⼴州地铁3号线最⾼⾏车速度的确定
⼴州地铁3号线最⾼⾏车
速度的确定
摘要⼴州地铁3 号线是国内第⼀条设计最⾼⾏车速度达120 km/ h 的轨道交通线。分别从列车牵引计算分析 ，以及车辆、⼟建⼯程、机电设备系统及运营费⽤等⽅⾯, 对 4 种最⾼⾏车速度的不同⽅案进⾏综合分析⽐较，认为采⽤120 km/ h 的⽅案是经济合理的。关键词⼴州，地铁，快线系统，最⾼⾏车速度⽬前 ，国内城市轨道交通的最⾼⾏车速度⼀般不超过80 km/h 。⼴州地铁3 号线是国内第⼀条设计最⾼⾏车速度达120 km/ h 的城市轨道交通线。由于国内尚⽆轨道交通快线系统的⼯程建设经验, 业内不少专家对⼴州地铁 3 号线采⽤如此⾼的⾏车速度，在技术可⾏性以及经济合理性上曾⼀度产⽣疑虑。为此，在3 号线的⼯程可⾏性研究⼯作中，对最⾼⾏车速度为80 km/h 、100 km/ h 、120 km/ h 、140 km/ h 的不同⽅案，分别从⼯程投资(包括车辆购置费、⼟建⼯程投资、机电设备投资等) 、运营费⽤(包括运⾏能耗、维修费⽤等) 以及技术可⾏性等⽅⾯，进⾏了全⾯的技术经济综合⽐较论证，从中选取120 km/ h 为3 号线的最⾼⾏车速度，确定了3 号线的主要技术标准。
1 3 号线线路⽅案及功能定位
⼴州地铁 3 号线呈南北⾛向，主线北起⼴州东站，南到番禺⼴场，全长28. 5 km , 设13 座车站，平均站间距为2. 4 km , 计划于2006年建成。2010 年后,3 号线北端将从⼴州东站延伸⾄新⽩云国际机场，延伸段长35 km , 拟设7 座车站，平均站间距为5. 8 km ; 南端从番禺⼴场延伸⾄⼴州新城，延伸段长6. 5 km , 拟设车站2 座，平均站间距3. 3 km 。3 号线两端向南北延伸后，线路全长70 km ，共设车站21 座，平均站间距达3. 5 km 。
根据⼴州市城市发展总体规划以及⼴州市轨道交通近期线⽹规划,3 号线主线是⼴州市轨道交通⽹中南北⽅向⾻⼲线的⼀部分，是⼴州市中⼼线城区联系南北部各组团的轨道交通快线，南北端都要满⾜继续延长的可能。为保证⼯程近远期结合和加强组团间的联系，城市总体规划要求 3 号线采⽤快线制式，旅⾏速度不低于50 km/h , 以保证城市南北有⾮常快捷的交通联系，起到拉开城市布局、促进城市健康发展的引导作⽤。
2 不同⾏车速度⽅案综合分析⽐较
根据3 号线线路及站位设置⽅案，对最⾼⾏车速度为80 km/h 、100 km/ h 、120 km/ h 、140 km/ h 的不同⽅案，分别进⾏列车牵引计算分析，并从车辆、⼟建⼯程、机电设备系统、运营费⽤等⽅⾯进⾏技术经济综合分析, 从中优选出合适的⾏车速度⽅案。
2. 1 列车牵引计算分析
根据3 号线线路条件以及相关车辆资料，对最⾼⾏车速度采⽤80 km/h 、100 km/ h 、120 km/ h 、140 km/ h 四种⽅案分别进⾏列车牵引计算，计算主要结果包括各⽅案的旅⾏速度、旅⾏时分、牵引能耗、配车数量等(见表1) 。
表1 ⼴州地铁3 号线不同⾏车速度时牵引计算结果
从列车牵引计算结果可以看出:
1) 当最⾼⾏车速度选为80 km/h 时，旅⾏速度最⼩(仅为46. 8 km/h) ，旅⾏时间相应较长，车辆配置数最⼤。不能满⾜旅⾏速度不低于50 km/h 的规划要求。
