地鐵快線設計中幾個技術問題的探討和思考

丁習富

(中國中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610031)

0 引言

我國城市軌道交通建設正在迅猛發展，至2014年12月31日，中國內地已有22個城市94條城市軌道交通建成并運營，運營總里程2 886 km。目前東莞、貴陽、青島、合肥、南昌、福州和廈門等城市也在修建，預計到2020年，國內將有約40個城市發展軌道交通，總規劃里程7 000多km。在這些已建成和正在建設的城市軌道交通中，絕大多數為位于中心城區的一般地鐵制式線路，設計的最高運行速度主要有80 km/h和100 km/h 2種，其運營組織與車輛選型、系統配置與土建工程配套等均可按現行的GB 50157—2013《地鐵設計規范》［1］、建標104—2008《城市軌道交通工程項目建設標準》［2］、GB 50490—2009《城市軌道交通技術規范》［3］及相關專業的規范進行設計。而已經建成開通的廣州地鐵3號線、上海地鐵16號線和正在建設即將于2016年開通的東莞城市快速軌道交通R2線、深圳地鐵11號線等，為連接中心城區與相應組團的地鐵快線，設計的最高運行速度均為120 km/h，已超過《地鐵設計規范》規定的最高運行速度不超過100 km/h的適用范圍，因此在這幾條線路的設計中，不能完全按現行地鐵規范進行設計，需要根據最高運行速度為120 km/h的地鐵快線特點對相關的設計參數進行研究論證后采用。結合廣州地鐵3號線和東莞市城市快速軌道交通R2線工程的設計，重點研究120 km/h地鐵快線設計的一些基本特征及在地鐵快線設計中現行《地鐵設計規范》存在的不足，特別是速度目標值、列車編組及空氣動力學等方面，以期為今后地鐵快線設計規范的制定提供參考。

1 地鐵快線的線路設計特征

隨著城市軌道交通的發展，中心城區的地鐵線路密度越來越大，網絡逐步完善，地鐵的建設逐步向郊區輻射，為了實現中心城區與周邊衛星城(鎮)或衛星城之間高速、便捷、環保的出行方式，地鐵快線應運而生。如廣州地鐵3號線主要是連接廣州中心城區與番禺區，深圳11號線是連接福田中心區與寶安區碧頭，上海地鐵16號線是連接浦東新區龍陽路與臨港新城。同時隨著經濟的發展，我國一些經濟較發達的地級市也開始規劃建設地鐵，由于城市空間結構的原因，這些地級市的行政機構相對分散，為了加強各行政機構與城市中心城區之間的聯系，突出中心城區的首位度，也需修建高速、便捷、環保的地鐵快線線路，如東莞城市快速軌道交通R2線。這幾條地鐵快線線路具有以下共同的特點。

1)線路長度較長，但車站數量較少，最大站間距和平均站間距都比一般地鐵線路大。在城市地鐵中，一般的地鐵線路長度大多在35 km以內，最大站間距控制在2.5 km 以內，平均站間距為 1.2～1.5 km，而地鐵快線的線路長度大多為50 km以上，最大站間距超過5 km，平均站間距達2.4～5.0 km，是一般地鐵線路的2倍以上，并且超過2.5 km的長大區間個數較多。目前國內已建成和正在修建的幾條地鐵快線線路的一些基本參數見表1。

表1 目前國內已建成和正在修建的幾條地鐵快線線路的基本參數Table 1 Basic parameters of some express Metro lines constructed or under construction in China

2)由于城市的空間形態布置及規劃發展的不均衡，這幾條地鐵快線線路的敷設在中心城區或衛星城內站間距小 (和一般地鐵的站間距接近)，但在中心城區與衛星城、2個衛星城之間，車站的站間距較大。

由于這些線路長度較長，最大站間距和平均站間距比較大，給列車在區間運行帶來了較好的運行條件，使得列車的最高運行速度可以提高。由于車站數量較少，停站次數減少，在相同線路長度下，列車的運行時間縮短，但當列車在區間的運行速度提高到一定數值后，乘客和司機會出現胸悶、耳鳴和耳痛等身體不適情況。城市空間結構、城市規劃形成的線路敷設方式、站點設置的特點直接影響到整條線路系統制式、速度目標值、車輛選型的選擇，下面就這幾個主要技術問題進行研究。

2 相關設計技術問題探討和思考

2.1 系統制式的選擇、速度目標值、車輛選型與列車編組方案

系統制式的選擇、速度目標值的確定、車輛選型與列車編組方案是地鐵快線設計的重要基礎參數，對工程建設、運營有較大影響，合理的確定上述參數是地鐵快線設計的首要任務。

2.1.1 系統制式的選擇

系統制式的選擇一般應從客流等級和特征、線路和環境條件、系統本身的技術成熟性和先進性、運營的可靠性和成本以及建設工期和工程投資等方面進行分析，其決策還受到國家的產業政策、城市的經濟實力、文化傳統和價值取向等因素的影響。

