广州地铁21号线快慢线规划设计与实践

王仲林

（广州地铁设计研究院有限公司，广州 510010）

随着城市建设的蓬勃发展，城区范围不断扩大，副中心、卫星城概念不断提升，城市轨道交通掀起了又一轮建设高潮。特大城市如北京、广州、深圳等在轨网规划中都提出了快线系统布局，以加强外围副中心与城市中心区的快速联系，对城市轨道交通的出行时空目标提出了更高的要求，越来越多的城市也开始重视快线的建设。

城市副中心和卫星城的发展离不开快速轨道交通的支持，规划提出的时空目标要求也越来越高，这些线路长度一般都超过50 km甚至达到100 km左右，所以线路的最高运行速度也在不断突破，从120 km/h到140 km/h，甚至达到160 km/h。

笔者通过总结分析广州地铁21号线的特性和功能需求，总结大站快线、快慢线组合以及复线等三大快线建设模式的功能差异及优缺点，从如何规划市域快线、如何选择快线建设模式以及如何进行投资控制等3方面着手，全面进行分析，为国内新建快线项目提供参考，避免盲目规划设计，考虑不足而引起的各种问题。

1 广州市域快线概况

轨道交通市域快线在巴黎、东京、伦敦、纽约等轨道交通建设较早的国外城市已有比较广泛和成功的实践经验；近年来我国从国家层面到各城市都对规划建设市域轨道交通快线越来越重视，并且在部分城市取得了良好成效。

广州率先在2005年底开通了3号线首通段，2006年底开通了一期工程（广州东站—番禺广场），为国内第一条采用最高运行速度120 km/h车型的市域快线，实现番禺副中心至中心区出行时间在30 min以内，旅行速度达到49 km/h。这种模式最大的特点是中心区外围采用大站间距，充分发挥了速度优势，为市民提供长距离的快速出行[1]。通车10年来，客流实现迅猛发展，日均客流115万人次，全日客流强度更是达到3.8万人/km，形成了以地铁站点为中心的高强度开发和交通接驳。

经过多年的运营实践，在后续的规划建设中，广州进一步完善了市域快线网络，在3号线与13号线形成东南北和东西十字快线基础上，增加了14、21、18号线，分别形成往北（从化副中心）、往东北（增城副中心）、往东南（南沙自贸区）3个方向放射性市域快线，并在3条线路中全面采用了快慢车组合运营模式，为乘客提供了差异化的出行方式，实现了外围副中心至中心区更为快速的联系。21号线是国内较早采用快慢线组合运营的线路，本文以此为例，总结市域快线在规划设计中应重点关注的内容。

2 功能定位分析

对于市域快线来讲，一般服务于外围副中心、卫星城和城市中心城区的联系，其最主要的功能体现是“快”。学术界多以“1小时”作为评价居民出行时耗的分界点，城市总体规划和综合交通规划中也常以此为目标，而常规公交无法满足要求，因此采用轨道出行时间也就要求控制在1 h以内。

广州市在轨道交通规划中提出实现“3060”时空目标，即乘坐轨道交通在中心城区范围30 min内可到达市中心，市域范围60 min内可到达市中心。根据广州的市域范围特性，东北部的从化、东部的增城以及南部的南沙这3个副中心至城市中心城区的距离都在60 km左右（见图1）。

图1 广州60 min出行圈示意Fig. 1 The 60-min travel circle in Guangzhou

北京空间发展战略和交通发展政策也提出，为构建中心城和新城之间高速、高效、大运量的客运交通走廊，引导中心城的有机疏散，支持新城的发展，需实现近郊新城到城市中心的轨道交通出行时间控制在45 min以内，远郊新城到城市中心的轨道交通出行时间控制在60 min以内。其定义的远郊新城则为延庆、怀柔、密云、平谷，除怀柔外，其余均超过60 km。

广州和北京提出的时空目标基本相同，按照规划要求，由于特大城市远郊距离中心区的长度普遍超过60 km，普通地铁线路旅行速度在35 km/h左右，显然无法实现规划提出的时空目标要求，快线的建设逐渐受到重视。

