浅析新建市域(郊)铁路系统设计关键技术

2022-07-02 06:39宋元胜

高速铁路技术 2022年3期

宋元胜

(中铁二院(成都)工程咨询有限公司, 成都 610031)

1 市域(郊)铁路现状

市域(郊)铁路是连接都市圈中心城市城区和周边城镇组团，为通勤客流提供快速度、大运量、公交化运输服务的轨道交通系统，单程通行时间宜不超过1 h，设计速度宜为100～160 km/h[1]。其服务功能介于城市轨道交通与城际铁路之间，服务特性更接近于城市轨道交通。根据市域(郊)铁路概念和特点，不难得出速度目标值100～160 km/h、公交化两个关键性问题，那么在目前速度100～160 km/h客货共线铁路、120～200 km/h城际铁路、城市轨道交通120～140 km/h快线设计技术都成熟的情况下，市域(郊)铁路系统设计还有没有关键技术，什么是关键技术？为此，笔者提出了新建市域(郊)铁路系统设计的关键技术研究，本文从系统整体功能角度，而不是从特定项目或单体工程角度来研究关键技术，同时本文的关键技术不是指市域(郊)铁路某一路段、某个单项(体)工程的关键技术，也不是指特定市域(郊)铁路项目的关键技术，而是泛指所有新建市域(郊)铁路设计具有的共同的、影响系统功能实现的技术。

国内外市域(郊)铁路研究文献较少，国内可查文献主要集中在市域(郊)铁路发展启示、发展模式、区域适应性、运营管理和桥梁工程应用技术等方面，未见市域(郊)铁路设计及关键技术的相关研究文献。本文引用文献主要集中在公交化、列车运行图结构及稳定性方面，对新建市域(郊)铁路系统设计的关键技术研究有辅助作用。

目前，TB 10624-2020《市域(郊)铁路设计规范》已颁布，其在总体设计下单列3.4 系统设计，但其条文内容除“3.4.1 市域(郊)铁路应系统设计、总体功能最优。各子系统间、固定和移动设施间、项目主体与外部环境间的标准与接口设计应匹配协调。”[2]涉及笔者提出的市域(郊)铁路系统设计关键技术之外，其它条文均为市域(郊)铁路单项(体)工程的系统设计技术。同时，条文3.4.1强调的是标准与接口设计，无条文说明内容，可见市域(郊)铁路设计规范也未明确和深入研究新建市域(郊)铁路系统设计的系统性关键技术。笔者结合多年科研和项目管理经验，探索性提出新建市域(郊)铁路系统设计的关键技术研究。

2 新建市域(郊)铁路功能和系统设计目标

2.1 新建市域(郊)铁路功能

(1)从概念角度分析市域(郊)铁路功能

市域(郊)铁路主要布局在经济发达、人口聚集的都市圈内的中心城市，联通城区与郊区及周边城镇组团，采取灵活编组、高密度、公交化的运输组织方式，重点满足1 h通勤圈快速通达出行需求。可见市域(郊)铁路功能的内涵是满足旅客通勤出行需求。因此，从时间分布上，要求市域(郊)铁路主要为早晚高峰小时旅客出行服务；从运输组织实施上，要求市域(郊)铁路运输组织提供公交化运输；从旅客出行效率上，要求运输组织不同需求的快慢列车以满足旅客出行，显然其外涵为满足不同需求的公交化运输需求，提供公交化的运输服务。因此，新建市域(郊)铁路系统功能是提供早晚高峰1 h通勤圈公交化运输服务。

(2)从功能性比较角度分析市域(郊)铁路功能

市域(郊)铁路服务功能介于城市轨道交通与城际铁路之间，因此将市域(郊)铁路、城市轨道交通和城际铁路的功能属性进行对比分析，更好明晰市域(郊)铁路功能，结果如表1所示。

