廣州地鐵3 號線最高行車速度的確定

摘　要　廣州地鐵3 號線是國內第一條設計最高行車速度達120 km/ h 的軌道交通線。分別從列車牽引計算分析,以及車輛、土建工程、機電設備系統及運營費用等方面, 對4 種最高行車速度的不同方案進行綜合分析比較,認為采用120 km/ h 的方案是經濟合理的。
關鍵詞　廣州,地鐵,快線系統,最高行車速度
目前,國內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 號線是國內第一條設計最高行車速度達120 km/ h 的城市軌道交通線。由于國內尚無軌道交通快線系統的工程建設經驗, 業內不少專家對廣州地鐵3 號線采用如此高的行車速度,在技術可行性以及經濟合理性上曾一度產生疑慮。為此,在3 號線的工程可行性研究工作中,對最高行車速度為80 km/h 、100 km/ h 、120 km/ h 、140 km/ h 的不同方案,分別從工程投資(包括車輛購置費、土建工程投資、機電設備投資等) 、運營費用(包括運行能耗、維修費用等) 以及技術可行性等方面,進行了全面的技術經濟綜合比較論證,從中選取120 km/ h 為3 號線的最高行車速度,確定了3 號線的主要技術標準。
1 　3 號線線路方案及功能定位
廣州地鐵3 號線呈南北走向,主線北起廣州東站,南到番禺廣場,全長28. 5 km , 設13 座車站,平均站間距為2. 4 km , 計劃于2006 年建成。2010 年后,3 號線北端將從廣州東站延伸至新白云國際機場,延伸段長35 km , 擬設7 座車站,平均站間距為5. 8 km ; 南端從番禺廣場延伸至廣州新城,延伸段長6. 5 km , 擬設車站2 座,平均站間距3. 3 km 。3 號線兩端向南北延伸后,線路全長70 km , 共設車站21 座,平均站間距達3. 5 km 。
根據廣州市城市發展總體規劃以及廣州市軌道交通近期線網規劃,3 號線主線是廣州市軌道交通網中南北方向骨干線的一部分,是廣州市中心線城區聯系南北部各組團的軌道交通快線,南北端都要滿足繼續延長的可能。為保證工程近遠期結合和加強組團間的聯系,城市總體規劃要求3 號線采用快線制式,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系,起到拉開城市布局、促進城市健康發展的引導作用。
2 　不同行車速度方案綜合分析比較
根據3 號線線路及站位設置方案,對最高行車速度為80 km/h 、100 km/ h 、120 km/ h 、140 km/ h 的不同方案,分別進行列車牽引計算分析,并從車輛、土建工程、機電設備系統、運營費用等方面進行技術經濟綜合分析, 從中優選出合適的行車速度方案。
2. 1 　列車牽引計算分析
根據3 號線線路條件以及相關車輛資料,對最高行車速度采用80 km/h 、100 km/ h 、120 km/ h 、140 km/ h 四種方案分別進行列車牽引計算,計算主要結果包括各方案的旅行速度、旅行時分、牽引能耗、配車數量等(見表1) 。
表1 　廣州地鐵3 號線不同行車速度時牽引計算結果

　　從列車牽引計算結果可以看出:
1) 當最高行車速度選為80 km/h 時,旅行速度最小(僅為46. 8 km/h) ,旅行時間相應較長,車輛配置數最大。不能滿足旅行速度不低于50 km/h 的規劃要求。
2) 在年列車牽引能耗方面,當采用較高行車速度標準時,列車牽引能耗相應增大。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 的速度標準, 其遠期牽引能耗分別增加7. 5 % 、22. 2 % 和42 % 。
3) 在車輛配置數方面,當采用較高的行車速度標準時,車輛配置數相應減小。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 的速度標準,其遠期車輛配置數量分別減少21. 7 % 、34 % 和37. 6 % 。
2. 2 　車輛
