杭南長客運專線速度目標值選擇分析

張鵬飛，雷曉燕，高 亮，吳浩存

(1.北京交通大學軌道工程北京市重點實驗室，北京 100044;2.華東交通大學鐵路環(huán)境振動與噪聲教育工程研究中心，南昌 330013)

近年來，高速鐵路在我國得到了快速發(fā)展。根據(jù)鐵路中長期規(guī)劃(2008年調整)［1］，到2020年我國將建成“四縱四橫”客運專線主骨架，高速鐵路通車里程達到1.6萬km以上。

確定適當合理的速度目標值是進行高速鐵路客運專線總體規(guī)劃和設計的前提條件，速度目標值定得過高，則會造成工程建設的浪費，不僅技術上難以達到要求，在運營中也會適得其反，給國家經(jīng)濟帶來不必要的損失;反之，速度目標值定得過低，則與國情和路情不符，無法滿足日益增長和發(fā)展的國民經(jīng)濟的需要，也會使鐵路在交通運輸領域市場中處于不利地位，降低鐵路的市場競爭力。

因此，選擇經(jīng)濟合理、符合我國國情路情的速度目標值是影響我國高速鐵路客運專線能否正常、平穩(wěn)發(fā)展運作的重要因素之一［2］。

以杭南長客運專線為例，在遵循高速鐵路速度目標值選擇原則的基礎上，通過分析不同速度目標值對技術標準、工程數(shù)量和靜態(tài)投資、旅行時間、動車組購置費以及投資效益的影響，最終給出了杭南長客運專線速度目標值的推薦意見。

1 高速鐵路速度目標值的選擇原則

1.1 符合中國國情、路情，重視經(jīng)濟效益

鐵路項目投資的大小，與我國國情、路情、地域、沿線地質條件、設備配置標準等因素直接相關［3］。速度目標值對高速鐵路投資項目的經(jīng)濟效益具有重要的影響。要研究速度目標值與工程投資和運輸成本的關系，要研究速度目標值對旅行時間和票價的影響，尋找最大利潤點。

客運專線速度目標值的選擇要以中國國情、路情作為根本出發(fā)點。隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，社會的不斷進步以及人民生活水平的日益提高，人們對旅行的質量要求進一步提高。提高列車速度已經(jīng)成為人們旅行的客觀需要，但限于國內技術水平和經(jīng)濟發(fā)展水平，應考慮高速鐵路建設項目的技術和經(jīng)濟的可行性。引進國外設備的數(shù)量要考慮國家財力可能，國內研制的設備要考慮我國相關產業(yè)的技術和工藝水平，不可生搬硬套國外經(jīng)驗方法。

1.2 應使時間目標值具有競爭力

中長距離內，高速鐵路的主要競爭對象是公路和航空。航空的旅行時間為三者中最短，公路則最長，但出行附加時間航空最長，鐵路的出行附加時間較航空少很多，因此，就出行總時間來講，高速鐵路客運專線在這三者中占有很大競爭優(yōu)勢。高速鐵路與公路、航空的市場競爭份額，在其速度目標值下的優(yōu)勢經(jīng)濟運距以及旅客時間價值等都是鐵路運營的重要指標，直接關系到高速鐵路在市場中的地位。隨著旅客時間價值觀念的增強，出行時間的長短成為制約旅客選擇交通工具的重要因素之一。因此，合理的速度目標值必須在交通運輸領域中具有出行時間上的競爭力。

1.3 應考慮環(huán)境因素、能耗問題

根據(jù)世界各國發(fā)展高速鐵路的經(jīng)驗，速度目標值越高，列車運行中形成的噪聲越大。目前，高速鐵路中的環(huán)保問題最突出的就是噪聲影響。根據(jù)國內外相關機構的研究，目前高速鐵路主要噪聲源是列車車體與空氣相對運動產生的摩擦聲，以及輪軌間碰撞產生噪聲、受電弓與接觸網(wǎng)摩擦產生的靜電噪聲等［4］。速度越高，噪聲越大。根據(jù)相關研究，當列車速度達到350 km/h及以上時，即使大量增加降噪措施投資，也很難達到規(guī)定的標準。

