廣州地鐵3 號(hào)線最高行車(chē)速度的確定
摘 要 廣州地鐵3 號(hào)線是國(guó)內(nèi)第一條設(shè)計(jì)最高行車(chē)速度達(dá)120 km/ h 的軌道交通線。分別從列車(chē)牽引計(jì)算分析,以及車(chē)輛、土建工程、機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)及運(yùn)營(yíng)費(fèi)用等方面, 對(duì)4 種最高行車(chē)速度的不同方案進(jìn)行綜合分析比較,認(rèn)為采用120 km/ h 的方案是經(jīng)濟(jì)合理的。
關(guān)鍵詞 廣州,地鐵,快線系統(tǒng),最高行車(chē)速度
目前,國(guó)內(nèi)城市軌道交通的最高行車(chē)速度一般不超過(guò)80 km/h 。廣州地鐵3 號(hào)線是國(guó)內(nèi)第一條設(shè)計(jì)最高行車(chē)速度達(dá)120 km/ h 的城市軌道交通線。由于國(guó)內(nèi)尚無(wú)軌道交通快線系統(tǒng)的工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn), 業(yè)內(nèi)不少專(zhuān)家對(duì)廣州地鐵3 號(hào)線采用如此高的行車(chē)速度,在技術(shù)可行性以及經(jīng)濟(jì)合理性上曾一度產(chǎn)生疑慮。為此,在3 號(hào)線的工程可行性研究工作中,對(duì)最高行車(chē)速度為80 km/h 、100 km/ h 、120 km/ h 、140 km/ h 的不同方案,分別從工程投資(包括車(chē)輛購(gòu)置費(fèi)、土建工程投資、機(jī)電設(shè)備投資等) 、運(yùn)營(yíng)費(fèi)用(包括運(yùn)行能耗、維修費(fèi)用等) 以及技術(shù)可行性等方面,進(jìn)行了全面的技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合比較論證,從中選取120 km/ h 為3 號(hào)線的最高行車(chē)速度,確定了3 號(hào)線的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。
1 3 號(hào)線線路方案及功能定位
廣州地鐵3 號(hào)線呈南北走向,主線北起廣州東站,南到番禺廣場(chǎng),全長(zhǎng)28. 5 km , 設(shè)13 座車(chē)站,平均站間距為2. 4 km , 計(jì)劃于2006 年建成。2010 年后,3 號(hào)線北端將從廣州東站延伸至新白云國(guó)際機(jī)場(chǎng),延伸段長(zhǎng)35 km , 擬設(shè)7 座車(chē)站,平均站間距為5. 8 km ; 南端從番禺廣場(chǎng)延伸至廣州新城,延伸段長(zhǎng)6. 5 km , 擬設(shè)車(chē)站2 座,平均站間距3. 3 km 。3 號(hào)線兩端向南北延伸后,線路全長(zhǎng)70 km , 共設(shè)車(chē)站21 座,平均站間距達(dá)3. 5 km 。
根據(jù)廣州市城市發(fā)展總體規(guī)劃以及廣州市軌道交通近期線網(wǎng)規(guī)劃,3 號(hào)線主線是廣州市軌道交通網(wǎng)中南北方向骨干線的一部分,是廣州市中心線城區(qū)聯(lián)系南北部各組團(tuán)的軌道交通快線,南北端都要滿(mǎn)足繼續(xù)延長(zhǎng)的可能。為保證工程近遠(yuǎn)期結(jié)合和加強(qiáng)組團(tuán)間的聯(lián)系,城市總體規(guī)劃要求3 號(hào)線采用快線制式,旅行速度不低于50 km/h , 以保證城市南北有非常快捷的交通聯(lián)系,起到拉開(kāi)城市布局、促進(jìn)城市健康發(fā)展的引導(dǎo)作用。
2 不同行車(chē)速度方案綜合分析比較
根據(jù)3 號(hào)線線路及站位設(shè)置方案,對(duì)最高行車(chē)速度為80 km/h 、100 km/ h 、120 km/ h 、140 km/ h 的不同方案,分別進(jìn)行列車(chē)牽引計(jì)算分析,并從車(chē)輛、土建工程、機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)、運(yùn)營(yíng)費(fèi)用等方面進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合分析, 從中優(yōu)選出合適的行車(chē)速度方案。
