地鐵快線設(shè)計中幾個技術(shù)問題的探討和思考.doc

地鐵快線設(shè)計中幾個技術(shù)問題的探討和思考 丁習(xí)富DINGXi-fu （中國中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司，成都610031） 摘要：以廣州地鐵3號線、東莞城市快速軌道交通R2線等的快線設(shè)計為例，分析地鐵快線設(shè)計與一般地鐵設(shè)計的區(qū)別，就地鐵快線在設(shè)計中的幾個技術(shù)問題進行總結(jié)分析，為今后地鐵快線的設(shè)計提供借鑒和參考。 關(guān)鍵詞：地鐵快線；設(shè)計；探討；思考 ：U231+.2：A：1006-4311（xx）17-0128-03 作者簡介：丁習(xí)富（1973-），男，云南南華人，高級工程師，中鐵二院地鐵院設(shè)計管理部部長，中鐵二院東莞城市軌道交通項目部常務(wù)副經(jīng)理，東莞城市快速軌道交通R2線副總體。 1概述 隨著我國城市軌道交通建設(shè)的迅猛發(fā)展，至xx年12月31日，中國內(nèi)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2886km，目前東莞、貴陽、青島、合肥、南昌、福州、廈門等城市也在修建，預(yù)計到2020年，國內(nèi)將有約40個城市發(fā)展軌道交通，總規(guī)劃里程7000多公里。 在這些已建成和正在建設(shè)的城市軌道交通中，絕大多數(shù)為位于中心城區(qū)的地鐵制式線路，設(shè)計的最高運行速度主要有80km/h和100km/h兩種，其運營組織與車輛選型、系統(tǒng)配置與土建工程配套等均可按現(xiàn)行的地鐵設(shè)計規(guī)范（GB50157-xx）、城市軌道交通工程項目建設(shè)標(biāo)準（建標(biāo)104-xx）、城市軌道交通技術(shù)規(guī)范（GB50490-xx）及相關(guān)專業(yè)的規(guī)范進行設(shè)計。 而已經(jīng)建成開通的廣州地鐵3號線、上海地鐵16號線和正在建設(shè)、即將于xx年開通的東莞城市快速軌道交通R2線、深圳地鐵11號線等，則為連接中心城區(qū)與相應(yīng)組團的地鐵快線，設(shè)計的最高運行速度均為120km/h，已超過地鐵設(shè)計規(guī)范規(guī)定的最高運行速度不超過100km/h的適用范圍，因此在這幾條線路的設(shè)計中，不能完全按地鐵規(guī)范進行設(shè)計，需要根據(jù)最高運行速度為120km/h的地鐵快線特點對相關(guān)的設(shè)計參數(shù)進行研究論證后采用，本文結(jié)合參與的廣州地鐵3號線和東莞城市快速軌道交通R2線工程的設(shè)計，重點研究120km/h地鐵快線設(shè)計的一些基本特征及在地鐵快線設(shè)計中現(xiàn)行地鐵設(shè)計規(guī)范存在的不足，特別是速度目標(biāo)值、列車編組及空氣動力學(xué)等方面，為今后地鐵快線設(shè)計規(guī)范的制定提供了參考，下面，就設(shè)計中遇到的幾個技術(shù)問題進行探討和思考。 2設(shè)計中遇到的幾個技術(shù)問題的探討和思考 2.1地鐵快線的線路設(shè)計特征 隨著城市軌道交通的發(fā)展，中心城區(qū)的地鐵線路密度越來越大，網(wǎng)絡(luò)逐步完善，地鐵的建設(shè)逐步向郊區(qū)輻射，為了實現(xiàn)中心城區(qū)與周邊衛(wèi)星城（鎮(zhèn)）或衛(wèi)星城之間高速、便捷、環(huán)保的出行方式，地鐵快線應(yīng)運而生，如廣州地鐵3號線主要是連接廣州中心城區(qū)與番禺區(qū)，深圳11號線是連接福田中心區(qū)與寶安區(qū)碧頭，上海地鐵16號線是連接浦東新區(qū)龍陽路與臨港新城。 