轨道交通建设关键技术问题的分析与展望

陈学峰

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

轨道交通建设关键技术问题的分析与展望

陈学峰

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

近年来,我国轨道交通建设发展迅猛,对轨道交通建设技术的研究也相当广泛,但如何集中技术力量,分析、研究并解决建设中的关键技术问题,突破技术瓶颈,系统性提高建设技术水平,却是一个值得思考的问题。通过对业内建设、运营、制造、科研等单位的调研和分析,采取统计和归纳等方法,并结合多年来的从业经验,提出轨道交通工程建设中的部分关键技术问题,包括轨道交通网络化发展关键模式与对策、轨道交通系统制式选择及适用性分析、市郊铁路与国铁的协调发展、跨座式单轨新型技术、轨道交通设计标准化等13个方面。

轨道交通；建设；关键技术；调查和分析

1 概述

轨道交通具有运能大、耗能低、用地省、速度快及安全、环保、准点、舒适、稳定等诸多优点，是交通系统中效率最高、污染最小的一种交通方式，对于饱受汽车拥堵和空气污染影响的大中型城市，轨道交通的地位及其作用更加明显[1]。因此，近年来，我国轨道交通的建设，包括铁路、城际轨道交通及城市轨道交通的建设，均得到迅猛的发展。目前国内现有18个城市约2 300 km运营线路，获批的城市已达38个，规划里程超过6 800 km，预计至2015年获批城市将至40个，2020年将可能增至50个，年投资额持续增加，2012年为2100亿元、2013年为2 400亿元，2014年突破3 000亿元，预计在未来的若干年内，随着城镇化进程的不断推进，区域经济一体化的进一步发展，其投资规模还将快速增长。而在铁路方面，铁路固定资产投资自2012年以来持续稳定在6 000亿元以上，2014年国务院多次要求加快铁路投资建设，投资计划经多次调整后更达8 000亿元以上，而铁路基础建设投资始终稳定在5 000亿左右，可以预计在未来的若干年内，铁路建设投资将持续处于高位。可见，轨道交通的发展在我国具有广阔的前景，调查和分析轨道交通建设中面临的关键技术问题，突破技术瓶颈，系统性提高建设技术水平，为轨道交通行业的进一步发展，引领轨道交通的技术创新具有重要意义[2]。

2 轨道交通的分类

从不同的分类角度出发，如运营范围、系统制式、系统容量、路权、车辆类型等，可以对轨道交通进行不同性质的分类[3]。按线路的运营范围划分，轨道交通可以分为铁路、城际轨道交通、城市轨道交通3大类。

(1)铁路

铁路一般是连通省与省或更大范围的轨道交通，其服务范围通常较广。在我国铁路可进一步分为国家铁路、地方铁路和专用铁路。

①国家铁路：是指由国务院铁路主管部门管理的铁路。由于国家铁路的性质十分重要，因此对国家铁路的管理不仅仅是行政管理，而且国家还要求对国家铁路实行高度集中、统一指挥的运输管理体制，这就是把国家铁路的一部分业务管理权交给了国务院铁路主管部门。国家铁路承担着全国54.6%的货物运输量和36.3%的旅客运输量。

②地方铁路：地方铁路是指由地方人民政府管理的铁路。与国家铁路相比，所不同的是管理主体的变化，一个是国务院铁路主管部门，一个是地方人民政府；前者是代表国家，代表的是中央政府的总体经济利益，后者虽然也是国家的组成部分，但代表的是地方本地区的经济利益。地方铁路主要是由地方自行投资修建或者与其他铁路联合投资修建，担负地方公共旅客、货物短途运输任务的铁路。我国地方铁路是在建国以后不断发展起来的，到2001年底全国共有地方铁路正线里程已达4 816.6 km，其中有标准轨(1 435 mm)和窄轨(762 mm)两种轨距。

③专用铁路：是指由企业或者其他单位管理，专为本企业或者本单位内部提供运输服务的铁路。专用铁路的概念也是从管理权限和管理主体上来划分的。一般来说，专用铁路大都是大中型企业自己投资修建，自备机车车辆，用来为完成企业自身运输任务的铁路。也有一些军工企业、森林管理部门为运输生产需要修建了一些专用铁路。目前我国共有专用铁路2 5000多km，其中工矿铁路13 000多km，森林铁路9 000多km，其他专用铁路3 000 km。

(2)城际轨道交通

城际轨道交通属于轨道交通的一个新兴类别，介于铁路和城市轨道交通之间，主要用于解决城市与城市之间交通问题。城际轨道交通的发展将为城市居民在两个相邻城市之间生活和工作提供一种新型交通模式，对于优化城市格局，缓解城镇密集地区的交通问题具有重要意义。珠江三角洲、长江三角洲、京津地区等城市群都规划了城际轨道交通，城际轨道交通的发展将成为改变中国区域发展格局的重要方式。