2. 1 列車(chē)牽引計(jì)算分析
根據(jù)3 號(hào)線線路條件以及相關(guān)車(chē)輛資料,對(duì)最高行車(chē)速度采用80 km/h 、100 km/ h 、120 km/ h 、140 km/ h 四種方案分別進(jìn)行列車(chē)牽引計(jì)算,計(jì)算主要結(jié)果包括各方案的旅行速度、旅行時(shí)分、牽引能耗、配車(chē)數(shù)量等(見(jiàn)表1) 。
表1 廣州地鐵3 號(hào)線不同行車(chē)速度時(shí)牽引計(jì)算結(jié)果
從列車(chē)牽引計(jì)算結(jié)果可以看出:
1) 當(dāng)最高行車(chē)速度選為80 km/h 時(shí),旅行速度最小(僅為46. 8 km/h) ,旅行時(shí)間相應(yīng)較長(zhǎng),車(chē)輛配置數(shù)最大。不能滿(mǎn)足旅行速度不低于50 km/h 的規(guī)劃要求。
2) 在年列車(chē)牽引能耗方面,當(dāng)采用較高行車(chē)速度標(biāo)準(zhǔn)時(shí),列車(chē)牽引能耗相應(yīng)增大。與最高行車(chē)速度采用80 km/h 相比,采用100 km/ h 、120 km/ h 、140 km/ h 的速度標(biāo)準(zhǔn), 其遠(yuǎn)期牽引能耗分別增加7. 5 % 、22. 2 % 和42 % 。
3) 在車(chē)輛配置數(shù)方面,當(dāng)采用較高的行車(chē)速度標(biāo)準(zhǔn)時(shí),車(chē)輛配置數(shù)相應(yīng)減小。與最高行車(chē)速度采用80 km/h 相比,采用100 km/ h 、120 km/ h 、140 km/ h 的速度標(biāo)準(zhǔn),其遠(yuǎn)期車(chē)輛配置數(shù)量分別減少21. 7 % 、34 % 和37. 6 % 。
2. 2 車(chē)輛
隨著行車(chē)速度的提高,對(duì)車(chē)輛的總體性能要求將更高。速度提高主要對(duì)車(chē)輛的牽引系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向架等方面產(chǎn)生影響。同時(shí)為了減少噪聲, 保證車(chē)內(nèi)乘客的舒適度,需要采取經(jīng)濟(jì)合理的措施降低噪聲。根據(jù)國(guó)外車(chē)輛廠商的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),對(duì)于地鐵電動(dòng)車(chē)組,當(dāng)最高行車(chē)速度不超過(guò)140 km/ h 時(shí), 其整體技術(shù)性能要求沒(méi)有本質(zhì)差異。盡管車(chē)輛的綜合造價(jià)隨著速度的提高會(huì)有不同程度的增加,但增幅不大。當(dāng)車(chē)輛最高速度從80 km/h 提高到120 km/ h 后,車(chē)輛的綜合造價(jià)僅增加15 %～20 % 左右。在進(jìn)行對(duì)比分析時(shí),最高行車(chē)速度為80 km/h 、100 km/ h 、120 km/ h 、140 km/ h 的車(chē)輛造價(jià)可分別按照1000 萬(wàn)元/ 輛、1100 萬(wàn)元/ 輛、1200 萬(wàn)元/ 輛和1300 萬(wàn)元/ 輛考慮。隨著行車(chē)速度的提高,盡管車(chē)輛造價(jià)有所增加,但車(chē)輛配置數(shù)相應(yīng)減少,總的車(chē)輛購(gòu)置費(fèi)反而減少。若以80 km/h 車(chē)輛的購(gòu)置費(fèi)為基數(shù),則在最高行車(chē)速度為100 km/ h 、120 km/ h 、140 km/ h 的情況下,車(chē)輛購(gòu)置費(fèi)可減少8. 0 億元、12. 1 億元、11. 0 億元。
2. 3 土建工程
2. 3. 1 區(qū)間隧道
