論城市軌道交通最小曲線半徑標(biāo)準(zhǔn)的選擇

摘要: 我國(guó)目前的城市軌道交通線路在選擇最小曲線半徑標(biāo)準(zhǔn)時(shí)有增大的趨勢(shì),這對(duì)降低城市軌道交通造價(jià)、改善換乘設(shè)計(jì)方案是不利的. 因此在收集國(guó)內(nèi)外有關(guān)資料的基礎(chǔ)上,較全面系統(tǒng)地分析了曲線半徑對(duì)工程可實(shí)施性、工程費(fèi)、運(yùn)營(yíng)費(fèi)、換乘設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn),同時(shí)盡快投入力量積極研究適應(yīng)較小半徑曲線的新型車輛.
關(guān)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(lái),上海、北京等城市的軌道交通正在大規(guī)模地建設(shè). 在城市軌道交通線路走向方案設(shè)計(jì)時(shí),最小曲線半徑是重要的影響因素之一. 而目前很多專家對(duì)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(xiàn)行規(guī)范的取值范圍宜大不宜小,這樣就導(dǎo)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(yùn)營(yíng)條件,降低運(yùn)營(yíng)成本. 筆者認(rèn)為,不能簡(jiǎn)單地套用現(xiàn)行規(guī)范的曲線半徑標(biāo)準(zhǔn),應(yīng)該根據(jù)具體情況加以綜合分析,科學(xué)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(biāo)準(zhǔn)及其選用進(jìn)行論述.
1 　現(xiàn)行的曲線半徑標(biāo)準(zhǔn)
1992 年,國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局與建設(shè)部聯(lián)合頒布了《地下鐵道設(shè)計(jì)規(guī)范》[1 ] ,其中規(guī)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(shè)部與國(guó)家計(jì)委批準(zhǔn)發(fā)布了《城市快速軌道交通工程項(xiàng)目建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》,作為評(píng)估地鐵與輕軌項(xiàng)目可行性研究的重要依據(jù)和審查項(xiàng)目初步設(shè)計(jì)的尺度. 其中按車型分類規(guī)定了不同的軌道交通正線最小曲線半徑標(biāo)準(zhǔn):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(xiàng)規(guī)范規(guī)定值,可見1999 年的標(biāo)準(zhǔn)值更高了,引導(dǎo)設(shè)計(jì)者選擇較高的曲線半徑標(biāo)準(zhǔn).
2 　影響最小曲線半徑標(biāo)準(zhǔn)的因素
軌道交通正線的最小曲線半徑標(biāo)準(zhǔn)的確定,是綜合考慮工程的可實(shí)施性、工程與運(yùn)營(yíng)的經(jīng)濟(jì)性、車輛構(gòu)造要求、安全性等各個(gè)方面進(jìn)行權(quán)衡的結(jié)果. 主要包括以下幾個(gè)方面.
2. 1 　工程的可實(shí)施性
在地面或高架線路中,任何小半徑曲線均可實(shí)施. 在地下線路中,明挖、暗挖等施工方法能夠適應(yīng)各種小半徑曲線的施工,但對(duì)盾構(gòu)法,目前國(guó)內(nèi)受現(xiàn)有設(shè)備的限制,只能實(shí)施半徑300 m 或以上的曲線. 然而, 日本早已具備實(shí)施半徑80 m 及其以上的盾構(gòu)設(shè)備并大量運(yùn)用于東京、大阪的地鐵建設(shè)中.
2. 2 　曲線半徑對(duì)工程的影響
較小的曲線半徑,能夠較好地適應(yīng)地形、地物、地質(zhì)等條件的約束. 在上海、北京這樣的城市,隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,高層建筑、高架橋等設(shè)施大量興建,其深樁基對(duì)軌道交通選線形成很大的約束. 此外,一些需要保護(hù)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(fù)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(guī)范時(shí)的幾倍甚至幾十倍. 有時(shí),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(fèi)差異達(dá)數(shù)千萬(wàn)元甚至上億元.
2. 3 　曲線半徑對(duì)換乘站設(shè)計(jì)方案的影響
當(dāng)曲線半徑大于300 m 時(shí),線路走向調(diào)整的余地較小,從而大大限制了設(shè)計(jì)者所能夠提出的可行換乘設(shè)計(jì)方案數(shù)量及質(zhì)量;而當(dāng)半徑降至200 m 或以下時(shí),交叉線路(尤其是交角小于60°時(shí)) 設(shè)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(chǎng)換乘站為例討論曲線半徑對(duì)換乘方案的影響. 虹口體育場(chǎng)站是待建的上海軌道交通M8 線與已建的軌道交通3 號(hào)線換乘站. 原來(lái)在建設(shè)3 號(hào)線時(shí),在高架橋2 層預(yù)留了M8 線的空間位置. 當(dāng)時(shí)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(jìn)行設(shè)計(jì)預(yù)留的. 按照上海鐵路城市軌道交通設(shè)計(jì)研究院的研究結(jié)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(jìn)出原來(lái)預(yù)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(shè)計(jì),由于門架凈距為8 m , 因而直線站臺(tái)區(qū)的車輛限界可以滿足要求,只是在車站兩端引線進(jìn)出時(shí)需采用半徑約200 m 的曲線,且兩端各有一個(gè)橋墩需部分切割掉20 cm , 由此會(huì)引發(fā)對(duì)該橋墩的加強(qiáng)措施,但所需投入很有限. 然而,受現(xiàn)行規(guī)范規(guī)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(yù)留的設(shè)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(duì)運(yùn)營(yíng)費(fèi)的影響
曲線半徑越小,鋼軌磨耗越嚴(yán)重,鋼軌更換周期越短. 根據(jù)文獻(xiàn)[ 3 ] 得到的鐵路曲線鋼軌磨耗統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析結(jié)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(hào)線運(yùn)營(yíng)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(jù)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(guān)系曲線[ 3]年. PD3 鋼軌每根(25 m) 材料及焊接費(fèi)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(zhǎng)度均相同,那么,前者比后者在設(shè)計(jì)年度(25 年) 內(nèi)每公里增加的換軌費(fèi)用為173. 3 萬(wàn)元. 考慮到隧道內(nèi)換軌條件比較差,但施工費(fèi)用會(huì)適當(dāng)增加,但每公里換軌費(fèi)用不會(huì)超過300 萬(wàn)元.

