武漢軌道交通19號線車輛選型研究

左玉東

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司， 430063， 武漢//高級工程師)

武漢軌道交通19號線近期與20號線貫通至天河機場，串聯(lián)了光谷、武漢站及天河機場，既是一條市域線，也是一條機場線，提供來往機場的快速、舒適、直達(dá)的高品質(zhì)服務(wù)。因此，19號線除開行普通站站停列車外，還開行大站快車，以縮短旅行時間，提升競爭力。

19號線工程初期線路全長24.45 km，全部為地下線，設(shè)車站9座。19號線近期與20號線貫通運營后(以下稱其為19號貫通線)，線路全長63 km，設(shè)站16座，最大站間距約7 km，最小站間距約1 km，平均站間距約4.2 km[1]。

作為武漢軌道交通首條集市域快線與機場線于一體的復(fù)合型線路，其車輛選型除了將決定該線的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)、建設(shè)規(guī)模和工程投資，以及影響軌道交通網(wǎng)絡(luò)資源的共享之外，同時還對后續(xù)市域線路車輛選型具有示范作用。因此，根據(jù)19號線和20號線線路特征、功能定位，對列車最高運行速度、車型選擇、列車編組、站席標(biāo)準(zhǔn)、車門、值機條件等進行研究很有必要。

1 最高運行速度

從線路條件來看，該線適宜采用較高的運行速度，因此，對100 km/h、120 km/h、140 km/h、160 km/h速度目標(biāo)值進行了綜合比選。

1.1 時間目標(biāo)適應(yīng)性

根據(jù)武漢最新軌道交通線網(wǎng)提出的“45 min樞紐圈”要求，城市集中建設(shè)區(qū)所有對外樞紐之間以及主城和新副城中心到主要樞紐之間的出行時間，不超過45 min[1]。

目前，天河機場至武漢站客運大客車的運行時間在50～60 min,小汽車運行時間在45 min左右。為實現(xiàn)光谷地區(qū)至中心城區(qū)及機場的交通發(fā)展目標(biāo)，提高軌道交通的競爭力，更好地吸引客流，時間目標(biāo)值確定為：武漢站至天河機場出行時間應(yīng)不超過30 min，光谷中心城區(qū)至天河機場出行時間應(yīng)不超過45 min[1]。

針對不同運行速度，對天河機場—武漢火車站和天河機場—光谷五路兩個區(qū)段進行運行時間目標(biāo)檢算，結(jié)果如表1所示。

表1 不同運行速度下的時間目標(biāo)檢算

由表1可知，最高運行速度采用100 km/h時站站停列車不能滿足天河機場—光谷五路站45 min的時間目標(biāo)，考慮到遠(yuǎn)期高峰小時開行大站快車4對，開行站站停列車8對，站站停列車比例更高，為確保乘客的乘坐時效性，故排除100 km/h速度目標(biāo)值方案。

120 km/h及以上速度目標(biāo)值方案均可滿足運行時間目標(biāo)值要求，隨著運行速度的提高，節(jié)省的時間越來越有限；從光谷五路站至天河機場站，140 km/h較120 km/h方案節(jié)省約2.1 min，160 km/h較140 km/h方案節(jié)省0.9 min。

1.2 站間距適應(yīng)性

根據(jù)線路走向和車站分布，19號貫通線平均站間距約4.2 km，光谷五路以北最小站間距為1.6 km(花山新城站—花山車輛段站)，最大站間距為7.0 km(新榮站—和平公園站)。19號貫通線全線站間距統(tǒng)計見表2。

表2 19號貫通線站間距統(tǒng)計

根據(jù)車輛加減速性能，車輛運行速度為120 km/h、140 km/h、160 km/h的起動距離加制動距離分別為1.5 km、2.5 km、4.0 km[2]。當(dāng)發(fā)揮列車高速性能的運行距離不低于區(qū)間長度的50%時，認(rèn)為列車在該區(qū)間能充分發(fā)揮高速性能，因此，120 km/h、140 km/h、160 km/h速度等級列車的站間距分別應(yīng)不小于3 km、5 km、8 km。

由表2可知：該線無大于8 km的區(qū)間，大于5 km的區(qū)間有7個，大于3 km的區(qū)間有8個；大于3 km的區(qū)間線路長占全線總長的88.1%。因此，從車輛性能與站間距的匹配性來看，可選擇120 km/h或140 km/h速度目標(biāo)值。