隨著行車速度的提高,對車輛的總體性能要求將更高。速度提高主要對車輛的牽引系統、制動系統、轉向架等方面產生影響。同時為了減少噪聲, 保證車內乘客的舒適度,需要采取經濟合理的措施降低噪聲。根據國外車輛廠商的實踐經驗,對于地鐵電動車組,當最高行車速度不超過140 km/ h 時, 其整體技術性能要求沒有本質差異。盡管車輛的綜合造價隨著速度的提高會有不同程度的增加,但增幅不大。當車輛最高速度從80 km/h 提高到120 km/ h 后,車輛的綜合造價僅增加15 %～20 % 左右。在進行對比分析時,最高行車速度為80 km/h 、100 km/ h 、120 km/ h 、140 km/ h 的車輛造價可分別按照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,盡管車輛造價有所增加,但車輛配置數相應減少,總的車輛購置費反而減少。若以80 km/h 車輛的購置費為基數,則在最高行車速度為100 km/ h 、120 km/ h 、140 km/ h 的情況下,車輛購置費可減少8. 0 億元、12. 1 億元、11. 0 億元。
2. 3 　土建工程
2. 3. 1 　區間隧道
由于3 號線線路站間距較長,為了滿足長大區間消防疏散的要求,需在區間隧道內設置寬度不小于60 cm 的縱向疏散平臺。考慮到消防疏散模式的統一,全線區間隧道均設置縱向疏散平臺。設置疏散平臺后,如車輛寬度為3. 0 m , 則盾構段圓形隧道的內直徑將由地鐵1 、2 號線的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增加。因此,無論采取哪種行車速度方案,區間隧道均需根據消防疏散要求擴大隧道斷面;或在隧道斷面不變的情況下,將車輛寬度減為2. 8 m 。根據列車運行阻力模擬分析計算,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,其運行阻力增加的幅度并不大,阻力增加引起能耗費用的增加僅占總能耗費用增量的16. 6 % 。因此,最高行車速度從80 km/h 增加到120 km/ h 后不會對區間隧道的造價造成直接的影響。
2. 3. 2 　線路標準
列車行車速度越高,要求線路的最小曲線半徑越大。3 號線的主線路條件較好,線路大部分位于城市未建成區內,由北到南比較順直,在最高行車速度為120 km/ h 的情況下,不限速區段的最小曲線半徑控制在700 m 。經過現場調研,沒有因為設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用。因此,線路標準的不同對本工程土建造價的影響很小。
2. 3. 3 　車輛段規模
為滿足行車組織的要求,當采用不同最高行車速度時,需要配置的車輛數量是不同的。根據列車牽引計算,若列車最高行車速度為120 km/h , 遠期總配車輛數只需384 輛; 若最高行車速度采用80 km/ h , 則需要配備的車輛數達582 輛。列車最高行車速度采用80 km/h 與采用120 km/ h 相比,車輛段內停車庫的面積將增大1. 5 倍。由于車輛配置數增加,所需要的車輛檢修位置和大修廠房也將擴大,因此整個車輛段的規模必將擴大。
2. 4 　機電設備系統
2. 4. 1 　通風空調系統
車輛高速運行對通風空調系統有較大的影響, 需要考慮降低隧道內溫度和控制隧道內風壓的變化。由于3 號線線路站間距較長,根據隧道通風模擬分析計算,無論采用哪種行車速度方案,均需要采取以下措施:長區間隧道加設中間風井,短區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,通風系統對土建及設備的投資影響不大。
2. 4. 2 　信號系統
列車最高行車速度提高后,對信號系統會產生一定的影響。例如,信號安全保護區段長度隨著速度的提高而增大,需要的安全停車距離加長。這些因素都會使系統容量減小。但是,根據遠期客流量的運能需要,3 號線設計最小行車間隔僅為105 s , 在此情況下,無論采用哪種行車速度方案,3 號線信號系統采用的準移動閉塞制式或移動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,對信號系統造價的影響甚微。
2. 4. 3 　供電系統
列車行車速度提高后,根據供電計算結果,除某些區段由于行車密度較大,牽引整流機組容量需適當加大以外,與采用80 km/h 行車速度相比,牽引變電所數量不需增加(3 號線在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 個牽引變電所整流機組容量增加使投資有少量增加以外,其它沒有差異,整個牽引供電系統的投資增加非常有限。
2. 4. 4 　其它機電設備系統