表1 市域(郊)铁路、城市轨道交通和城际铁路的功能属性对比分析表

从表1可看出，由于组织站站停列车开行，城市快速轨道交通不能满足时间价值较高的旅客出行需求。城际铁路服务范围较广，时间价值较高旅客相对较多，大站停列车开行数量较多，由于大站停列车挤压站站停列车运行线，其公交化服务水平相对较差。我国城际铁路运营主要照顾了时间价值较高的旅客出行，公交化的站站停列车开行数量较少，沿线车站服务水平较低。市域(郊)铁路主要位于都市圈内人口比较密集区域，组织满足时间价值较高的旅客出行需求较少，组织满足通勤要求的站站停列车较多，因此市域(郊)铁路既能照顾时间价值较高旅客，开行大站越行列车，又能较好地实现公交化服务，为都市圈提供早晚高峰通勤圈公交化运输服务。

2.2 新建市域(郊)铁路的系统设计目标

市域(郊)铁路系统设计应以实现系统功能优化为目的[3]，要提供早晚高峰1 h通勤圈公交化运输服务，市域(郊)铁路通过能力、运输服务水平要满足高峰1 h公交化运输需求。通过能力反映是指在一定的机车车辆类型、信号设备和行车组织方法条件下，铁路区段内各种基础设施和固定设备在单位时间内所能通过或接发的列车对数[4]。可见，设计通过能力为运输服务水平的基础，只有最大化提高设计通过能力才能尽可能多开列车，提高市域(郊)铁路服务水平。服务水平反映的是运输组织和管理能力，是满足运输需求和指导固定设备配置的关键，服务水平的要求反过来通过大站停列车的多少制约市域(郊)铁路的通过能力，因此规划设计通过能力时需要考虑服务水平的可实施性，与公交化运输方案对应的服务水平设计时需要考虑通过能力条件是否具备，在通过能力能够满足的条件下，尽可能实现最高的服务水平，故市域(郊)铁路系统设计需要协调通过能力和服务水平才能实现其功能目标，新建市域(郊)铁路系统设计需要实现系统通过能力和服务水平最大化的设计目标。

3 系统设计的关键技术

根据国办函[2020]116号，新建市域(郊)铁路应根据客流需求等设置越行条件，尽可能满足快慢线运输组织要求，推行“站站停”与“大站停”相结合的灵活运输组织模式，提供多样化、便捷化出行服务。因组织站站停列车的市域(郊)铁路在系统设计上已实现系统设计能力和服务水平的最大化，本文在列车越行条件下研究市域(郊)铁路系统设计的关键技术。

3.1 从功能和系统设计目标分析

市域(郊)铁路设计规范对于系统设计能力计算方法没有描述，仅在5.2.2条规定“系统设计能力应满足设计年度客流需求，快慢车组合运行时不宜大于24对/h……”。在越行条件下，新建市域(郊)铁路系统能力可参照TB 10621-2014《高速铁路设计规范》条文说明中的能力计算办法进行类推，平行图区间通过能力可描述为[5]：

(1)

式中：N——平行运行图通过能力(对或列)；

TW——综合维修天窗时间(min)；

I——列车追踪间隔(min)；

S——客运区段长度(km)；

v——列车运行速度(km/h)。

市域(郊)铁路为公交化铁路，越行条件下其平行运行图区间通过能力可根据(1)式类推，可粗略描述为：

(2)

式中：I站、I直——站站停、大站车追踪间隔(min)；

S越——越行区段长度(km)。

无论式(2)是否能准确计算市域(郊)铁路的平行图通过能力，都可以看出，市域(郊)铁路通过能力由大站车、站站停列车追踪间隔和大站车越行站间距离决定。

市域(郊)铁路的服务水平是指站站停列车服务车站的水平，集中体现在站站停列车的追踪间隔。从式(2)也可以看出，当S越=0时，该式代表了无越行条件下线路的最大通过能力和最大服务水平，服务水平由站站停列车的追踪间隔决定。

