城市軌道交通車站端部線路平面最小曲線半徑標(biāo)準(zhǔn)值的研究*

饒雪平 顧保南

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

在城市軌道交通中,線路平面最小曲線半徑,特別是車站兩端的最小曲線半徑大小,對換乘樞紐車站布局有較大的影響。半徑越小,可供選擇的線位會越靈活,換乘樞紐的布局越趨合理,在穿越城市時對地塊的切割影響也更小。但是采用小半徑曲線時也會帶來更多的限速,更多的運營維護(hù)費用。目前,對于軌道交通最小曲線半徑標(biāo)準(zhǔn)選擇國內(nèi)已有較多的研究。本文結(jié)合“八六三”計劃課題“大城市快捷公交客運交通系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)”中關(guān)于“軌道交通線路平面設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)對樞紐布局方案的影響”的研究,提出了在困難條件下地鐵線路(特別是在車站端部)的最小平面曲線半徑標(biāo)準(zhǔn)值。

1 理論分析

線路平面最小曲線半徑是城市軌道交通線路設(shè)計的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)之一,對軌道交通線路的造價、旅客舒適度、運營時間和養(yǎng)護(hù)維修量等有很大的影響。平曲線半徑過小,不能滿足高速列車行車舒適性的要求,增加軌道維護(hù)和施工成本;平曲線半徑過大,又會大大增加動拆遷工程量及費用。特別是車站兩端最小曲線半徑的取值,更加會影響到換乘時間和換乘費用。

1.1 對工程造價的影響

較小的曲線半徑,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,其深樁基對軌道交通選線形成很大的約束。此外,一些需要保護(hù)的古建筑、古樹、防汛墻樁基、大型污水管等也在一定程度上影響線路走向的選擇。如果遇到高層建筑群,一處曲線分別采用大、小半徑而引起的拆遷工程費差異可達(dá)數(shù)千萬元甚至上億元。

如圖1所示,線路在交叉口轉(zhuǎn)角處遇到高層建筑,但必須從此經(jīng)過。該小區(qū)容積率為3.0。橫向道路建筑紅線寬80 m,縱向道路建筑紅線寬60 m。暫按單線通過此交叉口。當(dāng)平面曲線半徑為250 m(圖1實線)時,地鐵線路侵入建筑區(qū)的范圍大約3 000 m2;當(dāng)平面曲線半徑為350 m(圖1虛線)時,地鐵線路侵入建筑區(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。如果要動拆遷這些建筑,兩者的建筑動拆遷成本差異高達(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)計算,則兩者的建筑重建費用相差約6 000萬元。

圖1 不同半徑的單線在交叉口轉(zhuǎn)彎侵入建筑區(qū)的范圍

1.2 對旅客舒適度的影響

1.3 對運營時間的影響

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

實際列車運行中,因停站需要,列車在車站端部必須減速運行(如圖2)。一般,地鐵列車運行最大速度為80 km/h,列車進(jìn)(出)站制動減(加)速度約為1 m/s2。按此計算,列車在站外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,對列車正常運行幾乎無影響。若小半徑曲線涉及到該減速段之外,則可要求列車在此段減速運行,對司機(jī)操作影響很小(人工操作時按提前進(jìn)站模式執(zhí)行),而且對行程時間的影響也很小。每100 m段采用60 km/h與80 km/h速度運行的時間差僅為1.5 s。

圖2 列車在區(qū)間運行的速度-距離曲線示意圖

1.4 對養(yǎng)護(hù)維修費的影響

小半徑曲線對運營費的影響主要體現(xiàn)在鋼軌更換費用(含材料及更換作業(yè)費)上。曲線半徑越小,鋼軌磨耗越嚴(yán)重,鋼軌更換周期越短(如圖3所示)。