其它機電系統,如通信系統、機電設備監控系統、防災報警系統、自動售檢票系統、屏蔽門系統及自動扶梯/ 電梯等系統,與最高行車速度無直接關系,列車最高行車速度提高后,均不需要額外增加投資。因此,3 號線車輛最高行車速度由80 km/h 提高到120 km/ h 后,對機電設備系統的造價影響不大。
2. 5 　運營費用
2. 5. 1 　牽引能耗費用
以目前廣州地鐵1 號線的運營電費為參考依據,并根據前述列車牽引計算結果,可以計算出不同行車速度下列車年運營能耗費用總量。以廣州新城至新機場總長約70 km 的線路遠期列車年運營能耗費用計算,與80 km/h 最高行車速度下的年運營能耗相比,120 km/ h 最高行車速度下的年運營能耗大約需增加0. 341 億元。
2. 5. 2 　列車運營人工費
對于運營費的支出,除了車輛的備件費用和檢修人員的人工費用以外,運營司乘人員的人工費也是需要重點考慮的一個方面。根據廣州地鐵運營事業總部目前司乘人員的福利待遇,每個司乘人員正常的開支至少需要4. 2 萬元/ 年。所需的司乘人員數量是與總的配車數量相對應的。若以最高行車速度120 km/ h 為基礎考慮司乘人員配備,遠期需要配備司乘人員數量為215 人;若最高行車速度為80 km/h , 則需要配備的司乘人員數量為330 人。二者相比,最高行車速度選擇120 km/h , 遠期每年運營成本將節約483 萬元。
2. 5. 3 　日常維修費用
1) 車輛維修費用不管列車的最高行車速度是80 km/h 還是120 km/ h , 根據確定的行車組織安排,為滿足旅客運輸的需要,在各個不同的年限,每天總的運營列車公里數是一樣的。故當列車最高行車速度提高后,最直接的結果是每輛車每天的行車里程將增加,由此造成車輛檢修周期縮短,檢修次數增加,車輛檢修工作量相對增加。另一方面,由于列車行車速度的提高,使得總的運營列車配置數有較大幅度的減少,需要檢修的列車數也相應減少。
綜合考慮車輛配置數和車輛檢修周期兩方面的因素,雖然對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量減少了,因此最高行車速度提高后總的車輛檢修維護的費用沒有增加。
2) 軌道維護費
列車行車速度提高造成車輪磨耗量增加的同時,也將引起軌道磨耗量的增加。軌道維護包括日常的檢查維護和對軌道定期打磨。日常維護檢查工作量大小主要取決于線路的長度。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,整個軌道維修工作量約增加費用50 % 。根據目前廣州地鐵運營總部對地鐵1 號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 號線全線由于車輛行車速度提高需要多配備軌道維護人員加強維修,相應的人工費用每年約增加300 萬元。運營費用主要包括運營牽引能耗成本、維修和人工成本等。通過以上對不同行車速度下運營費用的對比分析,可以看出影響運營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成本增減基本持平) ,而運營能耗成本隨著列車速度的提高有一定程度的增加。

3 　綜合經濟分析
根據以上對不同最高行車速度下所需的車輛購置費用、土建工程費用、機電設備系統費用、運營費用等的綜合分析和論證,可以看出當列車最高行車速度由80 km/ h 提高到120 km/ h 后,土建工程、機電設備系統的投資以及維修費用等均相差不大, 而車輛購置費用和牽引能耗則有較大的差別, 因此,需對不同方案的車輛購置費用和牽引能耗費用進行相關凈現值的分析比較。
經過計算,當最高行車速度選擇120 km/ h 時, 其車輛購置費用和牽引能耗費用的成本凈現值最小。且整個工程造價可以有效控制在4. 2 億/ km 范圍內。選擇120 km/ h 列車最高行車速度,車輛購置費可節省約21 % ; 盡管遠期運營能耗費用增加約22 % , 但數額較小,平均能耗成本增加約0. 1 元/ 人次,僅為平均票價的1. 7 % , 但旅行速度的提高為乘客節約30 % 的旅行時間。因此,3 號線列車最高行車速度采用120 km/ h , 在經濟上合理可行, 并將帶來巨大的社會效益。

參　考　文　獻
1 　梁廣深. 地鐵設計中幾個熱點問題的探討. 城市軌道交通研究,2002 , (1) :1
2 　廣州市地下鐵道設計研究院. 廣州市軌道交通三號線工程可行性研究報告. 廣州,2001
3 　廣州市地下鐵道設計研究院. 廣州市軌道交通三號線工程可行性研究報告補充材料. 廣州,2001