現代有軌電車主要線路技術條件

王風云

(北京市軌道交通設計研究院有限公司　北京　100089)

?

現代有軌電車主要線路技術條件

王風云

(北京市軌道交通設計研究院有限公司北京100089)

對現代有軌電車、傳統有軌電車以及輕軌的區別進行分析，給出現代有軌電車的定義。結合國內外現代有軌電車線路技術條件的現狀，對現代有軌電車的主要線路平面技術條件(如最小曲線半徑、車站間距、曲線車站最小曲線半徑等)以及主要線路縱斷面技術條件(如最大坡度、豎曲線、最短坡段長度等)進行研究。提出現代有軌電車的各項主要線路技術條件的具體取值或者計算方法。

現代有軌電車；傳統有軌電車；輕軌；線路；技術條件

1　現代有軌電車概念

1.1與傳統有軌電車的區別

現代有軌電車是在傳統有軌電車的基礎上發展起來的一種新型軌道交通模式，與傳統有軌電車相比，現代有軌電車具有以下特點。

1) 采用了新型的車輛。相比傳統有軌電車，現代有軌電車采用了模塊化、低地板、鉸接的現代化車輛，增加了運量,提高了速度及乘車舒適性。

2) 擁有更高的路權。相比傳統有軌電車，現代有軌電車可以采用獨立或者半獨立路權，在條件允許的情況下，還可以享受路口優先，極大地提高了運行速度和服務水平。

3) 更好的景觀效果。現代有軌電車采用流線型設計、綠化道床及低地板車輛，構成了現代都市一道亮麗的風景線，其景觀效果要比傳統有軌電車更好。

1.2與輕軌的區別

在CJJ/T 114—2007《城 市公共交通分類標準》(以下簡稱《標準》)中,將城市軌道交通分為地鐵系統、輕軌系統、單軌系統、有軌電車、磁浮系統、自動導向軌道系統和市域快速軌道系統[1],其中,輕軌系統與有軌電車系統是比較容易混淆的。《標準》中沒有給出兩者的明確定義，只是對兩者的特征進行了描述，如表1所示。

表1　有軌電車及輕軌系統特征

從表1可以看出，相比輕軌系統而言，有軌電車的速度和運量更低，且以地面交通為主。

從國外的情況來看，一些主要的權威機構，如國際公共交通聯合會(UITP)、美國公共交通協會(APTA)及歐洲交通運輸部長會議(ECMT)等，都沒有給出現代有軌電車的明確定義，但是基本上都將現代有軌電車視為輕軌的一種形式，APTA甚至認為輕軌就可以叫做有軌電車。

1.3現代有軌電車的定義

現代有軌電車的概念目前沒有統一的規定，國外大多認為現代有軌電車是輕軌的一種形式，而國內通常把輕軌定義得比較高端。因此，為了顯示現代有軌電車與輕軌及傳統有軌電車的區別，筆者將“現代有軌電車”定義為是一種采用模塊化的現代有軌電車車輛、具有多種路權方式、與地面交通方式以平交為主的中低運量的城市軌道交通系統。

2　現代有軌電車線路技術條件現狀

2.1國內現狀

目前國內已建成并運營現代有軌電車線路的城市有大連、沈陽渾南新區、蘇州高新區等。另外，尚有北京、珠海等城市正在規劃建設中。

從目前的狀況來看，由于我國的現代有軌電車建設尚處于起步階段，沒有統一的規范標準，各地基本上都是各自為戰，設計標準都各不相同。以蘇州高新區有軌電車1號線和北京西郊線為例，兩線線路設計標準存在較大差異，如表2所示[2-3]。

表2　有軌電車線路標準比較

技術標準的不一致給設備購置、工程建設帶來諸多的問題。

2.2國外現狀

在國外尤其是在歐洲，有軌電車歷史比較悠久，現代有軌電車很多是在既有的有軌電車基礎上發展而來的，因此其技術標準往往偏低。例如平面曲線半徑，國內一般在100 m或150 m以上，非常困難的條件下才會到30 m，而對于歐洲有軌電車項目，30 m是作為正線正常的最小曲線半徑，在困難情況甚至可以達到15～20 m。

不同的國情和發展階段決定了我國不能完全套用國外的有軌電車標準，而目前國內又沒有完善和統一的規范標準：因此，有必要對現代有軌電車的技術標準、技術條件進行研究，以促進我國現代有軌電車的建設發展。