目前，國內外采用的軌道交通系統有常規的鋼輪鋼軌系統、直線電機運載系統、磁懸浮系統、單軌系統和新交通系統(AGT)等。主要制式見表2。

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各種制式的優缺點分析如下:

1)鐵路制式動車組技術成熟、速度高，在國內鐵路系統使用廣泛。但是，由于鐵路制式動車組采用交流制式供電，對線路經過地區的通信、電子設備以及相應制造業干擾較大，需要增加大量的防干擾措施。因此，采用交流制式供電的線路一般都敷設在城市之間，其線路通道多為城市規劃控制的交通走廊，對交流牽引的防干擾沒有較高的要求，地鐵快線沿線線路在許多繁華地帶敷設，對電磁防干擾要求較高。同時，線路穿越城市市區或組團中心時，均采用地下線的敷設方式，地下車站和區間由于國鐵動車組限界要求較高，土建工程投資較大。

2)中低速磁浮系統技術先進，特別是具有無輪軌磨耗，無傳動系統，具有運行噪聲低、維護成本低等明顯優勢。但是，中低速磁浮系統在世界范圍內的實際商業運營經驗不足，在我國國內尚在研究及初步使用階段，北京S1線、長沙中低速磁浮工程目前正處于研究、建設階段。因此，存在建設成本和工期2個方面的較大風險，目前國家對中低速磁浮系統的產業導向尚不明朗，因而存在國內缺乏產業支持的風險，從而也會帶來運營維護成本高的風險。

3)單軌系統技術成熟，在日本使用較為廣泛，我國的重慶市軌道交通2，3號線均采用跨坐式單軌系統，現已建成開通運營85.6 km。單軌系統采用橡膠輪，具有黏著力大、運行噪聲較低等優點，但其運行阻力大，膠輪磨耗量大。因此，存在運營成本較高、橡膠粉塵對環境影響較嚴重等問題。隨著直線電機系統和低速磁懸浮等非黏著系統在城市軌道交通領域的發展，單軌系統技術在我國發展前景并不明朗。由于單軌系統的核心技術幾乎完全掌握在日本公司的手上，車輛和系統設備的造價高，車輛采購投資較高。同時，國內缺乏相關產業的支持，運營所需的備品備件價格和維修成本難以下降到合理的程度。

4)AGT系統具有運行噪音低、曲線半徑小等特點，且技術較中低速磁浮系統成熟，但是該系統實際最高運行速度只有80 km/h，對地鐵快線快速出行的運營要求適應性較差，并和單軌膠輪系統一樣存在阻力大、磨耗大和橡膠粉污染等問題。同時，該系統在我國國內尚屬空白，存在建設成本、工期2個方面的較大風險，由于在國內缺乏產業支持，還存在運營維護成本高的風險。

通過以上初步分析，從“安全可靠、技術成熟、舒適快捷、經濟實用”的原則出發，地鐵快線設計可以不考慮鐵路動車組、中低速磁懸浮、單軌系統和AGT系統，而應在普通鋼輪/鋼軌系統和直線電機運載系統間進行比選，這2種系統都可以較好地適應地鐵快線的運量要求。但從現有的技術看，已運營的直線電機運載系統的最高運行速度為100 km/h(紐約機場線、北京機場線)，由于直線電機功率的限制，選擇速度為120 km/h的直線電機車輛困難。而對于地鐵A，B型車，速度達到120 km/h的已有成熟車型(廣州地鐵3號線B型車、上海地鐵16號線)。因此地鐵快線設計建議優先選擇地鐵制式的普通鋼輪/鋼軌系統。

2.1.2 速度目標值

速度目標值的選擇，與規劃的出行時間目標要求、線路敷設方式、站間距的大小和線網的資源共享等因素有關，在設計過程中，需根據上述條件進行80，100，120 km/h的速度目標綜合比選，必要時還需進行140 km/h的速度目標值比選，最終確定設計線路的速度目標值。

以東莞市城市快速軌道交通為例，《東莞市城市快速軌道交通網絡規劃》提出的運輸規劃出行時間目標要求如下:

1)莞城—松山湖——約20 min;

2)莞城—虎 門——約30 min。

根據運輸規劃出行時間目標要求，結合東莞市城市軌道交通R1～R3線線路平縱斷面及車站分布，本次對采用80，100，120 km/h最高運行速度車輛的平均旅行速度、旅行時間進行分析計算，并與規劃時間目標進行比較。具體比較情況見表3。

