论城市轨道交通最小曲线半径标准的选择

顾保南 姜晓明 程曜彦 叶霞飞

摘要: 我国目前的城市轨道交通线路在选择最小曲线半径标准时有增大的趋势,这对降低城市轨道交通造价、改善换乘设计方案是不利的. 因此在收集国内外有关资料的基础上,较全面系统地分析了曲线半径对工程可实施性、工程费、运营费、换乘设计方案及车辆选型的影响,论述了降低城市轨道交通最小曲线半径标准值的重要性及合理性. 建议在目前车辆条件下可降低车站两端的最小曲线半径标准,同时尽快投入力量积极研究适应较小半径曲线的新型车辆.

关键词: 城市轨道交通; 最小曲线半径; 车辆类型; 钢轨磨耗 　　　　　

近年来,上海、北京等城市的轨道交通正在大规模地建设. 在城市轨道交通线路走向方案设计时,最小曲线半径是重要的影响因素之一. 而目前很多专家对选择最小曲线半径有一种倾向性的看法,就是最小曲线半径按现行规范的取值范围宜大不宜小,这样就导致目前在建的一些轨道交通正线的最小曲线半径在300 m 甚至400 m 以上,其主要理由是改善运营条件,降低运营成本. 笔者认为,不能简单地套用现行规范的曲线半径标准,应该根据具体情况加以综合分析,科学合理地选用最小曲线半径. 本文主要就轨道交通正线的最小曲线半径标准及其选用进行论述.
1 　现行的曲线半径标准
1992 年,国家技术监督局与建设部联合颁布了《地下铁道设计规范》[1 ] ,其中规定地铁线路正线的最小曲线半径:一般情况为300 m , 困难情况250 m[1 ,2 ]. 1999 年,建设部与国家计委批准发布了《城市快速轨道交通工程项目建设标准》,作为评估地铁与轻轨项目可行性研究的重要依据和审查项目初步设计的尺度. 其中按车型分类规定了不同的轨道交通正线最小曲线半径标准:a 型车(宽3. 0 m) 、b 型车(宽2. 8 m) 、c 型车(宽2. 6 m) 分别为300～350 ,250～300 ,50～100 m. 　　比较两项规范规定值,可见1999 年的标准值更高了,引导设计者选择较高的曲线半径标准.
2 　影响最小曲线半径标准的因素
轨道交通正线的最小曲线半径标准的确定,是综合考虑工程的可实施性、工程与运营的经济性、车辆构造要求、安全性等各个方面进行权衡的结果. 主要包括以下几个方面.
2. 1 　工程的可实施性
在地面或高架线路中,任何小半径曲线均可实施. 在地下线路中,明挖、暗挖等施工方法能够适应各种小半径曲线的施工,但对盾构法,目前国内受现有设备的限制,只能实施半径300 m 或以上的曲线. 然而, 日本早已具备实施半径80 m 及其以上的盾构设备并大量运用于东京、大阪的地铁建设中.
2. 2 　曲线半径对工程的影响
较小的曲线半径,能够较好地适应地形、地物、地质等条件的约束. 在上海、北京这样的城市,随着社会经济的快速发展,高层建筑、高架桥等设施大量兴建,其深桩基对轨道交通选线形成很大的约束. 此外,一些需要保护的古建筑、古树、防汛墙桩基、大型污水管等也在一定程度上影响线路走向的选择. 在这样复杂的约束条件下,缩小曲线半径所减少的工程拆迁量将是10 多年前制定地铁规范时的几倍甚至几十倍. 有时,如果遇到高层建筑群,一处曲线采用大、小半径引起的拆迁工程费差异达数千万元甚至上亿元.
2. 3 　曲线半径对换乘站设计方案的影响
当曲线半径大于300 m 时,线路走向调整的余地较小,从而大大限制了设计者所能够提出的可行换乘设计方案数量及质量;而当半径降至200 m 或以下时,交叉线路(尤其是交角小于60°时) 设置平行换乘方式及其他较短换乘路径的换乘方案的可行性将大大提高.
下面以上海虹口体育场换乘站为例讨论曲线半径对换乘方案的影响. 虹口体育场站是待建的上海轨道交通m8 线与已建的轨道交通3 号线换乘站. 原来在建设3 号线时,在高架桥2 层预留了m8 线的空间位置. 当时是按alstom 小车(轴距2. 0 m , 定距12. 6 m , 车辆最大高度3. 802 m , 车辆最大宽度2. 606 m) 进行设计预留的. 按照上海铁路城市轨道交通设计研究院的研究结果,m8 线如果采用210～220 m 的曲线半径(配置40～50 m 的缓和曲线) 就可以进出原来预留的线路位置. 目前m8 线要求按alstom 大车(车辆最大高度3. 8 m , 车辆最大宽度3. 0 m) 设计,由于门架净距为8 m , 因而直线站台区的车辆限界可以满足要求,只是在车站两端引线进出时需采用半径约200 m 的曲线,且两端各有一个桥墩需部分切割掉20 cm , 由此会引发对该桥墩的加强措施,但所需投入很有限. 然而,受现行规范规定,不能采用低于250 m 的半径,使最佳的平行换乘方案不能成立,而采用t 型换乘方案,这样,不仅使得预留的设施不能利用,而且使用功能大大降低,乘客的换乘距离要增加200 m 以上.
2. 4 　曲线半径对运营费的影响
曲线半径越小,钢轨磨耗越严重,钢轨更换周期越短. 根据文献[ 3 ] 得到的铁路曲线钢轨磨耗统计数据分析结果(见图1) ,可以推算出200 m 半径曲线的换轨周期大约比400 m 半径曲线换轨周期缩短40 %.按目前上海地铁1 号线运营情况,400 m 半径曲线上,60 kg·m-1 普通轨(u71mnsi) 更换周期约为5 年,60 kg·m-1 pd3 耐磨轨的更换周期约为10 年. 根据上述条件推断,200 m 半径曲线上采用60 kg·m-1 pd3 耐磨轨的更换周期约为6 图1 　钢轨磨耗h 与曲线半径r 的关系曲线[ 3] 年. pd3 钢轨每根(25 m) 材料及焊接费约为6 500 元,假如fig. 1 　relation bet ween ra il wear and curve radius 200 m 半径曲线与400 m 半径曲线长度均相同,那么,前者比后者在设计年度(25 年) 内每公里增加的换轨费用为173. 3 万元. 考虑到隧道内换轨条件比较差,但施工费用会适当增加,但每公里换轨费用不会超过300 万元.