同時隨著經(jīng)濟的發(fā)展，我國一些經(jīng)濟較發(fā)達的地級市也開始規(guī)劃建設(shè)地鐵，由于城市空間結(jié)構(gòu)的原因，這些地級市下的行政機構(gòu)相對分散，為了加強各行政機構(gòu)與城市中心城區(qū)之間的聯(lián)系，突出中心城區(qū)的首位度，也需修建高速、便捷、環(huán)保的地鐵線路，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： 線路長度較長，但車站數(shù)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為大多在30km以內(nèi)，最大站間距控制在2.5km以內(nèi)，平均站間距為1.21.5km，而地鐵快線的線路長度大多為50km以上，最大站間距超過5km，平均站間距達2.43.0km，是一般地鐵線路的兩倍，并且超過2.5km的長大區(qū)間個數(shù)較多，目前國內(nèi)已建成和正在修建的幾條地鐵快線線路的一些基本參數(shù)見表1。 由于城市的空間形態(tài)布置及規(guī)劃發(fā)展的不均衡，這幾條地鐵快線線路的敷設(shè)在中心城區(qū)或衛(wèi)星城內(nèi)站間距小（和一般地鐵的站間距接近），但在中心城區(qū)與衛(wèi)星城、兩個衛(wèi)星城之間，線路的站間距較大。 這種由于城市空間結(jié)構(gòu)、城市規(guī)劃形成的線路敷設(shè)方式、站點設(shè)置的特點直接影響到整條線路系統(tǒng)制式、速度目標(biāo)值、車輛選型的選擇，也是設(shè)計中需考慮的一個重要因素。 2.2系統(tǒng)制式的選擇與速度目標(biāo)值、車輛選型與列車編組方案 系統(tǒng)制式的選擇、速度目標(biāo)值得確定、車輛選型與列車編組方案是地鐵快線設(shè)計的重要基礎(chǔ)參數(shù)，對工程建設(shè)、運營有較大影響，合理的確定上述參數(shù)是地鐵快線設(shè)計的首要任務(wù)。 系統(tǒng)制式的選擇一般應(yīng)從客流等級和特征、線路和環(huán)境條件、系統(tǒng)本身的技術(shù)成熟性和先進性、運營的可靠性和成本、以及建設(shè)工期和工程投資等方面進行分析，其決策還受到國家的產(chǎn)業(yè)政策、城市的經(jīng)濟實力、文化傳統(tǒng)和價值取向等因素的影響。 速度目標(biāo)值的選擇與規(guī)劃的出行時間目標(biāo)要求、線路敷設(shè)方式、站間距的大小、線網(wǎng)的資源共享等因素有關(guān)，在設(shè)計過程中，需根據(jù)上述條件進行80km/h、100km/h、120km/h的速度目標(biāo)進行綜合比選，必要時還需進行140km/h的速度目標(biāo)值的比選，最終確定設(shè)計線路的速度目標(biāo)值。 車輛選型主要根據(jù)運營需求（線網(wǎng)服務(wù)標(biāo)準、運輸能力）、出行時間要求、舒適度要求、安全性需求、環(huán)境需求及線網(wǎng)資源共享等綜合考慮。 列車編組方案主要根據(jù)初、近、遠期最大單向斷面預(yù)測客流資料，根據(jù)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15km左右，全程旅行時間均在1小時左右，乘客乘車時間平均超過15分鐘）、考慮乘車的舒適度（按照一定的站立標(biāo)準，適當(dāng)?shù)脑黾幼剩?，按滿足客流預(yù)測的遠期單向高峰小時最大斷面客流量的需求，并留有1015%的富余量的系統(tǒng)能力來進行設(shè)計。 在設(shè)計過程中，需根據(jù)初、近、遠期最大單向斷面預(yù)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(nèi)已建成或正在建設(shè)的地鐵快線采用的車輛分別為120km/h的A型車（上海地鐵16號線、深圳地鐵11號線）、B型車（廣州地鐵3號線、東莞城市快速軌道交通R2線）兩種，供電方式分別為DC1500V接觸軌供電（上海地鐵16號線）和DC1500V架空接觸網(wǎng)供電（廣州地鐵3號線、東莞城市快速軌道交通R2線、深圳地鐵11號線）。 