1.3 線路條件適應(yīng)性

線路中曲線半徑及大坡度對列車運行速度影響較大。經(jīng)牽引計算，實際能按照最高速度運行的地段長度分別為20.8 km、18.7 km和5.1 km，占比分別為43.7%、39.3%和10.8%；從運行效率來看，120 km/h方案最高，140 km/h與120 km/h方案較為接近，而160 km/h方案偏低。具體結(jié)果見表3。

表3 最高運行速度與線路條件匹配性統(tǒng)計

1.4 車輛配置數(shù)量

根據(jù)遠(yuǎn)期交路計算，最高運行速度120 km/h方案遠(yuǎn)期需運用車43列，配屬車52列；140 km/h和160 km/h方案，遠(yuǎn)期運用車及配屬車相同，為41列，配屬車為50列。雖然最高運行速度120 km/h方案遠(yuǎn)期較140 km/h和160 km/h方案多出2列配車數(shù)，但120 km/h的車輛單價較低，車輛購置費整體還是較140 km/h和160 km/h方案節(jié)省。

1.5 隧道斷面影響分析

19號貫通線以地下敷設(shè)為主。地下區(qū)間施工以盾構(gòu)法為主。隧道斷面的尺寸直接影響土建投資。隧道斷面的影響因素主要包括阻塞比λ(列車橫斷面面積與隧道軌面以上凈空面積之比[3])及設(shè)備安裝要求兩個方面。

1.5.1 阻塞比

車輛高速運行工況下，限界斷面制定時，需在滿足車輛運行動態(tài)限界的基礎(chǔ)上，考慮乘客的舒適性。根據(jù)T/CCES 2—2017《市域快速軌道交通設(shè)計規(guī)范》，單線圓形隧道在滿足λ要求時所需最小軌面以上隧道斷面面積及建筑限界內(nèi)徑見表4。

表4 不同速度目標(biāo)值及阻塞比對應(yīng)的隧道建筑參數(shù)

1.5.2 設(shè)備安裝

由于接觸軌適應(yīng)的最高速度一般不超過120 km/h[4],故僅研究對比架空接觸網(wǎng)方式。

影響隧道斷面的設(shè)備安裝因素主要包括軌道結(jié)構(gòu)高度、接觸網(wǎng)掛網(wǎng)高度、接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)高度,如圖1所示。

注：尺寸單位為mm；FAS為火災(zāi)報警系統(tǒng)；PIS為乘客信息系統(tǒng)

軌道結(jié)構(gòu)高度取850 mm，設(shè)備安裝主要受接觸網(wǎng)掛網(wǎng)高度及接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)高度2個因素影響。不同的供電制式，接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)高度、掛網(wǎng)高度均不同，具體見表5。

1.5.3 綜合分析

綜合考慮阻塞比、設(shè)備安裝的影響，不同速度目標(biāo)值對應(yīng)的隧道建筑限界如表6所示。

λ和供電制式是確定速度為120～160 km/h的盾構(gòu)隧道限界尺寸的主要因素[5]。從表6可以看出，選擇120～140 km/h的最高運行速度時，直流剛性接觸網(wǎng)所需的隧道斷面最小。

表5 供電制式及接觸網(wǎng)對應(yīng)的隧道建筑限界內(nèi)徑

表6 不同速度目標(biāo)值、阻塞比、供電制式對應(yīng)的隧道建筑限界

1.6 武漢線網(wǎng)后續(xù)市域線路的特征分析及供電制式選擇

《武漢市軌道線網(wǎng)規(guī)劃(2014—2049)》于 2015年編制完成并獲批復(fù)，遠(yuǎn)景線網(wǎng)由25條線路構(gòu)成，總長度1 100 km，590座車站[6]。對其中11條約660 km市域線路進行了統(tǒng)計分析，市域線路長度均在30～70 km范圍，站間距3～5 km左右。

根據(jù)線路長度及站間距適應(yīng)性分析，市域線路適宜的最高運行速度應(yīng)是120～140 km/h。

按照T/CCES 2—2017《市域快速軌道交通設(shè)計規(guī)范》，市域快軌牽引供電系統(tǒng)制式選擇結(jié)合自身特點及負(fù)荷需求，可采用單相工頻25 kV交流制，直流制牽引網(wǎng)優(yōu)選DC 1 500 V。

