統(tǒng)方面具有較豐富的運營經(jīng)驗，但在速度為120～160 km/h的市域快線軌道系統(tǒng)方面，沒有可參考的先例。18號線設(shè)計人員結(jié)合城市軌道交通和高鐵的技術(shù)特點，對市域快線軌道系統(tǒng)進行了以下改進和優(yōu)化。

（1）全線采用高強度、耐磨的合金鋼組合轍叉。

（2）將DZⅢ型扣件改良為DZⅢ-3型扣件，并將城市軌道交通項目中常用的e型彈條（18 mm）優(yōu)化為在高鐵項目中大量使用的C4彈條（20 mm）。

（3）優(yōu)化減振方案，如在使用減振扣件的區(qū)段加大減振扣件剛度，在設(shè)置減振墊的區(qū)段采用框架型減振墊浮置板，在安裝鋼彈簧浮置板的區(qū)段增加道床板配重，以及加密隔振器等。

（4）采用雙塊式軌枕整體道床結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)跨區(qū)間無縫線路。

（5）引入軌道控制網(wǎng)（CPⅢ）和軌道精調(diào)技術(shù)。

3.7 弱電系統(tǒng)

3.7.1 信號系統(tǒng)

為保證18號線全線旅行時間在40min以內(nèi)，18 號線的列車自動駕駛（ATO）系統(tǒng)按照正線最高速度140km/h設(shè)計，列車自動防護（ATP）系統(tǒng)的最高限制速度按不低于150 km/h設(shè)計，以實現(xiàn)真正意義上的最高速度140 km/h。

3.7.2 通信系統(tǒng)

18號線最高運行速度為140 km/h。目前，國內(nèi)外尚無如此高速度下的城市軌道交通車地寬帶無線通信系統(tǒng)應(yīng)用案例。影響車地寬帶無線通信系統(tǒng)選擇的關(guān)鍵因素有丟包率、傳輸時延、切換性能、極限吞吐量及對高速的適應(yīng)性等。選擇適合本項目的車地寬帶無線通信系統(tǒng)是實現(xiàn)車載乘客信息系統(tǒng)（PIS）、閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)（CCTV）數(shù)據(jù)無縫傳輸?shù)幕A(chǔ)。研究人員經(jīng)過理論分析，并結(jié)合在軌道交通運行控制系統(tǒng)國家工程研究中心的實驗室測試結(jié)果和成灌客運專線上的現(xiàn)場測試結(jié)果，在18號線上首次采用長期演進非授權(quán)頻譜（LTE-U）技術(shù)作為車地寬帶無線通信技術(shù)，測試時列車速度可達160 km/h，是目前國內(nèi)城市軌道交通車地無線通信的最高速度。

4 結(jié)語

成都市軌道交通18號線是成都市軌道交通線網(wǎng)中首條開建的市域快線，其140 km/h的最高運行速度、快慢車混跑的運營模式、交流供電、高速度下的車地寬帶無線通信等關(guān)鍵技術(shù)是國內(nèi)城市軌道交通建設(shè)史上的首次探索。設(shè)計研究人員在設(shè)計中采用了多種新方法、新理念，確定了合理的技術(shù)標準，解決了眾多技術(shù)難題，對我國各城市市域快線的建設(shè)和發(fā)展起到示范和引領(lǐng)作用。

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收稿日期 2020-08-13

責任編輯 蘇靖棋