列車編組為：廣州地鐵3號線原設(shè)計為3-3/6-6編組，后來在建成開通后由于客流的急劇增長，于xx年4月底全部改為6輛編組，4車門，縱列式座椅布置，系統(tǒng)最大設(shè)計能力34對/h。上海地鐵16號線設(shè)計為3-3/6-6編組，3車門，橫排式座椅布置，東莞軌道交通R2線設(shè)計為6-6-6編組，3車門，原設(shè)計為縱橫混合式布置，后改為縱列式布置，系統(tǒng)設(shè)計的最大能力為27對/h，并預(yù)留30對/h的條件。 深圳地鐵11號線設(shè)計為：初、近、遠期采用6/8混跑編組（8輛帶兩節(jié)頭等車），系統(tǒng)最大設(shè)計能力24對/h。 從上面的資料可以看出，由于缺乏相應(yīng)的地鐵快線設(shè)計規(guī)范，各條快線的系統(tǒng)最大設(shè)計能力、座椅布置、每平方米的站立標(biāo)準均不同，根據(jù)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(biāo)值比較高（最高運行速度為120km/h）、平均出行距離長（達到了15km左右）、全程旅行時間長（均在1小時左右）、乘客乘車時間平均長（超過15分鐘），建議系統(tǒng)的最大設(shè)計能力按不超過27對/h設(shè)計（地鐵設(shè)計規(guī)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）、每平方米的站立標(biāo)準按5人考慮（地鐵設(shè)計規(guī)范為每平方米56人）。 另外，關(guān)于速度目標(biāo)值，在目前的設(shè)計中，信號ATP的值一般比設(shè)計的最高運行速度低35km/h，ATO的值在ATP的基礎(chǔ)上又下降35km/h，因此最后列車自動駕駛的速度比設(shè)計的最高運行速度低近10km/h，而車輛的構(gòu)造速度比列車最高運行速度高105km/h，整條線路的技術(shù)標(biāo)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(shè)計，這樣就造成了工程的浪費，建議在地鐵快線設(shè)計中，信號ATP的值就按最高運行速度控制，ATO的值根據(jù)與信號供應(yīng)商溝通后做適當(dāng)降低，但降低值以不超過5km/h為宜。 2.3乘客舒適度與空氣動力學(xué) 根據(jù)廣州地鐵3號線運營反饋的信息，當(dāng)列車在長度為6.2公里、內(nèi)徑5.4m的盾構(gòu)隧道番禺廣場站至市橋站區(qū)間運行、列車最高運行速度接近120km/h時，乘客和司機會出現(xiàn)胸悶、耳鳴、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(shè)計時，均開展了隧道空氣動力學(xué)的研究，并在設(shè)計中采取了如下主要措施：地下長大區(qū)間采用大斷面隧道（按隧道阻塞比小于0.4考慮，盾構(gòu)隧道內(nèi)徑6.0m、礦山法隧道的內(nèi)輪廓凈面積不小于28m2）、列車突入洞口處設(shè)帶有減壓孔的緩沖結(jié)構(gòu)（主要在地下線與地面線的過渡的明挖段設(shè)置）、提高列車氣密性指數(shù)、采用流線型車頭。 目前這些措施已經(jīng)在工程的設(shè)計和建設(shè)中被采用，待xx年初這兩條線路建成通車后的實測進一步進行驗證。 