城市轨道交通线路技术条件研究综述

2018-09-20吴跃成

铁道标准设计 2018年9期

吴跃成

(西南交通大学,成都 610031)

1 概述

1.1 城市轨道交通各制式研究范畴

首先梳理我国城市轨道交通分类，确定城市轨道交通各制式的研究范畴。《城市公共交通分类标准》(CJJT 114—2016)将城市轨道交通分为：地铁系统、轻轨交通系统、单轨交通系统、有轨电车、磁浮交通系统、自动导向轨道系统、市域快速轨道系统[1]。其中地铁根据车辆的类型可分为A型、B型、Lb型；轻轨根据车辆与地板的位置关系可分为C型、Lc型；单轨交通根据车辆与轨道梁的位置关系分为悬挂式独轨交通和跨座式单轨交通；有轨电车往往采用现代有轨电车进行描述，是为了与20世纪30年代起建设的传统有轨电车进行区别，传统有轨电车的轮轨关系为导轨式胶轮，现代有轨电车为单箱或铰接式有轨电车；磁悬浮轨道交通按速度级别对各不同设计速度的车辆系统进行分类，分为中低速磁悬浮、中速磁悬浮、高速磁悬浮；自动导向轨道交通现阶段我国暂无建成案例，现有研究参考的是国际上的胶轮特质车辆；市域快速轨道交通按车辆类型分为Vechile A型、B型、D型[2]。

1.2 线路技术条件研究范畴

线路主要技术条件包括平面线路参数、纵断面线路参数和平纵组合线路参数，但全面的线路技术条件包含甚广，研究内容繁多。在规范中一般将线路技术条件分为以下几个板块：一般规定、线路平面、线路纵断面、道岔、配线、交叉、附属措施、其他等几个部分进行描述，根据制式的不同有的把道岔融入到线路平面、线路纵断面当中去描述，有的增加了线路决定的乘客舒适度条件等。而对于一些特殊系统，会按需要增加一些新的线路技术条件，比如高速磁浮纵断面参数中需要设置竖曲线缓和曲线并需要研究竖曲线缓和曲线最小长度[3]，而地铁、轻轨、有轨电车、独轨交通、中低速磁悬浮中则不需要设置竖曲线缓和曲线。因此，对我国现有线路技术条件研究方法的梳理顺序和内容基本依据至今最新的城市轨道交通规范《市域快速轨道交通设计规范》(T/CCES 2—2017)中线路章节进行，并综合其他制式独有的线路技术条件进行调研研究成果，以期得到较为全面的线路研究方法综述。

2 线路技术条件各要素研究方法

2.1 一般规定

线路起讫点选址：结合具体的城市规划、轨道交通线网规划、自然地理条件、行政区划、客流预测、衔接换乘、工程实施条件来进行[4]。需要对建设项目的建设规模、工程投资、近远期分界点等进行比选论证。

站点选址：根据系统的客流点吸引有效范围布局和客流集散点分布规律，从车站结构与城市协调性、工程可行性、社会经济效益和环境效益等多个准则建立决策评价模型，研究站点选址原则[5]。

合理站间距：从客流吸引、乘客出行时间、建设运营费用、沿线开发、交通网规划和城镇体系布局的关系着手。以站间距为核心变量，对建设费用、运营维护费用、旅客出行费用、运营收入及社会经济效益进行定性与定量，并建立以站间距和最大净现值关系的模型。建立评价体系，主要从交通功能、经济效益、建设实施性、可持续发展等方面进行评价，得到合理站间距[6]。

线路敷设方式：根据系统的不同，有的系统可以进行地下线、地面线和高架线敷设方式的选择，而有的系统不具备，比如悬挂式单轨交通系统只能高架敷设，对该类制式可不必讨论。而对于能够选择敷设方式的制式，线路的敷设方式主要结合具体环境影响、工程造价、运营维护建立关于线路敷设方式的经济评价体系，同时将环境影响指标进行量化[7]，确定经济评价总费用现值与敷设方式的关系函数，研究线路敷设方式的合理选择[8]。

线网敷设方式：对于线网线路敷设方式的研究，是对具体城市的土地开发利用、社会经济效益、环境适应性和协调性、工程造价等方面进行综合分析比较[9]。

线间距：结合系统构造、运行安全性、经济合理性和工程投资，计算不同设计速度下最适合的线间距[10]。同时由于正线线间距往往难以满足单渡线插入短钢轨长度的要求，基于车辆、道岔等技术参数的条件，对城市轨道交通单渡线设置成曲线的最小线间距进行研究，得出不同组合情况下的最小线间距[11]。