广州21号线线路全长约60.1 km，其在线网规划中的功能定位为加强科学城及萝岗中心区、东部新城以及增城副中心与广州市中心区的快速交通联系，支持城市“东进”战略，对促进广州大都市化进程具有重要作用（见图2）。

图2 广州地铁21号线线路示意Fig. 2 Line 21 of Guangzhou Metro

按照广州市轨道交通规划“3060”时空目标，从东部增城副中心至广州中心区的出行时间需控制在60 min以内，但21号线终点站增城广场至中心区纪念堂区域的距离近70 km，普通线路无法满足要求，必须研究建设快速线路，结合平均运距、站间距、列车开行方案进行模拟计算，保证近远郊客流对时间的要求，实现市域快线作为联系市中心与郊区新城，以及郊区新城之间的快线功能[3]。

3 国外快慢线案例分析

根据国内外轨道交通发展情况统计，快线的运营模式主要有3种，分别为大站快线（巴黎RER、广州3号线）、快慢线组合（东京、广州21号线）、复线模式（纽约3轨、4轨）等。

大站快线模式在国外以巴黎市域RER线为代表，国内以广州3号线为代表。巴黎RER线建设的主要目的是使乘客快速穿越整个巴黎市，以及从近郊无需换乘即可直达市中心。虽然RER接入市中心，但它坚持了自己市郊铁路干线的定位，在市中心仅在客流集散地设站供与地铁换乘，而在市郊则加密站点以增加覆盖。

快慢线组合模式以东京为代表，国内开通的线路仅有上海16号线，广州14号线、广州21号线目前在建设中，计划2018年开通运营。筑波快线是一条连接日本东京千代田区秋叶原站与茨城县筑波站之间的近郊通勤交通线，其开行了特快、快车以及站站停三种交路。采用这种模式既有利于快速功能的实现，又避免了大站快线覆盖不足的问题，在投资增加不多的情况下实现更快的运营组织模式，是介于快线模式和四线模式的折中选择（见图3）。

图3 日本筑波快线运营列车示意Fig. 3 The express line of Tsukuba

纽约地铁特色之一就是快慢线及潮汐车道的设计，如1915年开始试运行的纽约地铁7号线，是连接纽约市皇后区与曼哈顿区的一条主要线路，其在线路设计中采用了快慢线及潮汐车道设计，兼顾了成本与效率。纽约城市居住区与核心区分布明显，通勤客流具有明显的潮汐特征，因此其城市轨道交通线路布置呈现联接居住区和城市核心区的带状分布特点。同时，为了适应早晚高峰的突增客流，部分通道内采用了快慢线并行的线路设置方案来提高运能。

大站快线模式特点是：运行组织简单、发车密度高、运能大，其针对的乘客数量大、运距短，大量乘客特别是换乘乘客在相关车站频繁上下车，各车站的客流特性和客流量相对均衡。

快慢线组合方案中的快车主要是解决大组团间的长运距乘客的快速出行需求，站站停列车通过在越行站停车待让快车，快车不停车过站以提高过站速度和减少停站时间来实现快速的目的，其缺点是运营组织复杂，降低系统能力，同时也增加了站站停列车乘客的旅行时间[4]。

复线模式在国内尚未有应用案例，对于国内少数带状走廊城市如兰州、深圳等具有较强的借鉴意义，可以较好满足早高峰集中进城、晚高峰集中出城的出行需求。在采用普通大站快线不能满足覆盖和时空出行需求，采用快慢车又不能满足运能需求的情况下不失为一种选择，可在部分城市尝试应用。

不同的线路应根据其规划的时空目标、线站位设置情况、客流预测、地理位置以及投资经济效益等选择不同的建设模式（见表1）。

表1 3种模式沿线城市形态及优劣分析Tab. 1 The form and advantages of three patterns of cities along the express line

