地鐵車輛段最小曲線半徑研究與分析

劉增民

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司環(huán)境與設(shè)備處,西安　710043)

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地鐵車輛段最小曲線半徑研究與分析

劉增民

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司環(huán)境與設(shè)備處,西安710043)

摘要：我國不同時期地鐵規(guī)范中關(guān)于車輛段最小曲線半徑取值隨著時間推移不斷加大,并逐漸穩(wěn)定。為證實規(guī)范合理可行,在收集國內(nèi)外有關(guān)資料的基礎(chǔ)上,從地鐵車輛段最小曲線半徑出發(fā),剖析最小曲線半徑的影響因素,并以工程實例分析最小曲線半徑選取的標(biāo)準(zhǔn),論述最小曲線半徑對工程實施和運營的影響。建議在現(xiàn)行車輛條件下應(yīng)盡量遵守現(xiàn)行地鐵規(guī)范要求,改善運營條件。同時盡快投入力量研究能適應(yīng)較小曲線半徑的車輛及輪軌。

關(guān)鍵詞：地鐵車輛段；最小曲線半徑；軌道磨耗

截止2013年年末，全國累計有19個城市建成投入運營城軌線路87條，運營里程2 746 km[1]。在城市軌道交通線路設(shè)計中，最小曲線半徑是重要的影響因素之一，在城市土地資源日益緊張的前提下，車輛段作為大宗占地往往選擇較小曲線半徑來減少占地。而目前很多專家對選擇最小曲線半徑有另外一種看法，認(rèn)為最小曲線半徑按現(xiàn)行規(guī)范取值宜大不宜小，其主要出發(fā)點在于改善運營條件，降低運營成本。本文在分析既有營運車輛段相關(guān)資料基礎(chǔ)上，總結(jié)了車輛段最小曲線半徑選擇標(biāo)準(zhǔn)，并從后期維修量、工程可實施性角度對最小曲線半徑標(biāo)準(zhǔn)及其選用進(jìn)行論述。

1現(xiàn)行最小曲線半徑標(biāo)準(zhǔn)

建設(shè)部批準(zhǔn)發(fā)布的《地鐵設(shè)計規(guī)范》、《地鐵限界標(biāo)準(zhǔn)》及《城市軌道交通工程項目建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》[2-7]中關(guān)于車輛段最小曲線半徑規(guī)定分為6個階段，詳見表1。

表1　不同階段車輛段最小曲線半徑　m

比較6個不同階段規(guī)范規(guī)定值，可見標(biāo)準(zhǔn)值更高了，引導(dǎo)設(shè)計者選擇較高的曲線半徑標(biāo)準(zhǔn)。

2既有車輛段內(nèi)最小曲線半徑設(shè)置情況

車輛段內(nèi)設(shè)置曲線的地方主要在咽喉區(qū)岔群、試車線、燈泡線等，分析國內(nèi)外車輛段最小曲線半徑的選擇，對車輛段最小曲線半徑并無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。

1992、1999年地鐵設(shè)計規(guī)范及建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于車輛段最小曲線半徑的標(biāo)準(zhǔn)主要是以北京地鐵1號線的建設(shè)、運營經(jīng)驗和數(shù)據(jù)分析為基礎(chǔ)的，反映了我國20世紀(jì)七八十年代的城市建設(shè)、車輛及鋼軌發(fā)展水平的綜合結(jié)果。20世紀(jì)七八十年代，我國地鐵工程借鑒國外建造經(jīng)驗，選取的曲線半徑較小，車輛段制造水平低，鋼軌材質(zhì)較差，對鋼軌磨耗影響評估不足。隨著經(jīng)濟(jì)技術(shù)水平的不斷提高，如今車輛段最小曲線半徑標(biāo)準(zhǔn)提高，主要因為考慮列車通過曲線帶來的噪聲和磨耗，適當(dāng)提高曲線半徑有助于降低營運成本。

美國、日本、法國等國地鐵車輛段并無統(tǒng)一的最小曲線半徑標(biāo)準(zhǔn)。紐約地鐵最小曲線半徑為107 m，芝加哥和波士頓地鐵為100 m；東京、大阪等城市地鐵最小曲線半徑大部分不足200 m[8]；巴黎地鐵最小曲線半徑僅為75 m。

3車輛段最小曲線半徑影響因素

車輛段最小曲線半徑的確定，是綜合考慮車輛的轉(zhuǎn)向架型式、工程的可實施性，工程與運營的經(jīng)濟(jì)性、環(huán)境影響等各個方面平衡的結(jié)果。主要包括以下幾個方面。