根據(jù)相關研究，普通列車的能耗與速度的平方成正比。高速列車的能耗與速度也呈非線性關系，隨著速度的提高，能耗也隨之增大。20世紀70年代前后，西歐各國根據(jù)本國的具體情況，研究出各自的鐵路經(jīng)濟速度，其中，英國為230 km/h，法國為280～300 km/h，國際鐵路聯(lián)盟的研究結果則為300～350 km/h。但我國知名兩院院士沈志云認為，提速是交通運輸永恒的主題，在稠密大氣層中，只要不超過時速400 km，都可能在系統(tǒng)優(yōu)化中找到適當?shù)慕?jīng)濟速度［5］。

1.4 兼顧近期市場需求和長遠發(fā)展

速度目標值的選擇要兼顧近遠期工程的結合和適應長遠技術發(fā)展的需要。即基礎設施速度目標值和移動設備速度目標值的確定，需要考慮不同的壽命周期成本，兼顧長遠和近期利益，謀求最佳經(jīng)濟效益?；A設施速度目標值應該考慮我國鐵路的長遠發(fā)展，而初期移動設備的設計速度可適當降低，以后可根據(jù)技術發(fā)展情況再逐步提高。

1.5 考慮地區(qū)差別

我國疆域遼闊，各地區(qū)自然條件和經(jīng)濟發(fā)展水平差異很大。不同的自然條件下，速度目標值對工程投資和運營費用的影響不同;不同的經(jīng)濟發(fā)展水平下，旅客對交通工具的服務質量要求和對票價的支付意愿不同。因此，速度目標值的選擇應考慮區(qū)域差別［6］。

2 杭南長客運專線客流特征及時間目標值確定

2.1 杭南長客運專線客流特征

杭南長客運專線是滬昆客運專線的重要組成部分，是華東地區(qū)與中南、西南地區(qū)聯(lián)系的客運主通道，客流平均運距達1 200 km。其中7.2%的客流運距小于200 km;50.1%的客流運距介于200～1 200 km;42.7%的客流運距超過1 200 km。本線承擔的主要運輸任務是中長途旅客的運輸任務［7］，不同運距客流比如圖1所示。

圖1 杭南長客運專線客流運距

從與相鄰線網(wǎng)的關系來看，本線與相鄰客運專線關系密切，跨線車占總列車數(shù)的80%左右，其中絕大多數(shù)是與相鄰寧杭、滬杭、杭甬、京福、京廣和長昆客運專線的交流。

杭南長客運專線的客流構成主要可以分成3個部分，第一部分為杭南長三地之間的直達客流，以杭南長客運專線和航空為主;第二部分為沿線地區(qū)對相鄰路網(wǎng)的旅客交流;第三部分為沿線各城市間的客流。

2.2 杭南長客運專線時間目標值的選擇

對于時間目標值的選擇，主要通過對不同運輸方式和不同客流特征進行比較而確定。目前杭南長客運專線通道內交通方式已經(jīng)形成公路、鐵路、航空三者互為補充的交通運輸格局。三種運輸方式根據(jù)各自特點，均有特定的競爭優(yōu)勢范圍，航空在長途旅行時間上占據(jù)優(yōu)勢，公路具有短途便利性優(yōu)勢，鐵路以經(jīng)濟性和速度占據(jù)中長途客運市場，且隨著近年來高速鐵路技術的發(fā)展，競爭優(yōu)勢范圍擴展至200～1 200 km。

杭南長通道沿線上分布有杭州蕭山國際機場、義烏機場、衢州機場、南昌昌北國際機場和長沙黃花國際機場，民航比較發(fā)達?？蜋C的平均旅行速度(經(jīng)濟巡航速度)取 700 km/h［8］。

杭南長通道沿線主要公路為滬昆高速公路，公路主要的交通工具形式為小汽車和大巴車，小汽車和大巴車的平均旅行速度取90 km/h［9］。

本文航空出行附加時間取3 h，小汽車和大巴出行附加時間取0.75 h;高速鐵路附加時間取1 h［10］。研究區(qū)域內主要城市之間航空與高速公路出行時間見表1。

