市域快速轨道交通系统制式比选分析

写在前面：

市域快速轨道交通系统制式比选是项目前期研究的基础内容，直接决定项目的设计标准和投资。作者在综合整理中国市域快轨设计案例的基础上，明确系统制式的选择标准。分析比较不同制式在各个标准下的性能特性及优劣，从工程造价角度分别说明不同制式在土建工程费用、车辆购置费、车辆基地投资、运营成本等方面的区别。

张鸿

中铁第四勘察设计院集团有限公司 高级工程师

市域快速轨道交通(以下简称“市域快轨”)是在市域行政管辖区域内或规划区(都市圈)范围内，连接市区与外围组团或卫星城，串联沿线主要城镇、枢纽点或新城开发区，采用大站距、全封闭、最高运行速度为100~160km/h，融入城市轨道交通系统网络，基于城市轨道交通运营管理模式，为城市客运服务为主，舒适度较高的快速城市轨道交通系统。当前，市域(郊)铁路发展滞后，有效供给能力不足，成为城市公共交通短板。为此，国家发展改革委颁布了《关于促进市域(郊)铁路发展的指导意见》(发改基础〔2017〕1173号)，有序推进市域(郊)铁路发展。因轨道交通系统制式繁多，各地域经济社会环境不尽相同，需集合各地的地域特色对市域快轨制式进行比选分析。

市域快轨系统制式应用情况

轨道交通系统制式包括车辆制式、供电制式、轨道制式三方面的内容，以及系统对线路速度目标值的适用性。供电制式主要有25kV交流供电、1500V直流供电、750V直流供电以及双流制式，车型主要有A型车、B型车、D型车、直线电机车辆、磁悬浮车辆等，轨道制式主要有钢轮钢轨和适用于中低速磁悬浮的F轨。目前国内外运营或在建的多条市域快轨项目系统制式如下表所示。

部分已运营和在建的市域快轨系统制式

系统制式选择标准

各地的市域快轨均需与当地的城市规划、经济社会环境相适应，研究恰当的市域快轨系统制式可从速度目标值选择、车辆选型、供电系统比选、工程经济性比较等方面综合分析。

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速度目标值选择

速度目标值是轨道交通项目最重要的技术标准之一，是确定全线工程规模、系统制式、设备配置以及工程投资的重要基础。市域快轨的运营速度目标应结合线路长度、线路走向与曲直形态、站间距分布、乘客出行时间目标等因素综合确定(见下表)。

市域快轨旅行速度与站间距匹配表

注：按 DC1500v受电，A/B 型车辆参数计算。

1)确定时间目标：制式比选中应按线路长度确定不同地段的时间和速度目标，全程运行时间不宜大于1h，以与乘客的出行时间相适应。2)确定合理站距：适当拉大站间距是提高全线旅行速度的有效途径。3)确定速度效率：制式比选时应确定旅行速度占最高运行速度的比例。一般速度效率以50%~60%为宜。4)确定最高运行速度：市域快轨一般有100km/h，120km/h，140km/h三个最高运行速度等级，在特殊线路上也可选用160km/h。但能耗、工程造价均与速度关系密切，具体工程应用上应结合经济性综合比较分析。

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车辆选型

根据市域快轨的性质以及最高运行速度等级(100~160km/h)，其可供选择的车型主要有市域A型车、B型车、D型车、CRH6F、双流制式车辆、中低速磁悬浮等。每个车型都有其独特的技术参数和运行特性，应根据项目的具体经济社会环境选择合适的车型(见下表)。

市域快轨可供选择车辆型号的主要技术参数

注：相关项目车辆初步设计文件。

市域A，B型车直流制式在中国应用非常成熟，建设和运营成本较低。市域D型车主要在温州市域快轨S1线运用，开行速度高，建设成本高于A，B型车。CRH6F型动车组在长株潭城际铁路、宁波至余姚城际铁路中投入运营，运行稳定，应用成熟。双流制式车辆在中国尚没有运用，厂家已开展自主研究。中低速磁悬浮已先后在长沙、北京建成通车，但运营效益、稳定性有待进一步验证。

市域快轨的车型选择应有利于线路与整个轨道交通线网的资源共享，能与线路的客流需求相适应。

1)与线网资源共享的统一性。

市域快轨作为城市轨道交通线网的一部分，应将其纳入线网的资源共享方案中统筹考虑。市域快轨的车型选择应尽量与线网中其他线路车型一致，以便于共享利用线网中的车辆厂、架修资源；车辆供电制式也应尽可能与线网中的其他线路供电制式一致，以利于实现主变电站等设备设施的资源共享。

2)与客流需求的适应性。

车辆型号的选择和编组需满足线路的客流需求。不同车型、编组的列车定员必然不同，对客流需求的满足和适应程度也不一致。《市域铁路设计规范》(T/CRSC0101—2017)规定车厢内有效空余地板面积上站立乘客标准宜按4人/m2计算。在这一标准下不同车型和编组的列车定员如下表所示。

不同车型列车编组与定员

列车车型和编组方式与客流需求的适应性可通过计算线路运能余量的方式判断，计算公式为

式中：R为运能余量/%；D为列车定员/(人次/列)；S为设计高峰小时最大列车开行对数/(对/h)；G为高峰小时单向最大断面客流量/人次/h。一般情况下，线路的运能余量为单向最大断面客流量的10%~20%。