(3)城市轨道交通

城市轨道交通是城市内(有别于城际铁路，但可涵盖郊区及城市圈范围)的公共客运服务，是一种在城市公共客运交通中起骨干作用的现代化立体交通系统。具有运量大、速度快、安全、准点、保护环境、节约能源和用地等特点。城市轨道交通又可细分为市区轨道交通和市域轨道交通(也称市域铁路或市郊铁路)。

①市区轨道交通。服务范围以中心城区为主的城市轨道交通系统。城市市区的地铁、轻轨都是属于此类。

②市域轨道交通。也称市域铁路或市郊铁路，将市区与郊区，以及城市周围几十km甚至更大范围的远郊地区(卫星城镇或城市圈)连接在一起的铁路或轨道交通。简言之，就是城区通往郊区的铁路。这类交通系统在各国名称不同，例如法国的RER(Regional Express Railway)、德国的S-Bahn(Stadt Bahn)、美国的区域快速轨道交通(Regional Rapid Rail Transit)、日本的私铁(市域范围内)等。

3 关键技术分析与展望

3.1 关键技术筛选的原则

轨道交通是一个包含了规划、设计、勘探、工程建筑、车辆制造、通信信号、供电、防灾报警、给排水、消防、环控、工程概算、运营管理等庞大的产业链，而每一个链条上存在众多的技术问题亟待研究解决。以实际调研、专家论证、统计和归纳等技术分析为手段，梳理上述轨道交通各技术环节的关键问题，提出基于长远发展理念、且应重点支持和发展的轨道交通关键技术。关键技术筛选的原则和依据如下。

3.1.1 轨道交通行业发展方向——节能节材节水节地和绿色环保

由于资源浪费和环境污染的日益严重，尤其是我国大范围长时间高频率雾霾天气出现，倒逼我国必须改变当前粗放型的经济发展模式，节能节材节水节地和绿色环保是今后各行各业，尤其是轨道交通行业的发展方向。

当前，我国轨道交通处在大规模的建设时期，投资规模宏大，研究轨道交通的节能节材节水节地和绿色环保技术，对提高我国资源和能源利用效率，保护生态环境具有重要意义。如轨道交通沿线土地开发与综合利用可以提高土地利用效率；轨道交通设计标准化和预制拼装技术可以规模化、工厂化生产，节省材料和能源；城市轨道交通再生制动能量吸收利用技术和电气化铁路节能型变压器可以节省能源；城市富水地层地铁施工中地下水防排及利用可以提高水资源的利用。

3.1.2 科学技术发展趋势——信息化、自动化、智能化

信息技术、自动化技术和智能技术的结合改造了人类的生产生活方式，提高了人类的生活质量。智能技术与自动化技术的发展使我国社会经济得到一个直接从工业化社会越过后工业化社会而进入信息社会的良好机遇。信息化、自动化、智能化也是科技发展的必然趋势。因此，研究轨道交通行业的信息化和自动化技术，如城市轨道交通全自动无人驾驶信号关键技术、轨排自动化调整系统、城市轨道交通网络综合调度指挥自动化，有助于提高我国科技水平。

3.2 关键技术分析

3.2.1 轨道交通网络化发展关键模式与对策研究

开展轨道交通网络化发展关键模式与对策研究，有利于通过科学规划、建设资源共享、互联互通、统筹管理等手段，实现安全、可靠、高效运营的轨道交通网络，达到网络资源利用的最优化和效益的最大化[4，5]。

北京市自1969年建成第一条地铁线路以来，轨道交通建设取得了长足发展，截止到2013年底，建成运营线路17条，运营里程465 km，城市轨道交通网络基本形态已经形成。从运营效果看，2013年轨道交通客运总量32.1亿人次，日均客运量稳定在1 000万人次左右，成为国内客运量最高的城轨网络。从轨道交通对城市综合交通的贡献看，2013年公共交通出行比例达到46%，轨道交通占公共交通方式的比例达到44.8%，轨道交通出行比例占机动出行比例达20.6%，轨道交通已成为公共交通的骨干。目前，北京市轨道交通网络化发展仍然存在诸多问题，主要体现在规划、运营、维修等多个方面。因此，开展轨道交通网络化发展关键模式与对策研究，提高轨道交通的运营效率，对于北京、上海等超大型城市具有重要意义。