3　線路平面條件

3.1最小曲線半徑

現代有軌電車最小曲線半徑的選取主要受車輛構造允許的最小轉彎半徑、行車速度以及道路條件影響。

3.1.1車輛構造允許的最小曲線半徑

現代有軌電車主流產品都采取了模塊化設計，集成度較高。目前世界上廣泛使用的現代有軌電車主要有加拿大龐巴迪(Bombardier)公司的FLEXITY系列、法國阿爾斯通(Alstom)公司的Citadis系列以及德國西門子(Siemens)公司的Avenio系列,其性能參數如表3所示[4]。

表3　目前現代有軌電車主流產品的性能參數

由表3可以看出，目前主流的現代有軌電車車輛構造允許的最小轉彎半徑為15～30 m。

3.1.2行車速度允許的最小曲線半徑

1) 計算公式。車輛在通過曲線時將產生一定的離心加速度，為了維持車輛的平衡，需要給車輛提供相應的向心加速度。在軌道交通里一般設置外軌超高，使得車輛的重力加速度產生一個水平分量來平衡車輛的離心加速度，如圖1所示[5]。

圖1　車輛離心和向心加速度

根據受力平衡分析[6]可以推導出

(1)

式中：Rmin為最小曲線半徑,m;hmax為最大超高,mm;hqy為允許欠超高,mm;v為行車速度,km/h。

可以看出，行車速度v一定時，最小曲線半徑Rmin由最大超高hmax和允許欠超高hqy的取值決定。

2) 參數取值。當超高值過大時，列車在曲線上低速行駛或者臨時停車就會有向內傾覆的危險。因此，為了保證行車安全，需要設定最大超高。根據我國鐵道科學院的試驗研究，當列車停在實設超高hmax=200 mm 的曲線上時，部分旅客感到站立不穩，行走困難，并有頭暈感覺。因此，建議最大超高hmax不宜超過180 mm[6]。在實際運營中，我國鐵路和地鐵根據長期運營實踐，分別采用了150 mm和120 mm的最大超高[7-8]。現代有軌電車由于運行速度較低，且無實際運營經驗，建議最大超高與地鐵保持一致，即hmax=120 mm。

當列車在以高于設計速度設置超高的曲線上行駛時，將會產生未被平衡的離心加速度α，即欠超高hqy。欠超高過大時，對列車通過曲線的安全性、舒適性和軌道橫向穩定性都會造成影響，故應對欠超高hqy加以限制。根據國內鐵路相關試驗結果，未被平衡的離心加速度α、欠超高hqy與乘客舒適度的關系見表4[7]。

表4　乘客對不同α值或hqy的反應

在實際運營中，根據長期運營實踐，我國鐵路采用的欠超高值一般為70 mm,困難時為90 mm,既有線改造為110 mm,地鐵采用的欠超高值為60 mm[8]。

由式(1)可以看出，在速度v一定的情況下，允許的未被平衡的離心加速度越大，可使用的曲線半徑就越小，線路條件越靈活，但是乘客舒適度就越低。現代有軌電車由于大部分為地面線路，且采用了低地板的新型車輛，舒適程度比較高，相比地鐵可以承受更高的未被平衡的離心加速度。因此，建議適當提高現代有軌電車允許的未被平衡的離心加速度值，一般取α=0.5 m/s2(hqy=80 mm)，困難條件下取α=0.7 m/s2(hqy=110 mm)。

3) 計算結果。將以上參數取值代入式(1)中計算可得：一般情況下Rmin=0.059v2,困難條件下Rmin=0.051v2;

以設計時速v=70 km/h計算，一般情況下Rmin=300 m，困難條件下Rmin=250 m;

以設計時速v=50 km/h計算，一般情況下Rmin=150 m，困難條件下Rmin=130 m。

3.1.3道路條件允許的最小曲線半徑

現代有軌電車的最小曲線半徑還受城市道路條件限制，CJJ37—2012《城市道路工程設計規范》對城市道路最小曲線半徑的規定如表5所示[9]。

表5　城市道路最小曲線半徑

由表5可以看出，城市道路的最小曲線半徑是可以滿足同等速度條件下的現代有軌電車曲線半徑要求的。

此外，在通過十字路口時，過大的曲線半徑會嚴重影響路口的道路交通，并造成大量的拆遷。我國一般的十字形交叉口路緣石的最小半徑為：主干道20～25 m；次干道10～15 m；支路6～9 m。目前主流的現代有軌電車車輛構造允許的最小曲線半徑為15～30 m。根據不同的道路等級和路面寬度，可采取合適的橫斷面布置形式和路口信號控制模式，這種最小轉彎半徑可適用于大部分主干道和次干道。因此，在通過十字路口時，最小曲線半徑宜采用車輛構造允許的最小曲線半徑，以減少對路口交通的影響、路口改造工程量及拆遷量。