表1 主要城市間航空與高速公路出行時間

由表1可以看出，杭州至長沙、南昌運距較長，主要面臨航空競爭，航空出行總時間為4.26、3.80 h，杭州至長沙、南昌的鐵路出行總時間應不大于或與其接近，才具有競爭力，即時間目標值應控制在3.26、2.8 h以內;南昌至長沙為運距較短，主要面臨公路競爭，高速公路出行總時間為4.37 h，南昌至長沙鐵路的出行總時間不應大于4.37 h才與公路具有競爭力，時間目標值應不大于3.37 h。

因此，為滿足杭南長客運專線主要城市間的時間目標值要求，旅客列車的旅行速度應達到250 km/h以上。速度目標值合理范圍選為250～350 km/h，本文主要比較250、300、350 km/h三個速度目標值方案。

3 不同速度目標值對技術標準的影響分析

杭南長客運專線沿線地形以丘陵為主，主要特殊巖土為軟土、松軟土和膨脹土，不良地質為采空區(qū)及巖溶，總體地質條件較好，有利于鋪設無砟軌道，各方案均推薦全線鋪設無砟軌道。根據(jù)《新建時速200～250 km客運專線鐵路設計暫行規(guī)定》和《新建時速300～350 km客運專線鐵路設計暫行規(guī)定》［11］，不同速度目標值所選用的技術標準如表2所示。

表2 不同方案所選用的技術標準

由表2可以看出，速度目標值越高，線間距、最小曲線半徑、路基寬度和隧道斷面積的取值越大，這是影響工程投資的主要因素;不同速度目標值路基和橋梁工后沉降標準相同。

4 不同速度目標值對工程數(shù)量和工程投資的影響分析

從基礎設施建設的不同標準來看，不同的速度目標值，對工程投資有很大影響，其主要體現(xiàn)在設計標準的不同而導致工程數(shù)量、單價指標、車站設備選擇上的差異。本線的工程數(shù)量和靜態(tài)投資見表3，表中數(shù)據(jù)由勘探設計單位提供。

表3 工程數(shù)量和靜態(tài)投資對照

從表3可以看出，杭南長客運專線速度目標值350 km/h方案較250 km/h方案征地面積增加了423.5畝，拆遷建筑物面積和路基土石方基本持平，橋隧總長增加了3.867 km，靜態(tài)投資增加67.40億元，投資增幅6.7%;350 km/h方案較300 km/h方案征地面積增加了198.2畝，拆遷建筑物面積和路基土石方基本持平，橋隧總長增加了2.007 km，投資增加11.92億元，靜態(tài)投資增幅1.2%。

上述數(shù)據(jù)顯示，雖然350 km/h方案的工程數(shù)量和工程靜態(tài)投資較另外2個方案都有所增加，但增幅較小，靜態(tài)投資的增幅遠低于京滬高速鐵路的研究結果(8% ～11%)。而對于橋、隧、路基等基礎設施來說，一旦建成將很難改建，因此建議按照350 km/h方案設計與施工，一步到位。這樣不僅可以滿足初期近期跨線和本線高中速動車組混跑要求，還為遠期進一步提高動車組運行速度打下了基礎，并且降低了遠期提速的巨額土建投資。

5 不同速度目標值對旅行時間的影響分析

旅行時間是指列車在區(qū)段內運行，計入中間車站停車的起停附加時分和中間車站停車時分計算出的區(qū)段耗時。計算旅行時間時，按平均200 km間距停車一次考慮，每次停站2 min一次起停車附加4 min［10］。由此計算出杭南長客運專線主要城市間的旅行時間如表4所示。

表4 杭南長客運專線主要城市間旅行時間

杭州與長沙之間屬于中長距離，時間目標值控制在3.26 h以內才能與航空運輸之間形成競爭，由表4可以看出，杭州到長沙的3種方案中，只有350 km/h方案的旅行時間可以滿足時間目標值的要求。與300 km/h和250 km/h兩個方案比較，分別節(jié)省旅行時間0.6 h和1 h;杭州與南昌、南昌與長沙之間，3種方案旅行時間之間的差值在0.6 h以內，且都滿足時間目標值的要求。

