新建机场快线速度目标值选择的方法研究

来源：SCI期刊网 分类：经济论文 时间：2022-04-22 09:24 热度：

　　摘 要: 速度目标值是城市轨道交通制定技术标准的重要依据，其选择的关键是找到速度目标与经济成本的平衡点。以拉萨市机场快线拟建项目为例，在保障功能、兼顾发展的基础上，寻求工程综合经济效益最大化。通过不同速度目标值对线路技术标准、车站分布、时间目标值进行适应性分析，确定速度目标值选择范围。根据选择范围内速度目标值对应的车辆购置费、土建工程费、系统工程费、运营成本进行分析，量化比较指标，推荐速度目标采用 160 km/h，为相关设计和决策人员提供参考。

　　关键词: 机场快线;速度目标值;适应性

　　中国城市轨道交通起步较晚，2000 年以前仅有 3 座城市拥有轨道交通[1]。自 2010 年以来，随着基建投入的增加，城市轨道交通进入繁荣阶段，截至 2019 年 6 月 30 日，中国内地开通运营城市轨道交通(含地铁、轻轨、磁悬浮等，不包括市域快轨和有轨电车) 的城市已达 35 座，批复在建的城市 9 座，运营总里程约 5 463 km，车站 3 523 座。

　　随着《国务院办公厅关于进一步加强城市轨道交通规划建设管理的意见》(国办发〔2018〕52 号)对城市轨道交通申报门槛的要求提高，中国城市轨道交通发展将呈现以下变化：一是城市轨道交通建设节奏将随之放慢，规划内的在建、拟建项目会停建或缓建;二是制式结构多元化，以地铁为主向多制式转变，既满足人们需要又更加经济适用的制式成为发展方向[2]。

　　速度目标值是城市轨道交通制式划分的重要依据，同时又与线路技术标准、工程投资、运营效果密切相关。因此，中国城市完善轨道交通制式体系过程中，在满足功能条件下，经济合理地选择列车速度目标值尤为重要。

　　1 速度目标值选择原则

　　从设计角度，速度目标值的选择直接影响列车旅行速度以及线路、车辆技术条件。其中，旅行速度影响各设计年度车辆配属，进而决定车辆购置费及车辆基地规模;线路最小曲线半径、最大纵坡等技术标准影响线路总长、工程拆迁;车辆技术决定运行控制、通信、通号系统的主要技术标准;桥梁、隧道断面尺寸又取决于车辆限界。

　　因此，研究速度目标值选择原则及办法时应充分考虑其对客流特征、线路条件、车站分布、时间目标值的适应性，综合比较工程造价及运营成本。速度目标值选择原则总结如下：

　　1) 符合线路功能定位，与客流特征、车站分布相适应。

　　2) 满足轨道交通范围内通达的时间目标值，增强客流吸引力。

　　3) 优先考虑降低工程造价和节省运营成本。

　　4) 确保技术可靠，并有利于实现标准化、系列化及国产化。

　　拉萨市火车站与机场拟建机场快线项目速度目标值的选择过程对本次研究具有参考意义。

　　2 实例概况

　　2.1 工程简介

　　线路全长 46.755 km，曲线段长度 9.085 km，直线段长度 37.67 km，其中隧道 6 处 共 25.069 km( 占 比 53.62%)，最长隧道 9.224 km;桥梁 4 座共 9.086 km，最长桥梁 4.760 km;路基 5.086 km;明挖段 7.511 km。全线设站 3 座，站间距分别为 8.5 km 和 38.2 km，平均站间距 23.3 km。推荐采用接触网供电，供电电压暂定交流 AC25 kV。线路平、纵断面示意图如图 1 所示。

　　2.2 项目进度

　　拉萨市机场快线于 2019 年 1 月启动前期研究，2019 年 3 月 29 日向西藏自治区交通运输厅汇报初步成果，2019 年 4～8 月深化方案设计。目前项目尚待开工建设。

　　2.3 客流分析

　　客流预测以直达客流为主，且淡、旺季客流特征明显。初、近、远期年客流量分别为 451 万人次/a、 912 万人次/a、1562 万人次/a。项目工程客流指标如表 1 所示。

　　根据分析，本工程线路较长，沿途停靠需求小，且时间效益及服务水平要求较高，可首先排除 70 km/h 的有轨电车，优先考虑速度目标值较高的交通制式。

　　3 速度目标值的范围选择

　　3.1 线路技术标准适应性

　　研究不同建设模式，速度目标值越高，线路技术标准也越高，线路选线难度相应增加。结合本工程实施条件，80～200 km/h 速度目标值均可实施。不同速度目标值对应线路技术标准如表 2 所示。

　　《地铁设计规范》(GB50157-2013)适用于最高速度不超过 100 km/h、采用常规电机驱动列车的钢轮钢轨地铁新建工程的设计[3];《市域快速轨道交通设计规范》(T/CCES2-2017)适用于最高运行速度在 120～ 160 km/h 范围内的钢轮钢轨市域快速轨道交通工程的设计[4];200 km/h 相关参数参考《城际铁路设计规范》。《市域快速轨道交通规划与设计导则》(建设部标定司 2018 出版)规定，速度覆盖为 100～160 km/h。

