川道型城市轨道交通制式及车辆选型研究

高 杰

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043)

川道型城市作为一种狭长的带形城市结构，在我国黄河沿岸普遍存在，特别是在西北五省，具有代表性的省会城市有西宁、兰州。受地理地形条件限制，川道型城市有着独特的空间拓展模式和阶段，形成了相应的土地利用形态和空间结构，决定了拥有相对较高的公交出行比例，其走廊客流聚集效应相对于平原城市更强，平均出行距离更长，发展轨道交通是解决川道型城市交通难题的重要选择之一，选择合理的系统制式和车辆选型是前期规划研究的关键[1]。

1 研究背景

西宁市是青海省的省会，是青藏高原唯一一座人口超过百万的城市。市区位于河湟谷地，受“四山夹三河”的地理条件限制，中心城区整体呈现“十字”川道型城市形态(图1)，平均人口密度高达1.5万人/km2，其中大十字中心交汇区10 km2范围内人口密度高达4万人/km2。中心城区已无空间建设新的道路资源，迫切需要建设轨道交通缓解城市交通压力，引导城市的重点区域发展[2]。

图1 西宁市川道型城市特点示意

1.1 前期线路规划方案

从建设特点来看，西宁市与常规城市有所差异，具有以下特征：川道型城市形态导致道路资源极为紧张，道路面积严重匮乏；川道内聚集特征明显，呈现出“横向聚集、轴向交流”的特征；沿线多为已建成区，建筑物密集、交通拥挤、道路红线较窄；高原半干旱气候，冬季风沙较大，冰冻期长，采暖期长达半年之久。

基于以上原因，西宁市中心城区规划3条线路：1号线西起西城大街，终止于东川金开路，全长29.4 km，为东西向贯通西宁市主城区的主骨干线路；2号线起于北川花园台村，终止于博文路，全长21.2 km，是北川交通走廊和东川交通走廊的骨架线路；3号线起于西川21号路，终止于塔尔寺，全长41.0 km，为西川交通走廊和南川交通走廊的骨架线路(图2)。建设规划首先实施1号线和3号线一期工程(图3)，全长47.7 km，为减少拆迁和占用既有道路，并兼顾降低建设投资，主城区线路采取地下敷设方式，主城区以外采取高架敷设为主。

1.2 客流预测

与全国其他城市相比，西宁市现状居民出行方式结构特征主要表现为：步行比例高。西宁市居民出行方式构成中，步行比例高达40.85%；公共交通在居民出行中占据主导地位。西宁市居民乘坐常规公交出行的比例高达35.07 %，仅次于步行比例；自行车出行比例很低。主要原因是地理气候因素：太阳辐射强、昼夜温差大、冰冻期长，客观限制自行车、电动车的使用。

图2 西宁市城市轨道交通线网规划示意

图3 西宁市城市轨道交通建设规划示意

根据《客流预测研究报告》相关结果，1号线高峰小时客流规模为初期1.25万人/h，近期1.95万人/h，远期2.4万人/h；3号线高峰小时客流规模为初期0.95万人/h，近期1.60万人/h，远期2.4万人/h。结合西宁市的城市规模、城市形态、社会经济发展水平和客流状况，其轨道交通线网基本定位为中运量级线路。

本文从1、3号线的功能定位、线路条件、客流需求等方面对制式及车型编组问题进行分析，在适用性和经济性等方面综合比选[3]。

2 系统制式和车型选择研究

2.1 系统制式研究

根据西宁市的气候环境、规划现状、线网方案及客流预测结果，主要选择方案有普通轮轨、跨座式单轨、直线电机Lb和中低速磁浮四种制式系统[4]。

跨座式单轨一般采取高架敷设的方式，列车牵引耗能高，对冰雪天气适应性差，道岔结构复杂而笨重，转换时间较长[5]；直线电机Lb车辆的效率较低，气隙控制技术复杂，我国产业体系尚没有形成，车辆价格和后期运营费用偏高；中低速磁浮车辆载客有比较明确的限制，不适合大客流线路或客流增长快的线路，且由于技术尚不成熟，运营维护费较高。综上所述，推荐西宁轨道交通采用技术成熟、安全可靠的普通轮轨系统。