换乘站：基于人流密度、速度、流量等关系，建立旅客换乘方式选择模型，确定换乘形式与换乘客流的关系，得出不同客流下的推荐换乘方式。同时考虑不同换乘方式的客流疏导问题、设计、建设、运营、安全管理复杂程度得到具体换乘站设置方式[12]。

交路形式：基于服务水平，建立与交路形式相关的线路通过能力、车辆运行、车站布置及客运组织等方面的定性与定量计算模型，得到最佳交路形式[13]。

合理经济长度：先确定包括速度目标值、站间距、最佳旅行时间、敷设方式、运营组织等技术指标。再基于技术指标，从经济角度出发，建立客流需求密度与城市效益函数和成本函数，求解社会效益最大化的目标函数，得出线路合理经济长度[14]。

超长线：超长线的选择与否从需求特征分析出发，往往有的系统因速度较慢、旅行时间不宜过长而不考虑超长线，比如有轨电车。对于可设置超长线的系统，需结合客流需求、设计速度、合理站间距、旅行时间、最有效益长度等要素，并采用列车在各区间的满载率和拥挤度评价，确定分期建设可行性和时机，提出超长线路规划方法和原则[15]。

2.2 线路平面与纵断面

线路平面与纵断面是线路技术条件的核心，是线路线型设计的主要依据，城市轨道交通线路参数与车辆的构造、牵引特性、制动特性和运行速度等密切相关。目前我国主流的研究方法为：确定评价指标，结合静力学计算，基于动力学仿真分析，对比实际运营数据得到合理的平面、纵断面、平纵组合线路参数，确定平面、纵断面线路技术条件，本小节中的线路技术条件默认为按以上方法研究，以下只强调静力学和动力学研究中各线路技术条件的关键性问题。

圆曲线：平面圆曲线最小半径的确定主要是根据轮轨磨耗(磁浮除外)、轮轨减载率(磁浮除外)、横向未被平衡离心加速度、最大横坡角等指标确定。若困难地段能设置的圆曲线半径较小，可以进行地段限速。平面最大曲线半径的确定与制造、施工、维护精度有关。

缓和曲线：包括缓和曲线线型和缓和曲线最小长度两个关键内容。城市轨道交通的缓和曲线线型往往采用三次抛物线线型，主要是保证在曲率变化点处的振动不致乘客感到不适。而最小缓和曲线长度的确定主要是满足横坡角扭转率(对于悬挂式单轨交通的某些车辆则是偏角时扭转率)和未被平衡离心加速度时变率这两方面。

复曲线：复曲线间缓和曲线长度，部分城市轨道交通在困难条件下是允许设置复曲线间缓和曲线的，但如高速磁浮交通和市域快速轨道交通等速度较快的系统则不允许，主要考虑的则是复曲线将导致勘测、设计、施工、维护的难度提升，以及影响车辆运行的平稳性。

圆曲线最小长度和夹直线最小长度：由于缓和曲线起终点的曲率发生变化，当列车经过时会产生一定的冲击作用，从而产生振动。夹直线和圆曲线最小长度需满足列车经过时，前后两次振动不叠加，从而保证旅客舒适度的要求。

道岔选型：研究不同道岔型号和车辆通过性能间的关系，分析影响因素和规律，评价指标主要包括尖轨和护轨的瞬时冲击力、车岔作用力、车体振动等，得出车辆与道岔间的匹配关系，得出道岔选型要求[16]。

道岔两端最小直线距离：通过动力学仿真分析，在保证车辆运行的平顺性以及减少轮轨对道岔的磨耗作用，减少维护工作量要求下，确定道岔两端与平、竖曲线间的最小直线距离以及道岔在坡道上时对坡度的限制。

最大坡度：一方面车辆性能必须适应最大坡度，需要满足两点要求，一是车辆在最大坡度上停车后，能随时启动加速；二是列车通过最大坡度的速度不应过低，以免影响线路的运输能力。第二方面是满足列车的故障救援能力和故障运行能力。列车的故障救援能力指的是当一辆列车完全丧失动力时，另一辆列车能够将其连挂通过最大坡度运行至近邻车站；故障运行能力指的是当一节动车发生故障丧失动力时，整列车辆仍能够通过最大坡度运行至近邻车站。