3.1.4結論

綜上所述，現代有軌電車的最小曲線半徑一般情況下要滿足行車速度的要求，即R≥0.059v2,困難條件下R≥0.051v2。

在特殊困難情況下(如通過十字路口)，可采用現代有軌電車車輛允許的最小轉彎半徑作為最小曲線半徑。根據所采用的車型可選擇15～30 m。

3.2車站間距

現代有軌電車的車站應根據所在位置周圍的環境條件及城市規劃部門對車站布局的要求，在主要客流集散點如商業網點、公交站點、風景園林區出入口等場所，因地制宜進行合理布置。

考慮到交叉口處的道路一般都有增加進口道、加寬交叉口等既有措施，因而無需拓寬或者少拓寬交叉口即可滿足車站的道路用地，同時乘客利用交叉口行人過街設施即可到達、離開車站。因此，車站應盡可能布置于交叉路口附近，以減少道路拓寬，并充分利用交叉口行人過街設施，方便各方向乘客乘坐。

車站之間的距離選定應根據具體情況確定，站間距太短雖然能方便乘客，但是會降低運營速度，增加乘客旅行時耗，并增大能耗,同時，由于多設車站也增加了工程投資和運營成本。站間距若太長，會使乘客感到不便，降低對客流的吸引程度。現代有軌電車的運營速度介于地鐵和公共汽車之間。根據GB 50157—2003《地鐵設計規范》規定：地鐵車站間距一般在城市中心區和居民稠密地區宜為1 km左右，而根據CJJ 15—87《城市公共交通站、場、廠設計規范》規定：城市公共電、汽車中途站平均站距宜在500～600 m[10]。在采用混行路權時，現代有軌電車的運營更趨向于公交化，因此可在CJJ 15—87《城市公共交通站、場、廠設計規范》要求的基礎上適當提高，車站間距宜在500～700 m；而采用專用路權時，現代有軌電車的運營速度相對較快，應適當增大站間距，宜在700～1 000 m。

4　線路縱斷面條件

4.1最大坡度

現代有軌電車線路的最大縱坡主要受車輛爬坡性能和城市道路條件影響。

1) 車輛爬坡性能。從表3可以看出目前現代有軌電車主流產品的最大爬坡基本上在50‰～80‰之間。

2) 城市道路條件。我國的城市道路條件根據CJJ 37—2012《城市道路工程設計規范》的要求，城市道路機動車車行道最大縱坡度推薦值與限制值如表6所示[9]。

表6　城市道路最大縱坡度

此外，積雪或冰凍地區的快速路最大縱坡不應大于3.5%，其他等級道路最大縱坡不應大于6.0%。

3) 結論。有軌電車一般以地面線形式敷設于城市道路上，線路最大縱坡由其所采用的車輛爬坡性能和敷設的城市道路縱坡決定。從以上分析可以看出，大部分現代有軌電車的車輛最大縱坡在50‰～80‰之間，而我國城市道路的最大縱坡推薦值均在80‰以下:因此，在已建成的城市道路上修建現代有軌電車線路時，可根據城市道路的實際情況選擇車輛。按照城市道路的既有坡度敷設線路即可滿足要求，最大坡度不超過80‰；在積雪或冰凍地區的最大縱坡不超過60‰；在準備新建或者規劃的城市道路上修建現代有軌電車時，考慮到大部分現代有軌電車的車輛最大縱坡在50‰～80‰，為了能適應大多數車輛的性能，建議最大坡度不超過50‰。

綜上所述，建議現代有軌電車線路最大坡度為50‰，困難條件下不超過60‰，特殊困難條件下，例如既有道路改造代價巨大且車輛性能允許的情況下，可采用不超過80‰的坡度，但需考慮與本城市其他線路車輛類型相配套問題。

4.2豎曲線

4.2.1豎曲線線型

為了緩和變坡點坡度的急劇變化，使車輛通過變坡點時產生的附加加速度不超過允許值，相鄰坡度差大于一定數值時，應該在變坡點處設置豎曲線。

常用的豎曲線有兩種線型。一種是拋物線型，即用一定坡率的20 m短坡段連接起來的豎曲線；另外一種是圓弧形豎曲線。因圓弧形曲線測設、養護方便，目前國內外鐵路、地鐵均采用了這種豎曲線形式。因此，建議現代有軌電車也采用圓弧形豎曲線。

4.2.2豎曲線半徑

參照GB 50157—2003《地鐵設計規范》，車輛通過變坡點時產生的豎向加速度ay、豎曲線半徑Ry與行車速度v的關系[6]為

(5)