3.1車輛的轉(zhuǎn)向架型式

轉(zhuǎn)向架是地鐵車輛的重要技術(shù)部件，它除了發(fā)揮支承、導(dǎo)向和隔振等重要作用外，還要起傳遞牽引力和制動力的作用，對車輛的運行性能起著決定性的作用。

轉(zhuǎn)向架本身的結(jié)構(gòu)、懸掛參數(shù)等對地鐵車輛系統(tǒng)的輪對橫移量、輪對搖頭角、輪軌橫向力、脫軌系數(shù)、輪重減載率等有很大的影響。也就是說轉(zhuǎn)向架的型式制約著地鐵車輛所能通過的最小曲線半徑。

3.2工程的可實施性

車輛段設(shè)計和施工中，任何小半徑曲線均可實施，一般來說影響最小曲線半徑的因素主要有征地拆遷和接觸網(wǎng)(接觸軌)兩種。

以廣州地鐵5號線魚珠車輛段為例，其庫外軌道最小曲線半徑為65 m，直線段接觸網(wǎng)支柱側(cè)面限界為2 300 mm；曲線段，受線路條件所困，為增大支柱側(cè)面限界，需采用φ250 mm支柱作為門形架中間支柱，經(jīng)過計算該區(qū)域支柱側(cè)面限界最小為2 125 mm即可滿足要求[9]。此外由于曲線半徑太小，原接觸網(wǎng)懸掛方案雖可以保證將接觸線高度調(diào)整至機(jī)車受電弓工作范圍，但卻超過了接觸線設(shè)計高度，這可能導(dǎo)致接觸網(wǎng)和受電弓基礎(chǔ)壓力不夠，在瞬間可能發(fā)生弓網(wǎng)分離(“離線”狀態(tài))，其后果是使列車工作電流時斷時續(xù)，時大時小，運行發(fā)生異常。綜上，最小曲線半徑會影響車輛段接觸網(wǎng)施工難度，并直接影響弓網(wǎng)關(guān)系。

3.3工程和運營的經(jīng)濟(jì)性

較小的曲線半徑，能夠更好地適應(yīng)地形、地質(zhì)等外部條件的約束。隨著城市的快速發(fā)展，車輛段基地周邊可能存在較多建筑物，其對車輛段選址形成較大約束。此外，一些需要保護(hù)的古樹、古跡，大中型市政管、高壓線以及其他特殊類型構(gòu)筑物也在一定程度上影響車輛段的選址，某些情況下，這些因素決定著車輛段選址能否成立。曲線半徑可靈活運用，合理規(guī)避不必要的征地和拆遷，從而達(dá)到節(jié)省工程投資的目的。但是，選擇曲線半徑較小，也意味著增加線路長度、加大維護(hù)保養(yǎng)工作量或者改變鋼軌材質(zhì)而引起投資費用增加。

此外，軌道交通輪軌系統(tǒng)的反復(fù)相互作用引起了輪軌磨耗，輪軌磨耗不僅造成金屬的大量浪費，還增加了線路的養(yǎng)護(hù)維修成本，降低了車輪和軌道的可靠性，尤其是曲線半徑越小，鋼軌的磨耗越嚴(yán)重，鋼軌更換周期越短[1]。

3. 4環(huán)境對曲線半徑的高要求

車輛段內(nèi)由于不載客運行，因此不存在旅客舒適度的要求。但是，地鐵列車在通過小半徑曲線時，車輪相對于鋼軌產(chǎn)生橫向滑動，往往要發(fā)出尖嘯的噪聲。2001年8月22日，德國SIEMENS公司在廣州地鐵1號線對地鐵車輛的振動進(jìn)行檢測，結(jié)果表明，上行線長壽路—陳家祠區(qū)間小半徑曲線垂向振動加速度最大值達(dá)37 m/s2，而無波磨地段垂向振動加速度最大值達(dá)15 m/s2[10]。嚴(yán)重的波磨引起地鐵車輛的劇烈運動，發(fā)出尖嘯的噪聲。

而目前，地鐵車輛段物業(yè)開發(fā)是未來地鐵車輛段建設(shè)的趨勢，列車通過較小曲線半徑往往會加劇車輪與鋼軌的碰撞，從而產(chǎn)生較大的噪聲，影響車輛段物業(yè)開發(fā)的品質(zhì)，甚至車輛段周邊居民正常生活[11]。

