鲁永辰

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)

市郊铁路最高设计速度的研究

鲁永辰

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)

市郊铁路最高设计速度是市郊铁路重要的技术指标，是确定工程规模和投资的重要依据之一。通过站间距离、乘客旅行时间目标和线路条件三个方面分析和推算，对市郊铁路设计速度的选择进行研究，建立了最佳平均站间距、乘客旅行时间目标、曲线半径与最高设计速度之间的关系，在确定市郊铁路的设计速度目标值时是十分快速和有效的。

市郊铁路； 速度； 目标； 研究

市郊铁路是各大城市进行调整产业结构，引导卫星城镇发展，规划居民迁移，实现经济可持续发展的重要手段，其主要目标是“快捷高速”地运送中心城区与市郊城镇之间通勤客流，其列车运行速度应比地铁高出许多。市郊铁路最高设计速度(最高计算运行速度)是市郊铁路重要的技术指标，是确定工程规模和投资的重要依据之一。目前，我国还没有专门进行市郊铁路设计速度的研究，从站间距、时间目标和线路条件3个方面入手，对市郊铁路设计速度的选择进行研究，寻求合理的市郊铁路设计速度目标值。

1 车站间距对设计速度的影响

市郊铁路车站分布不同于地铁和城际高速铁路。城际高铁车站间距主要受城市分布，城市间距离影响，一般情况下平均站间距35～100 km；地铁以最大限度满足旅客出行为目标，按所有车站直接吸引旅客，一般站间距1～1.5 km。市郊铁路以满足沿线卫星城镇的旅客通勤需要和促进沿线地区经济发展需要为目标，而卫星城镇布局、人口规模、用地性质与城市发展现状和规划密切相关，市郊铁路的站间距应介于地铁与城际之间。

在不组织越行的运输组织模式下，列车运行速度主要取决于车站间距。站间距偏小，列车有可能还没有运行到最高速度或在最高速度运行极短时间就必须制动减速，这不符合经济运行的要求；若站间距偏大，则列车的加速时间相对较短，平均旅行速度较低，延长了乘客的出行时间，同样也是不合理的。

1.1 理论模型的建立

为了便于分析和计算车站距离和列车运行速度的关系，对列车在区间的启动、加速、惰性、减速、停车的全过程进行简化和假设。

(1)假设区间线路为平直地段；

(2)列车在区间运行分3个阶段：启动加速—匀速—制动减速，加速、减速阶段为匀加速、匀减速；

(3)匀速运动时间选择总运行时间的1/3，这样既可保证列车运行速度，又可达到安全、省电、舒适的效果。

在理想状态下，列车在区间的运行过程如图1所示。

图1 列车在区间运行过程示意

列车的运行公式如下

式中L——平均站间距，m；

a1、a2——列车加速度、列车制动加速度，m/s2；

t1、t2、t3——列车加速、匀速、减速运行时间，s；

v、vmax——列车运行速度，最大运行速度，m/s。

将公式(2)代入(1)得

整理后得到一个关于行车速度v的一元二次方程

1.2 机车车辆性能指标

从理论模型上可以看出，运行速度和站间距的关系受车辆性能影响最大。为了得到运行速度和站间距的关系，首先对车辆性能进行选择，选择时兼顾代表性和超前性，运行速度80～120 km/h的车辆性能可以选用地铁常用的A车指标，140～200 km/h选取我国研制的CRH6系列动车组(2014年2月13日CRH6A动车组在成灌线投入运营，2014年6月23日CRH6F动车组在昆曲线投入空载运行)指标，各车型车辆主要技术参数如表1所示。

表1 我国部分车辆性能技术指标

1.3 设计速度的推算

在获得车站间距与设计速度最终关系以前，暂时再进行一次假设，假设t2=0，既列车运行到最高运行速度后立即减速至停车，列车运行图简化为图2。

图2 t2=0时列车在区间运行过程示意

在此假设下，由站间距推算行车速度的公式(4)简化如下

根据公式(5)可以推算出t2=0时站间距与最高运行速度的关系(表2)。

在理论模型中，假设匀速运行时间t2是总运行时间的1/3为最佳运行，可得

表2 t2=0时站间距与最高运行速度的关系

整理，可得

表3 车站间距与设计速度的关系

2 出行时间对设计速度的影响

市郊铁路作为承担大城市中心城区与卫星城镇间旅客运输的一种交通方式，其在速度和经济方面应比高速公路、公路具有竞争力。因此应从时间目标(出行时间)上研究设计速度。从心理和生理承受能力考虑，单向通勤时间1 h左右是通勤者能够接受的尺度，该指标也是国内外1 h通勤圈概念的基础。

