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廣州地鐵3號(hào)線最高行車速度的確定論文
摘 要 廣州地鐵3 號(hào)線是國(guó)內(nèi)第一條設(shè)計(jì)最高行車速度達(dá)120 km/ h 的軌道交通線。分別從列車牽引計(jì)算分析，以及車輛、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)，最高行車速度
目前，國(guó)內(nèi)城市軌道交通的最高行車速度一般不超過80 km/h 。廣州地鐵3 號(hào)線是國(guó)內(nèi)第一條設(shè)計(jì)最高行車速度達(dá)120 km/ h 的城市軌道交通線。由于國(guó)內(nèi)尚無軌道交通快線系統(tǒng)的工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)， 業(yè)內(nèi)不少專家對(duì)廣州地鐵3 號(hào)線采用如此高的行車速度，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�？旖莸慕煌�(lián)系，起到拉開城市布局、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)行列車牽引計(jì)算分析，并從車輛、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)選出合適的行車速度方案。
2. 1 列車牽引計(jì)算分析
根據(jù)3 號(hào)線線路條件以及相關(guān)車輛資料，對(duì)最高行車速度采用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、配車數(shù)量等(見表1) 。
表1 廣州地鐵3 號(hào)線不同行車速度時(shí)牽引計(jì)算結(jié)果
從列車牽引計(jì)算結(jié)果可以看出:
1) 當(dāng)最高行車速度選為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)，車輛配置數(shù)最大。不能滿足旅行速度不低于50 km/h 的規(guī)劃要求。
2) 在年列車牽引能耗方面，當(dāng)采用較高行車速度標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，列車牽引能耗相應(yīng)增大。與最高行車速度采用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) 在車輛配置數(shù)方面，當(dāng)采用較高的行車速度標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，車輛配置數(shù)相應(yīng)減小。與最高行車速度采用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)期車輛配置數(shù)量分別減少21. 7 % 、34 % 和37. 6 % 。
2. 2 車輛
隨著行車速度的提高，對(duì)車輛的總體性能要求將更高。速度提高主要對(duì)車輛的牽引系統(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)外車輛廠商的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于地鐵電動(dòng)車組，當(dāng)最高行車速度不超過140 km/ h 時(shí)， 其整體技術(shù)性能要求沒有本質(zhì)差異。盡管車輛的綜合造價(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)車輛最高速度從80 km/h 提高到120 km/ h 后，車輛的綜合造價(jià)僅增加15 %～20 % 左右。在進(jìn)行對(duì)比分析時(shí)，最高行車速度為80 km/h 、100 km/ h 、120 km/ h 、140 km/ h 的車輛造價(jià)可分別按照1000 萬元/ 輛、1100 萬元/ 輛、1200 萬元/ 輛和1300 萬元/ 輛考慮。隨著行車速度的提高，盡管車輛造價(jià)有所增加，但車輛配置數(shù)相應(yīng)減少，總的車輛購(gòu)置費(fèi)反而減少。若以80 km/h 車輛的購(gòu)置費(fèi)為基數(shù)，則在最高行車速度為100 km/ h 、120 km/ h 、140 km/ h 的情況下，車輛購(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，無論采取哪種行車速度方案，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，將車輛寬度減為2. 8 m 。根據(jù)列車運(yùn)行阻力模擬分析計(jì)算，列車最高行車速度提高到120 km/ h 后，采用滿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)
列車行車速度越高，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)過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，沒有因?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 車輛段規(guī)模
為滿足行車組織的要求，當(dāng)采用不同最高行車速度時(shí)，需要配置的車輛數(shù)量是不同的。根據(jù)列車牽引計(jì)算，若列車最高行車速度為120 km/h ， 遠(yuǎn)期總配車輛數(shù)只需384 輛; 若最高行車速度采用80 km/ h ， 則需要配備的車輛數(shù)達(dá)582 輛。列車最高行車速度采用80 km/h 與采用120 km/ h 相比，車輛段內(nèi)停車庫(kù)的面積將增大1. 5 倍。由于車輛配置數(shù)增加，所需要的車輛檢修位置和大修廠房也將擴(kuò)大，因此整個(gè)車輛段的規(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，無論采用哪種行車速度方案，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)
列車最高行車速度提高后，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)最小行車間隔僅為105 s ， 在此情況下，無論采用哪種行車速度方案，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)閉塞制式均能滿足要求。因此，最高行車速度從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)
列車行車速度提高后，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，列車最高行車速度由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)、屏蔽門系統(tǒng)及自動(dòng)扶梯/ 電梯等系統(tǒng)，與最高行車速度無直接關(guān)系，列車最高行車速度提高后，均不需要額外增加投資。因此，3 號(hào)線車輛最高行車速度由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)前述列車牽引計(jì)算結(jié)果，可以計(jì)算出不同行車速度下列車年運(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)期列車年運(yùn)營(yíng)能耗費(fèi)用計(jì)算，與80 km/h 最高行車速度下的年運(yùn)營(yíng)能耗相比，120 km/ h 最高行車速度下的年運(yùn)營(yíng)能耗大約需增加0. 341 億元。
2. 5. 2 列車運(yùn)營(yíng)人工費(fèi)
對(duì)于運(yùn)營(yíng)費(fèi)的支出，除了車輛的備件費(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)司乘人員正常的開支至少需要4. 2 萬元/ 年。所需的司乘人員數(shù)量是與總的配車數(shù)量相對(duì)應(yīng)的。若以最高行車速度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，最高行車速度選擇120 km/h ， 遠(yuǎn)期每年運(yùn)營(yíng)成本將節(jié)約483 萬元。
2. 5. 3 日常維修費(fèi)用
1) 車輛維修費(fèi)用不管列車的最高行車速度是80 km/h 還是120 km/ h ， 根據(jù)確定的行車組織安排，為滿足旅客運(yùn)輸?shù)男枰�，在各個(gè)不同的年限，每天總的運(yùn)營(yíng)列車公里數(shù)是一樣的。故當(dāng)列車最高行車速度提高后，最直接的結(jié)果是每輛車每天的行車?yán)锍虒⒃黾�，由此造成車輛檢修周期縮短，檢修次數(shù)增加，車輛檢修工作量相對(duì)增加。另一方面，由于列車行車速度的提高，使得總的運(yùn)營(yíng)列車配置數(shù)有較大幅度的減少，需要檢修的列車數(shù)也相應(yīng)減少。
綜合考慮車輛配置數(shù)和車輛檢修周期兩方面的因素，雖然對(duì)于同一輛車檢修的周期縮短了，但由于需要檢修的車輛總數(shù)量減少了，因此最高行車速度提高后總的車輛檢修維護(hù)的費(fèi)用沒有增加。
2) 軌道維護(hù)費(fèi)
列車行車速度提高造成車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)線全線由于車輛行車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。通過以上對(duì)不同行車速度下運(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最高行車速度沒有太大的關(guān)系(車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)不同最高行車速度下所需的車輛購(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)列車最高行車速度由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)過計(jì)算，當(dāng)最高行車速度選擇120 km/ h 時(shí)， 其車輛購(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 列車最高行車速度，車輛購(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)線列車最高行車速度采用120 km/ h ， 在經(jīng)濟(jì)上合理可行， 并將帶來巨大的社會(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
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