李紅衛(wèi)

(貴陽(yáng)市城市軌道交通有限公司，貴陽(yáng)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(yáng)市城市軌道交通有限公司，貴陽(yáng)550022)

在軌道交通前期規(guī)劃階段，通常對(duì)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(duì)后期工程建設(shè)產(chǎn)生很大影響。根據(jù)貴陽(yáng)市地形起伏較大的特點(diǎn)，在建設(shè)規(guī)劃階段運(yùn)用牽引計(jì)算，對(duì)快線系統(tǒng)的車輛指標(biāo)進(jìn)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(yīng)地形條件的角度研究車輛動(dòng)拖比及長(zhǎng)大坡道的適應(yīng)性。研究表明，貴陽(yáng)軌道交通快線系統(tǒng)應(yīng)選擇最高速度為100 km/h的B型車;全動(dòng)車及4M2T都可滿足運(yùn)營(yíng)需要，但全動(dòng)車對(duì)長(zhǎng)大坡道的適應(yīng)性更好;隨著前期規(guī)劃工作的深化，在后續(xù)設(shè)計(jì)階段應(yīng)進(jìn)一步比較兩種車型的適應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)性。

城市軌道交通;車輛選型;建設(shè)規(guī)劃;牽引計(jì)算;動(dòng)拖比;全動(dòng)車

1 研究背景

貴陽(yáng)市是貴州省省會(huì)，現(xiàn)狀中心城區(qū)常住人口約300萬(wàn)人，正處于快速發(fā)展階段，城市規(guī)?？焖倥蛎?，城市發(fā)展規(guī)模預(yù)期不斷被改寫(xiě)。貴陽(yáng)市首輪軌道交通建設(shè)規(guī)劃于2010年獲得國(guó)家批復(fù)，批復(fù)方案為1號(hào)線和2號(hào)線一期，總長(zhǎng)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(yáng)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(shí)城市發(fā)展規(guī)模預(yù)期不斷調(diào)整，也對(duì)城市軌道交通客流需求產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響了車輛選型。上輪建設(shè)規(guī)劃批復(fù)的B5編組方案在最終實(shí)施中調(diào)整為B6編組，采用常規(guī)車型4M2T的動(dòng)力組合［1 2］。

因?yàn)槌Ｒ?guī)B型車爬坡能力的限制，1、2號(hào)線在實(shí)施過(guò)程中，在遇到長(zhǎng)大坡道時(shí)均不得不進(jìn)行展線。1號(hào)線從金陽(yáng)到主城區(qū)落差220 m，且主要集中在貴陽(yáng)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(dá)54‰，超過(guò)了普通電機(jī)車輛的爬坡能力。為滿足地鐵爬坡要求，需對(duì)線路進(jìn)行展線設(shè)計(jì)，最終實(shí)施方案展線2.2 km，并增加雅關(guān)站1座［3］，如圖1所示。

圖1 貴陽(yáng)1號(hào)線展線方案及高差關(guān)系Fig.1 Line location scheme andheight difference in Guiyang Metro Line 1

進(jìn)一步思考貴陽(yáng)地形特點(diǎn)和車輛性能適應(yīng)性，可以看出在1、2號(hào)線線路方案一系列變化后面隱含的問(wèn)題:一是1、2號(hào)線車輛沒(méi)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(yīng)貴陽(yáng)的地形特點(diǎn);二是規(guī)劃階段，特別是建設(shè)規(guī)劃階段沒(méi)有考慮開(kāi)展系統(tǒng)車輛選型的研究。導(dǎo)致后續(xù)工作中，即便發(fā)現(xiàn)了系統(tǒng)不足的問(wèn)題，也沒(méi)有時(shí)間和資金空間進(jìn)行調(diào)整。

對(duì)此，應(yīng)當(dāng)提前在建設(shè)規(guī)劃階段開(kāi)展車輛選型的技術(shù)性專題研究，突出山地城市特點(diǎn)對(duì)車輛性能的要求，最終提出適應(yīng)貴陽(yáng)市軌道交通線路條件的車輛性能指標(biāo)和系統(tǒng)配置建議。