3.2.2 轨道交通系统制式选择及适用性分析

目前国内对地铁、轻轨、现代有轨电车等轨道交通产品有成熟的实际运营经验，上海浦东机场有高速磁悬浮的商业运营线路，积累了丰富的实验数据。随着近年轨道交通建设的高速发展，更多的轨道交通制式可适应不同层次的轨道交通需求，其中包括轻型跨座式单轨、中低速磁浮、市域铁路、悬挂式单轨等，新型轨道交通概念的提出丰富了轨道交通系统制式。合理选取轨道交通制式可完善城市轨道交通线网，构建多层次的轨道交通体系[6]。

近年来，我国各大城市的轨道交通建设快速发展，在规划、建设和运营管理方案取得了瞩目的成就，许多大城市的骨干线基本形成，但存在地铁建设模式单一，结构不合理等一些问题，而且随着人工成本、材料成本和拆迁成本等的大幅上升，地铁造价逐年攀升，因此，合理选取轨道交通制式是轨道交通健康发展的需要。

3.2.3 市郊铁路与国铁的协调发展

据了解，国外的市郊铁路占城市轨道交通总里程的比例较大，有的城市高达80%～90%，国外大城市市郊铁路线网规模较大，拥有众多支线，客运量较大。日本东京市的中心区轨道交通(即地铁)里程292 km，JR(国铁改革后成立的公司，承担城际干线运输、城内运输及货物运输)约877 km、私铁(主要承担城市内部及城郊运输)约1 085 km、合计2 254 km，市郊铁路占轨道交通总里程的87%；巴黎的轨道交通系统主要由地铁与市域快速轨道交通(RER)组成，地铁服务于距巴黎中心半径为6～8 km的范围，而RER网络服务于距巴黎市区半径为40～50 km的范围；北京仅市郊铁路S2线南起北京北站，经清华园、清河、昌平、南口、八达岭至延庆，线路运营长度82 km、车站13座，其中办理市郊列车客运作业的车站有7个。

目前我国高速铁路已基本成网，但能盈利的高铁线路仍十分有限，国铁的盈利能力不容乐观；北京市大部分地铁线路的高峰期能力基本饱和，通过“财政购买服务”的模式，北京市郊铁路运输将是国铁利润的新增长点，市郊铁路+土地开发的公共交通导向发展模式应是国铁偿还巨额债务的良方，而城市建设发展十分迅猛，想在城市中心区新建市郊铁路客运站基本上没有可能，因此，市郊铁路与国铁的协调发展是必然的选择。

3.2.4 跨座式单轨新型技术研究

跨座式单轨是一种中运量(1万人/h～3万人/h)的轨道交通系统，车辆采用橡胶轮胎跨行于梁轨合一的轨道梁上，转向架的两侧有导向轮和稳定轮，夹行于轨道梁两侧。它与传统地铁轻轨的主要不同在于其轨道梁、道岔和车辆转向架等方面。轨道梁为预应力钢筋混凝土结构，梁轨合一，对列车起承载导向稳定作用，精度要求高。道岔采用数段轨道梁连接或两段不同线型轨道梁组合而成，可整体移动连接不同的线路，完成列车运行径路的改变。车辆转向架无摇枕， 轮胎为无内胎钢丝橡胶轮胎，内充氮气，有钢制备用轮，并设有胎压监测装置[7，8]。

跨座式单轨投资低、工期短、具有良好的经济性；噪声低、振动小、景观效果好，具有良好的环境适应性；并具有较高的技术和产业发展基础，还具有爬坡大、转弯半径小、地形适应能力强、占地少等优点，是一种优良的轨道交通系统。该系统在日本、美国、新加坡、马来西亚、阿联酋、沙特、韩国、巴西等国家的很多城市均有运用，已有50年的安全运营业绩，我国重庆市2005年以来相继开通的轨道交通2号线、3号线也采用跨座式单轨交通，自开通以来运行良好。国际上跨座式单轨主要有日立、庞巴迪、斯科米、英特敏等技术体系。其中日立和庞巴迪应用较广，技术成熟先进，日立大型单轨在重庆得以应用，庞巴迪单轨也已经在国内建厂，即将推广应用。

目前，跨座式单轨新型技术主要研究方向包括提高桥梁跨度、研制新型快速道岔、提高低温适应性、车站建筑布局优化及轻量化、检修疏散通道设置优化等。开展跨座式单轨交通系统新型技术研究，对于创立自主知识产权具有重要意义。