圖3 我國鐵路鋼軌磨耗與曲線半徑的關(guān)系曲線

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

PD3鋼軌每根(25 m)的材料及焊接費約為6 500元。假設(shè)一處曲線段長度平均取500 m,則200 m半徑曲線比400 m半徑曲線在設(shè)計年度(25年)內(nèi)增加的換軌費用為162.5萬元?？紤]到隧道內(nèi)換軌條件比較差,施工費用會適當(dāng)增加,但每處小半徑曲線段在25年中增加的換軌費用不會超過300萬元。

2 實例

為了更直觀地說明平面最小曲線半徑對換乘樞紐的影響程度,本文以上海市軌道交通7號線常熟路站為例,探討曲線半徑標(biāo)準(zhǔn)對軌道交通車站布局的影響。

2.1 項目背景

常熟路站是上海軌道交通1號線、7號線和10號線之間的換乘樞紐站。1號線常熟路站線路走向為衡山路—烏魯木齊南路—淮海中路,車站設(shè)在淮海中路、華亭路口,沿淮海中路布置;10號線常熟路站的線路走向為復(fù)興中路—斜穿地塊至淮海中路東側(cè),車站站位與1號線常熟路站平行;7號線線路穿過延安中路后,斜穿巨鹿路兩側(cè)地塊后至常熟路,下穿1號線區(qū)間后再拐至烏魯木齊路,車站設(shè)在常熟路上。如圖4所示。

圖4 7號線常熟路站方案

2.2 方案研究

考慮車站兩端最小曲線半徑R分別取200 m、250 m、300 m、350 m,7號線常熟路站還有另外4種站位方案。

2.2.1 最小曲線半徑為200 m方案

7號線線路穿過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號線,在淮海路東側(cè)與1號線平行設(shè)站。車站為地下三層。在車站處10號線線位與7號線重疊。10號線線路位于上方,車站為地下二層,與1號線車站等高。線路方案詳見圖5。

圖5 最小曲線半徑為200 m的常熟路站樞紐方案

2.2.2 最小曲線半徑為250 m方案

與R=200 m方案相比,此方案因為曲線半徑采用250 m,車站需要向東側(cè)偏移,與1號線車站之間的距離變大。在車站處10號線線位與7號線重疊。10號線線路位于上方,車站為地下二層,與1號線車站等高。線路方案詳見圖6。

圖6 最小曲線半徑為250 m的常熟路站樞紐方案

2.2.3 最小曲線半徑為300 m方案

此方案由于曲線半徑采用300 m,7號線車站無法做到與1號線車站平行,10號線車站位于兩者之間。線路方案詳見圖7。

圖7 最小曲線半徑為300 m的常熟路站樞紐方案

2.2.4 最小曲線半徑為350 m方案

曲線半徑采用350 m,7號線車站與1號線車站夾角變大,10號線車站位于兩者之間。線路方案詳見圖8。

圖8 最小曲線半徑為350 m的常熟路站樞紐方案

2.3 方案比較

上述各種最小曲線半徑的線路及車站樞紐方案中,其車站布置、換乘距離、最小曲線半徑長度、車站端的最大速度及車站動拆遷量均不相同。在各方案的車站規(guī)模均相同的情況下(即1號線為地下2層車站,7號線為地下3層車站,10號線為地下2層車 站)各方案的主要特征見表1,主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)見表2。

表1 常熟路站各方案的主要特點

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)費用也基本相同。這樣,只需要對換乘時間、換軌及動拆遷等三項構(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。由此可見小半徑曲線對樞紐布局優(yōu)化的重要意義。

3 結(jié)論

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

(2)在大城市中心區(qū),降低最小平面曲線半徑標(biāo)準(zhǔn)對動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拆遷工程量,有時可節(jié)省動拆遷費用數(shù)億元。

(3)地鐵車站端部300 m附近區(qū)域最小平面曲線半徑標(biāo)準(zhǔn)值由250～300 m減小到200～250 m對運營時間的影響很小。

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

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

[2] 國家建設(shè)部,國家計劃發(fā)展委員會.城市快速軌道交通工程項目建設(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半徑標(biāo)準(zhǔn)的選擇[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報：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)狀的分析與對策[J].城市軌道交通研究,2003(4)：36.

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