表3 東莞市軌道交通不同的速度目標值下旅行時間與規劃時間目標比較表Table 3 Comparison and contrast between travel time and planned time under different target speed values of trains of Dongguan rail transit system

從表3可以看出，為滿足東莞市區—常平、東莞市區—虎門的規劃出行時間目標要求，東莞城市軌道交通R1線、R2線、R3線均需采用最高運行速度為120 km/h的車輛。

另外，關于速度目標值，在目前的設計中，信號ATP的值一般比設計的最高運行速度低3～5 km/h，ATO的值在ATP的基礎上又下降3～5 km/h，因此最后列車自動駕駛的速度比設計的最高運行速度低近10 km/h，而車輛的構造速度比列車最高運行速度高5～10 km/h，整條線路的技術標準(線路、車輛、限界、土建工程、軌道等)均按最高運行速度進行設計，這就造成了工程的浪費，建議在地鐵快線設計中，信號ATP的值就按最高運行速度控制，ATO的值根據與信號供應商溝通情況做適當降低，但降低值以不超過5 km/h為宜。

2.1.3 車輛選型及列車編組方案

車輛選型主要根據運營需求(線網服務標準、運輸能力)、出行時間要求、舒適度要求、安全性需求、環境需求及線網資源共享等綜合考慮。

列車編組方案主要根據初、近、遠期最大單向斷面預測客流資料、旅客的出行特征 (地鐵快線的旅客平均出行距離和全程運行時間均遠大于一般地鐵，其平均出行距離達到了15 km左右，全程旅行時間均在1 h左右，乘客乘車時間平均超過15 min)、乘車的舒適度 (按照一定的站立標準，適當的增加坐席率)，按滿足客流預測的遠期單向高峰小時最大斷面客流量的需求，并留有10% ～15%富余量的系統能力來進行設計。在設計過程中，需根據初、近、遠期最大單向斷面預測客流資料進行多方案比選，最終確定列車的編組方案，列車編組方案對土建工程的投資影響較大。

目前，國內已建成或正在建設的地鐵快線采用的技術參數見表4。

表4 目前國內已建成或正在建設的地鐵快線采用的技術參數匯總表Table 4 Technical parameters of some express Metro lines constructed or under construction in China

由于缺乏相應的地鐵快線設計規范，各條快線的系統最大設計能力、座椅布置、每平方米的站立標準均不同，根據對東莞軌道交通R2線、深圳地鐵11號線及廣州地鐵3號線的初步研究，考慮到地鐵快線的速度目標值比較高(最高運行速度為120 km/h)、平均出行距離長(達到了15 km左右)、全程旅行時間長(均在1 h左右)、乘客乘車時間平均長(超過15 min)，建議系統的最大設計能力按不超過27對/h設計(地鐵設計規范要求不小于30對/h)、座椅按縱橫式混合布置(增加坐席率，地鐵車輛通常為縱列式布置)、站立標準按5人/m2考慮(地鐵設計規范為5～6人/m2)。

2.2 乘客舒適度與空氣動力學

根據廣州地鐵3號線運營的反饋信息，當列車在長度為6.2 km、內徑5.4 m的盾構隧道——番禺廣場站至市橋站區間運行，列車最高運行速度接近120 km/h時，乘客和司機會出現胸悶、耳鳴和耳痛等身體不適情況。針對這一情況，在東莞軌道交通R2線、深圳地鐵11號線的設計時，均開展了隧道空氣動力學的研究，并在設計中采取了如下主要措施:地下長大區間采用大斷面隧道(按隧道阻塞比小于0.4考慮，盾構隧道內徑6.0 m、礦山法隧道的內輪廓凈面積不小于28 m2)、列車突入洞口處設帶有減壓孔的緩沖結構(主要在地下線與地面線過渡的明挖段設置)、提高列車氣密性指數、采用流線型車頭。這些措施已經過專題研究論證，目前已在工程的設計和建設中被采用，待2016年初這2條線路建成通車后才能驗證。

2.3 土建工程設計及道岔選型

2.3.1 土建工程設計

土建工程按100 a的使用壽命進行設計，且一經實施后，若遠期客流增加較多，車站規模不夠，對土建工程進行改造，不僅影響運營，而且改造的成本較高、廢棄工程量較大、施工風險極大。為避免出現上述現象，在設計中需結合遠期最大單向斷面預測客流資料，并對遠期客流的抗風險能力進行分析，結合城市的整體規劃和經濟發展，按具備包容高水平客流狀態的能力來進行綜合設計。設計過程中，建議車站規模可以按遠期車輛編組的有效站臺長度進行設計并一次建成，在運營的初、近期，可根據客流資料和設計的列車編組來設計站臺上屏蔽門或安全門開啟的范圍，當客流上升接近設計客流時，在局部改造屏蔽門或安全門及升級列車信號系統等，以達到設計的能力。目前東莞城市快速軌道交通R2線、深圳地鐵11號線的車站有效站臺長度分別是按遠期6輛編組B型車120 m的長度和遠期8輛編組A型車186 m的長度一次建成的。