最小坡段长度：最小坡段长度是由最小夹坡段长和前后两个竖曲线的切线长组成。从列车运行平稳性和旅客舒适性的角度考虑，最小坡段长度除了应满足两竖曲线不重叠外，还应考虑两竖曲线间有一定的夹坡段直线长度，确保车辆在前一个竖曲线上产生的垂向加速度在夹坡段直线长度范围内完成衰减，不与下一个竖曲线上产生的垂向加速度叠加。

相邻坡段坡度差：需从设置竖曲线的相邻坡段差最大、最小值两方面进行研究，保证满足竖向离心加速度、轮轨磨耗(磁浮除外)、轮轨纵向力等评价指标的不用设置竖曲线的坡段差限值，从而确定需设置竖曲线的坡段差；另一方面，得到当采用某一大坡段差时，动力学性能难以满足评价指标，从而确定相邻坡段最大坡段差。

竖曲线最小半径：控制因素主要有以下几点：(1)保证车体刚性车架和轨道梁之间以自由外接形式通过曲线；(2)保证列车不断钩；(3)轮轨铁路车辆在凸形纵断面上运行时，受竖向离心力的作用而产生轮重减载而引起车轮悬空，其悬空高度应保证车轮不脱轨，若磁浮系统无车轮则不考虑，空轨列车的转向架被包在轨道梁中，也不考虑；(4)良好的通视条件：竖曲线设置应满足司机通视条件；(5)车辆在变坡点处产生垂向离心加速度不应引起旅客不舒适；(6)竖曲线半径的设置，应减少功能件制造的难度。

道岔坡度：确定包括钢轨纵向力、钢轨位移、心轨和尖轨位移等车辆过道岔的动力学评价指标，分析不同坡度下列车制动时的动力学性能影响规律，确定道岔上的坡度限制[17]。

竖曲线与平面圆曲线起终点最小距离：竖曲线与平面圆曲线起终点是振动敏感点，两者强烈的振动不应叠加，因此需根据振动衰减距离确定最小距离。

竖曲线与缓和曲线、道岔是否应重合：考虑施工制造、运营维护的难度和投入较大，通常不允许重合。

2.3 配线规定

从工程条件、建设时序、客流组织、车辆选型、车辆检修模式、运营条件、车站建筑面积、环境适应性等方面，研究配线设置规定，配线包括了联络线、停车线、折返线、故障列车停车线、渡线、安全线等[18]。

2.4 交叉、附属措施及其他

交叉形式：交叉形式分为立体交叉和平面交叉两种。除有轨电车这种可共享路权的交通外，往往采用立交交叉和隧道交叉的立体交叉形式。平面交叉的设置需建立平面交叉通行能力定量化计算模型，根据相应的平面交叉口设计方案和控制方法来预测和提高交叉口的通行能力[19]。

隔离栅栏：满足建筑限界和安全需求的基础上，确定隔离栅栏的设置位置和方式。

护栏：满足建筑限界和安全需求的基础上，确定公路侧护栏的设置位置和方式，需要满足国家的防撞等级。

安全保护区：需要根据系统的安全需要和系统对其他交通、行人安全的潜在威胁进行评估，确定不同城市区域的安全保护区设置手段、范围。

3 线路技术条件各要素研究情况

3.1 线路技术条件各要素系统

根据上文内容建立线路技术条件要素系统，并梳理研究较成熟的城市轨道交通系统线路技术条件研究现状如表1～表3所示。未列举的系统有速度为100～200 km/h的中速磁浮、悬挂式单轨、自动导轨交通等处于研究较少、缺少相应规范和工程的系统。

表1 地铁、有轨电车、轻轨线路技术条件研究情况

表2 高速磁浮、中低速磁浮线路技术条件研究情况

表3 跨座式单轨、市域快轨磁浮线路技术条件研究情况

综上，我国对于地铁、轻轨、有轨电车、跨座式单轨交通、高速磁浮、时速为100 km以下的中低速磁浮、120 km/h至160 km/h速度区间的市域快速轨道交通的研究已经较为全面，但有些专题还需进一步研究。而对于悬挂式单轨交通、速度等级为100～200 km/h的中速磁悬浮、自动导轨交通，以及除120～160 km/h速度区间的其他速度等级的市域快速轨道交通等研究还较为缺乏，具有较大的研究空间。

