饒雪平 顧保南

(1.上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究院,200125,上海;2.同濟(jì)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院,200092,上?！蔚谝蛔髡?工程師)

在城市軌道交通中,線(xiàn)路平面最小曲線(xiàn)半徑,特別是車(chē)站兩端的最小曲線(xiàn)半徑大小,對(duì)換乘樞紐車(chē)站布局有較大的影響。半徑越小,可供選擇的線(xiàn)位會(huì)越靈活,換乘樞紐的布局越趨合理,在穿越城市時(shí)對(duì)地塊的切割影響也更小。但是采用小半徑曲線(xiàn)時(shí)也會(huì)帶來(lái)更多的限速,更多的運(yùn)營(yíng)維護(hù)費(fèi)用。目前,對(duì)于軌道交通最小曲線(xiàn)半徑標(biāo)準(zhǔn)選擇國(guó)內(nèi)已有較多的研究。本文結(jié)合“八六三”計(jì)劃課題“大城市快捷公交客運(yùn)交通系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)”中關(guān)于“軌道交通線(xiàn)路平面設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)樞紐布局方案的影響”的研究,提出了在困難條件下地鐵線(xiàn)路(特別是在車(chē)站端部)的最小平面曲線(xiàn)半徑標(biāo)準(zhǔn)值。

1 理論分析

線(xiàn)路平面最小曲線(xiàn)半徑是城市軌道交通線(xiàn)路設(shè)計(jì)的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)之一,對(duì)軌道交通線(xiàn)路的造價(jià)、旅客舒適度、運(yùn)營(yíng)時(shí)間和養(yǎng)護(hù)維修量等有很大的影響。平曲線(xiàn)半徑過(guò)小,不能滿(mǎn)足高速列車(chē)行車(chē)舒適性的要求,增加軌道維護(hù)和施工成本;平曲線(xiàn)半徑過(guò)大,又會(huì)大大增加動(dòng)拆遷工程量及費(fèi)用。特別是車(chē)站兩端最小曲線(xiàn)半徑的取值,更加會(huì)影響到換乘時(shí)間和換乘費(fèi)用。

1.1 對(duì)工程造價(jià)的影響

較小的曲線(xiàn)半徑,能夠較好地適應(yīng)地形、地物、地質(zhì)等條件的約束。在上海、北京等大城市,隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,高層建筑、高架橋等設(shè)施大量興建,其深樁基對(duì)軌道交通選線(xiàn)形成很大的約束。此外,一些需要保護(hù)的古建筑、古樹(shù)、防汛墻樁基、大型污水管等也在一定程度上影響線(xiàn)路走向的選擇。如果遇到高層建筑群,一處曲線(xiàn)分別采用大、小半徑而引起的拆遷工程費(fèi)差異可達(dá)數(shù)千萬(wàn)元甚至上億元。

如圖1所示,線(xiàn)路在交叉口轉(zhuǎn)角處遇到高層建筑,但必須從此經(jīng)過(guò)。該小區(qū)容積率為3.0。橫向道路建筑紅線(xiàn)寬80 m,縱向道路建筑紅線(xiàn)寬60 m。暫按單線(xiàn)通過(guò)此交叉口。當(dāng)平面曲線(xiàn)半徑為250 m(圖1實(shí)線(xiàn))時(shí),地鐵線(xiàn)路侵入建筑區(qū)的范圍大約3 000 m2;當(dāng)平面曲線(xiàn)半徑為350 m(圖1虛線(xiàn))時(shí),地鐵線(xiàn)路侵入建筑區(qū)的范圍大約 12 000 m2。由圖1可知,最小平面曲線(xiàn)半徑分別為250 m、350 m的方案受影響地塊面積相差約 9 000 m2,受影響建筑面積達(dá)27 000 m2。如果要?jiǎng)硬疬w這些建筑,兩者的建筑動(dòng)拆遷成本差異高達(dá)數(shù)億元(與所在城市及地段有關(guān))。當(dāng)然,這些地塊還有很大的重建價(jià)值。如果拆遷后考慮重建,重建成本按 2 500元/m2(建筑面積,含裝修成本)計(jì)算,則兩者的建筑重建費(fèi)用相差約6 000萬(wàn)元。

圖1 不同半徑的單線(xiàn)在交叉口轉(zhuǎn)彎侵入建筑區(qū)的范圍

1.2 對(duì)旅客舒適度的影響

1.3 對(duì)運(yùn)營(yíng)時(shí)間的影響

小半徑曲線(xiàn)的主要不利之處是限制行車(chē)速度。半徑為R的曲線(xiàn),其列車(chē)限速約為4.3 R。曲線(xiàn)半徑為300 m時(shí),列車(chē)行駛速度不應(yīng)超過(guò)74 km/h;半徑為200 m時(shí),列車(chē)行駛速度不應(yīng)超過(guò)60 km/h。