由于大部分小半徑曲線是為了在道路交叉口處轉(zhuǎn)彎,曲線轉(zhuǎn)角多為90°,此時(shí),小半徑曲線的曲線長(zhǎng)度短于大半徑的曲線長(zhǎng)度,上述換軌費(fèi)用還會(huì)減少,對(duì)小半徑曲線有利.
綜上所述,小半徑曲線運(yùn)營(yíng)中增加的換軌費(fèi)用(以幾百萬(wàn)元計(jì)) 比起其巨大的建設(shè)初期投資節(jié)省額(以幾千萬(wàn)元甚至億元計(jì)) 而言是微不足道的.
當(dāng)然,較頻繁的換軌在一定程度上會(huì)對(duì)運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生一些影響,但這些是可以通過特殊的運(yùn)輸組織及養(yǎng)護(hù)維修措施加以克服的. 同時(shí),隨著我國(guó)材料科學(xué)及車輛工業(yè)的技術(shù)進(jìn)步,鋼軌的耐磨性還可以提高,輪軌之間的匹配關(guān)系還可以改善,將來(lái)小半徑曲線處的鋼軌更換周期可以延長(zhǎng). 此外,通過涂油、優(yōu)化軌道結(jié)構(gòu)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(duì)曲線半徑的制約
對(duì)于大運(yùn)量或高運(yùn)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(duì)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(shè)為150 mm 時(shí)的最大允許通過速度分別為43 ,67 ,80 km·h-1,如不設(shè)超高時(shí)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(lái)提高曲線通過速度. 當(dāng)然還有其它提高曲線通過速度的方式,如在線性電機(jī)車輛中采用徑向轉(zhuǎn)向架(東京地鐵12 號(hào)線的線性電機(jī)車輛尺寸為:軸距1. 9 m , 定距11. 0 m , 車輛最大長(zhǎng)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(dá)70 km·h -1 [4 ]. 在運(yùn)營(yíng)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(duì)曲線半徑的要求
在曲線地段,由于速度v 而產(chǎn)生了離心加速度,需要通過設(shè)置相當(dāng)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(jìn)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(duì)于以60 km·h-1行駛在200 m 半徑曲線上的列車,如果設(shè)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(jìn)軌道交通線最小曲線半徑的科學(xué)合理選擇,需要從思想觀點(diǎn)、技術(shù)等方面進(jìn)行深入的思考.
(1) 認(rèn)識(shí)現(xiàn)行規(guī)范要求的局限性. 現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的最小曲線半徑標(biāo)準(zhǔn)主要是以北京地鐵1 號(hào)線的建設(shè)、運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析為基礎(chǔ)的,反映了我國(guó)20 世紀(jì)七八十年代的城市建設(shè)、車輛及鋼軌發(fā)展水平的綜合結(jié)果. 那時(shí)的工程拆遷費(fèi)用小,車輛制造水平低,鋼軌材質(zhì)也較差. 而如今,在大城市中心區(qū),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(fèi)用可能呈指數(shù)規(guī)律增長(zhǎng);同時(shí)車輛、鋼軌的制造水平提高很快,各類新型車輛不斷涌現(xiàn),小半徑曲線處車輛正常運(yùn)營(yíng)所增加的成本也在下降. 因此,現(xiàn)行的最小曲線半徑標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)適當(dāng)降低.
(2) 增加規(guī)范中最小曲線半徑的可選范圍,為設(shè)計(jì)者進(jìn)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(jié)奏生活方式,使得人們對(duì)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(biāo)準(zhǔn)是實(shí)現(xiàn)這種便捷性的重要條件;另一方面,現(xiàn)代城市軌道交通系統(tǒng)的制式越來(lái)越多,每種制式對(duì)曲線半徑等標(biāo)準(zhǔn)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(huán)境條件差異很大,對(duì)于獨(dú)立運(yùn)行的各條軌道交通線路,強(qiáng)求全國(guó)、全市統(tǒng)一最小曲線半徑意義不大.
實(shí)際上,美國(guó)、日本、法國(guó)等國(guó)并無(wú)統(tǒng)一的城市軌道交通最小曲線半徑標(biāo)準(zhǔn). 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(yùn)營(yíng)措施,位于區(qū)間中部的曲線處實(shí)行列車限速,位于車站兩端的曲線處列車實(shí)際的運(yùn)行速度本來(lái)就不超過限速值,不影響列車正常運(yùn)營(yíng).
(3) 選線設(shè)計(jì)注重“工車配合”,利用先進(jìn)的車輛技術(shù)減少土木工程費(fèi)用. 選線是一項(xiàng)綜合權(quán)衡土木工程、車輛工程等方面技術(shù)與經(jīng)濟(jì)的系統(tǒng)工程,單純從土木工程方面去解決問題不僅花費(fèi)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(yùn)營(yíng)費(fèi)用大大降低,同時(shí)推動(dòng)我國(guó)車輛工業(yè)的技術(shù)進(jìn)步. 考察日本、法國(guó)等國(guó)的城市軌道交通系統(tǒng)可知,軌道交通車輛有很多類型,能夠有效地適應(yīng)各種各樣的性能要求.