綜合以上分析，武漢市軌道交通線網(wǎng)中市域線運營速度不大于140 km/h，且與武漢地鐵線網(wǎng)線路具備互聯(lián)互通條件，推薦采用DC 1 500 V供電制式。

隧道內(nèi)采用架空剛性接觸網(wǎng)，以減少土建規(guī)模；隧道外采用架空柔性接觸網(wǎng)。剛性懸掛推薦采用帶有旋轉(zhuǎn)底座的剛性接觸網(wǎng)安裝方式[9]，匯流排線夾及絕緣子等建議采用彈性元件。凈空受限且行車速度低于120 km/h區(qū)段，可采用豎直懸吊方案。

1.7 推薦的最高運行速度

綜上，對各種速度目標(biāo)值的對比整理如表7所示。

表7 不同速度目標(biāo)值時各指標(biāo)綜合對比表

從滿足時間目標(biāo)要求、站間距及線路條件適應(yīng)性等分析，120 km/h、140 km/h速度目標(biāo)值均較為適合。預(yù)留140 km/h條件，較120 km/h方案增加工程投資3.86億元，占19號線工程費用的3.4%，單程節(jié)省時間4.8%。綜合考慮工程投資、乘客出行時間成本、運營成本、車輛技術(shù)發(fā)展以及區(qū)域線網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一，推薦采用120 km/h速度目標(biāo)值，預(yù)留遠(yuǎn)期提速到140 km/h的條件。

2 車型選擇

武漢市已運營的城市軌道交通線路以A型車和B型車為主，即將開通的新線路均采用A型車，根據(jù)武漢市軌道交通近期建設(shè)規(guī)劃，后續(xù)新建線路車輛選型以A型車為主。

從19號線客流、最高運行速度、供電制式、車輛采購、與城市軌道交通線網(wǎng)互聯(lián)互通等因素考慮，亦推薦采用技術(shù)成熟的A型車。

考慮到DC 1 500 V的140 km/h的A型車目前國內(nèi)還沒有應(yīng)用，與成熟的120 km/h的A型車相比，140 km/h的車輛在牽引、制動、車體密封性(包括車體、空調(diào)、貫通道、車門、車窗、管線孔)方面均存在差異[10]，結(jié)合目前國內(nèi)車輛制造廠商的技術(shù)水平、車輛造價等綜合因素，推薦采用120 km/h的A型車，后續(xù)待140 km/h直流供電車輛技術(shù)成熟后，再行配置。

3 站席標(biāo)準(zhǔn)

2016年1月，中國城市軌道交通協(xié)會發(fā)布了《地鐵列車定員、車站規(guī)模動態(tài)計算方法及其標(biāo)準(zhǔn)研究》。其中，對城市軌道交通車站的服務(wù)水平進行綜合評價的等級由舒適至擁擠依次分為A、B、C、D、E、F。

《地鐵列車定員、車站規(guī)模動態(tài)計算方法及其標(biāo)準(zhǔn)研究》提出：城市軌道交通的服務(wù)水平應(yīng)按城市的整體發(fā)展規(guī)劃、經(jīng)濟發(fā)展水平、地域文化環(huán)境綜合考慮，一般以交通功能為主的線路宜選用D級或C級；車廂服務(wù)水平等級首先考慮選擇D級，如果屬于城市主干線，服務(wù)水平可以考慮適當(dāng)提升半級或一級；如果屬于機場線，攜帶行李的乘客比重較高，可以直接選擇B級。

按此要求，考慮到19號線為機場線，乘客的平均乘距為15 km,機場及武漢站客流會隨身攜帶行李，因此設(shè)計普通車選擇B級服務(wù)水平，即站立密度采用4人/m2標(biāo)準(zhǔn)。

機場專列服務(wù)于武漢站及天河機場客流，其旅行速度高、舒適度要求高，車內(nèi)全部采用(2+2)橫排座椅布置，并設(shè)置行李架。站站停列車采用全縱排座椅布置。