由于3 號(hào)線線路站間距較長(zhǎng),為了滿(mǎn)足長(zhǎng)大區(qū)間消防疏散的要求,需在區(qū)間隧道內(nèi)設(shè)置寬度不小于60 cm 的縱向疏散平臺(tái)。考慮到消防疏散模式的統(tǒng)一,全線區(qū)間隧道均設(shè)置縱向疏散平臺(tái)。設(shè)置疏散平臺(tái)后,如車(chē)輛寬度為3. 0 m , 則盾構(gòu)段圓形隧道的內(nèi)直徑將由地鐵1 、2 號(hào)線的5. 4 m 增加到5. 6 m , 矩形隧道和馬蹄形隧道斷面尺寸也相應(yīng)增加。因此,無(wú)論采取哪種行車(chē)速度方案,區(qū)間隧道均需根據(jù)消防疏散要求擴(kuò)大隧道斷面;或在隧道斷面不變的情況下,將車(chē)輛寬度減為2. 8 m 。根據(jù)列車(chē)運(yùn)行阻力模擬分析計(jì)算,列車(chē)最高行車(chē)速度提高到120 km/ h 后,采用滿(mǎn)足消防疏散要求的隧道斷面,其運(yùn)行阻力增加的幅度并不大,阻力增加引起能耗費(fèi)用的增加僅占總能耗費(fèi)用增量的16. 6 % 。因此,最高行車(chē)速度從80 km/h 增加到120 km/ h 后不會(huì)對(duì)區(qū)間隧道的造價(jià)造成直接的影響。
2. 3. 2 線路標(biāo)準(zhǔn)
列車(chē)行車(chē)速度越高,要求線路的最小曲線半徑越大。3 號(hào)線的主線路條件較好,線路大部分位于城市未建成區(qū)內(nèi),由北到南比較順直,在最高行車(chē)速度為120 km/ h 的情況下,不限速區(qū)段的最小曲線半徑控制在700 m 。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研,沒(méi)有因?yàn)樵O(shè)置曲線大半徑而增加房屋拆遷及樁基托換等額外的工程費(fèi)用。因此,線路標(biāo)準(zhǔn)的不同對(duì)本工程土建造價(jià)的影響很小。
2. 3. 3 車(chē)輛段規(guī)模
為滿(mǎn)足行車(chē)組織的要求,當(dāng)采用不同最高行車(chē)速度時(shí),需要配置的車(chē)輛數(shù)量是不同的。根據(jù)列車(chē)牽引計(jì)算,若列車(chē)最高行車(chē)速度為120 km/h , 遠(yuǎn)期總配車(chē)輛數(shù)只需384 輛; 若最高行車(chē)速度采用80 km/ h , 則需要配備的車(chē)輛數(shù)達(dá)582 輛。列車(chē)最高行車(chē)速度采用80 km/h 與采用120 km/ h 相比,車(chē)輛段內(nèi)停車(chē)庫(kù)的面積將增大1. 5 倍。由于車(chē)輛配置數(shù)增加,所需要的車(chē)輛檢修位置和大修廠房也將擴(kuò)大,因此整個(gè)車(chē)輛段的規(guī)模必將擴(kuò)大。
2. 4 機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)
2. 4. 1 通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)
車(chē)輛高速運(yùn)行對(duì)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)有較大的影響, 需要考慮降低隧道內(nèi)溫度和控制隧道內(nèi)風(fēng)壓的變化。由于3 號(hào)線線路站間距較長(zhǎng),根據(jù)隧道通風(fēng)模擬分析計(jì)算,無(wú)論采用哪種行車(chē)速度方案,均需要采取以下措施:長(zhǎng)區(qū)間隧道加設(shè)中間風(fēng)井,短區(qū)間可不采取特別措施。因此, 最高行車(chē)速度由80 km/ h 提高到120 km/ h 后,通風(fēng)系統(tǒng)對(duì)土建及設(shè)備的投資影響不大。
2. 4. 2 信號(hào)系統(tǒng)
列車(chē)最高行車(chē)速度提高后,對(duì)信號(hào)系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生一定的影響。例如,信號(hào)安全保護(hù)區(qū)段長(zhǎng)度隨著速度的提高而增大,需要的安全停車(chē)距離加長(zhǎng)。這些因素都會(huì)使系統(tǒng)容量減小。但是,根據(jù)遠(yuǎn)期客流量的運(yùn)能需要,3 號(hào)線設(shè)計(jì)最小行車(chē)間隔僅為105 s , 在此情況下,無(wú)論采用哪種行車(chē)速度方案,3 號(hào)線信號(hào)系統(tǒng)采用的準(zhǔn)移動(dòng)閉塞制式或移動(dòng)閉塞制式均能滿(mǎn)足要求。因此,最高行車(chē)速度從80 km/h 提高到120 km/ h 后,對(duì)信號(hào)系統(tǒng)造價(jià)的影響甚微。
