論城市軌道交通最小曲線半徑標準的選擇
摘要: 我國目前的城市軌道交通線路在選擇最小曲線半徑標準時有增大的趨勢,這對降低城市軌道交通造價、改善換乘設計方案是不利的. 因此在收集國內外有關資料的基礎上,較全面系統地分析了曲線半徑對工程可實施性、工程費、運營費、換乘設計方案及車輛選型的影響,論述了降低城市軌道交通最小曲線半徑標準值的重要性及合理性. 建議在目前車輛條件下可降低車站兩端的最小曲線半徑標準,同時盡快投入力量積極研究適應較小半徑曲線的新型車輛.
關鍵詞: 城市軌道交通; 最小曲線半徑; 車輛類型; 鋼軌磨耗
近年來,上海、北京等城市的軌道交通正在大規模地建設. 在城市軌道交通線路走向方案設計時,最小曲線半徑是重要的影響因素之一. 而目前很多專家對選擇最小曲線半徑有一種傾向性的看法,就是最小曲線半徑按現行規范的取值范圍宜大不宜小,這樣就導致目前在建的一些軌道交通正線的最小曲線半徑在300 m 甚至400 m 以上,其主要理由是改善運營條件,降低運營成本. 筆者認為,不能簡單地套用現行規范的曲線半徑標準,應該根據具體情況加以綜合分析,科學合理地選用最小曲線半徑. 本文主要就軌道交通正線的最小曲線半徑標準及其選用進行論述.
1 現行的曲線半徑標準
1992 年,國家技術監督局與建設部聯合頒布了《地下鐵道設計規范》[1 ] ,其中規定地鐵線路正線的最小曲線半徑:一般情況為300 m , 困難情況250 m[1 ,2 ]. 1999 年,建設部與國家計委批準發布了《城市快速軌道交通工程項目建設標準》,作為評估地鐵與輕軌項目可行性研究的重要依據和審查項目初步設計的尺度. 其中按車型分類規定了不同的軌道交通正線最小曲線半徑標準:A 型車(寬3. 0 m) 、B 型車(寬2. 8 m) 、C 型車(寬2. 6 m) 分別為300～350 ,250～300 ,50～100 m. 比較兩項規范規定值,可見1999 年的標準值更高了,引導設計者選擇較高的曲線半徑標準.
2 影響最小曲線半徑標準的因素
軌道交通正線的最小曲線半徑標準的確定,是綜合考慮工程的可實施性、工程與運營的經濟性、車輛構造要求、安全性等各個方面進行權衡的結果. 主要包括以下幾個方面.
2. 1 工程的可實施性
在地面或高架線路中,任何小半徑曲線均可實施. 在地下線路中,明挖、暗挖等施工方法能夠適應各種小半徑曲線的施工,但對盾構法,目前國內受現有設備的限制,只能實施半徑300 m 或以上的曲線. 然而, 日本早已具備實施半徑80 m 及其以上的盾構設備并大量運用于東京、大阪的地鐵建設中.
2. 2 曲線半徑對工程的影響
較小的曲線半徑,能夠較好地適應地形、地物、地質等條件的約束. 在上海、北京這樣的城市,隨著社會經濟的快速發展,高層建筑、高架橋等設施大量興建,其深樁基對軌道交通選線形成很大的約束. 此外,一些需要保護的古建筑、古樹、防汛墻樁基、大型污水管等也在一定程度上影響線路走向的選擇. 在這樣復雜的約束條件下,縮小曲線半徑所減少的工程拆遷量將是10 多年前制定地鐵規范時的幾倍甚至幾十倍. 有時,如果遇到高層建筑群,一處曲線采用大、小半徑引起的拆遷工程費差異達數千萬元甚至上億元.
2. 3 曲線半徑對換乘站設計方案的影響
當曲線半徑大于300 m 時,線路走向調整的余地較小,從而大大限制了設計者所能夠提出的可行換乘設計方案數量及質量;而當半徑降至200 m 或以下時,交叉線路(尤其是交角小于60°時) 設置平行換乘方式及其他較短換乘路徑的換乘方案的可行性將大大提高.