4 列車編組

列車編組應(yīng)在滿足各設(shè)計年度高峰斷面客流量的基礎(chǔ)上，具有一定的運能儲備和服務(wù)水平提高的余地。

國內(nèi)目前采用A型車的城市，主流編組是6節(jié)編組?？紤]到市域快線的客流基本不可能達(dá)到市內(nèi)地鐵的擁擠程度，因此一般情況下市域快線的編組不宜超過6節(jié)編組。此外，從車輛編組設(shè)計角度考慮，4節(jié)(2M+2T)編組動力性能偏弱，5節(jié)(3M+2T)編組動力性能稍顯不足和主電路的非對稱性，不推薦選用4節(jié)、5節(jié)編組方式[7]。

19號線遠(yuǎn)期最大高峰斷面客流為2.38萬人次/h，根據(jù)本線設(shè)計的運行交路核算，采用6節(jié)編組設(shè)計運能余量為6.5%，采用8節(jié)編組的設(shè)計運能余量為30.1%。

通過上述對比分析， 6節(jié)編組方案滿足客流需求，運能富余量適中，推薦采用。根據(jù)線路條件、故障運行及救援能力等要求，推薦采用4M2T動力配置方案。

5 車門選型

根據(jù)19號線確定的最高運行速度，對車輛密封性、車內(nèi)噪聲要求較高，推薦采用塞拉門。對于該線存在站站停及大站快車開行方案，對應(yīng)的站站停、大站快車車輛座椅布置方式不同，對車門的設(shè)置數(shù)量要求也不相同。按照文獻[11]“車門凈開度計算”中的公式，確定站站停車輛每輛車單側(cè)設(shè)5個雙開門，大站快車車輛每側(cè)設(shè)3個雙開門，兩種車型車門寬均為1 300 mm。為與車站站臺門對位，兩種車型開門位置為對應(yīng)關(guān)系，具體見圖2。

a) 站站停車輛

b) 大站快車車輛

尺寸單位:mm

圖2 車門設(shè)置方案

6 值機條件

本線作為市域線中的機場快線，根據(jù)有關(guān)部門意見，需預(yù)留城市值機功能條件。

根據(jù)值機客流預(yù)測，遠(yuǎn)期高峰小時需辦理的值機行李為353件/h，由于行李數(shù)量較少，推薦采用“行李輸送裝箱系統(tǒng)結(jié)合貨梯、萬向輪行李集裝箱”方案。

行李集裝箱采用人工推行轉(zhuǎn)運，行李集裝箱主要技術(shù)參數(shù)如下：

(1) 外形尺寸(長×寬×高)：800 mm×800 mm×1 500 mm。

(2) 滿載質(zhì)量為800 kg，最大載重約600 kg。

按照行李集裝箱的規(guī)格，其容積為10件/箱。根據(jù)行車交路，高峰小時開行值機列車4對(大站快車不值機)，故每車次列車至少需要能夠裝運8個行李集裝箱。利用普通車頭車一半空間改造為行李車，既可以滿足客流需求，又能滿足值機行李集運的要求。頭車改造為行李車的平面布置示意圖如圖3所示。

利用車輛一端控制室客室空間(長度9 m)改造為行李車，單側(cè)2個客室門供行李集裝箱裝卸?？紤]到行李集裝箱的裝卸需求，在車門位置處不設(shè)固定貨位，可以滿足至少10個集裝箱的貨位需求。

圖3 頭車改造為行李車示意圖

7 結(jié)論

(1) 通過時間目標(biāo)、站間距、線路條件適應(yīng)性分析，結(jié)合車輛配置數(shù)量、隧道斷面及對武漢后續(xù)市域線路特征分析，確定車輛最高運行速度120 km/h，并預(yù)留140 km/h的條件。

(2) 考慮到武漢市域線路的特征及與武漢既有線網(wǎng)的互聯(lián)互通條件，推薦采用DC 1 500 V架空接觸網(wǎng)供電，隧道內(nèi)采用架空剛性接觸網(wǎng)，隧道外采用架空柔性接觸網(wǎng)。

(3) 采用成熟的A型車平臺，6節(jié)(4M+2T)編組方案。

(4) 大站快車機場專列采用(2+2)橫排座椅布置方式，每輛車設(shè)3對車門；站站停普通車采用縱排座椅布置方式，每輛車設(shè)5對車門；兩種車均采用4人/m2站席標(biāo)準(zhǔn)。

(5) 值機列車?yán)谜菊就Ａ熊嚨囊欢祟^車半節(jié)車廂設(shè)置封閉行李車。