由于大部分小半径曲线是为了在道路交叉口处转弯,曲线转角多为90°,此时,小半径曲线的曲线长度短于大半径的曲线长度,上述换轨费用还会减少,对小半径曲线有利.
综上所述,小半径曲线运营中增加的换轨费用(以几百万元计) 比起其巨大的建设初期投资节省额(以几千万元甚至亿元计) 而言是微不足道的.
当然,较频繁的换轨在一定程度上会对运营产生一些影响,但这些是可以通过特殊的运输组织及养护维修措施加以克服的. 同时,随着我国材料科学及车辆工业的技术进步,钢轨的耐磨性还可以提高,轮轨之间的匹配关系还可以改善,将来小半径曲线处的钢轨更换周期可以延长. 此外,通过涂油、优化轨道结构部件(如垫板、橡胶垫等) 的刚度匹配,也可以减少小半径曲线处的磨耗程度.

2. 5 　车辆对曲线半径的制约
对于大运量或高运量的轨道交通车辆,其轴距制约了其在一定速度下所能通过的最小曲线半径. 例如,对宽2. 65 m 、轴距2. 2 m 、定距10. 7 m 的alstom 车辆,半径为80 ,200 ,300 m 在外轨超高设为150 mm 时的最大允许通过速度分别为43 ,67 ,80 km·h-1,如不设超高时只有28 ,45 ,55 km·h-1. 轴距越小,在一定曲线半径下允许通过的最大速度越高. 因此,可以通过减小车辆轴距来提高曲线通过速度. 当然还有其它提高曲线通过速度的方式,如在线性电机车辆中采用径向转向架(东京地铁12 号线的线性电机车辆尺寸为:轴距1. 9 m , 定距11. 0 m , 车辆最大长度16. 75 m , 车辆最大高度3. 15 m , 车辆最大宽度2. 5 m) ,最小曲线半径为100 m , 列车最高速度可达70 km·h -1 [4 ]. 在运营中,还可采用在曲线段限速的方式解决曲线半径太小的问题.
2. 6 　旅客舒适度对曲线半径的要求
在曲线地段,由于速度v 而产生了离心加速度,需要通过设置相当于11. 8 v 2/r (其中: v 和r 的单位分别为km·h-1和mm) 的外轨超高进行平衡. 一般情况下允许欠超高为60～75 mm , 困难情况下不超过90 mm. 对于以60 km·h-1行驶在200 m 半径曲线上的列车,如果设置150 mm 的外轨超高,则欠超高为62 mm , 列车上的乘客感觉是舒适的.
3 　最小曲线半径的合理选择
　　要推进轨道交通线最小曲线半径的科学合理选择,需要从思想观点、技术等方面进行深入的思考.
(1) 认识现行规范要求的局限性. 现行规范规定的最小曲线半径标准主要是以北京地铁1 号线的建设、运营经验和数据分析为基础的,反映了我国20 世纪七八十年代的城市建设、车辆及钢轨发展水平的综合结果. 那时的工程拆迁费用小,车辆制造水平低,钢轨材质也较差. 而如今,在大城市中心区,到处高楼林立,选线的约束条件日益苛刻,增大曲线半径引起的工程拆迁费用可能呈指数规律增长;同时车辆、钢轨的制造水平提高很快,各类新型车辆不断涌现,小半径曲线处车辆正常运营所增加的成本也在下降. 因此,现行的最小曲线半径标准应适当降低.
