市郊鐵路最高設(shè)計(jì)速度的研究

魯永辰

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300251)

市郊鐵路最高設(shè)計(jì)速度的研究

魯永辰

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300251)

市郊鐵路最高設(shè)計(jì)速度是市郊鐵路重要的技術(shù)指標(biāo)，是確定工程規(guī)模和投資的重要依據(jù)之一。通過站間距離、乘客旅行時(shí)間目標(biāo)和線路條件三個(gè)方面分析和推算，對市郊鐵路設(shè)計(jì)速度的選擇進(jìn)行研究，建立了最佳平均站間距、乘客旅行時(shí)間目標(biāo)、曲線半徑與最高設(shè)計(jì)速度之間的關(guān)系，在確定市郊鐵路的設(shè)計(jì)速度目標(biāo)值時(shí)是十分快速和有效的。

市郊鐵路； 速度； 目標(biāo)； 研究

市郊鐵路是各大城市進(jìn)行調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，引導(dǎo)衛(wèi)星城鎮(zhèn)發(fā)展，規(guī)劃居民遷移，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要手段，其主要目標(biāo)是“快捷高速”地運(yùn)送中心城區(qū)與市郊城鎮(zhèn)之間通勤客流，其列車運(yùn)行速度應(yīng)比地鐵高出許多。市郊鐵路最高設(shè)計(jì)速度(最高計(jì)算運(yùn)行速度)是市郊鐵路重要的技術(shù)指標(biāo)，是確定工程規(guī)模和投資的重要依據(jù)之一。目前，我國還沒有專門進(jìn)行市郊鐵路設(shè)計(jì)速度的研究，從站間距、時(shí)間目標(biāo)和線路條件3個(gè)方面入手，對市郊鐵路設(shè)計(jì)速度的選擇進(jìn)行研究，尋求合理的市郊鐵路設(shè)計(jì)速度目標(biāo)值。

1 車站間距對設(shè)計(jì)速度的影響

市郊鐵路車站分布不同于地鐵和城際高速鐵路。城際高鐵車站間距主要受城市分布，城市間距離影響，一般情況下平均站間距35～100 km；地鐵以最大限度滿足旅客出行為目標(biāo)，按所有車站直接吸引旅客，一般站間距1～1.5 km。市郊鐵路以滿足沿線衛(wèi)星城鎮(zhèn)的旅客通勤需要和促進(jìn)沿線地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要為目標(biāo)，而衛(wèi)星城鎮(zhèn)布局、人口規(guī)模、用地性質(zhì)與城市發(fā)展現(xiàn)狀和規(guī)劃密切相關(guān)，市郊鐵路的站間距應(yīng)介于地鐵與城際之間。

在不組織越行的運(yùn)輸組織模式下，列車運(yùn)行速度主要取決于車站間距。站間距偏小，列車有可能還沒有運(yùn)行到最高速度或在最高速度運(yùn)行極短時(shí)間就必須制動(dòng)減速，這不符合經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的要求；若站間距偏大，則列車的加速時(shí)間相對較短，平均旅行速度較低，延長了乘客的出行時(shí)間，同樣也是不合理的。

1.1 理論模型的建立

為了便于分析和計(jì)算車站距離和列車運(yùn)行速度的關(guān)系，對列車在區(qū)間的啟動(dòng)、加速、惰性、減速、停車的全過程進(jìn)行簡化和假設(shè)。

(1)假設(shè)區(qū)間線路為平直地段；

(2)列車在區(qū)間運(yùn)行分3個(gè)階段：啟動(dòng)加速—?jiǎng)蛩佟苿?dòng)減速，加速、減速階段為勻加速、勻減速；

(3)勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)間選擇總運(yùn)行時(shí)間的1/3，這樣既可保證列車運(yùn)行速度，又可達(dá)到安全、省電、舒適的效果。

在理想狀態(tài)下，列車在區(qū)間的運(yùn)行過程如圖1所示。

圖1 列車在區(qū)間運(yùn)行過程示意

列車的運(yùn)行公式如下

式中L——平均站間距，m；

a1、a2——列車加速度、列車制動(dòng)加速度，m/s2；

t1、t2、t3——列車加速、勻速、減速運(yùn)行時(shí)間，s；

v、vmax——列車運(yùn)行速度，最大運(yùn)行速度，m/s。

將公式(2)代入(1)得

整理后得到一個(gè)關(guān)于行車速度v的一元二次方程

1.2 機(jī)車車輛性能指標(biāo)

從理論模型上可以看出，運(yùn)行速度和站間距的關(guān)系受車輛性能影響最大。為了得到運(yùn)行速度和站間距的關(guān)系，首先對車輛性能進(jìn)行選擇，選擇時(shí)兼顧代表性和超前性，運(yùn)行速度80～120 km/h的車輛性能可以選用地鐵常用的A車指標(biāo)，140～200 km/h選取我國研制的CRH6系列動(dòng)車組(2014年2月13日CRH6A動(dòng)車組在成灌線投入運(yùn)營，2014年6月23日CRH6F動(dòng)車組在昆曲線投入空載運(yùn)行)指標(biāo)，各車型車輛主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 我國部分車輛性能技術(shù)指標(biāo)