4 快慢线规划设计实践

4.1 与线网的衔接点研究

市域快线与市区地铁线网的衔接非常重要，有效衔接将有助于合理配置郊区新城的轨道交通系统，实现市域快线的功能定位，有效缩短居民出行时间，实现方便换乘，对提高社会生产率、实现交通发展整体目标有着重要的意义。

纽约主要由铁路承担郊区与中心城区的联系，通过市中心的交通综合枢纽与地铁网络衔接，如中央火车站、宾州火车站等。巴黎则通过RER市域快线与多条市区地铁线路换乘并深入中心区，实现多点多次换乘，极大方便乘客各方向出行。东京则主要将郊区线路与山手环线衔接，部分则直接与中心区地铁线路共轨运行[5]。总结 3种衔接方式为：单点多线多方向枢纽换乘、多点多线多方向换乘、多点多线多方向换乘与共轨贯通运营。3种方式是各自线网发展过程不同的产物，但其核心只有一点，就是要与城区线路形成便利的换乘条件。

21号线呈典型的放射型线路，与线网中的市区线路（6号线苏元站、19号线世界大观站、4号线黄村站、11号线及13号线天河公园枢纽）形成了三点一枢纽（环线），既实现了与城区线网的多点衔接换乘，又形成了环线枢纽换乘，形成了便利的换乘条件，减少了在中心区边缘换乘带来的不便，直达中心区并实现了与环线的同站台换乘（见图4）。

图4 广州21号线与城区线路多点多方向枢纽换乘示意图Fig. 4 Multi-point and multi-directional transfer hubs between the metro line 21 and the inner city lines

4.2 站点设置规划

市域快线站点设置是一个亟须研究的课题。站点设置数量及站间距对最高运行速度、快线建设模式、运营组织、快速列车停靠站点、工程投资等均产生重大影响，尤其是快线建设模式，站点少则选择大站快线但客流效益较差，站点多则必须采用快慢组合运营或复线模式以实现规划提出的时空目标要求[6]。

在21号线规划过程中，从沿线城市及片区规划、市郊城镇发展状况、近期建设重点等方面出发，对全线可能的设站情况进行全面分析，并将拟设站点划分为必设站点、宜设站点、可设站点等3类。必设站点为城区线网衔接换乘点、片区中心、大型客流集散点等；宜设站点为城区地铁网络覆盖盲点、片区次中心、一般客流集散点等；可设站点为近郊及远郊无明确规划、周边有规模较大建设用地、因运营组织需要预留越行线等。之后进行全方位的最高运行速度、旅行时间与时空目标、运营模式等综合分析。

针对以上情况，分别设置11座、15座、20座站点并进行了综合比较分析，按照最高旅行速度120 km/h进行测算，其技术特征统计见表2。

表2 不同设站数量技术特征Tab. 2 Technical characteristics of stations of different numbers

从时间测算来看，除11站方案能满足规划要求的时空目标外，其余均必须采用快慢车组合运营方案。考虑城市发展、居民诉求、客流效益等多方面的因素，特别是郊区尚无地铁覆盖的情况下对站点难以舍弃，最终选择了设置20座车站方案。

由于设计后期及实施阶段增设车站对运行组织、系统设计等产生非常大的影响，应尽早确定站点数量。

4.3 最高运行速度与运营模式

根据国内外相关资料，市域快线系统的最高运行速度一般不低于120 km/h，最高可达160 km/h。同时根据城市轨道交通建设标准要求，全线旅行时间以1 h内为宜。

按照20座车站设站方案，旅行时间为56.9 min，加上换乘13号线天河公园至体育西、纪念堂站，远远超过60 min（见表3），由于平均站间距仅3.2 km，提高最高运行速度对全线旅行时间节省影响有限，并且160 km/h牵引能耗较120 km/h 牵引能耗高出60%，土建工程尤其是地下段隧道断面受阻塞比影响大幅提高[7-8]，因此应该选择120 km/h为最高运行速度，考虑越站运行方案。