2. 4. 3 供電系統(tǒng)
列車(chē)行車(chē)速度提高后,根據(jù)供電計(jì)算結(jié)果,除某些區(qū)段由于行車(chē)密度較大,牽引整流機(jī)組容量需適當(dāng)加大以外,與采用80 km/h 行車(chē)速度相比,牽引變電所數(shù)量不需增加(3 號(hào)線在120 km/ h 條件下,牽引變電所之間的距離平均為2. 89 km , 而地鐵1、2 號(hào)線牽引變電所之間的平均距離約為2. 5 km) 。因此,列車(chē)最高行車(chē)速度由80 km/h 提高到120 km/ h 后,除了5 個(gè)牽引變電所整流機(jī)組容量增加使投資有少量增加以外,其它沒(méi)有差異,整個(gè)牽引供電系統(tǒng)的投資增加非常有限。
2. 4. 4 其它機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)
其它機(jī)電系統(tǒng),如通信系統(tǒng)、機(jī)電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)、防災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)、自動(dòng)售檢票系統(tǒng)、屏蔽門(mén)系統(tǒng)及自動(dòng)扶梯/ 電梯等系統(tǒng),與最高行車(chē)速度無(wú)直接關(guān)系,列車(chē)最高行車(chē)速度提高后,均不需要額外增加投資。因此,3 號(hào)線車(chē)輛最高行車(chē)速度由80 km/h 提高到120 km/ h 后,對(duì)機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)的造價(jià)影響不大。
2. 5 運(yùn)營(yíng)費(fèi)用
2. 5. 1 牽引能耗費(fèi)用
以目前廣州地鐵1 號(hào)線的運(yùn)營(yíng)電費(fèi)為參考依據(jù),并根據(jù)前述列車(chē)牽引計(jì)算結(jié)果,可以計(jì)算出不同行車(chē)速度下列車(chē)年運(yùn)營(yíng)能耗費(fèi)用總量。以廣州新城至新機(jī)場(chǎng)總長(zhǎng)約70 km 的線路遠(yuǎn)期列車(chē)年運(yùn)營(yíng)能耗費(fèi)用計(jì)算,與80 km/h 最高行車(chē)速度下的年運(yùn)營(yíng)能耗相比,120 km/ h 最高行車(chē)速度下的年運(yùn)營(yíng)能耗大約需增加0. 341 億元。
2. 5. 2 列車(chē)運(yùn)營(yíng)人工費(fèi)
對(duì)于運(yùn)營(yíng)費(fèi)的支出,除了車(chē)輛的備件費(fèi)用和檢修人員的人工費(fèi)用以外,運(yùn)營(yíng)司乘人員的人工費(fèi)也是需要重點(diǎn)考慮的一個(gè)方面。根據(jù)廣州地鐵運(yùn)營(yíng)事業(yè)總部目前司乘人員的福利待遇,每個(gè)司乘人員正常的開(kāi)支至少需要4. 2 萬(wàn)元/ 年。所需的司乘人員數(shù)量是與總的配車(chē)數(shù)量相對(duì)應(yīng)的。若以最高行車(chē)速度120 km/ h 為基礎(chǔ)考慮司乘人員配備,遠(yuǎn)期需要配備司乘人員數(shù)量為215 人;若最高行車(chē)速度為80 km/h , 則需要配備的司乘人員數(shù)量為330 人。二者相比,最高行車(chē)速度選擇120 km/h , 遠(yuǎn)期每年運(yùn)營(yíng)成本將節(jié)約483 萬(wàn)元。
2. 5. 3 日常維修費(fèi)用
1) 車(chē)輛維修費(fèi)用不管列車(chē)的最高行車(chē)速度是80 km/h 還是120 km/ h , 根據(jù)確定的行車(chē)組織安排,為滿(mǎn)足旅客運(yùn)輸?shù)男枰?在各個(gè)不同的年限,每天總的運(yùn)營(yíng)列車(chē)公里數(shù)是一樣的。故當(dāng)列車(chē)最高行車(chē)速度提高后,最直接的結(jié)果是每輛車(chē)每天的行車(chē)?yán)锍虒⒃黾?由此造成車(chē)輛檢修周期縮短,檢修次數(shù)增加,車(chē)輛檢修工作量相對(duì)增加。另一方面,由于列車(chē)行車(chē)速度的提高,使得總的運(yùn)營(yíng)列車(chē)配置數(shù)有較大幅度的減少,需要檢修的列車(chē)數(shù)也相應(yīng)減少。