2.2 车辆选型研究

根据国办发[2018]52号文：申报建设地铁的城市一般公共财政预算收入应在300亿元以上，地区生产总值在3000亿元以上，市区常住人口在300万人以上；申报建设轻轨的城市一般公共财政预算收入应在150亿元以上，地区生产总值在1500亿元以上，市区常住人口在150万人以上；拟建地铁、轻轨线路初期客运强度分别不低于每日每千米0.7，0.4万人次，远期客流规模分别达到单向高峰小时3万人次以上、1万人次以上。”截止2018年末，西宁市区与湟中县常住人口之和为177.56万人(2019年12月湟中县撤县改区)，2018年西宁市地区生产总值1286.41亿元，全市地方一般公共预算收入为92.95亿元，但通过上级补助和调入资金，全市一般公共预算收入总量达337.9亿元。西宁市区常住人口数量满足轻轨建设条件，其他两个条件暂不满足。但考虑到西宁市在青海省的首位度极高，采取了省市共建的模式，建设资金和运营补亏都可以得到保障，所以车辆选型在满足运能的条件下要充分考虑经济性因素[6]。

西宁轨道交通1、3号线预测的远期高峰小时最大断面客流量为2.4万人/h，属于中运量等级，仅从满足运输需求的角度分析看，适应的车型有B、C、Lb型车及单轨车型。依据2.1节研究结论，车辆选型应在满足运能需求的普通轮轨系统B型车或C型车(本文以株洲厂研发的高地板铰接轻轨车辆参数进行比选)中进行重点研究。

3 列车编组方案研究

远期高峰时段列车最小运行间隔按2 min考虑、站立标准按6人/m2考虑， B、C型车研究年度不同列车编组方案见表1。

表1 B、C型车运能与线网预测客流的适应性分析

从表1研究结果来看，B型车4辆及以上编组和C型车5辆(4辆编组时运能余量仅4.5%)及以上编组均能适应预测客流结果的需求。

乘客舒适度作为轨道交通“以人为本”的最主要衡量指标之一，当列车运行间隔一定时，列车编组辆数就成为最直接的影响因素[7]。西宁1、3号线远期高峰小时最大单向断面流量均为2.4万人/h，平均运距分别为8.76 km和6.77 km，两条线的远期预测客流最大断面值相同，列车编组方案比选以1号线为例进行分析。

1号线不同编组方案的各种相关指标见表2。

表2 1号线列车编组方案

通过表2可以看出，初、近、远期比较有价值的列车编组方案为B型车5-5-5、4-4-6和4-4-4三种编组方案以及C型车5-5-5编组方案，均可满足本线远期能力需求，优缺点分析如下。

(1)方案1：初、近、远期均采用B型车5辆固定编组，推荐开行对数分别为11，17对/h和20对/h。运能余量适中，初、近、远期采用相同编组易于运营、管理及检修。但该方案具有以下不足之处：首先5辆编组列车在国内仅有苏州地铁2号线采用，车辆采购周期较长且单价会相对较高；其次1号线作为西宁市东西向的主骨干线路，采用5辆编组高峰小时开行对数较少、服务水平较低。

(2)方案2：初、近期采用B型车4辆编组方案，远期采用B型车6辆编组，推荐开行对数分别为14，21对/h和17对/h。该方案考虑到1号线为西宁市东西向主骨干线路，且由于川道型城市客流的集聚效应，远期客流存在较大的不确定性。其缺点主要是4辆编组的列车在远期合理处置的问题。一种方案是对列车进行扩编，将4辆编组的列车扩编为6辆编组，这在技术上可以实现，但增加了复杂性及成本，4辆编组列车在出厂时就需要预留扩编条件，造成单车购置费增加；同时4辆编组在近期过渡到远期6辆编组时，会存在不同编组数辆的列车混跑，给乘客上车和车站运营管理造成不便；因4辆编组与6辆编组列车长度不一致，给列车检修也造成不便。另一种方案是将4辆编组的列车运用在后续建设的线路上，但存在后续线路建设运营时间的接续匹配问题、线路技术标准和系统制式统一问题以及投资主体和运营管理体制不同等问题[8]，存在一定的实施难度。