1.3 設(shè)計(jì)速度的推算

在獲得車站間距與設(shè)計(jì)速度最終關(guān)系以前，暫時(shí)再進(jìn)行一次假設(shè)，假設(shè)t2=0，既列車運(yùn)行到最高運(yùn)行速度后立即減速至停車，列車運(yùn)行圖簡化為圖2。

圖2 t2=0時(shí)列車在區(qū)間運(yùn)行過程示意

在此假設(shè)下，由站間距推算行車速度的公式(4)簡化如下

根據(jù)公式(5)可以推算出t2=0時(shí)站間距與最高運(yùn)行速度的關(guān)系(表2)。

在理論模型中，假設(shè)勻速運(yùn)行時(shí)間t2是總運(yùn)行時(shí)間的1/3為最佳運(yùn)行，可得

表2 t2=0時(shí)站間距與最高運(yùn)行速度的關(guān)系

整理，可得

表3 車站間距與設(shè)計(jì)速度的關(guān)系

2 出行時(shí)間對設(shè)計(jì)速度的影響

市郊鐵路作為承擔(dān)大城市中心城區(qū)與衛(wèi)星城鎮(zhèn)間旅客運(yùn)輸?shù)囊环N交通方式，其在速度和經(jīng)濟(jì)方面應(yīng)比高速公路、公路具有競爭力。因此應(yīng)從時(shí)間目標(biāo)(出行時(shí)間)上研究設(shè)計(jì)速度。從心理和生理承受能力考慮，單向通勤時(shí)間1 h左右是通勤者能夠接受的尺度，該指標(biāo)也是國內(nèi)外1 h通勤圈概念的基礎(chǔ)。

2.1 乘客出行過程分析

乘客出行的過程，主要包括從出發(fā)地到達(dá)車站、乘車、離站到達(dá)目的地三個(gè)階段，因此乘客的平均出行時(shí)間應(yīng)包括以下幾個(gè)部分。

(1)乘客從出發(fā)地進(jìn)入市郊鐵路車站的出行時(shí)間，以及乘客離開車站到達(dá)目的地的平均出行時(shí)間，既乘客到、離站的平均接駁時(shí)間T1。

(2)乘客的平均候車時(shí)間T2。

(3)乘客乘坐市郊鐵路車輛的時(shí)間T3。

2.2乘客到、離站的平均接駁時(shí)間T1

乘客到、離站的接駁時(shí)間應(yīng)包含市區(qū)的平均接駁時(shí)間和郊區(qū)的平均接駁時(shí)間。接駁時(shí)間取決于乘客選擇的交通方式以及距離車站的遠(yuǎn)近。通?？紤]采用交通的接駁時(shí)間與步行接駁時(shí)間消耗相同的原則進(jìn)行研究，在通常情況下，郊區(qū)步行去車站的乘客多居住在距離車站步行時(shí)間不大于15 min的范圍內(nèi)，據(jù)國外資料有關(guān)統(tǒng)計(jì)，居住在5 min、10 min步行距離范圍的乘客分別占乘客總數(shù)的60%和80%，因此選擇將市郊車站的各種接駁方式統(tǒng)一考慮為10 min。在市區(qū)內(nèi)，一般認(rèn)為步行范圍在車站500 m范圍內(nèi)，步行時(shí)間5 min范圍為最佳接駁時(shí)間。乘客到、離站的平均接駁時(shí)間T1可以考慮為15 min。

2.3乘客的平均候車時(shí)間T2

乘客的平均候車時(shí)間包括買票、檢票、候車和上下車等，它與市郊鐵路的發(fā)車頻率f和發(fā)車間隔有關(guān)，可以表示為

式中，α為常數(shù)，由于市郊鐵路發(fā)車頻率高，按乘客到站時(shí)間呈均值分布，國外市郊鐵路高峰小時(shí)發(fā)車間隔普遍采用10 min，可以認(rèn)為乘客的平均候車時(shí)間為5 min。

2.4 乘客乘坐市郊鐵路的旅行時(shí)間

乘客乘坐市郊鐵路的旅行時(shí)間，主要受列車的旅行速度控制。通過2.1、2.2、2.3節(jié)的分析，市郊鐵路的平均接駁時(shí)間和平均候車時(shí)間合計(jì)約20 min，那么在通勤圈概念范圍，其余時(shí)間應(yīng)為乘客可接受的在市郊列車上的旅行時(shí)間。因此，要保證單向通勤的目標(biāo)值，并保持市郊鐵路對公路交通的速度優(yōu)勢，綜合考慮，市郊鐵路的時(shí)間目標(biāo)和線路長度關(guān)系如表4所示。