2.3.2 道岔選型

道岔的選型主要是根據正線和輔助線的最高運行速度來確定相應的道岔號數。普通地鐵線路列車最高運行速度不超過100 km/h，正線及輔助線可選用9號曲尖軌道岔，其直向過岔速度≤100 km/h，側向過岔速度≤35 km/h。在地鐵快線設計中，當區間列車最高運行速度超過100 km/h時，9號道岔已不能滿足線路使用要求，需選用大型號道岔，提高列車過岔速度，建議地鐵快線選用12號道岔，其直向過岔速度≤120 km/h，側向過岔速度≤50 km/h。

2.4 牽引供電制式

根據國家標準，城市軌道交通牽引供電有DC750 V和DC1 500 V 2種電壓可供選擇。DC1 500 V由于電壓較高、牽引變電所數目少、運營電能損耗小，且供電距離長、供電區間內列車較多，利于車輛再生制動能量的吸收。目前DC1 500 V已逐步成為城市軌道交通牽引供電系統的發展趨勢。

列車授流方式有接觸軌和架空接觸網2種方式可供選擇。接觸軌零部件少、結構簡單、安裝位置低、維護工作量小、維護成本低，對城市景觀無影響，對人身安全防護措施要求高。架空接觸網有剛性和柔性2種，剛性接觸網一般用于地下區段，也具有結構簡單、維護工作量小等優點，但安裝位置較高，維護仍須配備專用設備;柔性接觸網一般用于地上區段，其安裝結構復雜、零部件多，存在斷線、鉆弓等事故隱患，高空檢修作業時，需要的人員多，搶修和恢復比較困難，需要專用檢修設備，柔性接觸網安裝在地面或高架橋上會對城市景觀造成一定影響。

地鐵快線中高架橋占有較大的比例，在高架橋梁上，若安裝柔性架空接觸網，對城市景觀有一定影響，建議采用接觸軌授流方式，以減少對城市景觀的影響，利于城市的長遠發展和高架結構的可持續發展。

3 結論與建議

3.1 結論

1)地鐵快線主要為連接中心城區與衛星城、2個衛星城之間的城市地鐵線路，線路的站間距較大，選擇120 km/h的速度目標值可達到技術、經濟和社會效果最佳。

2)考慮到地鐵快線的速度目標值比較高、平均出行距離長、全程旅行時間長和乘客乘車時間平均長，地鐵快線的系統最大設計能力按不超過27對/h設計、座椅按縱橫式混合布置、站立標準按5人/m2考慮。

3)為了充分發揮地鐵快線的綜合效益，在設計中，信號ATP的值按最高運行速度控制，ATO的值根據與信號供應商溝通情況做適當降低，但降低值以不超過5 km/h為宜。

4)為了提高乘客的舒適度，對于地下長大區間采用大斷面隧道、列車突入洞口處設帶有減壓孔的緩沖結構(主要在地下線與地面線過渡的明挖段設置)、提高列車氣密性指數、采用流線型車頭。

5)車站規模按遠期車輛編組的有效站臺長度進行設計并一次建成。

6)選用接觸軌供電的方式。

3.2 建議

由于我國暫時還沒有運行速度為100～120 km/h的地鐵快線設計規范，在地鐵快線設計時，先參照《地鐵設計規范》、《城市軌道交通工程項目建設標準》和《城市軌道交通技術規范》等進行技術標準的初步擬定，然后結合運行速度為100～120 km/h的特征開展專題研究及專家論證確定技術標準，在這個過程中，由于受到技術水平和認識的限制，難免有些缺憾，建議加快地鐵快線設計規范的出臺，以指導工程的設計和建設。

［1］ GB 50157—2013地鐵設計規范［S］.北京:北京市規劃委員會，2013.(GB 50157—2013 Code for Metro design［S］.Beijing:Beijing Municipal Commission of Urban Planning，2013.(in Chinese))

［2］ 建標104—2008城市軌道交通工程項目建設標準［S］.北京:中華人民共和國建設部，2008.(Building Standard 104—2008 Construction standards for railway transit projects in urban areas［S］.Beijing:Ministry of Construction of the People’s Republic of China，2008.(in Chinese))

［3］ GB 50490—2009城市軌道交通技術規范［S］.北京:中華人民共和國住房和城鄉建設部，2009.(GB 50490—2009 Technical standards for railway transit in urban areas［S］. Beijing:Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People’s Republic of China，2009.(in Chinese))