(3)方案3：初、近、远期均采用B型车4辆固定编组，推荐开行对数分别为14，21对/h和25对/h。该方案与客流量匹配性好，运能适应性较强，整体服务水平较高，列车满载率指标优于其他方案[9]，运营经济性较好。目前国内大部分城市轨道交通线路均采用初、近、远期相同的列车编组方案[10]，已形成了相对成熟的运营管理及维修经验，初、近、远期采用相同编组方案从运营、管理及检修角度都非常方便，整体上看属于系统的最优方案，车辆段及停车场规模容易控制。

(4)方案4：初、近、远期均采用C型车5辆固定编组，推荐开行对数分别为12，19对/h和23对/h，其优点同方案3。

从运营角度来看，在相同运能需求下，小编组列车可提供更小的行车间隔。1号线初、近期高峰小时预测客流量较小，采用以上4个编组方案均能满足客流需要，4、5辆编组方案相对6辆编组方案有乘客等待时间短、服务水平高、线路满载率相对高的优点。由于初、近期年限相隔较近，为避免运营不久就改变编组，一般初、近期宜采用相同的编组辆数[11]，综合考虑客流适应性、服务水平和运营管理等因素，西宁轨道交通1、3号线初、近、远期列车编组推荐采用方案3或方案4，即B型车4辆固定编组或C型车5辆固定编组。

4 适应性分析

1、3号线作为西宁市规划第一批建设的城市轨道交通线路，车辆选型除应满足自身客流需求外，还应综合考虑整个城市轨道交通线网车辆选型的规划和协调[12]，以实现线网资源的最大共享和利用。

4.1 车辆选型与线网资源共享的适应性分析

西宁市中心区轨道交通线网总长为91.6 km，根据全国城市线网规划经验，线网在100～150 km内设大架修车辆基地1处[13]。考虑到建设时序、用地条件、交通条件等因素，大架修基地设置在1号线吴仲村车辆段内(图4)，负责全网各线列车的大架修任务。因此轨道交通1、2、3号线应选用相同的车辆类型，以提高车辆检修效率，减少取送检修车走行距离。市域其他线路车辆制式选择可在后续研究时再行确定。

图4 西宁市远景轨道交通线网车辆基地规划

4.2 不同车型与线路平面条件的适应性分析

为满足1、3号线列车最高运行速度80 km/h的运营要求，正线曲线半径不应低于400 m，困难地段可采用300 m。根据统计1号线、3号线一期线路平面设计特征及主要技术参数见表3。

表3 1、3号线一期线路平面设计特征及主要技术参数

根据客流预测结果，1、3号线客流规模相当，考虑到川道型城市客流聚集性相比平原城市更为集中的特点，车辆选型应留有一定的富余量，同时参考国内车型选择的普遍性，从运营和维修角度采用B型车更为合理。1、3号线所采用的最小曲线半径为300 m，B、C型车均可以满足线路平面需求。尽管C型车的曲线半径标准、转弯半径可以更小，对于绕避建筑物和减少拆迁有利，但是采用更小的半径不仅使钢轨和车轮的磨耗较大[14]，且对运营产生限速，因而采用更小半径的必要性不大，C型车的优势无法得以体现。

5 经济性分析

本文对满足客流需求的B型车4辆编组和C型车5辆编组进行经济性分析研究。

5.1 土建规模及工程投资比较

(1)土建规模及投资分析

B、C型车区间盾构隧道建筑限界一致，区间工程两种车型差别不大，不同点在于车站有效站台长度，车站公共区布置和规模略有不同。一个站台宽度相同的标准车站，C型车5辆编组的车站比B型车4辆编组的车站主体建筑面积增加约910 m2，投资增加约930万元/站(表4)。

表4 4B及5C编组标准车站建筑方案比较

若考虑在土建投资相当的条件下，C型车需采用4辆编组，但4C编组列车运能为4B编组列车的87%，对于客流的适应性较差。

因此，B型车4辆编组工程投资较低、客流适应性强，车站土建投资经济性优于C型车5辆编组。

(2)车辆段规模及工程投资比较

车辆基地用地按最大规模控制，检修规模按近期设计，远期预留，其余停车列检及周月检规模按近期设计，统筹远期，按远景规模预留[15]。

1、3号线车辆分别按4B编组和5C编组计算的车辆基地规模，如表5所示。

表5 1、3号线B、C型车车辆基地规模比较

按照大架修段每辆车占地指标1 000 m2计算，远期4B方案征地面积约为36 hm2，5C方案征地面积约为43 hm2。按照定修段每辆车占地指标900 m2计算[16]，远期4B方案征地面积约为33 hm2，5C方案征地面积约为39 hm2。