實(shí)際列車(chē)運(yùn)行中,因停站需要,列車(chē)在車(chē)站端部必須減速運(yùn)行(如圖2)。一般,地鐵列車(chē)運(yùn)行最大速度為80 km/h,列車(chē)進(jìn)(出)站制動(dòng)減(加)速度約為1 m/s2。按此計(jì)算,列車(chē)在站外140 m處即需減速至60 km/h以下。在凸型縱斷面的進(jìn)站端,減速段距離將延伸至站外200～300 m。如在這里設(shè)置半徑200 m的曲線(xiàn),對(duì)列車(chē)正常運(yùn)行幾乎無(wú)影響。若小半徑曲線(xiàn)涉及到該減速段之外,則可要求列車(chē)在此段減速運(yùn)行,對(duì)司機(jī)操作影響很小(人工操作時(shí)按提前進(jìn)站模式執(zhí)行),而且對(duì)行程時(shí)間的影響也很小。每100 m段采用60 km/h與80 km/h速度運(yùn)行的時(shí)間差僅為1.5 s。

圖2 列車(chē)在區(qū)間運(yùn)行的速度-距離曲線(xiàn)示意圖

1.4 對(duì)養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)的影響

小半徑曲線(xiàn)對(duì)運(yùn)營(yíng)費(fèi)的影響主要體現(xiàn)在鋼軌更換費(fèi)用(含材料及更換作業(yè)費(fèi))上。曲線(xiàn)半徑越小,鋼軌磨耗越嚴(yán)重,鋼軌更換周期越短(如圖3所示)。

圖3 我國(guó)鐵路鋼軌磨耗與曲線(xiàn)半徑的關(guān)系曲線(xiàn)

一般200 m半徑曲線(xiàn)的換軌周期大約比400 m半徑曲線(xiàn)的換軌周期縮短40%。

PD3鋼軌每根(25 m)的材料及焊接費(fèi)約為6 500元。假設(shè)一處曲線(xiàn)段長(zhǎng)度平均取500 m,則200 m半徑曲線(xiàn)比400 m半徑曲線(xiàn)在設(shè)計(jì)年度(25年)內(nèi)增加的換軌費(fèi)用為162.5萬(wàn)元?？紤]到隧道內(nèi)換軌條件比較差,施工費(fèi)用會(huì)適當(dāng)增加,但每處小半徑曲線(xiàn)段在25年中增加的換軌費(fèi)用不會(huì)超過(guò)300萬(wàn)元。

2 實(shí)例

為了更直觀地說(shuō)明平面最小曲線(xiàn)半徑對(duì)換乘樞紐的影響程度,本文以上海市軌道交通7號(hào)線(xiàn)常熟路站為例,探討曲線(xiàn)半徑標(biāo)準(zhǔn)對(duì)軌道交通車(chē)站布局的影響。

2.1 項(xiàng)目背景

常熟路站是上海軌道交通1號(hào)線(xiàn)、7號(hào)線(xiàn)和10號(hào)線(xiàn)之間的換乘樞紐站。1號(hào)線(xiàn)常熟路站線(xiàn)路走向?yàn)楹馍铰贰獮豸斈君R南路—淮海中路,車(chē)站設(shè)在淮海中路、華亭路口,沿淮海中路布置;10號(hào)線(xiàn)常熟路站的線(xiàn)路走向?yàn)閺?fù)興中路—斜穿地塊至淮海中路東側(cè),車(chē)站站位與1號(hào)線(xiàn)常熟路站平行;7號(hào)線(xiàn)線(xiàn)路穿過(guò)延安中路后,斜穿巨鹿路兩側(cè)地塊后至常熟路,下穿1號(hào)線(xiàn)區(qū)間后再拐至烏魯木齊路,車(chē)站設(shè)在常熟路上。如圖4所示。

圖4 7號(hào)線(xiàn)常熟路站方案

2.2 方案研究

考慮車(chē)站兩端最小曲線(xiàn)半徑R分別取200 m、250 m、300 m、350 m,7號(hào)線(xiàn)常熟路站還有另外4種站位方案。

2.2.1 最小曲線(xiàn)半徑為200 m方案

7號(hào)線(xiàn)線(xiàn)路穿過(guò)延安中路沿富民路前行,以R=200 m穿延慶路與淮海路間街坊,下穿已建成的1號(hào)線(xiàn),在淮海路東側(cè)與1號(hào)線(xiàn)平行設(shè)站。車(chē)站為地下三層。在車(chē)站處10號(hào)線(xiàn)線(xiàn)位與7號(hào)線(xiàn)重疊。10號(hào)線(xiàn)線(xiàn)路位于上方,車(chē)站為地下二層,與1號(hào)線(xiàn)車(chē)站等高。線(xiàn)路方案詳見(jiàn)圖5。