6 不同速度目標值對動車組購置費的影響分析

影響動車組購置費用的因素很多，比如動車組運行特性、制造材料、車內裝飾、編組數(shù)量、運行速度等。本文討論杭州—長沙區(qū)段內開行直達列車時的動車組購置費用。

6.1 開行1對列車需要的動車組底數(shù)

開行每對列車所需要的車底數(shù)d與旅行速度、始發(fā)站停留時間、終到站停留作業(yè)時間有關［12］，計算公式如下

式中 T——每天用于行車的實際時間，取T=18 h;

Vl——列車的旅行速度;

ts，tz——列車分別在始發(fā)站和終到站的停留時間，根據(jù)我國已建成高速鐵路客運專線的運營經(jīng)驗，由于客專實施統(tǒng)一調度、運輸任務較大，行車密度高，應盡量減少停車作業(yè)的時間，ts，tz的取值一般為20～40 min。參考京滬、京廣、滬杭客運專線的實際取值，取ts=tz=20 min;

Si——列車在區(qū)段上的走行距離;

Lq—— 線路的總長度，Lq=。

以杭州到長沙區(qū)段為例，考慮的運輸模式為大站直達模式，因此取Si=Lq=883 km，則式(1)可以化簡為

由表4可知，杭州到長沙之間3種速度目標值方案對應的旅行速度分別為 Vl=220、260 km/h和294 km/h。將已知數(shù)值代入到(2)式中，得到3種不同速度目標值情況下，開行1對列車所需要的動車組車底數(shù)目，見表5。

表5 開行1對列車所需動車組車底數(shù)

6.2 動車組需要數(shù)量

動車組的需要量可以按式(3)(動車組數(shù)量不足1列時，按1列計)

式中 M——動車組的需要量;

Ni——第i個區(qū)段每天需要開行的列車對數(shù)，根據(jù)客流預測，杭州與長沙區(qū)段內近期N=30對/d，遠期N=56對/d;

d——開行每對列車需要的車底數(shù);

a——通過能力儲備系數(shù)，雙線區(qū)段一般取 0.16;

將計算得到的d值帶入式(3)中，得到不同速度目標值下近、遠期的高速動車組需要數(shù)量，列于表6。

表6 不同速度目標值下動車組需要量

從表6中不難得出結論，隨著速度目標值的提高，動車組的需要量隨之下降。原因是，列車的運行速度加快，運行時間也相應減少，當發(fā)車間隔時間和始發(fā)終到車站作業(yè)時間相同的情況下，滿足周轉的動車組數(shù)也就越少。

6.3 動車組購置費

文獻［13］根據(jù)不同國家的動車組每座單價和速度之間的關系，用數(shù)學回歸方法擬合出了動車組每座價格與運行速度的公式

式中 P——最高速度為Vmax時的列車每座單價;

Vmax——列車最高運行速度;

P300——最高速度為300 km/h時的列車每座單價。根據(jù)推算，P300=14.54萬元/座。

我國現(xiàn)在主型動車組型號參數(shù)見表7，為了便于比較，動車組均按8輛編組，3種速度目標值的動車組類型分別選擇CRH1A、CRH2C和CRH280A。則不同速度目標值對應的動車組購置費如表8所示。

表7 動車組參數(shù)

由表8可以看出，250 km/h方案的動車購置費最低，300 km/h方案為最高，350 km/h方案次之，后2種方案的動車購置費相差不大。

表8 不同方案的動車組購置費比較

7 投資效益分析

經(jīng)濟效益的最大化，可以從鐵路企業(yè)財務和國民經(jīng)濟兩個層面進行比較。通過對不同速度目標值方案運營成本、旅行時間節(jié)約價值、轉移旅客運輸費用等經(jīng)濟要素的定量分析，以250 km/h速度目標值方案為基準，對各方案凈現(xiàn)金流量差額進行折現(xiàn)，計算累計凈現(xiàn)值，選擇綜合效益最優(yōu)的方案。計算期采用30年，財務折現(xiàn)率取3%，社會折現(xiàn)率取8%。財務凈現(xiàn)值和經(jīng)濟凈現(xiàn)值與速度目標值關系見圖2。