下面以上海虹口體育場換乘站為例討論曲線半徑對換乘方案的影響. 虹口體育場站是待建的上海軌道交通M8 線與已建的軌道交通3 號線換乘站. 原來在建設3 號線時,在高架橋2 層預留了M8 線的空間位置. 當時是按Alstom 小車(軸距2. 0 m , 定距12. 6 m , 車輛最大高度3. 802 m , 車輛最大寬度2. 606 m) 進行設計預留的. 按照上海鐵路城市軌道交通設計研究院的研究結果,M8 線如果采用210～220 m 的曲線半徑(配置40～50 m 的緩和曲線) 就可以進出原來預留的線路位置. 目前M8 線要求按Alstom 大車(車輛最大高度3. 8 m , 車輛最大寬度3. 0 m) 設計,由于門架凈距為8 m , 因而直線站臺區的車輛限界可以滿足要求,只是在車站兩端引線進出時需采用半徑約200 m 的曲線,且兩端各有一個橋墩需部分切割掉20 cm , 由此會引發對該橋墩的加強措施,但所需投入很有限. 然而,受現行規范規定,不能采用低于250 m 的半徑,使最佳的平行換乘方案不能成立,而采用T 型換乘方案,這樣,不僅使得預留的設施不能利用,而且使用功能大大降低,乘客的換乘距離要增加200 m 以上.
2. 4 曲線半徑對運營費的影響
曲線半徑越小,鋼軌磨耗越嚴重,鋼軌更換周期越短. 根據文獻[ 3 ] 得到的鐵路曲線鋼軌磨耗統計數據分析結果(見圖1) ,可以推算出200 m 半徑曲線的換軌周期大約比400 m 半徑曲線換軌周期縮短40 %.按目前上海地鐵1 號線運營情況,400 m 半徑曲線上,60 kg·m-1 普通軌(U71MnSi) 更換周期約為5 年,60 kg·m-1 PD3 耐磨軌的更換周期約為10 年. 根據上述條件推斷,200 m 半徑曲線上采用60 kg·m-1 PD3 耐磨軌的更換周期約為6 圖1 鋼軌磨耗h 與曲線半徑R 的關系曲線[ 3]年. PD3 鋼軌每根(25 m) 材料及焊接費約為6 500 元,假如Fig. 1 Relation bet ween ra il wear and curve radius 200 m 半徑曲線與400 m 半徑曲線長度均相同,那么,前者比后者在設計年度(25 年) 內每公里增加的換軌費用為173. 3 萬元. 考慮到隧道內換軌條件比較差,但施工費用會適當增加,但每公里換軌費用不會超過300 萬元.
由于大部分小半徑曲線是為了在道路交叉口處轉彎,曲線轉角多為90°,此時,小半徑曲線的曲線長度短于大半徑的曲線長度,上述換軌費用還會減少,對小半徑曲線有利.
綜上所述,小半徑曲線運營中增加的換軌費用(以幾百萬元計) 比起其巨大的建設初期投資節省額(以幾千萬元甚至億元計) 而言是微不足道的.
當然,較頻繁的換軌在一定程度上會對運營產生一些影響,但這些是可以通過特殊的運輸組織及養護維修措施加以克服的. 同時,隨著我國材料科學及車輛工業的技術進步,鋼軌的耐磨性還可以提高,輪軌之間的匹配關系還可以改善,將來小半徑曲線處的鋼軌更換周期可以延長. 此外,通過涂油、優化軌道結構部件(如墊板、橡膠墊等) 的剛度匹配,也可以減少小半徑曲線處的磨耗程度.
2. 5 車輛對曲線半徑的制約
對于大運量或高運量的軌道交通車輛,其軸距制約了其在一定速度下所能通過的最小曲線半徑. 例如,對寬2. 65 m 、軸距2. 2 m 、定距10. 7 m 的Alstom 車輛,半徑為80 ,200 ,300 m 在外軌超高設為150 mm 時的最大允許通過速度分別為43 ,67 ,80 km·h-1,如不設超高時只有28 ,45 ,55 km·h-1. 軸距越小,在一定曲線半徑下允許通過的最大速度越高. 因此,可以通過減小車輛軸距來提高曲線通過速度. 當然還有其它提高曲線通過速度的方式,如在線性電機車輛中采用徑向轉向架(東京地鐵12 號線的線性電機車輛尺寸為:軸距1. 9 m , 定距11. 0 m , 車輛最大長度16. 75 m , 車輛最大高度3. 15 m , 車輛最大寬度2. 5 m) ,最小曲線半徑為100 m , 列車最高速度可達70 km·h -1 [4 ]. 在運營中,還可采用在曲線段限速的方式解決曲線半徑太小的問題.
2. 6 旅客舒適度對曲線半徑的要求
在曲線地段,由于速度v 而產生了離心加速度,需要通過設置相當于11. 8 v 2/R (其中: v 和R 的單位分別為km·h-1和mm) 的外軌超高進行平衡. 一般情況下允許欠超高為60～75 mm , 困難情況下不超過90 mm. 對于以60 km·h-1行駛在200 m 半徑曲線上的列車,如果設置150 mm 的外軌超高,則欠超高為62 mm , 列車上的乘客感覺是舒適的.