圖5 最小曲線(xiàn)半徑為200 m的常熟路站樞紐方案

2.2.2 最小曲線(xiàn)半徑為250 m方案

與R=200 m方案相比,此方案因?yàn)榍€(xiàn)半徑采用250 m,車(chē)站需要向東側(cè)偏移,與1號(hào)線(xiàn)車(chē)站之間的距離變大。在車(chē)站處10號(hào)線(xiàn)線(xiàn)位與7號(hào)線(xiàn)重疊。10號(hào)線(xiàn)線(xiàn)路位于上方,車(chē)站為地下二層,與1號(hào)線(xiàn)車(chē)站等高。線(xiàn)路方案詳見(jiàn)圖6。

圖6 最小曲線(xiàn)半徑為250 m的常熟路站樞紐方案

2.2.3 最小曲線(xiàn)半徑為300 m方案

此方案由于曲線(xiàn)半徑采用300 m,7號(hào)線(xiàn)車(chē)站無(wú)法做到與1號(hào)線(xiàn)車(chē)站平行,10號(hào)線(xiàn)車(chē)站位于兩者之間。線(xiàn)路方案詳見(jiàn)圖7。

圖7 最小曲線(xiàn)半徑為300 m的常熟路站樞紐方案

2.2.4 最小曲線(xiàn)半徑為350 m方案

曲線(xiàn)半徑采用350 m,7號(hào)線(xiàn)車(chē)站與1號(hào)線(xiàn)車(chē)站夾角變大,10號(hào)線(xiàn)車(chē)站位于兩者之間。線(xiàn)路方案詳見(jiàn)圖8。

圖8 最小曲線(xiàn)半徑為350 m的常熟路站樞紐方案

2.3 方案比較

上述各種最小曲線(xiàn)半徑的線(xiàn)路及車(chē)站樞紐方案中,其車(chē)站布置、換乘距離、最小曲線(xiàn)半徑長(zhǎng)度、車(chē)站端的最大速度及車(chē)站動(dòng)拆遷量均不相同。在各方案的車(chē)站規(guī)模均相同的情況下(即1號(hào)線(xiàn)為地下2層車(chē)站,7號(hào)線(xiàn)為地下3層車(chē)站,10號(hào)線(xiàn)為地下2層車(chē) 站)各方案的主要特征見(jiàn)表1,主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)見(jiàn)表2。

表1 常熟路站各方案的主要特點(diǎn)

表2 常熟路站各方案的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

由于常熟路站各方案的規(guī)模相同,因此其建設(shè)費(fèi)用也基本相同。這樣,只需要對(duì)換乘時(shí)間、換軌及動(dòng)拆遷等三項(xiàng)構(gòu)成的總成本進(jìn)行比較后即可知：200 m半徑的方案總成本最低;半徑越大,樞紐總成本越高。上述各方案中,總成本的最大差異達(dá)到9.4億元。由此可見(jiàn)小半徑曲線(xiàn)對(duì)樞紐布局優(yōu)化的重要意義。

3 結(jié)論

(1)在大城市中心區(qū),降低最小平面曲線(xiàn)半徑標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于改善換乘樞紐布局方案具有重要作用,其節(jié)省的換乘時(shí)間效益是巨大的,有些換乘樞紐的布局改善方案的長(zhǎng)期社會(huì)效益可達(dá)數(shù)億元。

(2)在大城市中心區(qū),降低最小平面曲線(xiàn)半徑標(biāo)準(zhǔn)對(duì)動(dòng)拆遷工程量的影響與樞紐附近的具體情況有關(guān),一般情況下都可以減少動(dòng)拆遷工程量,有時(shí)可節(jié)省動(dòng)拆遷費(fèi)用數(shù)億元。

(3)地鐵車(chē)站端部300 m附近區(qū)域最小平面曲線(xiàn)半徑標(biāo)準(zhǔn)值由250～300 m減小到200～250 m對(duì)運(yùn)營(yíng)時(shí)間的影響很小。

因此建議：在困難條件下,地鐵線(xiàn)路最小平面曲線(xiàn)半徑標(biāo)準(zhǔn)值可由 250～300 m減小到200～250 m。

[1] GB 50157—2003 地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] 國(guó)家建設(shè)部,國(guó)家計(jì)劃發(fā)展委員會(huì).城市快速軌道交通工程項(xiàng)目建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)(試行本)[S].北京：1999.

[3] 顧保南,姜曉明.論城市軌道交通最小曲線(xiàn)半徑標(biāo)準(zhǔn)的選擇[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2003,31(4)：428.

[4] 姜曉明,荊新軒,顧保南,等.上海市軌道交通換乘現(xiàn)狀的分析與對(duì)策[J].城市軌道交通研究,2003(4)：36.

[5] 王午生.鐵道線(xiàn)路工程[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社,1999.