(4) 小半徑曲線會(huì)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(qū)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(yíng)團(tuán)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(jù)列車牽引計(jì)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(jìn)站列車受上淺草線　2. 800 161. 0 31. 8 70 坡及進(jìn)站減速的影響其實(shí)際運(yùn)行速度已經(jīng)東京都三田線　2. 800 162. 0 31. 4 70

4 　結(jié)語(yǔ)
隨著城市向高密度方向發(fā)展,城市軌道交通的最小曲線半徑標(biāo)準(zhǔn)將會(huì)對(duì)工程造價(jià)、換乘設(shè)計(jì)方案等方面產(chǎn)生越來(lái)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(biāo)準(zhǔn),同時(shí)盡快投入力量積極研究適應(yīng)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(shè)計(jì)方案提供更有利的條件. 當(dāng)然,標(biāo)準(zhǔn)問題是重大問題,不可能輕易改變. 筆者希望同行和有關(guān)方面對(duì)此問題加以重視, 廣泛深入地進(jìn)行研究和討論,以促進(jìn)我國(guó)軌道交通事業(yè)的健康發(fā)展.

參考文獻(xiàn):
[1] 　GB 50157 -92 , 地下鐵道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].
[2] 　建標(biāo)[1999]81 號(hào),建設(shè)部城市快速軌道交通工程項(xiàng)目建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)(試行本) [S].
[3] 　王午生. 鐵道線路工程[ M]. 上海:上海科學(xué)技術(shù)出版社,1999.
[4] 　張志榮. 都市捷運(yùn)發(fā)展與應(yīng)用[M]. 臺(tái)北:臺(tái)灣建筑情報(bào)雜志社,1994.
[5] 　趙惠祥,譚復(fù)興,葉霞飛. 城市軌道交通土建工程[M]. 北京:中國(guó)鐵道出版社,2000.