4車輛段最小曲線半徑實例分析

西安地鐵2號線線路全長26.8 km，設(shè)21座地下車站，平均站距1.34 km，于2011年9月16日開通。渭河車輛段與綜合基地設(shè)在2號線終點鐵路北客站的東北方向，段址位于西安市北郊的經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)，設(shè)于尚稷路以南，文景路以東，漕運明渠以北的三角地帶。車輛段與控制中心毗鄰設(shè)置，車輛段工藝圍墻內(nèi)用地28 hm2[12]。該車輛段為西北地區(qū)第一個建成運營的車輛段。

4.1車輛段概況介紹

圖1　渭河車輛段平面布置

渭河車輛段設(shè)計初始，為了減小出入段線長度，減小征地拆遷，選址尚稷路以南，文景路以東，漕運明渠以北的三角地帶，如圖1所示。

4.2車輛段最小曲線半徑取值分析

渭河車輛段總共設(shè)置了7種曲線半徑，詳見表2。

渭河車輛段設(shè)計時規(guī)范規(guī)定B型車最小曲線半徑可為110 m，以下針對R=110 m和R=130 m兩種曲線半徑進(jìn)行取值分析。

車輛段內(nèi)唯一1處110 m取值位于停車列檢庫前，主要為了避免彎道進(jìn)入庫前道路甚至庫內(nèi)；半徑取值130 m位于三角換向線。表3分析了不同曲線半徑取值的對比情況。

表2　渭河車輛段曲線半徑設(shè)置情況

表3　不同曲線半徑取值對比情況

4.3車輛段最小曲線半徑工程實施和運營影響分析

4.3.1小曲線半徑導(dǎo)致庫前信號絕緣節(jié)無法對齊

由于渭河車輛段用地限制，站場專業(yè)在進(jìn)行站場平面圖設(shè)計時站場布置較為緊湊，故設(shè)置了曲線半徑小于200 m的小半徑曲線，而根據(jù)軌道專業(yè)設(shè)計規(guī)范要求，曲線半徑小于200 m的曲線處鋼軌軌縫需按錯節(jié)3 m布置，而信號專業(yè)絕緣恰巧又設(shè)置在該處，因此造成了信號絕緣節(jié)無法對齊設(shè)置的現(xiàn)象。后續(xù)變更設(shè)計時將該處的信號絕緣改為膠結(jié)絕緣，同時按錯節(jié)1 m設(shè)置，這樣即可滿足軌道專業(yè)的要求，也可滿足信號要求。通過此項變更設(shè)計，在后續(xù)設(shè)計中，應(yīng)優(yōu)化站場設(shè)計，盡量不設(shè)置小半徑曲線，盡量保證曲線半徑相同。

4.3.2小半徑曲線運營影響分析

車輛段建成運營后，在與西安地鐵運營分公司設(shè)計回訪過程中，運營提出為了更好的管理和使用，相關(guān)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)提高。運營提出渭河車輛段內(nèi)設(shè)置了小曲線半徑110、130 m兩處，曲線半徑過小，已達(dá)到了B型車轉(zhuǎn)向架所能通過的最小曲線半徑，若該線路存在幾何尺寸變化，很有可能導(dǎo)致車輛脫軌掉道，建議后續(xù)新線車輛段設(shè)計時盡量避免過小曲線半徑的出現(xiàn)。此外，上述兩處小半徑曲線處車輛作業(yè)時振動較大，產(chǎn)生的噪聲較大，對緊鄰的地鐵物業(yè)開發(fā)影響較大。為了更好地分析車輛段小曲線半徑設(shè)置造成的不良影響，委托專業(yè)測量公司對上述兩處小半徑曲線軌道磨耗進(jìn)行監(jiān)測。

設(shè)備采用車載激光輪廓磨耗檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)在R=110 m和R=130 m兩處曲線半徑上進(jìn)行試驗。在運營車輛上安裝一定數(shù)量的二維2D激光位移傳感器，由計算機(jī)控制同步測量，激光投向軌面，車輛運行時高精度在線檢測鋼軌磨耗程度。鋼軌磨耗檢測原理示意如圖2所示。

圖2　鋼軌磨耗檢測原理示意

為了有效區(qū)分鋼軌磨耗程度，試驗分別在2012年9月和2013年1月兩個階段對鋼軌磨耗進(jìn)行實時檢測，表4列出了渭河車輛段兩處小半徑曲線處軌道磨耗實測數(shù)據(jù)。

表4　小曲線半徑處鋼軌磨耗實測數(shù)據(jù)