2.1 乘客出行过程分析

乘客出行的过程，主要包括从出发地到达车站、乘车、离站到达目的地三个阶段，因此乘客的平均出行时间应包括以下几个部分。

(1)乘客从出发地进入市郊铁路车站的出行时间，以及乘客离开车站到达目的地的平均出行时间，既乘客到、离站的平均接驳时间T1。

(2)乘客的平均候车时间T2。

(3)乘客乘坐市郊铁路车辆的时间T3。

2.2乘客到、离站的平均接驳时间T1

乘客到、离站的接驳时间应包含市区的平均接驳时间和郊区的平均接驳时间。接驳时间取决于乘客选择的交通方式以及距离车站的远近。通常考虑采用交通的接驳时间与步行接驳时间消耗相同的原则进行研究，在通常情况下，郊区步行去车站的乘客多居住在距离车站步行时间不大于15 min的范围内，据国外资料有关统计，居住在5 min、10 min步行距离范围的乘客分别占乘客总数的60%和80%，因此选择将市郊车站的各种接驳方式统一考虑为10 min。在市区内，一般认为步行范围在车站500 m范围内，步行时间5 min范围为最佳接驳时间。乘客到、离站的平均接驳时间T1可以考虑为15 min。

2.3乘客的平均候车时间T2

乘客的平均候车时间包括买票、检票、候车和上下车等，它与市郊铁路的发车频率f和发车间隔有关，可以表示为

式中，α为常数，由于市郊铁路发车频率高，按乘客到站时间呈均值分布，国外市郊铁路高峰小时发车间隔普遍采用10 min，可以认为乘客的平均候车时间为5 min。

2.4 乘客乘坐市郊铁路的旅行时间

乘客乘坐市郊铁路的旅行时间，主要受列车的旅行速度控制。通过2.1、2.2、2.3节的分析，市郊铁路的平均接驳时间和平均候车时间合计约20 min，那么在通勤圈概念范围，其余时间应为乘客可接受的在市郊列车上的旅行时间。因此，要保证单向通勤的目标值，并保持市郊铁路对公路交通的速度优势，综合考虑，市郊铁路的时间目标和线路长度关系如表4所示。

表4 市郊铁路的长度和时间目标关系

2.5 设计速度的确定

一个城市在规划市郊铁路时，线路的基本长度就确定了，根据线路长度L和旅行时间目标T，可以得到市郊铁路的平均旅行速度

一般情况下，一条线路的平均旅行速度是最高设计速度(最高运行速度)的50%～70%，这样就可以选择合理的设计速度了。

3 线路条件对设计速度的影响

根据线路沿线的地形条件和环境因素，选择合理的设计速度，对工程投资的影响也是非常重要的因素。虽然线路指标中的曲线超高、最小曲线半径、曲线限速、缓和曲线长度、最小线间距、线路最大坡度和竖曲线半径等因素和设计速度都有关系，但对工程投资影响较大的主要是前3项。

3.1 曲线超高

曲线外轨超高计算公式如下

式中v——运行速度，km/h；

R——曲线半径，m。

当曲线半径一定时，运行速度越高，要求的超高值越大。我国《铁路线路设计规范》(GB50090—2006)规定，一般情况下曲线最大超高150 mm，允许欠超高一般70 mm，困难90 mm。《地铁设计规范》中则从乘客舒适度考虑，曲线最大超高为120 mm，允许欠超高不超过61 mm。《铁路线路设计规范》适用于客货混跑线路，而市郊铁路与地铁同属于客运系统，而且市郊铁路距离较长，对舒适度的要求更加重要。因此市郊铁路最大超高采用120 mm，欠超高采用60 mm比较合适。

3.2 最小曲线半径

对于列车运行速度100 km/h≤v≤160 km/h的市郊铁路，列车最高速度不限速运行的最小曲线半径可按下式计算确定

式中R——列车最高行车速度要求的曲线半径，m；

其中h=hmax+hq，hmax=120 mm，hq=60 mm。

通过计算，可以得到高行车速度与最小曲线半径的关系如表5所示。

3.3 曲线限速

线路由于受地形条件、既有或规划道路、重要构(建)筑物等控制，实际设计半径往往小于最小曲线半径。列车通过该曲线地段，为了保障行车安全和乘客舒适度的要求，列车必须限速行驶。将h=hmax+hq(hmax=120 mm，hq=60 mm)代入公式(11)，整理后可得

按照公式(12)计算出的曲线限制速度，按照10 km/h向低取整后如表6所示。

表6 曲线限制速度

4 结语

从站间距、旅行时间目标和线路条件3个方面对市郊铁路的最高设计速度(最大运行速度)进行了研究，这些方法在最初确定设计速度时是十分快速和有效的。

在确定市郊铁路的设计速度过程中，要综合运用本文介绍的方法，线路完成选线后要用牵引计算软件精确模拟旅行时间和能耗，并综合考虑工程投资和运营费用，既要考虑设计速度的提高，减少旅行时间，也要考虑降低工程投资，减少运营费用。

[1] GB50090—2006，铁路线路设计规范[S]．

[2] GB50157—2013，地铁设计规范[S]．

[3] 徐德新.城市轨道交通车辆最高运行速度的选择[J].铁道工程学报，2008(2):97-99.

[4] 农兴中.广州地铁3号线最高行车速度的确定[J].城市轨道交通研究，2003(3)：83-86.

[5] 陆化普，朱军，王建伟.城市轨道交通规划的研究与实践[M].北京.中国水利水电出版社，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

鲁永辰(1969—)，男，高级工程师，E-mail：tsdiyclu@sohu.com。

1004-2954(2014)11-0069-03

U239.5

：A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.11.016