2) 在年列车牵引能耗⽅⾯，当采⽤较⾼⾏车速度标准时,
列车牵引能耗相应增⼤。与最⾼⾏车速度采⽤80 km/h 相⽐，采⽤100 km/ h 、120 km/ h 、140 km/ h 的速度标准, 其远期牵引能耗分别增加7. 5 % 、22. 2 % 和42 % 。
3) 在车辆配置数⽅⾯，当采⽤较⾼的⾏车速度标准时，车辆配置数相应减⼩。与最⾼⾏车速度采⽤80 km/h 相⽐，采⽤100 km/ h 、120 km/ h 、140 km/ h 的速度标准，其远期车辆配置数量分别减少21. 7 % 、34 % 和37. 6 % 。
2. 2 车辆
随着⾏车速度的提⾼，对车辆的总体性能要求将更⾼。速度提⾼主要对车辆的牵引系统、制动系统、转向架等⽅⾯产⽣影响。同时为了减少噪声, 保证车内乘客的舒适度，需要采取经济合理的措施降低噪声。根据国外车辆⼚商的实践经验，对于地铁电动车组，当最⾼⾏车速度不超过140 km/ h 时, 其整体技术性能要求没有本质差异。尽管车辆的综合造价随着速度的提⾼会有不同程度的增加，但增幅不⼤。当车辆最⾼速度从80 km/h 提⾼到120 km/ h 后，车辆的综合造价仅增加15 %～20 % 左右。在进⾏对⽐分析时，最⾼⾏车速度为80 km/h 、100 km/ h 、120 km/ h 、140 km/ h 的车辆造价可分别按照1000 万元/ 辆、1100 万元/ 辆、1200 万元
/ 辆和1300 万元/ 辆考虑。随着⾏车速度的提⾼，尽管车辆造价有所增加，但车辆配置数相应减少，总的车辆购置费反⽽减少。若以80 km/h 车辆的购置费为基数，则在最⾼⾏车速度为100 km/ h 、120 km/ h 、140 km/ h 的情况下，车辆购置费可减少8. 0 亿元、12. 1 亿元、11. 0 亿元。
2. 3 ⼟建⼯程
2. 3. 1 区间隧道
由于3 号线线路站间距较长，为了满⾜长⼤区间消防疏散的要求，需在区间隧道内设置宽度不⼩于60 cm 的纵向疏散平台。考虑到消防疏散模式的统⼀，全线区间隧道均设置纵向疏散平台。设置疏散平台后，如车辆宽度为3. 0 m , 则盾构段圆形隧道的内直径将由地铁1 、2 号线的5. 4 m 增加到5. 6 m , 矩形
隧道和马蹄形隧道断⾯尺⼨也相应增加。因此,⽆论采取哪种⾏车速度⽅案，区间隧道均需根据消防疏散要求扩⼤隧道断⾯；或在隧道断⾯不变的情况下，将车辆宽度减为2. 8 m 。根据列车运⾏阻⼒模拟分析计算，列车最⾼⾏车速度提⾼到120 km/ h 后，采⽤满⾜消防疏散要求的隧道断⾯，其运⾏阻⼒增加的幅度并不⼤，阻⼒增加引起能耗费⽤的增加仅占总能耗费⽤增量的16. 6 % 。因此，最⾼⾏车速度从
80 km/h 增加到120 km/ h 后不会对区间隧道的造价造成直接的影响。
2. 3. 2 线路标准
列车⾏车速度越⾼，要求线路的最⼩曲线半径越⼤。3 号线的主线路条件较好，线路⼤部分位于城市未建成区内，由北到南⽐较顺直，在最⾼⾏车速度为120 km/ h 的情况下，不限速区段的最⼩曲线半径控制在700 m 。经过现场调研，没有因为设置曲线⼤半径⽽增加房屋拆迁及桩基托换等额外的⼯程费⽤。因此，线路标准的不同对本⼯程⼟建造价的影响很⼩。
2. 3. 3 车辆段规模