由表4可以分析得出，曲線半徑較小則鋼軌磨耗大，磨耗速度也較快，相應(yīng)的小曲線半徑換軌周期越短，換軌費用較高。

5車輛段最小曲線半徑的合理選擇和建議

要推進(jìn)地鐵車輛段最小曲線半徑的科學(xué)合理選擇，需從觀念、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)各個方面進(jìn)行深入思考。

5.1認(rèn)識規(guī)范的合理性和局限性

對車輛段小曲線半徑進(jìn)行分析研究后，認(rèn)為現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的車輛段最小曲線半徑是合適的，提高標(biāo)準(zhǔn)可有效降低小曲線半徑對運營帶來的影響。與此同時，隨著我國材料科學(xué)及車輛工業(yè)技術(shù)不斷進(jìn)步，鋼軌的耐磨性繼續(xù)提高，輪軌之間的匹配關(guān)系還可以改善，規(guī)范規(guī)定的曲線半徑取值只是針對具備有利條件下采取的，若條件不允許，可進(jìn)行經(jīng)濟(jì)對比分析決定，不能盲目地遵循規(guī)范。

5.2增加規(guī)范中最小曲線半徑的可選范圍

現(xiàn)行規(guī)范對車輛段最小曲線半徑規(guī)定較為嚴(yán)格，給設(shè)計者進(jìn)行局部方案比選留的空間不夠，現(xiàn)代城市軌道交通系統(tǒng)制式越來越多，每種制式對曲線半徑的標(biāo)準(zhǔn)要求差異較大，另一方面，城市與城市之間、線路與線路之間環(huán)境條件差異較大，對于獨立運營的各地鐵車輛段，統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)有利于設(shè)計，同時也減少了方案比選空間。

5.3根據(jù)不同情況優(yōu)化小曲線半徑設(shè)置

在進(jìn)行地鐵車輛段方案設(shè)計時，應(yīng)盡可能使用較大的曲線半徑，以避免或減少在運營過程中出現(xiàn)輪軌磨耗大，噪聲大甚至脫軌現(xiàn)象。對于繁忙位置的小半徑曲線，可采用噴油等加強(qiáng)潤滑方式減少摩擦。但同時應(yīng)根據(jù)不同情況針對性設(shè)計，小半徑曲線盡量設(shè)置在較少作業(yè)的線路，并盡量設(shè)置比較偏僻的位置，后期加強(qiáng)小半徑曲線的維護(hù)和保養(yǎng)，比如建立輪軌潤滑系統(tǒng)、定期鋼軌不對稱打磨、改善轉(zhuǎn)向架性能、加強(qiáng)車輛維修保養(yǎng)、安裝新型護(hù)輪軌、調(diào)整軌道參數(shù)等方式[13]，而作業(yè)比較頻繁的線路應(yīng)設(shè)置較大曲線半徑。

6結(jié)論

隨著我國城市軌道交通的大發(fā)展，地鐵車輛段最小曲線半徑的選擇將會對工程造價、運營經(jīng)濟(jì)性、環(huán)境等產(chǎn)生越來越大的影響，筆者建議：在目前車輛條件下應(yīng)遵守現(xiàn)行地鐵規(guī)范要求，改善運營條件。同時盡快投入力量研究能適應(yīng)較小曲線半徑的車輛以及輪軌。當(dāng)然規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)事關(guān)重大，不能輕易改變，但隨著未來科技技術(shù)水平的不斷提高，標(biāo)準(zhǔn)也有可能隨之降低，希望同行和有關(guān)方面對此問題廣泛深入地進(jìn)行研究和討論。

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The Research and Analysis of Tight Curve Radius at Metro Car Depot LIU Zeng-min

(China Railway First Survey and Design Institute Group Co., Ltd., Xi’an 710043, China)

Abstract：The tight curve radius in metro car depot stipulated in different periods of time keeps expanding and becomes stable gradually. In order to verify the feasibility of the specifications, the influencing factors of the tight curve radius are analyzed based on the data collected from home and abroad, and the impact of the tight curve radius on the construction is discussed based on the analysis of practical tight curve radius selection criteria. It is suggested that the existing subway specifications should be applied under present vehicle conditions, and operating environment improved and research efforts made to new vehicles and rails suitable for small curve.

Key words：Metro car depot; Tight curve radius; Rail wear

中圖分類號：U279

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.05.039

文章編號：1004-2954(2015)05-0167-05

作者簡介：劉增民(1970—)男，高級工程師，1995年畢業(yè)于蘭州鐵道學(xué)院，工學(xué)學(xué)士，E-mail：tyy82365958@126.com。

收稿日期：2014-08-07； 修回日期：2014-08-14