從式(5)可以看出，在速度v一定的情況下，豎向加速度ay越大，可采用的豎曲線半徑就越小，線路條件越靈活，但是乘客的舒適度就越低。

對于豎向加速度ay的取值，GB 50157—2003《地鐵設計規范》中規定：在正線取值范圍為0.1～0.154 m/s2，困難條件下為0.17～0.26 m/s2。而對于現代有軌電車目前國內尚無更多的經驗值可借鑒，參照北京西郊線的建設經驗，豎向加速度ay一般情況下取0.154 m/s2，困難情況下取0.24 m/s2，經計算可得:當v=50 km/h時,Ry≥1 200 m，困難條件下Ry≥800 m；當v=70 km/h時,Ry≥2 500 m，困難條件下Ry≥1 600 m。

4.2.3道路條件

現代有軌電車的豎曲線設置還受城市道路條件限制，CJJ37—2012《城市道路工程設計規范》對城市道路最小豎曲線半徑的規定如表7所示[9]。

表7　城市道路最小豎曲線半徑

由表可以看出，城市道路的最小豎曲線半徑是可以滿足同等速度條件下的現代有軌電車豎曲線半徑要求的。

4.2.4結論

現代有軌電車在坡度發生變化處采用圓弧形豎曲線連接相鄰坡段，最小豎曲線半徑Ry可由式(5)計算得出。ay一般情況下取0.154 m/s2，困難情況下取0.24 m/s2。

4.3最短坡段長度

列車通過變坡點時要產生附加力和附加加速度，從行車平穩考慮，宜設計較長的坡段，但是為了適應線路高程的變化，坡段長度也不能太長，否則容易發生較大的工程量，給施工帶來困難。因此，應綜合考慮兩者的影響來確定最短坡段長度。

GB 50157—2003《地鐵設計規范》指出，為了保證行車平穩，線路最小坡段長度應不小于遠期列車長度，這樣可以使一列車范圍內只有一個變坡點，避免變坡點附加力的疊加和附加力的頻繁變化對行車平穩造成的不利影響。

現代有軌電車車輛為模塊化鉸接車輛，單列車輛全長較短，一般不超過40 m，兩列連掛長度一般也不超過70 m:因此，建議現代有軌電車一般情況下，線路最短坡段長度不小于遠期列車長度，可以使整列車范圍內只有一個變坡點，避免變坡點附加力的疊加和附加力的頻繁變化，以保證行車的平穩。另外,坡段長度還應滿足豎曲線既不相互重疊又能相隔一定間距的要求，這樣有利于列車運行和線路維修養護。

5　結語

現代有軌電車作為一種清潔環保、快捷舒適的公共交通方式，必將擁有廣泛的應用前景。筆者對現代有軌電車主要線路條件進行了分析，為今后進行類似的研究提供了借鑒。

[1] CJJ/T 114—2007 城市公共交通分類標準[S].北京:中國建筑工業出版社,2007.

[2]上海市城市建設設計研究院.蘇州高新區有軌電車1號線工程可行性研究報告[R].蘇州,2011.

[3] 法國SYSTRA(上海)公司.北京現代有軌電車西郊線工程可行性研究重點技術審查咨詢報告[R].北京，2009.

[4] 北京市基礎設施投資有限公司.現代有軌電車系統研究與實踐[R].北京,2011.

[5] 易思蓉.鐵路選線設計[M].成都:西南交通大學出版社,2005.

[6] GB 50157—2003 地鐵設計規范[S].北京: 中國計劃出版社, 2003.

[7] 北京市市政工程設計研究總院.北京新機場快線軌道系統研究報告[R].北京，2013.

[8] GB 50090—2006鐵路線路設計規范[S].北京:中國計劃出版社，2006.

[9] CJJ 37—2012 城市道路工程設計規范[S].北京:中國建筑工業出版社,2012.

[10] CJJ 15—87城市公共交通站、場、廠設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，1988.

(編輯：王艷菊)

Technological Conditions of Main Lines of Modern Tram

Wang Fengyun

(Beijing Rail and Transit Design & Research Institute Co., Ltd., Beijing 100089)

This paper analyzes the differences among modern tram, traditional tram and light rail and puts forward the definition of modern tram. By reviewing the present conditions of technology adopted by main lines of domestic and foreign modern tram, we studied condition of the planar technology, such as minimum radius of curve, station distance, and minimum radius of curve of station, and that of the vertical technology, such as maximum gradient, vertical curve and the shortest slope length in modern tram. Specific value or calculation method of the technological conditions of main lines was put forward.

modern tram; traditional tram; light rail; line; technology conditions

10.3969/j.issn.1672-6073.2015.01.017

2014-01-17

2014-03-05

王風云，男，工程師，從事軌道交通線路設計與研究，18935577@qq.com

U482.1

A

1672-6073(2015)01-0072-05