圖2 財務、經(jīng)濟凈現(xiàn)值與速度目標值關系

由圖2可以看出，財務凈現(xiàn)值和經(jīng)濟凈現(xiàn)值隨著速度目標值的升高而增加，350 km/h速度目標值方案財務凈現(xiàn)值和經(jīng)濟凈現(xiàn)值均為最大，投資效益最好，300 km/h方案次之。

8 不同速度目標值路網(wǎng)協(xié)調性分析

杭南長客運專線是我國“四縱四橫”客運網(wǎng)主骨架之一，承擔的主要為長途跨線客流，其速度目標值需與相鄰客運專線協(xié)調一致。相鄰的京滬高速鐵路、武廣、鄭西、京石、石武等客運專線速度目標值均為350 km/h及以上，為滿足大量的跨線列車運輸需求，提高動車組運用效率，提高運輸服務運輸質量，綜合考慮本線宜采用350 km/h及以上速度目標值。另外，京津城際［14］、京滬高速鐵路的成功經(jīng)驗表明，我國已經(jīng)具備了開行350 km/h動車組的各項條件。

9 結語

通過對250 km/h、300 km/h和350 km/h三種速度目標值方案進行對比，得出以下結論。

(1)速度目標值越高，線路所選擇的技術標準越高，工程數(shù)量和靜態(tài)投資也隨之增大，但增幅不大。

(2)杭州—長沙區(qū)段內，隨著速度目標值的提高，滿足旅客周轉的動車組數(shù)量減少;250 km/h方案的動車購置費最低，300 km/h和350 km/h兩種方案的動車購置費相差不大。

(3)350 km/h方案在節(jié)約旅行時間和投資效益2個方面占有明顯優(yōu)勢。

杭南長客運專線是我國客運專線網(wǎng)中的主干線，為了吸引客流，提高與高速公路、航空的競爭優(yōu)勢，獲得最佳的投資效益，并考慮基礎設施的難以改建性，建議杭南長客運專線的速度目標值采用350 km/h。

［1］國家發(fā)展和改革委員會.中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃(2008年調整)［R］.北京:2008.

［2］闞叔禹，陳峰.京滬高速鐵路速度目標值與主要技術標準和工程造價［J］.鐵道工程學報，1998(3):1-3.

［3］李長進.我國高速鐵路速度目標值問題的研究［J］.鐵道工程學報，2003(9):1-4.

［4］雷曉燕，圣小珍.鐵路交通噪聲與振動［M］.北京:科學出版社，2004:114-124.

［5］沈志云.論我國高速鐵路技術創(chuàng)新發(fā)展的優(yōu)勢［J］.科學通報，2012，57(8):594-599.

［6］朱穎，易思蓉.高速鐵路曲線參數(shù)動力學分析理論與方法［M］.北京:中國鐵道出版社，2011:2-3.

［7］中鐵第四勘察設計院有限公司.杭南長客運專線可行性研究報告［R］.中鐵第四勘察設計院有限公司，武漢:2009.

［8］趙永紅.西安至寶雞鐵路客運專線速度目標值方案研究［J］.鐵道標準設計，2013(8):1-6.

［9］方琪根.客運專線速度目標值的技術經(jīng)濟分析方法與應用［J］.鐵道科學與工程學報，2006(6):74-79.

［10］沈榮發(fā).哈大鐵路客運專線速度目標值的選擇［J］.鐵道勘察，2007(1):67-71.

［11］《客運專線鐵路工程設計標準使用手冊》編寫組.客運專線鐵路工程設計標準使用手冊［M］.北京:中國鐵道出版社，2007.

［12］廖雋勇.鐵路客運專線主要技術標準綜合優(yōu)化初步研究［D］.成都:西南交通大學，2010:28-31.

［13］劉萬明.我國高速鐵路客運專線主要技術經(jīng)濟問題研究［D］.成都:西南交通大學，2002:142-145.

［14］史艷麗.京津城際客運專線速度目標值的選擇［J］.鐵道標準設計，2004(4):21-22.