3.2 不同制式城市轨道交通的差异性和互补性3.2.1 地铁

我国城市轨道交通系统中发展最成熟、建设工程最多的是地铁系统。统计数据表明，截止2017年，我国建成投运地铁城市已达33个，交通线路超100条，因此地铁的线路技术条件研究较系统、理论研究较完善且经大量实践检验。在地铁规范中虽然未对复曲线缓和曲线长度进行明确规定，但相关研究探讨了在地形受限的情况下(周围较多的高层建筑限制了线型)，采用复曲线可节约建设投资，研究了复曲线线型和设计思路，并且用工程实例证明了其合理性[20]。同时针对重庆轨道交通地铁超长线，现阶段已研究了停站方案和运输组织方式，考虑线路通过能力、工程条件、运营组织等影响因素，建议超长线的组织运营形式：高峰期间宜选用站站停方式，非高峰期间可选用跨站停方式[21]。地铁不同于其他轨道交通，适应多种敷设方式，因此对具体线路的敷设方式选择需要进行论证。由于我国对地铁系统的研究较多、较全面，地铁线路条件的一些研究方法可以推广至其他新型的城市轨道交通系统当中，例如超长线问题和合理经济长度问题。

3.2.2 单轨交通

(1)跨座式单轨

2004年，重庆轨道交通2号线一期工程作为中国第一条建成通车的跨座式单轨线路开始载客运行，2011年9月，我国第二条跨座式单轨交通——重庆轨道交通3号线开通运营。《跨座式单轨交通设计规范》(GB 50458—2008)中对线路技术条件做了大量的规定和解释。但现阶段暂缺少针对于跨座式单轨交通换乘站、经济长度的研究。同时由于跨座式单轨交通修建数量较少，无法与地铁、轻轨等不同制式的轨道交通进行联络，不具备修建联络线的条件，因此暂未对联络线进行详细研究。由于跨座式单轨运行速度相较地铁、轻轨等系统较慢，为避免通勤时间过长，可不考虑超长线问题的研究，但需对合理经济长度进行研究。跨座式单轨线路适应性更强，因此可以设置复曲线。

(2)悬挂式单轨

我国现阶段暂无投入运营的悬挂式单轨交通，而作为第一条运营线的韩城悬挂式单轨交通于2017年正式开工。同样，悬挂式单轨交通的设计规范也未发布，线路技术条件处于研究阶段。调研我国科研论文，主要研究成果为车辆、轨道梁、限界、抗侧风、曲线通过能力等参数研究。曲线通过能力的研究中得出了圆曲线最小曲线半径和缓和曲线长度的推荐值和限制速度。因此，悬挂式单轨的线路技术条件具有较大的研究空间。

3.2.3 现代有轨电车

现代有轨电车线路技术条件的研究早在2010年就已开展，现全国已有超过58个城市规划现代有轨电车，长度累积超过6 000 km，投入运营的城市已有11座。目前，胶轮有轨电车使用得比较少，我国仅有上海1条，而钢轨钢轮有轨电车则广泛使用。2016年由上海制定的《有轨电车工程设计规范》(DG/YJ08—2213—2016)则对线路技术条件作了较为全面的规定，同时西南交通大学通过研究车站工程费、运营费用、运营收入和乘客出行时间效益四方面，结合成都IT大道有轨电车项目得出了合理站间距，填补了规范空缺[22]。有轨电车敷设道路上时，其横断面需要结合道路来设置，因此相比其他制式的交通而言，新增了横断面的要素。由于现代有轨电车运行速度相较地铁、轻轨等系统较慢，为避免通勤时间过长，可不考虑超长线问题。

3.2.4 轻轨

截止2017年7月，开通了轻轨的城市包括抚顺、长春、大连、上海、重庆。已有多个轻轨成功运营的实际案例。我国轻轨的车辆经过了三代的发展，第一代为传统轮对转向架，第二代为部分低地板型，第三代为100%低地板型，大大方便了乘客在车内的流动，其优越的小半径曲线通过能力，决定了该种车辆是轻轨的主要发展方向[23]。2016年3月，住建部城市轨道交通标准化技术委员会召开审查会，国家标准《轻轨设计规范》已通过专家评审，标志着轻轨线路技术条件的研究基本完善。