2.4土建工程設(shè)計 由于土建工程按100年的使用壽命進行設(shè)計，且一經(jīng)實施后，若遠期客流增加較多，車站規(guī)模不夠，要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(fēng)險極大，為避免出現(xiàn)上述現(xiàn)象，在設(shè)計中需結(jié)合遠期最大單向斷面預(yù)測客流資料，并對遠期客流的抗風(fēng)險能力進行分析，結(jié)合城市的整體規(guī)劃和經(jīng)濟發(fā)展，按具備包容高水平客流狀態(tài)的能力來進行綜合設(shè)計。 設(shè)計過程中，建議車站規(guī)模可以按遠期車輛編組的有效站臺長度進行設(shè)計并一次建成，在運營的初、近期，可根據(jù)客流資料和設(shè)計的列車編組來設(shè)計站臺上屏蔽門或安全門開啟的范圍，當(dāng)客流上升接近設(shè)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(tǒng)等，以達到設(shè)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120m的長度和遠期8輛編組A型車186m的長度一次建成的。 2.5牽引供電制式 目前，城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)有兩種電壓等級可供選擇，即DC750V和DC1500V；列車授流方式按安裝位置的不同也有兩種可供選擇，即接觸軌授流方式和架空接觸網(wǎng)授流方式。 從城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)的發(fā)展歷史來看，兩種授流方式在不同時期、不同城市、不同線路條件下，都得到了廣泛應(yīng)用。 地鐵快線設(shè)計中高架橋梁結(jié)構(gòu)占有比較大的比例，在高架橋梁上，若采用架空接觸網(wǎng)供電，對城市的景觀有一定影響，建議選用接觸軌供電的方式，以減少對城市景觀的影響，利于城市的長遠發(fā)展和高架結(jié)構(gòu)的可持續(xù)發(fā)展。 3建議與結(jié)論 3.1建議 由于我國暫時還沒有最高運行速度為100120km/h的地鐵快線設(shè)計規(guī)范，在目前的地鐵快線設(shè)計過程中，一般采用的方法為：先參照地鐵設(shè)計規(guī)范（GB50157-xx）和城市軌道交通工程項目建設(shè)標(biāo)準（建標(biāo)104-xx）、城市軌道交通技術(shù)規(guī)范（GB50490-xx）等進行技術(shù)標(biāo)準的初步擬定，然后結(jié)合最高運行速度為100120km/h的特征開展專題研究及專家論證確定技術(shù)標(biāo)準，在這個過程中，由于受到技術(shù)水平和認識的限制，難免有些缺憾，建議加快地鐵快線設(shè)計規(guī)范的出臺，以指導(dǎo)工程的設(shè)計和建設(shè)。 3.2結(jié)論 地鐵快線主要為連接中心城區(qū)與衛(wèi)星城、兩個衛(wèi)星城之間的城市地鐵線路，線路的站間距較大，選擇120km/h的速度目標(biāo)值可達到技術(shù)、經(jīng)濟和社會效果為最佳； 考慮到地鐵快線的速度目標(biāo)值比較高、平均出行距離長、全程旅行時間長、乘客乘車時間平均長，地鐵快線的系統(tǒng)最大設(shè)計能力按不超過27對/h設(shè)計、座椅按縱橫式混合布置、每平方米的站立標(biāo)準按5人考慮； 為了充分發(fā)揮地鐵快線的綜合效益，在設(shè)計中，信號ATP的值按最高運行速度控制，ATO的值根據(jù)與信號供應(yīng)商溝通后做適當(dāng)降低，但降低值以不超過5km/h為宜； 為了提高乘客的舒適度，對于地下長大區(qū)間采用大斷面隧道（按隧道阻塞比小于0.4考慮，盾構(gòu)隧道內(nèi)徑6.0m、礦山法隧道的內(nèi)輪廓凈面積不小于28m2）、列車突入洞口處設(shè)帶有減壓孔的緩沖結(jié)構(gòu)（主要在地下線與地面線的過渡的明挖段設(shè)置）、提高列車氣密性指數(shù)、采用流線型車頭。目前東莞城市快速