　　3.2 车站分布适应性

　　车辆最高运行速度由车辆性能确定，而车站分布影响车辆性能的发挥程度，进而影响旅行速度。一般认为列车以最高速度运行的距离占总运行距离的 1/3以上，才具有较好的经济性[5]。各速度目标值列车起 停性能如表 3[6]、表 4[7-8]所示。

　　本工程站间距分别为 8.5 km 和 38.2 km，通过 80～200 km/h 不同速度目标值与站间距适应分析，采用较高速度目标值，能够较好地发挥车辆性能，节省乘客时间成本。

　　3.3 时间目标

　　值根据规划，“十三五”期间打造项目区域 30 min流通圈，推动起、终点区域一体化发展。另外，相关公路旅行时间约 40 min，本工程应具备一定时间优势。根据相关上位规划要求，本线时间目标值宜控制在 30 min 之内，则旅行速度应不小于 94 km/h。

　　80～200 km/h 各速度目标值方案的区间运行时间及停站时间如表 5、表 6 所示。

　　根据以上分析，速度目标采用 80 km/h 旅行时间过长，不满足时间目标值 30 min 需求。结合线路技术标准、车站分布及时间目标值适应性分析，本工程速度目标宜在 100～200 km/h 之间进一步比选。

　　4 速度目标值技术经济比较

　　4.1 车辆工程

　　地铁列车(100～120 km/h)多采用传统 A、B 型车，由于技术成熟、平台多样，其车辆价格一般在 600～ 800 万元/辆，供电普遍采用直流制式;市域快轨(120～160 km/h)分为 A 型、B 型、D 型市域快轨车，其车辆价格一般在 900～1500 万元/辆，供电可采用直流及交流制式;城际动车组(160～250 km/h)代表车型为 CRH6 型动车组，因其技术要求高，且平台单一，其车辆价格一般在 1 300 万～2 000 万元/辆，供电均采用交流制式。

　　通常速度目标值越高，对应的车辆单价就越高。但是，随着最高速度的提高，旅行速度也会提高，工程整体需要购置的车辆数就会减少[9]。不同速度目标值对应的车辆配属如表 7 所示。

　　不同速度目标值对应的车辆购置费统计如表 8 所示。

　　4.2 土建工程

　　目标速度越高，限界要求也越大，地下线路需要增加结构断面，高架线路则需要增加桥面宽度[9]。项目共布置桥梁 9 086 m/4 座，桥梁具体布置如表 9 所示。

　　项目共布置隧道 25 070 m/6 座，隧道具体布置如表 10 所示。

　　本项目除与地下车站相接部位小范围采用明挖隧道外，大部分地段采用暗挖隧道，推荐为单洞双线隧道。随着速度目标值的增加，隧道断面相应增大，对土建工程费用影响较大。不同速度目标值对应土建费用估算比对如表 11 所示。

　　4.3 系统工程

　　依据《市域快速轨道交通设计规范》(T/CCES2— 2017)及《城际铁路设计规范》(TB 10623—2014)，不同速度目标值对应系统工程分析如下。

　　4.3.1 供电

　　轨道交通的供电制式主要有两种，一是交流制式，二是直流制式。交流制式一般采用 AC 25 kV 供电;直流制式一般采用 DC 750 V、DC 1500 V 供电。交、直流供电制式技术特点对比如表 12 所示。供电制式的选择直接影响到轨道交通项目的技术和建设标准、建设规模和工程投资，是轨道交通工程前期研究的重点。

　　从车辆最佳功率配置及性价比、运营成本、适应性及应用情况分析，速度目标值在 120 km/h 及以下时，选择交流或直流供电制式均可;速度目标值处于 140 km/h 及以上时，直流制式车辆、车辆研制成本增加，且不经济，中外也无运营经验，推荐采用交流牵引供电制式。

　　本工程车站及区间通信、信号等与行车有关的一级负荷，均设两台 10/0.4 kV 专用变压器供电，变电所两台变压器互为备用。变电所两路 10 kV 电源分别由 10 kV 一级负荷贯通线和 10 kV 综合负荷贯通线接引，高压接引采用高压环网接线方式。其他一级负荷由两路相互独立的 380/220V 电源分别供电至用电设备或低压双电源切换装置处，并采用双电源自动切换方式供电。

　　4.3.2 通信

　　项目结合通信技术发展、运营需要，设置不同水平的通信系统。公安通信系统、民用通信系统宜与专用通信系统同步建设，统筹实施，并充分考虑资源共享。系统中心设备应充分考虑在全线网内资源共享，系统方案及容量应考虑远期发展规划需求，还应考虑与既有线路和规划线路通信系统实现必要的互联互通。

　　4.3.3 信号

　　信号系统推荐采用中国铁路运行控制系统 2 级 (CTCS-2)制式，并具备列车自动运行(ATO)功能。信号系统主要由行车调度指挥、列车运行控制、计算机联锁、信号集中监测、信号安全数据网、道岔融雪等子系统构成。