2 研究基礎(chǔ)和方法

貴陽(yáng)市新一輪軌道交通建設(shè)規(guī)劃提出了144.7 km的建設(shè)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(yáng)線網(wǎng)規(guī)模不大，線路數(shù)并不多(見(jiàn)圖2)，并且1、2號(hào)線已經(jīng)實(shí)施，在沒(méi)有特殊的情況下，從資源共享及經(jīng)濟(jì)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(duì)新增快線(S線)系統(tǒng)展開(kāi)系統(tǒng)配置(最高速度、動(dòng)拖比)的研究。

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

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

首先，通過(guò)對(duì)上位規(guī)劃的梳理，明確上位規(guī)劃對(duì)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(jié)合列車牽引計(jì)算，確定車輛的最高速度指標(biāo);最后，根據(jù)牽引計(jì)算及分析結(jié)果，確定車輛的動(dòng)拖比，以達(dá)到系統(tǒng)配置的合理性，作為后續(xù)設(shè)計(jì)工作的參考依據(jù)。

3 上位規(guī)劃對(duì)車輛速度指標(biāo)的要求

根據(jù)上位規(guī)劃［46］對(duì)出行時(shí)間的要求，結(jié)合各區(qū)位的空間尺度距離，估算出對(duì)運(yùn)行速度的要求，如表1所示。

表1 根據(jù)上位規(guī)劃出行時(shí)間要求推算運(yùn)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(duì)出行時(shí)間的要求，結(jié)合線路條件［6］，估算出對(duì)運(yùn)行速度的要求，如表2所示。

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

經(jīng)過(guò)定性分析及簡(jiǎn)單的定量計(jì)算后，初步判斷S線運(yùn)行速度要求不低于55 km/h，這要求S線車輛的設(shè)計(jì)速度不低于100 km/h，建議在運(yùn)行速度100～120 km/h的車型范圍中選擇。

4 速度指標(biāo)的確定

4.1 根據(jù)線路特點(diǎn)及車站分布驗(yàn)證速度適應(yīng)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(dòng)—惰行(以最高速度運(yùn)行10 s)—制動(dòng)(常用制動(dòng))3個(gè)工況的走行距離曲線詳見(jiàn)圖3。

圖3 列車起動(dòng)惰性及制動(dòng)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(dòng)—最高運(yùn)行速度—惰行10 s—常用制動(dòng)—停止，最高運(yùn)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(yùn)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(yáng)市軌道交通線網(wǎng)中的S線，均有站間距大的特點(diǎn)，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(gè);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(gè)。

因此從線路特點(diǎn)、站間距條件來(lái)看，在全網(wǎng)范圍內(nèi)采用最高運(yùn)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(diǎn)判斷速度適應(yīng)性

影響車輛運(yùn)行速度的另一個(gè)關(guān)鍵因素是線路平曲線半徑對(duì)應(yīng)的限速。根據(jù)線路平面，計(jì)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(jì)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(jì)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(guò)計(jì)算、統(tǒng)計(jì)匯總發(fā)現(xiàn):1)無(wú)論S1還是S2線，100 km/h速度下的限速段比例較低，對(duì)線路總體運(yùn)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(shì)。

4.3 車輛速度牽引計(jì)算結(jié)果分析

通過(guò)牽引計(jì)算模擬結(jié)果驗(yàn)證上述分析、判斷的準(zhǔn)確度，同時(shí)進(jìn)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(dòng)拖比下，對(duì)100 km/h和120 km/h車輛進(jìn)行牽引計(jì)算比較，結(jié)果如表4所示，相比100 km/h的車輛，120 km/h的車輛運(yùn)行速度提升僅有1 km/h，全線時(shí)間節(jié)約了1 min左右，速度優(yōu)勢(shì)基本未發(fā)揮，而能耗卻提高了21%～28%。

表4 S1、S2線牽引計(jì)算結(jié)果Tab.4 The traction calculation results about line S1 and S2

2)大站距區(qū)段。為了進(jìn)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(jìn)行牽引計(jì)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(jì)算結(jié)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(jì)算結(jié)果類似。120 km/h車輛的運(yùn)行速度優(yōu)勢(shì)在2 km/h上下，時(shí)間節(jié)約了0.6 min左右。同樣能耗高出33%以上。