3.2.5 磁浮交通线路技术条件研究现状

(1)中低速磁悬浮

我国已有多家单位研究中低速磁浮系统，第一条投入运营的是长沙中低速磁浮，运行速度100 km/h。西南交通大学通过基于动力学对平面圆曲线[24]、缓和曲线[25]、最大坡度[26]、竖曲线[27]、最小坡段长[28]等线路参数进行了系列研究，同时《中低速磁浮交通设计规范-条文说明》[29]对线路技术条件进行了较为全面的规定。同时中铁宝桥集团基于UG仿真系统，研究了小线间距单线道岔问题并提供了设计思路和方式[30]，填补了该专题研究空白。但目前缺少合理站间距、线路经济长度的研究，由于该系统与地铁系统速度相近，可以借鉴地铁系统的研究方法来进行完善；另一方面，现阶段缺少线路平纵组合问题的论证和研究，该问题是每一个城市轨道交通都无法回避的线路技术条件，因此急需进行深入研究。

(2)高速磁悬浮

2003年，由中德两国合作开发的上海磁悬浮列车专线正式开始商业运营，运营速度430 km/h。适用于设计速度不高于500 km/h的《高速磁浮交通设计规范》对线路技术条件进行了详细的规定。现有研究通过实测不同线间距列车会车时风压对车辆的影响，得到了安全的线间距，填补了规范空白[31]。不同于其他制式，高速磁浮道岔的坡道限制缺少明确的规定，但规定了道岔处不应设置横坡。规范中对配线的设置缺少详细的描述，配线是每个城市轨道交通必不可少的一部分，因此须结合工程对该问题进行完善。

(3)时速为100～200 km的中速磁悬浮

由于高速磁浮的研究范畴为运行速度低于500 km/h，高于200 km/h[32]的系统，中低速磁浮的研究范围为运行速度低于100 km/h的系统，因此暂时缺少运行速度高于100 km/h低于200 km/h的中速磁浮研究，其线路技术条件的研究也处于空白。

3.2.6 市域快速轨道交通

2013年12月上海轨道交通16号线(市域通勤铁路)开通运营。2017年青岛四方机车特制的新型城市市域快轨列车亮相，同年4月由中国土木工程学会发布的适用于速度等级为120～160 km/h的《市域轨道交通设计规范》正式实施，对线路技术条件做了详细的阐述。其车辆类型主要分为地铁A、B型车辆相似的车型和与城际动车组相似的D型车[33]。但由于该规范适用范围的速度区间较少，有的市域轨道交通线最高运营速度在100 km/h左右，因此缺乏其他速度等级的市域快速轨道交通线路技术条件的研究。而对于时速120～160 km的市域快速轨道交通线而言，其服务范围一般在50～100 km，地铁中的超长线概念就没有意义了，因此可不研究该问题。由于市域快速轨道交通相比地铁运行速度更快，因此对线路要求较高，给出了竖曲线与圆曲线设置的最小间距，要求竖曲线与圆曲线不能重合，这与其他城市轨道交通是不同的。

3.2.7 自动导向轨道交通线路技术条件

我国暂无建成运营的自动导向轨道交通系统，该制式规范也未完成制定。2017年3月。广州地铁设计研究院起草了《自动导向轨道交通设计规程(征求意见稿)》，标志着自动导向轨道交通的研究初步开始。自动导向轨道交通车辆采用的是橡胶轮胎，轨道为专用轨道，客运能力为1～3万人次/h，控制系统为全自动化无人计算机控制[34]。

4 需完善的研究内容

4.1 成熟的城市轨道交通系统

(1)城市轨道交通合理的经济长度不仅是线网的宏观控制量，而且是一项重要的投资依据。跨座式单轨、高速磁浮、中低速磁浮系统在该专题上的研究是亟待解决的。

(2)随着城市轨道交通网的规划，不断出现长度超过35 km的超长线路，这些线路难免存在以下问题：①全线需求不同，同一制式很难适应；②若用同一制式和编组的列车，可能造成两端行车密度太低或满载率太低；③全线大交路需求量不大；④超长线如不加分析的分段运行，会降低服务水平。而作为运行速度较高，适合于超长线的城市轨道交通系统的高速磁浮、中低速磁浮、轻轨的在该专题上的研究是亟待解决的。

(3)目前，中低速磁浮的线路平纵组合问题的研究是非常欠缺的，在实际的设计与建设中，该问题也是不可回避的，因此急需进行深入研究。

(4)高速磁浮的配线设置规定缺少详细的研究，需结合工程对该问题进行完善。