3.2.5 轨道交通设计标准化研究

轨道交通标准化设计越来越受到重视，并取得了一些成果，北京、上海、广州等有着丰富地铁建设经验的城市为轨道交通建设形成了一系列标准化理念和规范化体系，这些标准体系在很大程度上促进了标准化设计发展。各城市在标准化方面的积累为我国城市轨道交通标准化设计的发展打下了一些基础，国内参与城轨建设的几家大型综合性设计院都围绕标准化设计做了一些研究工作，但在实际使用过程中普遍存在一些问题[9]。

当今我国已经进入城市轨道交通大发展时期，引入标准化设计有利于引导、规范并约束轨道交通建设各个阶段健康发展，加快城轨项目建设；有利于主管部门决策；有利于设计成果重复使用，提高设计效率；有利于招标采购、设备制造、施工建设等作业内容标准化，从而减少设备制造及施工工期；有利于投资控制及建设过程中的资金审批和审查。因此，加强轨道交通设计标准化研究对我国轨道交通建设具有重要意义。

3.2.6 城市轨道交通接驳方式研究

随着中国经济的迅猛发展以及国家大力推进城镇化，城市客运量大幅度增长，在一些特大型城市中，单纯采用某种交通系统已不能适应我国城市发展的实际需求，城市轨道交通系统在城市交通中发挥着骨干作用，但其作用的发挥，必将依赖着与其他交通方式的接驳，健全的大城市交通必须构建以快速轨道交通为主体的立体多层次综合客运体系。因此，要高效地发挥城市快速轨道交通系统的作用，除要在线路规划、车站设计等方面加强轨道系统自身的建设外，城市轨道交通系统与其他交通方式如何配合衔接、如何最大限度地吸引客流是城市轨道交通建设中一个十分重要的问题。

3.2.7 轨道交通沿线土地综合开发利用研究

轨道交通的开通运行，对沿线地段的土地利用具有带动作用，利于提高土地的经济效益，聚集人气，反过来有利于稳定轨道交通客流的支撑，支持公共交通及其他配套设施的可持续发展，形成良性循环，构建和谐社会，因此，如何将轨道交通建设与城市土地利用发展相结合成为亟待解决的重要课题。

3.2.8 轨道交通高架区间减震降噪综合措施研究

高架桥梁作为轨道交通一个重要组成部分，与地下线路相比具有较大的经济优势，且能较好地适应城市地面交通，符合我国“建设资源节约型”社会这一发展方针。但近年来高架线路噪声对环境的影响问题越来越受到重视，减震降噪已成为轨道交通高架桥梁设计的一个重要课题。

3.2.9 轨道交通一体化基础上的供电系统资源共享研究

目前，城际铁路采用交流牵引，城市轨道交通采用直流牵引，而市郊铁路采用何种方式存在不同看法。不同类型轨道交通承担的服务范围不同，采用的技术标准也不同。随着城市的发展，地上、地下空间资源越来越紧张。在有限的空间内，要满足旅客多层次多方面的出行要求，必须对固定基础设施进行统筹规划，实现资源利用的最大化。目前，在城市轨道交通线网规划或铁路枢纽建设规划中，牵引供电系统主所或牵引变电所的多线共用均已实现，而在不同层次交通方式之间尚未实现资源共享，这对节约资源是相当不利的，因此，需对不同层次的轨道交通网之间的外部电源、主所、电力调度等资源如何共享进行深入研究。

3.2.10 城市轨道交通网络综合调度指挥自动化研究

城市轨道交通综合指挥自动化系统(即行车综合自动化系统)，作为一种全新的综合监控系统，将原信号系统中的列车自动监控子系统(ATS)与传统综合监控(ISCS)系统技术平台进行统一，并将两者信息进行了全面整合。

综合指挥自动化系统的主要目的是应用系统化方法将各自分散的自动化系统联结为一个有机的整体，实现轨道交通原来各个分离、分散的系统之间的信息互通、资源共享，提高各个系统之间的协调配合能力，从而提高轨道交通的抗风险能力，高效实现系统间的联动，提高轨道交通全线的自动化水平，建立以行车指挥为核心的综合调度指挥系统，可将地铁运营管理建立在较高的技术支撑平台之上，因此开展城市轨道交通网络综合调度指挥自动化研究是十分必要、紧迫的。

3.2.11 城市轨道交通通信信号设备智能监测技术研究

城市轨道交通信号系统安全可靠性要求较高，系统安全完整性达到SIL4级，关键设备均采取了安全冗余技术。但由于信号系统设计采用“故障导向安全”原则，一旦设备故障将导向安全侧，即可能对运营产生较大影响(如中断行车)。目前，国内城市轨道交通运营线路一般高峰小时行车间隔可达到2 min，行车密度大，一旦信号设备出现故障进而影响正常行车组织，还可能造成社会影响[10]。信号系统出现故障后设备最短的维修时间在30 min左右。因此有必要对信号系统设备进行智能监测，提前对“带病工作”的设备进行告警，指导运营维护人员在设备发生故障前进行处理，以提高维护水平，保证运营水平。