3 最小曲線半徑的合理選擇
要推進軌道交通線最小曲線半徑的科學合理選擇,需要從思想觀點、技術等方面進行深入的思考.
(1) 認識現行規范要求的局限性. 現行規范規定的最小曲線半徑標準主要是以北京地鐵1 號線的建設、運營經驗和數據分析為基礎的,反映了我國20 世紀七八十年代的城市建設、車輛及鋼軌發展水平的綜合結果. 那時的工程拆遷費用小,車輛制造水平低,鋼軌材質也較差. 而如今,在大城市中心區,到處高樓林立,選線的約束條件日益苛刻,增大曲線半徑引起的工程拆遷費用可能呈指數規律增長;同時車輛、鋼軌的制造水平提高很快,各類新型車輛不斷涌現,小半徑曲線處車輛正常運營所增加的成本也在下降. 因此,現行的最小曲線半徑標準應適當降低.
(2) 增加規范中最小曲線半徑的可選范圍,為設計者進行局部方案比選留有空間. 一方面,日益提高的生活水平及快節奏生活方式,使得人們對軌道交通換乘的便捷性提出更高的要求,而降低曲線半徑標準是實現這種便捷性的重要條件;另一方面,現代城市軌道交通系統的制式越來越多,每種制式對曲線半徑等標準的要求有很大差異;再一方面,各城市、各條軌道交通線路的環境條件差異很大,對于獨立運行的各條軌道交通線路,強求全國、全市統一最小曲線半徑意義不大.
實際上,美國、日本、法國等國并無統一的城市軌道交通最小曲線半徑標準. 紐約地鐵的最小曲線半徑為107 m , 芝加哥和波士頓地鐵為100 m ; 日本東京、大阪等城市的地鐵線路最小曲線半徑大部分不足200 m(參見表1[5 ]) ;巴黎地鐵的最小曲線半徑僅為75 m[6]. 他們采取較為靈活的運營措施,位于區間中部的曲線處實行列車限速,位于車站兩端的曲線處列車實際的運行速度本來就不超過限速值,不影響列車正常運營.
(3) 選線設計注重“工車配合”,利用先進的車輛技術減少土木工程費用. 選線是一項綜合權衡土木工程、車輛工程等方面技術與經濟的系統工程,單純從土木工程方面去解決問題不僅花費巨額的投資,而且車站換乘功能難以改善;而如果注重改善車輛性能,則可使得軌道交通總的工程運營費用大大降低,同時推動我國車輛工業的技術進步. 考察日本、法國等國的城市軌道交通系統可知,軌道交通車輛有很多類型,能夠有效地適應各種各樣的性能要求.
(4) 小半徑曲線會限制行車速度,為了盡量提高行車速度,盡量不要交通局東西線把限速的小半徑曲線用在區間中間部位.
(5) 小半徑曲線盡量放在靠近車站端交通日比谷線2. 790 126. 0 28. 3 70 部的地方. 由于地鐵車站一般位于凸形縱營團東西線 2. 870 200. 0 38. 5 75 千代田線2. 865 143. 8 31. 5 55 斷面的頂部,根據列車牽引計算的v -S 有樂町線2. 865 150. 0 30. 0 75
半藏門線2. 835 200. 2 36. 9 75 (速度-距離) 曲線圖可知,進站列車受上淺草線 2. 800 161. 0 31. 8 70 坡及進站減速的影響其實際運行速度已經東京都三田線 2. 800 162. 0 31. 4 70
4 結語
隨著城市向高密度方向發展,城市軌道交通的最小曲線半徑標準將會對工程造價、換乘設計方案等方面產生越來越大的影響. 筆者建議:在目前車輛條件下可降低車站兩端的最小曲線半徑標準,同時盡快投入力量積極研究適應較小半徑曲線的新型車輛,以降低軌道交通土建成本,并為改善換乘設計方案提供更有利的條件. 當然,標準問題是重大問題,不可能輕易改變. 筆者希望同行和有關方面對此問題加以重視, 廣泛深入地進行研究和討論,以促進我國軌道交通事業的健康發展.
參考文獻:
[1] GB 50157 -92 , 地下鐵道設計規范[S].
[2] 建標[1999]81 號,建設部城市快速軌道交通工程項目建設標準(試行本) [S].
[3] 王午生. 鐵道線路工程[ M]. 上海:上海科學技術出版社,1999.
[4] 張志榮. 都市捷運發展與應用[M]. 臺北:臺灣建筑情報雜志社,1994.
[5] 趙惠祥,譚復興,葉霞飛. 城市軌道交通土建工程[M]. 北京:中國鐵道出版社,2000.