綜合考慮車(chē)輛配置數(shù)和車(chē)輛檢修周期兩方面的因素,雖然對(duì)于同一輛車(chē)檢修的周期縮短了,但由于需要檢修的車(chē)輛總數(shù)量減少了,因此最高行車(chē)速度提高后總的車(chē)輛檢修維護(hù)的費(fèi)用沒(méi)有增加。
2) 軌道維護(hù)費(fèi)
列車(chē)行車(chē)速度提高造成車(chē)輪磨耗量增加的同時(shí),也將引起軌道磨耗量的增加。軌道維護(hù)包括日常的檢查維護(hù)和對(duì)軌道定期打磨。日常維護(hù)檢查工作量大小主要取決于線路的長(zhǎng)度。軌道定期打磨工作量的增加可基本參照車(chē)輪磨耗量增加所需增加的維修工作量,同時(shí)考慮道床、道岔維修工作量的增加。最高行車(chē)速度提高到120 km/ h 后,與80 km/ h 速度相比,整個(gè)軌道維修工作量約增加費(fèi)用50 % 。根據(jù)目前廣州地鐵運(yùn)營(yíng)總部對(duì)地鐵1 號(hào)線軌道維修所配備的人員分析,每單線公里至少要保證1 人。故3 號(hào)線全線由于車(chē)輛行車(chē)速度提高需要多配備軌道維護(hù)人員加強(qiáng)維修,相應(yīng)的人工費(fèi)用每年約增加300 萬(wàn)元。運(yùn)營(yíng)費(fèi)用主要包括運(yùn)營(yíng)牽引能耗成本、維修和人工成本等。通過(guò)以上對(duì)不同行車(chē)速度下運(yùn)營(yíng)費(fèi)用的對(duì)比分析,可以看出影響運(yùn)營(yíng)維修成本的主要因素與選取的列車(chē)最高行車(chē)速度沒(méi)有太大的關(guān)系(車(chē)輛檢修工作量成本變化不大、軌道檢修工作量成本與司乘人員的人工費(fèi)成本增減基本持平) ,而運(yùn)營(yíng)能耗成本隨著列車(chē)速度的提高有一定程度的增加。
3 綜合經(jīng)濟(jì)分析
根據(jù)以上對(duì)不同最高行車(chē)速度下所需的車(chē)輛購(gòu)置費(fèi)用、土建工程費(fèi)用、機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)費(fèi)用、運(yùn)營(yíng)費(fèi)用等的綜合分析和論證,可以看出當(dāng)列車(chē)最高行車(chē)速度由80 km/ h 提高到120 km/ h 后,土建工程、機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)的投資以及維修費(fèi)用等均相差不大, 而車(chē)輛購(gòu)置費(fèi)用和牽引能耗則有較大的差別, 因此,需對(duì)不同方案的車(chē)輛購(gòu)置費(fèi)用和牽引能耗費(fèi)用進(jìn)行相關(guān)凈現(xiàn)值的分析比較。
經(jīng)過(guò)計(jì)算,當(dāng)最高行車(chē)速度選擇120 km/ h 時(shí), 其車(chē)輛購(gòu)置費(fèi)用和牽引能耗費(fèi)用的成本凈現(xiàn)值最小。且整個(gè)工程造價(jià)可以有效控制在4. 2 億/ km 范圍內(nèi)。選擇120 km/ h 列車(chē)最高行車(chē)速度,車(chē)輛購(gòu)置費(fèi)可節(jié)省約21 % ; 盡管遠(yuǎn)期運(yùn)營(yíng)能耗費(fèi)用增加約22 % , 但數(shù)額較小,平均能耗成本增加約0. 1 元/ 人次,僅為平均票價(jià)的1. 7 % , 但旅行速度的提高為乘客節(jié)約30 % 的旅行時(shí)間。因此,3 號(hào)線列車(chē)最高行車(chē)速度采用120 km/ h , 在經(jīng)濟(jì)上合理可行, 并將帶來(lái)巨大的社會(huì)效益。
參 考 文 獻(xiàn)
1 梁廣深. 地鐵設(shè)計(jì)中幾個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題的探討. 城市軌道交通研究,2002 , (1) :1
2 廣州市地下鐵道設(shè)計(jì)研究院. 廣州市軌道交通三號(hào)線工程可行性研究報(bào)告. 廣州,2001
3 廣州市地下鐵道設(shè)計(jì)研究院. 廣州市軌道交通三號(hào)線工程可行性研究報(bào)告補(bǔ)充材料. 廣州,2001