　　4.4 运营成本

　　运营成本主要包括列车牵引能耗、车辆养护费、乘务人员工资以及分摊的管理费等，线路、通信、电力、房屋等固定设施的维修材料费、人员工资以及分摊的管理费等，其中，随速度目标值变化最明显的是牵引能耗。根据运营经验，2018 北京地铁车辆牵引能耗在 1.5 kW·h～2 kW·h/车 km。随着速度目标值提高，列车牵引能耗将增加，结合本项目不同速度目标值对应的列车能耗指标如表 13[6]所示。

　　本文来源于：《都市快轨交通》(双月刊)杂志前身是《地铁与轻轨》，创办于1988年1月，是我国较早一家地铁与轻轨行业综合技术刊物，办刊宗旨是宣传国家关于城市轨道交通的各项方针、政策，介绍地铁与轻轨国内外建设、运营过程的经验，实时报道国内外新科技成果及重要技术信息，促进同行间的学术研讨和技术交流促进同行间的学术研讨和技术交流，以推动我国城市轨道交通事业的发展。本刊面对行业主管人员、业界广大科技人员、各大城市交通院校师生以及对地铁与轻轨关心的其他人士。

　　另外，按折现率 3%、计算运营期 30a 现值，不同速度目标值的运营成本比较如表 14 所示。

　　5 综合比较

　　本线定义为机场快线，远期预留延伸山南市条件 (延伸长度约 60 km)，建成后主要以高速公路及普通国铁为竞争对手。基于项目通道条件稀缺、沿线客流分布较少、桥隧占比大的特点，决策者提出少设站、高速度的设计要求。不同速度目标值指标对比如表 15 所示。

　　根据以上分析，结论总结如下：

　　1) 速度目标值 100 km/h、120 km/h 旅行时间约为 30 min，基本实现起、终点 30 min 交流圈目标;速度目标值 140 km/h、160 km/h 旅行时间约为 25 min，较好适应机场快线功能的同时兼顾延伸发展，满足拉萨、山南城市间 1 h 交流圈需求;速度目标值 200 km/h 旅行时间约为 20 min，很好地保障功能、兼顾延伸。因此，选取较高速度目标值，有利于实现功能目标、兼顾延伸发展、提高轨道交通竞争力。

　　2) 速度目标值越高，工程造价及运营成本越高。其中，速度目标 100 km/h、120 km/h 较 160 km/h，工程投资节省较多，其中，车辆及土建工程总投资分别降低 4.91 亿、3.84 亿元，降低了 9.5%、7.4%;系统工程投资分别降低 3 135 万元、3 042 万元，降低了 5.0%、 4.9%;30a 运营期运营成本现值累计分别降低 32 812 万元、24 744 万元、降低了 26.1%、19.7%。

　　速度目标 140 km/h 较 160 km/h 工程投资节省较少，其中，车辆及土建工程投资分别降低 0.12 亿、 0.93 亿元，共降低了 2%;系统工程降低 1 179 万元，降低了 1.9%;30a 运营期运营成本现值累计降低 13 747 万元，降低了 10.9%。

　　速度目标值 200 km/h 较 160 km/h 土建及运营成本增加较多，其中，土建工程投资增加 4.67 亿元，增加了 9.5%;系统工程投资增加 1 304 万元，增加了 2.1%;30 年运营期运营成本现值累计增加 85 063 万元，提高了 67.7%。

　　3) 速度目标与经济成本的平衡点选择：速度目标 100 km/h、120 km/h 较 160 km/h，虽然工程投资节省较多，但旅行速度较机场高速公路并无优势，亦不利于远期线路延伸，实现拉萨、山南市一体化发展;速度目标 140 km/h 较 160 km/h，工程投资降低仅 2%，运营成本降低约 10.9%，相对而言 160 km/h 性价比较高，同时满足项目高速度目标要求;速度目标值 200 km/h 较 160 km/h，土建及运营成本增加较多，且运营成本提高较大，根据项目客流采用城际铁路制式过高，不利于可持续发展。

　　结合功能定位及决策者目标，综合考虑时间目标值、工程投资、运营效益等指标，本工程速度目标值推荐采用 160 km/h。

　　6 结语

　　未来，城市轨道交通逐步从特大城市扩大至周边城镇、大中城市，从以地铁为主过渡到有轨电车、轻轨、地铁、市域快轨乃至城际铁路多制式协调发展。对单条线路来说，其客流特征、线路长度、站点分布呈现更加多样化的特征，以往的设计经验明显不足。面对新的变化，城市轨道交通不能一味地求省，低速度造成线路功能及竞争力低下;更不能盲目求快，高速度带来工程投资及运营成本的增加。探讨科学合理的速度目标值选择方法，在保障功能、兼顾发展的基础上，寻求工程综合经济效益最大化，对实现安全、高效、节约的建设目标具有重要意义。——论文作者：杨志成1, 2，董茹玲2 ，贾 鹏2

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文章名称：新建机场快线速度目标值选择的方法研究

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