(2) 增加规范中最小曲线半径的可选范围,为设计者进行局部方案比选留有空间. 一方面,日益提高的生活水平及快节奏生活方式,使得人们对轨道交通换乘的便捷性提出更高的要求,而降低曲线半径标准是实现这种便捷性的重要条件;另一方面,现代城市轨道交通系统的制式越来越多,每种制式对曲线半径等标准的要求有很大差异;再一方面,各城市、各条轨道交通线路的环境条件差异很大,对于独立运行的各条轨道交通线路,强求全国、全市统一最小曲线半径意义不大.
实际上,美国、日本、法国等国并无统一的城市轨道交通最小曲线半径标准. 纽约地铁的最小曲线半径为107 m , 芝加哥和波士顿地铁为100 m ; 日本东京、大阪等城市的地铁线路最小曲线半径大部分不足200 m(参见表1[5 ]) ;巴黎地铁的最小曲线半径仅为75 m[6]. 他们采取较为灵活的运营措施,位于区间中部的曲线处实行列车限速,位于车站两端的曲线处列车实际的运行速度本来就不超过限速值,不影响列车正常运营.
(3) 选线设计注重“工车配合”,利用先进的车辆技术减少土木工程费用. 选线是一项综合权衡土木工程、车辆工程等方面技术与经济的系统工程,单纯从土木工程方面去解决问题不仅花费巨额的投资,而且车站换乘功能难以改善;而如果注重改善车辆性能,则可使得轨道交通总的工程运营费用大大降低,同时推动我国车辆工业的技术进步. 考察日本、法国等国的城市轨道交通系统可知,轨道交通车辆有很多类型, 能够有效地适应各种各样的性能要求.

(4) 小半径曲线会限制行车速度,为了尽量提高行车速度,尽量不要交通局东西线把限速的小半径曲线用在区间中间部位.
(5) 小半径曲线尽量放在靠近车站端交通日比谷线2. 790 126. 0 28. 3 70 部的地方. 由于地铁车站一般位于凸形纵营团东西线　2. 870 200. 0 38. 5 75 千代田线2. 865 143. 8 31. 5 55 断面的顶部,根据列车牵引计算的v -s 有乐町线2. 865 150. 0 30. 0 75
半藏门线2. 835 200. 2 36. 9 75 (速度-距离) 曲线图可知,进站列车受上浅草线　2. 800 161. 0 31. 8 70 坡及进站减速的影响其实际运行速度已经东京都三田线　2. 800 162. 0 31. 4 70

4 　结语
随着城市向高密度方向发展,城市轨道交通的最小曲线半径标准将会对工程造价、换乘设计方案等方面产生越来越大的影响. 笔者建议:在目前车辆条件下可降低车站两端的最小曲线半径标准,同时尽快投入力量积极研究适应较小半径曲线的新型车辆,以降低轨道交通土建成本,并为改善换乘设计方案提供更有利的条件. 当然,标准问题是重大问题,不可能轻易改变. 笔者希望同行和有关方面对此问题加以重视, 广泛深入地进行研究和讨论,以促进我国轨道交通事业的健康发展.

参考文献:
[1] 　gb 50157 -92 , 地下铁道设计规范[s].
[2] 　建标[1999]81 号,建设部城市快速轨道交通工程项目建设标准(试行本) [s].
[3] 　王午生. 铁道线路工程[ m]. 上海:上海科学技术出版社,1999.
[4] 　张志荣. 都市捷运发展与应用[m]. 台北:台湾建筑情报杂志社,1994.
[5] 　赵惠祥,谭复兴,叶霞飞. 城市轨道交通土建工程[m]. 北京:中国铁道出版社,2000.