因此，新建市域(郊)铁路系统能力和服务水平两个指标的决定因素均可归集到列车追踪间隔，系统能力由大站车、站站停列车追踪间隔决定，服务水平主要由公交化运输的站站停列车追踪间隔决定。因此，在越行条件下，站站停列车受大站停列车越行影响，直接影响系统能力，而要实现系统能力和服务水平最大化，关键影响因素就是越行站的站间距离。理论上，越行站的站间距离越小，开行的大站和站站列车对数越多，站站车开行对数越多，服务水平就越高。

不同越行站间距离对列车对数影响如图1所示，从式(2)和图1均可得出以上结论。因此，从功能和系统设计目标分析，越行站站间距离设计就是市域(郊)铁路系统设计的关键技术。

图1 不同越行站间距离对列车对数影响示意图

3.2 从工程建设内容分析

市域(郊)铁路设计规范 3.4 系统设计内容，简单归纳起来，在固定设备方面主要对路基、桥梁、隧道和轨道等线下基础设施进行了规定，要求设计应采用与设计速度匹配的技术标准，工程类别的选择应结合工程技术、地形地质、社会环境以及土地利用等因素比选确定，同时对车站站台、房屋配置、车辆基地及固定设施的养护维修等进行了规范。在移动设备方面主要对车辆站立标准进行规范，其余主要是对市域(郊)铁路设计外部环境影响、工程安全、信息安全、接口设计等进行了规范，同时规定市域(郊)铁路设计应充分考虑施工条件和养护维修条件，设备设施及部件的选择应遵循匹配合理、标准化、通用化的原则。从上述内容看，市域(郊)铁路设计规范并未提出其设计关键技术，且从其内容上也难以分析出系统性的关键技术。

新建市域(郊)铁路工程建设内容总体上可分为站前和站后专业内容两大系列。站前专业的线路、轨道、地质、路基、桥梁、隧道专业内容是新建市域(郊)铁路线下工程设计的组成部分，其专业技术是影响各专业内部系统设计、单项或单体工程设计的关键技术，如线路选线无论采用何种技术、何种线路走向，线路的设计通过能力不会因此提高，仅可能减少工程投资和风险；桥梁设计无论采用何种梁式、跨度、结构技术和施工方法，建成的都是一座桥梁，其为市域(郊)铁路提供的线路通过能力是一致的，并不因为不同桥梁采用关键技术的不同而影响线路通过能力。站场专业设计成果为车站站场，为实现运输专业设计输出的新建市域(郊)铁路服务水平和通过能力的载体。因此站前专业中，线下设计专业技术均为专业内部设计技术或单项设计技术，并非市域(郊)铁路影响系统功能的关键技术；站后专业技术均为成熟应用技术和多途径可实现技术，信号系统控制列车运行间隔和安全，具有影响市域(郊)铁路系统性服务功能和通过能力的特性，其它专业内容虽属于市域(郊)铁路组成部分，自身也形成有效系统，但基本都是局限于本专业、本单项或单体工程的内容和技术，其专业技术不足以整体提高市域(郊)铁路系统能力和服务水平。由此可见，能够影响系统能力和服务水平的专业技术为运输、站场和信号专业技术。

运输与信号专业的技术交集在于列车追踪间隔，是系统能力和服务水平实现的决定因素，运输专业设计的技术成果决定了站场专业设计空间位置，站场专业为满足运输专业设计行车量、列车越行条件而进行车站平面布置设计。因此，列车追踪间隔、车站分布、行车量设计是决定新建市域(郊)铁路通过能力和服务水平的关键因素，而由于市域(郊)铁路越行列车的存在，在既定行车量下，车站分布直接决定了列车间隔和通过能力的均衡性，越行站间距离决定了站站停列车服务水平和线路设计能力是否实现最大化。

综上所述，越行站站间距离是新建市域(郊)铁路系统设计的关键技术。