为满⾜⾏车组织的要求，当采⽤不同最⾼⾏车速度时，需要配置的车辆数量是不同的。根据列车牵引计算，若列车最⾼⾏车速度为120 km/h , 远期总配车辆数只需384 辆; 若最⾼⾏车速度采⽤80 km/ h , 则需要配备的车辆数达582 辆。列车最⾼⾏车速度采⽤80 km/h 与采⽤120 km/ h 相⽐，车辆段内停车库的⾯积将增⼤1. 5 倍。由于车辆配置数增加，所需要的车辆检修位置和⼤修⼚房也将扩⼤，因此整个车辆
段的规模必将扩⼤。
2. 4 机电设备系统
2. 4. 1 通风空调系统
车辆⾼速运⾏对通风空调系统有较⼤的影响 , 需要考虑降低隧道内温度和控制隧道内风压的变化。由于3 号线线路站间距较长，根据隧道通风模拟分析计算 ,⽆论采⽤哪种⾏车速度⽅案，均需要采取以下措施：长区间隧道加设中间风井，短区间可不采取特别措施。因此, 最⾼⾏车速度由80 km/ h 提⾼到120 km/ h 后，通风系统对⼟建及设备的投资影响不⼤。
2. 4. 2 信号系统
列车最⾼⾏车速度提⾼后，对信号系统会产⽣⼀定的影响。例如，信号安全保护区段长度随着速度的提⾼⽽增⼤，需要的安全停车距离加长。这些因素都会使系统容量减⼩。但是，根据远期客流量的运能需要,3 号线设计最⼩⾏车间隔仅为105 s , 在此情况下,⽆论采⽤哪种⾏车速度⽅案,3 号线信号系统采⽤的准移动闭塞制式或移动闭塞制式均能满⾜要
求。因此，最⾼⾏车速度从80 km/h 提⾼到120 km/ h 后，对信号系统造价的影响甚微。
2. 4. 3 供电系统
列车⾏车速度提⾼后，根据供电计算结果，除某些区段由于⾏车密度较⼤，牵引整流机组容量需适当加⼤以外，与采⽤80 km/h ⾏车速度相⽐，牵引变电所数量不需增加(3 号线在120 km/ h 条件下，牵引变电所之间的距离平均为2. 89 km , ⽽地铁1、2 号线牵引变电所之间的平均距离约为2. 5 km) 。因此，列车最⾼⾏车速度由80 km/h 提⾼到120 km/ h 后，除了5 个牵引变电所整流机组容量增加使投资有少量增加以外，其它没有差异，整个牵引供电系统的投资增加⾮常有限。
2. 4. 4 其它机电设备系统
其它机电系统，如通信系统、机电设备监控系统、防灾报警系统、⾃动售检票系统、屏蔽门系统及⾃动扶梯/ 电梯等系统，与最⾼⾏车速度⽆直接关系，列车最⾼⾏车速度提⾼后，均不需要额外增加投资。因此,3 号线车辆最⾼⾏车速度由80 km/h 提⾼到120 km/ h 后，对机电设备系统的造价影响不⼤。
2. 5 运营费⽤
2. 5. 1 牵引能耗费⽤
以⽬前⼴州地铁1 号线的运营电费为参考依据，并根据前述列车牵引计算结果，可以计算出不同⾏车速度下列车年运营能耗费⽤总量。以⼴州新城⾄新机场总长约70 km 的线路远期列车年运营能耗费⽤计算，与80 km/h 最⾼⾏车速度下的年运营能耗相⽐,120 km/ h 最⾼⾏车速度下的年运营能耗⼤约需增加0. 341 亿元。
2. 5. 2 列车运营⼈⼯费
对于运营费的⽀出，除了车辆的备件费⽤和检修⼈员的⼈⼯费⽤以外，运营司乘⼈员的⼈⼯费也是需要重点考虑的⼀个⽅⾯。根据⼴州地铁运营事业总部⽬前司乘⼈员的福利待遇，每个司乘⼈员正常的开⽀⾄少需要4. 2 万元/ 年。所需的司乘⼈员数量是与总的配车数量相对应的。若以最⾼⾏车速度120 km/ h 为基础考虑司乘⼈员配备，远期需要配备司乘⼈员数量为215 ⼈；若最⾼⾏车速度为80 km/h , 则需要配备的司乘⼈员数量为330 ⼈。⼆者相⽐，最⾼⾏车速度选择