在运能基本一致的前提下，5C方案列车长度较4B长约20 m，运用车数有所增加，1、3号线车辆基地远期5C方案征地面积均大于4B方案。

5.2 车辆购置费分析

C型车5辆编组目前在国内的城市轨道交通线路中尚未有采用，需要建模、研发，车辆采购周期较长且单价会相对较高。

普通轮轨系统B型车目前的估算价格基本为700万元/辆左右，C型车目前的估算价格基本为670万元/辆左右，1号线采用B型车4辆编组初期需购置37列/148辆车，采用C型车5辆编组初期需购置35列/175辆车，购置C型车将较购置B型车增加13 650万元；3号线一期采用B型车4辆编组初期需购置18列/72辆车，采用C型车5辆编组初期需购置18列/90辆车，购置C型车将较购置B型车增加9 900万元。从车辆购置费进行分析，选用B型车更为合理。

5.3 运营经济性分析[17]

(1)B、C型车牵引耗电量比较

B型车4辆编组与C型车5辆编组有多种动拖比组合方式，本文按B型车4辆编组3M1T满载(AW2)与C型车5辆编组4M1T满载(AW2)为例进行计算(考虑1号线和3号线一期在25‰以上的纵坡长度接近全线总长度的12%和40%，高架线路在雨雪恶劣天气影响下，C型车3M2T故障救援能力不足[18])，1号线与3号线牵引耗电量比较见表6。

表6 1、3号线一期不同车型牵引耗电量比较

由表6可以看出，B型车4辆编组一列车往返的耗电量与人公里能耗均低于C型车5辆编组。根据初步确定的全日列车开行计划及列车运行交路，若以每度电0.8元计算，1号线特征年牵引耗电一项B型车较C型车将分别节省支出约330，693万元/年和990万元/年，3号线分别节省支出约333，365万元/年和531万元/年。

(2)运营成本比较[19]

仅从1号线来看，其远期B型车4辆编组与C型车5辆编组的运用车数分别为224辆和260辆，B型车车辆数量比C型车少36辆，车辆修理费、清洁费等相关费用也会减少。综合考虑车辆运用数量和列车能耗的减少等因素，B型车4辆编组的运营成本略低于C型车5辆编组。

6 结语

结合川道型城市轨道交通客流和线路设置的特殊性，详细分析了各种制式及车辆选型的适用性及经济性，构建了相应的评判标准，得到以下结论。

(1)B型车4辆编组具有一定抗风险能力，可以提高运营组织的灵活性，降低运营管理调度的难度，相比C型车5辆编组具有更好的经济性。

(2)1、3号线选用同一种车型及编组，能够形成较好的资源共享优势。

(3)川道型城市轨道交通制式及车辆选型研究，既要立足于客流预测，又要考虑到川道效应的聚集效应和特殊性，在土建、场段等环节上做好发展预留(建议车站和场段的土建规模按照B型车6辆编组预留)，避免出现国内部分轨道交通线路建成几年后因无法满足客流需求而被迫进行改造的不利局面。

从实际需求来看，西宁市急需建设轨道交通来破解城市交通难题，其地面道路交通早已不堪重负，严重制约了城市发展。积极发展轨道交通是解决这种川道型城市交通瓶颈的有效手段，其客流特点与传统的平原城市有较大差异，统一用国办发[2018]52号文各项指标来衡量未免有失偏颇[20]。例如同为川道型城市的兰州，其地铁1号线(6 A编组)开通半年来，客流强度在全国已开通地铁城市中相比较已处于中等水平。只有充分考虑到川道型城市的现状与远期规划发展条件，研究轨道交通的制式与车型选择如何满足城市需求，才能使其成为城市科学、先进、合理的综合公共交通体系中的重要组成部分。