表4 市郊鐵路的長度和時(shí)間目標(biāo)關(guān)系

2.5 設(shè)計(jì)速度的確定

一個(gè)城市在規(guī)劃市郊鐵路時(shí)，線路的基本長度就確定了，根據(jù)線路長度L和旅行時(shí)間目標(biāo)T，可以得到市郊鐵路的平均旅行速度

一般情況下，一條線路的平均旅行速度是最高設(shè)計(jì)速度(最高運(yùn)行速度)的50%～70%，這樣就可以選擇合理的設(shè)計(jì)速度了。

3 線路條件對設(shè)計(jì)速度的影響

根據(jù)線路沿線的地形條件和環(huán)境因素，選擇合理的設(shè)計(jì)速度，對工程投資的影響也是非常重要的因素。雖然線路指標(biāo)中的曲線超高、最小曲線半徑、曲線限速、緩和曲線長度、最小線間距、線路最大坡度和豎曲線半徑等因素和設(shè)計(jì)速度都有關(guān)系，但對工程投資影響較大的主要是前3項(xiàng)。

3.1 曲線超高

曲線外軌超高計(jì)算公式如下

式中v——運(yùn)行速度，km/h；

R——曲線半徑，m。

當(dāng)曲線半徑一定時(shí)，運(yùn)行速度越高，要求的超高值越大。我國《鐵路線路設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50090—2006)規(guī)定，一般情況下曲線最大超高150 mm，允許欠超高一般70 mm，困難90 mm?！兜罔F設(shè)計(jì)規(guī)范》中則從乘客舒適度考慮，曲線最大超高為120 mm，允許欠超高不超過61 mm?！惰F路線路設(shè)計(jì)規(guī)范》適用于客貨混跑線路，而市郊鐵路與地鐵同屬于客運(yùn)系統(tǒng)，而且市郊鐵路距離較長，對舒適度的要求更加重要。因此市郊鐵路最大超高采用120 mm，欠超高采用60 mm比較合適。

3.2 最小曲線半徑

對于列車運(yùn)行速度100 km/h≤v≤160 km/h的市郊鐵路，列車最高速度不限速運(yùn)行的最小曲線半徑可按下式計(jì)算確定

式中R——列車最高行車速度要求的曲線半徑，m；

其中h=hmax+hq，hmax=120 mm，hq=60 mm。

通過計(jì)算，可以得到高行車速度與最小曲線半徑的關(guān)系如表5所示。

3.3 曲線限速

線路由于受地形條件、既有或規(guī)劃道路、重要構(gòu)(建)筑物等控制，實(shí)際設(shè)計(jì)半徑往往小于最小曲線半徑。列車通過該曲線地段，為了保障行車安全和乘客舒適度的要求，列車必須限速行駛。將h=hmax+hq(hmax=120 mm，hq=60 mm)代入公式(11)，整理后可得

按照公式(12)計(jì)算出的曲線限制速度，按照10 km/h向低取整后如表6所示。

表6 曲線限制速度

4 結(jié)語

從站間距、旅行時(shí)間目標(biāo)和線路條件3個(gè)方面對市郊鐵路的最高設(shè)計(jì)速度(最大運(yùn)行速度)進(jìn)行了研究，這些方法在最初確定設(shè)計(jì)速度時(shí)是十分快速和有效的。

在確定市郊鐵路的設(shè)計(jì)速度過程中，要綜合運(yùn)用本文介紹的方法，線路完成選線后要用牽引計(jì)算軟件精確模擬旅行時(shí)間和能耗，并綜合考慮工程投資和運(yùn)營費(fèi)用，既要考慮設(shè)計(jì)速度的提高，減少旅行時(shí)間，也要考慮降低工程投資，減少運(yùn)營費(fèi)用。

[1] GB50090—2006，鐵路線路設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．

[2] GB50157—2013，地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．

[3] 徐德新.城市軌道交通車輛最高運(yùn)行速度的選擇[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2008(2):97-99.

[4] 農(nóng)興中.廣州地鐵3號(hào)線最高行車速度的確定[J].城市軌道交通研究，2003(3)：83-86.

[5] 陸化普，朱軍，王建偉.城市軌道交通規(guī)劃的研究與實(shí)踐[M].北京.中國水利水電出版社，2001．

Study on the Highest Design Speed of Suburban Railways

Lu Yongchen

(The Third Railway Design and Survey Institute Group Corporation， Tianjin 300251, China)

The highest suburban railway design speed is an important technical index for suburban railways， and is one of the important principles to determine project scale and investment. Through the analysis and calculation of three aspects， namely， station spacing， passenger travel target time and route conditions， a study is conducted on choices of suburban railway design speed， the relationship is established between and among the optimized average station spacing， passenger travel target time， curve radius and maximum design speed， which proves a quick and effective way in defining the designed speed target value of suburban railways．

Suburban railway; Speed; Target; Study

2014-08-26

魯永辰(1969—)，男，高級(jí)工程師，E-mail：tsdiyclu@sohu.com。

1004-2954(2014)11-0069-03

U239.5

：A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.11.016