表3 不同最高运行速度下的旅行时间Tab. 3 Travel time at different maximum running speeds

按照牵引计算分析，停站、120 km/h不限速过站、80 km/h限速过站，其时间差异较大，采取全速越站对节省快车过站时间非常有利，每越行一站可节省 72 s（见表4）。

表4 快车停站及过站节省时间计算Tab. 4 Time saving for express train when stopping and crossing

采取此运营模式后，从增城副中心核心区增城广场站至市中心东核心体育西一带快车为49.7 min，慢车为71.3 min，至西核心纪念堂一带快车为58.5 min，慢车为80.1 min，节省21.6 min（见表5），满足了规划对时空目标的要求。

表5 不同运营模式下牵引结果比较Tab. 5 Comparison of traction results under different operation modes

4.4 快线停靠站选择

快线停靠站的确定需综合分析轨道各车站各时段总的客流乘降量特点，尽量将组团中心站、重要换乘站以及重要客流集散点确定为快车停靠站。快线停靠站点少则越行线设置多，尤其是中心城区往往换乘站多、地下敷设，投资较高。停靠站点多则与慢车旅行时间差异小，优势不明显，作用不够强。按照经验分析，快慢车旅行时间差异的阈值应在20 min左右。

21号线全线共有6座换乘站，分别是天河公园、黄村站（4号线）、世界大观站（19号线）、苏元（6号线）、镇龙（14号线知识城支线）、增城广场（16号线）。另外朱村站是全线第三大客流量的车站，棠东站为城区内弥补覆盖盲区的车站，因此快车停靠共8座站点，停站比例为40%。快慢车差异时间为20 min，时间较为理想（见图5、图6）。

4.5 投资控制

对于市域快线来讲，影响投资的几个重要因素是敷设方式、最高速度、配线形式等，因此在规划设计阶段必须加强论证。尤其是当采用快慢线时，由于需设置较多越行线，车站体量较大，宜尽量采用高架敷设方式并结合道路情况进行路侧布置。

图5 远期早高峰站点集散量Fig. 5 Collection and distribution of passengers for each station in the forward early-peak

图6 广州21号线快慢车停站Fig. 6 Express-local train in Guangzhou metro line 21

另外，随着速度的提高，受空气压力波影响，隧道断面也需扩大，车辆建造成本增加，建设成本大幅增加，运营期间的能耗、维修费用也大幅提高，应选择适宜的最高速度，不可盲目求快。

在越行站形式上，尽量选择高架段设置越行线[9]。当在地下站设置越行线时采用单岛四线形式，在高架站则采用双岛四线形式，以节省工程投资（见图7）。

图7 越行车站配线方案Fig. 7 Auxiliary line scheme for crossing stations

5 结语

总结21号线快慢线的规划设计研究经验如下。

1）在我国的特大城市、中心城市，应该构建快线系统。快线建设没有固定的模式，需要根据不同的需求及不同的城市特性、建设条件以及经济条件进行分析，因地制宜，合理确定。

2）前期研究阶段落实与城区线网的衔接及站点设置。快慢线不同于普通线路，在运营组织及系统设计完成后，增设车站对设计运行图的铺画、越行线布置、系统设计影响太大，建议前期阶段着重研究，避免后期出现增减车站等现象。在走廊附近没有慢线覆盖的情况下，快线的站点设置研究尤为重要。

3）是否采用快慢线应予以充分论证，慎重决策。在节省的时间效益与增加的投资之间寻求平衡点，对于快慢车旅行时间的差异阈值，建议在20 min左右，以体现快慢车的差异化服务及快车的优越性。

4）最高速度应结合近郊、远郊的地理位置，以及基于通勤、连外的功能定位差异进行选择，不可一味求快，大部分线路在120～140 km/h即可满足要求，特大城市个别线路联系距离较远区域、功能定位有特殊要求也可选择160 km/h，不建议超过该速度。

5）由于快慢线组合运营线路需要设置较多的越行线，而地下越行线投资成倍增加，建议采用高架、地面越行。近远郊结合部、远郊段的线路尽量采用高架敷设方式。