3.2.12 轨道交通运营安全与风险管控研究

轨道交通建设为城市的发展添加了动力和活力，然而其特有的运行特点也可能引发一系列安全风险隐患。近30年来的23次比较典型的重大地铁安全运营事故共造成了至少1 201人死亡，7 952人受伤，其间接损失更是难以估量。由此可见，轨道交通作为城市快速交通工具，在给城市交通发展作出巨大贡献的同时，安全事故频发也给社会造成了巨大的经济损失、人员伤亡和社会影响[11]。面对大量的风险事故及安全隐患，如何保证轨道交通系统的安全运行已成为各级政府及管理部门亟待解决的重要问题，同时也引起了社会的高度重视。

3.2.13 城市轨道交通轨道精密测量技术

通过国内多个城市的轨道交通项目运营现状调研，振动和噪声是我国地铁运营中普遍存在的问题，部分区段还存在啸叫、明显晃车、钢轨波浪形磨耗等问题，而这都直接影响到列车安全运行、旅客乘坐舒适度、设备使用寿命和线路运营养护费用的投入等。在城市轨道交通减振降噪方面，目前主要采用轨道结构优化设计，如道床减振、弹性轨枕减振、弹性扣件减振等手段进行控制，由于其设计、制造、施工和维护成本较高，在成本投入和减振降噪效果方面往往需要不断权衡，万不得已才使用，不利于大范围的推广应用。结合国内其他轨道工程(如高速铁路等)建设及运营经验，对轨道工程的施工质量进行高精度控制，保证轨道几何状态的高平顺性，是实现线路高平稳性、高安全性运营的重要基础。目前我国城市轨道交通运营过程中存在的振动、噪声、钢轨磨耗等问题，都与轨道几何状态的平顺性有很大的关系。为了改善城市轨道交通运营中的诸多问题，在对轨道设计进行优化的同时，还应对建设过程中轨道工程的测量控制技术和施工工艺进行改进，以进一步提高轨道的平顺性[12]。

城市轨道交通轨道精密测量技术是借鉴高速铁路成熟的轨道精密测量技术，研究探索轨道工程施工控制基准的建立、整体道床铺设施工、轨道精密检测与调整的新方法新工艺，进而提高轨道工程的施工质量，实现轨道的高平顺性。城市轨道交通精密测量技术的课题研究，是城市轨道交通建设和运营维护的切实需要，在提高工程质量、节约成本、提高乘坐舒适度、降低运营维护成本方面均具有重要意义。

4 结语

本文提出了当前我国轨道交通建设中应重点研究和解决的部分关键技术问题，期望能为政府部门、相关企事业单位的进一步决策和研究提供参考。伴随着一带一路战略构想的提出，城市群和区域经济的发展将对轨道交通的建设提出更高的要求，铁路、城际轨道交通、城市轨道交通将不可避免地面临从功能到技术的融合，因此，综合轨道交通网建设技术的研究也应成为业内同仁共同努力的方向。

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[5] 肖雪梅.城市轨道交通网络化运营风险与安全评估[D].北京:北京交通大学，2014.

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(本文为2015年3月28～29日召开的“京津冀一体化轨道交通协同发展学术研讨会”重点交流论文)

Analysis and Expectations of Critical Technologies in Construction of Rail Transit

CHEN Xue-feng

(China Railway Engineering Consulting Group Co., Ltd., Beijing 100055, China)

In recent years, construction of rail transit has been developing rapidly in China, and the technologies in rail transit construction have been researched extensively. Therefore, it is worth studying on how to analyze and research the critical technologies in construction, break technological bottleneck, and systematically raise technological level. This paper introduces critical technologies in construction of rail transit with statistical analysis carried out with construction companies, transport operation authorities, manufactures and research institutes. These critical technologies cover 13 aspects such as key modes of rail transit network development and strategies, system selection and application analysis of rail transit, coordination and development of urban railway and national railway, new base-crossing mono-rail, and rail transit design standardization

Rail transit; Construction; Critical technology; Investigation and analysis

2015-04-30；

2015-06-03

陈学峰(1970—)，男，教授级高级工程师，1994年毕业于北方交通大学铁道工程专业，工学学士；1998年毕业于北方交通大学岩土工程专业，工学硕士，E-mail：c30gjhnt@126.com。

1004-2954(2015)12-0001-05

U239.5

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.12.001