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

3)達(dá)速比。通過(guò)另一個(gè)衡量速度的量化指標(biāo)——達(dá)速比(達(dá)到設(shè)計(jì)速度80%的距離比例)來(lái)進(jìn)一步對(duì)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(jì)分析。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表7所示:全線120 km/h車輛達(dá)速比比例不到3成;大站距區(qū)段略好，也只超過(guò)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(jié)果，S線推薦使用最高速度為100 km/h的車輛。

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

5 車輛性能(動(dòng)拖比)指標(biāo)的確定

5.1 動(dòng)拖比牽引計(jì)算結(jié)果分析

使用常規(guī)4M2T車型與全動(dòng)車，分別對(duì)本次貴陽(yáng)軌道交通建設(shè)規(guī)劃中涉及的S1、S2線進(jìn)行模擬牽引計(jì)算，將各線的模擬結(jié)果匯總對(duì)比，牽引計(jì)算結(jié)果如表8、表9顯示，無(wú)論是S1線還是S2線，兩種車型的運(yùn)行速度相當(dāng)，全動(dòng)車略快。

表8 S1線牽引計(jì)算結(jié)果對(duì)比Tab.8 Com parison for the traction calculation results of Line S1

表9 S2牽引計(jì)算結(jié)果對(duì)比Tab.9 Comparison for the traction calculation results of Line S2

5.2 長(zhǎng)大坡道的適應(yīng)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(chǎng)站—貴陽(yáng)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(guò)110 m，如圖4所示。牽引計(jì)算分析對(duì)比結(jié)果如圖5、圖6所示。

應(yīng)對(duì)連續(xù)大坡度的能力顯然全動(dòng)車更具優(yōu)勢(shì)。常規(guī)車型爬坡能力弱，甚至無(wú)法達(dá)到最高設(shè)計(jì)速度;全動(dòng)車爬坡能力強(qiáng)，不但能在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到最高設(shè)計(jì)速度，還可以降低牽引率，維持在這樣一個(gè)高速運(yùn)行狀態(tài)。

圖4 振華廣場(chǎng)站—貴陽(yáng)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(chǎng)站—貴陽(yáng)東站常規(guī)車型牽引計(jì)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(chǎng)站—貴陽(yáng)東站“全動(dòng)車”牽引計(jì)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(dòng)車爬坡性能的增強(qiáng)，對(duì)于線路的適應(yīng)性也更強(qiáng)，在一些特殊路段的處理上也更為靈活，從而達(dá)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(chǔ)上，采用了相同規(guī)模的6輛編組B型車，但針對(duì)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(jì)算模擬顯示，相比常規(guī)車型，加強(qiáng)動(dòng)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(yīng)貴陽(yáng)的地形特點(diǎn)。因此，建議在后續(xù)可研、設(shè)計(jì)階段，結(jié)合細(xì)化后的工程方案，繼續(xù)深入研究?jī)烧邔?duì)于貴陽(yáng)快線系統(tǒng)的適應(yīng)性、可行性和經(jīng)濟(jì)性。

6 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于類似貴陽(yáng)這種地形條件比較特殊的城市，在軌道交通建設(shè)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?yàn)檐囕v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(jìn)度，而且對(duì)穩(wěn)定規(guī)劃工程實(shí)施條件，指導(dǎo)后續(xù)的可研、設(shè)計(jì)工作有著重要的意義。

［1］中國(guó)中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司.貴陽(yáng)市軌道交通1號(hào)線一期工程可行性研究報(bào)告［R］.成都，2013.

［2］中國(guó)中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司.貴陽(yáng)市軌道交通2號(hào)線一期工程可行性研究報(bào)告［R］.成都，2013.

［3］趙亮.城市軌道交通線網(wǎng)實(shí)施規(guī)劃工作要點(diǎn)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(guó)城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院.貴陽(yáng)市城市總體規(guī)劃(2009—2020年)［R］.北京，2009.

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

［6］中國(guó)地鐵工程咨詢有限責(zé)任公司.貴陽(yáng)市城市軌道交通建設(shè)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(guān)鍵問(wèn)題探討［J］.鐵道機(jī)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(guó)地鐵工程咨詢有限責(zé)任公司.貴陽(yáng)市城市軌道交通建設(shè)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(jí)工程師，從事軌道交通規(guī)劃、建設(shè)及運(yùn)營(yíng)管理工作，1150840045@qq.com