120 km/h , 远期每年运营成本将节约483 万元。
2. 5. 3 ⽇常维修费⽤
1) 车辆维修费⽤不管列车的最⾼⾏车速度是80 km/h 还是120 km/ h , 根据确定的⾏车组织安排，为满⾜旅客运输的需要，在各个不同的年限，每天总的运营列车公⾥数是⼀样的。故当列车最⾼⾏车速度提⾼后，最直接的结果是每辆车每天的⾏车⾥程将增加，由此造成车辆检修周期缩短，检修次数增加，车辆检修⼯作量相对增加。另⼀⽅⾯，由于列车⾏车速度的提⾼，使得总的运营列车配置数有较⼤幅度的减少，需要检修的列车数也相应减少。
综合考虑车辆配置数和车辆检修周期两⽅⾯的因素，虽然对于同⼀辆车检修的周期缩短了，但由于需要检修的车辆总数量减少了，因此最⾼⾏车速度提⾼后总的车辆检修维护的费⽤没有增加。
2) 轨道维护费
列车⾏车速度提⾼造成车轮磨耗量增加的同时，也将引起轨道磨耗量的增加。轨道维护包括⽇常的检查维护和对轨
道定期打磨。⽇常维护检查⼯作量⼤⼩主要取决于线路的长度。轨道定期打磨⼯作量的增加可基本参照车轮磨耗量增加所需增加的维修⼯作量，同时考虑道床、道岔维修⼯作量的增加。最⾼⾏车速度提⾼到120 km/ h 后，与80 km/ h 速度相⽐，整个轨道维修⼯作量约增加费⽤50 % 。根据⽬前⼴州地铁运营总部对地铁 1 号线轨道维修所配备的⼈员分析，每单线公⾥⾄少要保证1⼈。故3 号线全线由于车辆⾏车速度提⾼需要多配备轨道维护⼈员加强维修，相应的⼈⼯费⽤每年约增加300 万元。运营费⽤主要包括运营牵引能耗成本、维修和⼈⼯成本等。通过以上对不同⾏车速度下运营费⽤的对⽐分析，可以看出影响运营维修成本的主要因素与选取的列车最⾼⾏车速度没有太⼤的关系(车辆检修⼯作量成本变化不⼤、轨道检修⼯作量成本与司乘⼈员的⼈⼯费成本增减基本持平) ,⽽运营能耗成本随着列车速度的提⾼有⼀定程度的增加。3 综合经济分析广州地铁3号线时间
根据以上对不同最⾼⾏车速度下所需的车辆购置费⽤、⼟建⼯程费⽤、机电设备系统费⽤、运营费⽤等的综合分析和论证，可以看出当列车最⾼⾏车速度由80 km/ h 提⾼到120 km/ h 后,⼟建⼯程、机电设备系统的投资以及维修费⽤等均相差不⼤, ⽽车辆购置费⽤和牵引能耗则有较⼤的差别, 因此，需对不同⽅案的车辆购置费⽤和牵引能耗费⽤进⾏相关
净现值的分析⽐较。
经过计算，当最⾼⾏车速度选择120 km/ h 时, 其车辆购置费⽤和牵引能耗费⽤的成本净现值最⼩。且整个⼯程造价可以有效控制在4. 2 亿/ km 范围内。选择120 km/ h 列车最⾼⾏车速度，车辆购置费可节省约21 % ; 尽管远期运营能耗费⽤增加约22 % , 但数额较⼩，平均能耗成本增加约0.
1 元/ ⼈次，仅为平均票价的1. 7 % , 但旅⾏速度的提⾼为乘客节约30 % 的旅⾏时间。因此,3 号线列车最⾼⾏车速度采⽤120 km/ h , 在经济上合理可⾏, 并将带来巨⼤的社会效益。参考⽂献
1 梁⼴深. 地铁设计中⼏个热点问题的探讨. 城市轨道交通研究 ,200
2 , (1) :1
2 ⼴州市地下铁道设计研究院. ⼴州市轨道交通三号线⼯程可⾏性研究报告. ⼴州,2001
3 ⼴州市地下铁道设计研究院. ⼴州市轨道交通三号线⼯程可⾏性研究报告补充材料. ⼴州,2001