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供电系统选择

线路的速度目标值会直接影响牵引供电系统选择及供电能力设计。从车辆最佳功率配置、弓网受流质量和实际工程应用情况分析，在速度目标值低于120km/h、线路长度较短(50km以下)时，交、直流供电制式均可选用，此时速度目标值并非决定因素，系统制式选择更多取决于线网衔接关系等其他因素。速度目标值为120~140km/h时，交、直流供电制式均可选用，若采用直流供电制式，车辆功率配备及性价比、研制成本相比交流供电而言，技术经济已无优势。速度目标值达到140~160km/h时，直流制式车辆研制成本增加，国内外已无运营业绩，配套的直流牵引供电系统也很不经济。速度目标值大于160km/h时，线路一般较长(大于100km)，从弓网受流质量和牵引供电系统配套来看，交流供电性价比更优，应采用交流牵引供电制式。

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工程经济性比选

市域快轨系统制式比选时，工程经济性也是需要考虑的重点因素，系统选型需要考虑的经济成本主要包括土建工程费用、车辆购置费、车辆基地投资、运营成本等。

1)土建工程费用。

市域快轨不同系统制式由于速度等级、车型、供电制式的不同，其隧道断面、桥梁规模均不一致，导致土建工程费用有较大区别。不同速度等级的隧道断面造价如下表所示。

不同隧道断面单位造价

决定桥梁结构尺寸的主要因素为恒载。在相同的梁跨度和线间距的情况下，A型车桥面宽度比B型车宽0.4m；市域线D型车桥面宽度比B型车宽0.99m、比A型车宽0.59m。每标准跨桥梁(30m)，采用市域D型车，混凝土数量比A型车多98.6m3。对比全桥(包含墩、梁、基础)，一孔桥的预算：市域线D型车比地铁A型车的费用多45万元左右。

系统制式对土建工程费用的影响还与线路的桥隧占比有关，例如采用磁悬浮制式，由于噪声、震动小，采用高架敷设方式较多，线路桥梁占比相对较高，虽然磁悬浮单洞造价较轮轨高，但线路整体土建工程费用可能相对较少。因此，比较系统制式对土建工程费用的影响应全线综合考虑。

2)车辆购置费。

不同型号列车的车辆购置费用如表6所示。因不同型号列车定员不一致，同一条线路采用不同型号列车时，会导致配属车辆数不一致。因此，具体车辆购置费应结合项目实际情况综合考虑。

不同车型购置费用

3)车辆基地投资。

不同列车型号、配属车辆数会直接影响轨道交通项目的场段规模。综合分析中国案例，一般情况下，A，B型车厂架修基地造价为7~8亿元，定临修车辆段造价为5~6亿元，停车场造价为3亿元。参考温州市域车辆检修基地的投资，D型车厂架修基地造价为10~12亿元，定临修车辆段造价为6亿元，停车场造价为2亿元。

双流制式车辆的场段在中国尚无实际应用项目，但因车辆结构更为复杂，场段造价较市域A，B，D型车的场段投资更高。

因交流制式车辆可以在露天停放，而直流制式车辆须在库房内停放，因此交流制式车辆场段较直流制式场段的建筑规模更小，但检修设备更复杂、造价高。因此，在场段建筑及检修设备总体费用上，交流、直流制式车辆相差较小。

4)运营成本。

运营费用主要包括运营牵引能耗成本、维修和人工成本等。经分析统计，不同系统制式在运营成本方面的差别主要体现在运营能耗上。随着速度目标值的提高，运营能耗依次增加。按4辆编组列车、全日开行100对列车考虑，不同速度目标值的能耗与牵引能耗费用差别如下表所示。

列车牵引能耗与费用对比

与120km/h速度目标值相比，100km/h方案的年牵引能耗费用略有节省，140km/h和160km/h方案的年牵引能耗费用较120km/h方案高出较多。因此，从运营成本方面看，120km/h速度目标值的直流1500V市域B型车性价比最高。

写在最后

通过实际工程案例的分析研究，本文解决了市域快轨规划、立项时对其系统制式选择的关键问题。进行市域快轨系统制式选择时，首先应根据项目的功能定位、线路条件、车站分布、乘客出行时间目标等因素综合确定线路的最高运行速度目标值，一般市域快轨有100km/h，120km/h，140km/h，160km/h等几个速度目标等级，在平均旅行速度为最高运行速度60%的线路条件下，站间距达3km可采用100km/h最高速度目标等级，平均站间距达4.3km以上时可采用120km/h最高运行速度目标等级。确定线路最高运行速度目标等级后，应选择与之适应的车辆型号，车型选择时应考虑满足客流需求并与线网资源共享条件相适应。系统供电制式应考虑与线路长度、速度目标及车型的匹配性。从土建工程费用、车辆购置费、车辆基地投资、运营成本等四个方面进行综合经济性比较，一般来说，120km/h速度目标值的直流1500V市域B型车，投资规模适中，车辆技术成熟，运营维护成本较低，性价比最高。

本文仅从中国已建或在建市域快轨项目进行分析，随着轨道交通技术的进步以及相关技术、产业的成熟和规模化应用，某些应用较少的市域快轨系统制式有可能在解决技术短板后，在某些特定场合可以焕发强大的潜在竞争力。后续进行相关规划立项、可行性研究时需紧跟当前的技术发展潮流，仔细调研，结合当地的具体社会背景，选择满足需求、技术先进、经济合理的制式标准。

素材来源：城市交通