現(xiàn)代有軌電車主要線路技術(shù)條件

王風(fēng)云

(北京市軌道交通設(shè)計研究院有限公司　北京　100089)

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現(xiàn)代有軌電車主要線路技術(shù)條件

王風(fēng)云

(北京市軌道交通設(shè)計研究院有限公司北京100089)

對現(xiàn)代有軌電車、傳統(tǒng)有軌電車以及輕軌的區(qū)別進行分析，給出現(xiàn)代有軌電車的定義。結(jié)合國內(nèi)外現(xiàn)代有軌電車線路技術(shù)條件的現(xiàn)狀，對現(xiàn)代有軌電車的主要線路平面技術(shù)條件(如最小曲線半徑、車站間距、曲線車站最小曲線半徑等)以及主要線路縱斷面技術(shù)條件(如最大坡度、豎曲線、最短坡段長度等)進行研究。提出現(xiàn)代有軌電車的各項主要線路技術(shù)條件的具體取值或者計算方法。

現(xiàn)代有軌電車；傳統(tǒng)有軌電車；輕軌；線路；技術(shù)條件

1　現(xiàn)代有軌電車概念

1.1與傳統(tǒng)有軌電車的區(qū)別

現(xiàn)代有軌電車是在傳統(tǒng)有軌電車的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型軌道交通模式，與傳統(tǒng)有軌電車相比，現(xiàn)代有軌電車具有以下特點。

1) 采用了新型的車輛。相比傳統(tǒng)有軌電車，現(xiàn)代有軌電車采用了模塊化、低地板、鉸接的現(xiàn)代化車輛，增加了運量,提高了速度及乘車舒適性。

2) 擁有更高的路權(quán)。相比傳統(tǒng)有軌電車，現(xiàn)代有軌電車可以采用獨立或者半獨立路權(quán)，在條件允許的情況下，還可以享受路口優(yōu)先，極大地提高了運行速度和服務(wù)水平。

3) 更好的景觀效果?，F(xiàn)代有軌電車采用流線型設(shè)計、綠化道床及低地板車輛，構(gòu)成了現(xiàn)代都市一道亮麗的風(fēng)景線，其景觀效果要比傳統(tǒng)有軌電車更好。

1.2與輕軌的區(qū)別

在CJJ/T 114—2007《城 市公共交通分類標準》(以下簡稱《標準》)中,將城市軌道交通分為地鐵系統(tǒng)、輕軌系統(tǒng)、單軌系統(tǒng)、有軌電車、磁浮系統(tǒng)、自動導(dǎo)向軌道系統(tǒng)和市域快速軌道系統(tǒng)[1],其中,輕軌系統(tǒng)與有軌電車系統(tǒng)是比較容易混淆的?！稑藴省分袥]有給出兩者的明確定義，只是對兩者的特征進行了描述，如表1所示。

表1　有軌電車及輕軌系統(tǒng)特征

從表1可以看出，相比輕軌系統(tǒng)而言，有軌電車的速度和運量更低，且以地面交通為主。

從國外的情況來看，一些主要的權(quán)威機構(gòu)，如國際公共交通聯(lián)合會(UITP)、美國公共交通協(xié)會(APTA)及歐洲交通運輸部長會議(ECMT)等，都沒有給出現(xiàn)代有軌電車的明確定義，但是基本上都將現(xiàn)代有軌電車視為輕軌的一種形式，APTA甚至認為輕軌就可以叫做有軌電車。

1.3現(xiàn)代有軌電車的定義

現(xiàn)代有軌電車的概念目前沒有統(tǒng)一的規(guī)定，國外大多認為現(xiàn)代有軌電車是輕軌的一種形式，而國內(nèi)通常把輕軌定義得比較高端。因此，為了顯示現(xiàn)代有軌電車與輕軌及傳統(tǒng)有軌電車的區(qū)別，筆者將“現(xiàn)代有軌電車”定義為是一種采用模塊化的現(xiàn)代有軌電車車輛、具有多種路權(quán)方式、與地面交通方式以平交為主的中低運量的城市軌道交通系統(tǒng)。

2　現(xiàn)代有軌電車線路技術(shù)條件現(xiàn)狀

2.1國內(nèi)現(xiàn)狀

目前國內(nèi)已建成并運營現(xiàn)代有軌電車線路的城市有大連、沈陽渾南新區(qū)、蘇州高新區(qū)等。另外，尚有北京、珠海等城市正在規(guī)劃建設(shè)中。

從目前的狀況來看，由于我國的現(xiàn)代有軌電車建設(shè)尚處于起步階段，沒有統(tǒng)一的規(guī)范標準，各地基本上都是各自為戰(zhàn)，設(shè)計標準都各不相同。以蘇州高新區(qū)有軌電車1號線和北京西郊線為例，兩線線路設(shè)計標準存在較大差異，如表2所示[2-3]。

表2　有軌電車線路標準比較

技術(shù)標準的不一致給設(shè)備購置、工程建設(shè)帶來諸多的問題。

2.2國外現(xiàn)狀

在國外尤其是在歐洲，有軌電車歷史比較悠久，現(xiàn)代有軌電車很多是在既有的有軌電車基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，因此其技術(shù)標準往往偏低。例如平面曲線半徑，國內(nèi)一般在100 m或150 m以上，非常困難的條件下才會到30 m，而對于歐洲有軌電車項目，30 m是作為正線正常的最小曲線半徑，在困難情況甚至可以達到15～20 m。

不同的國情和發(fā)展階段決定了我國不能完全套用國外的有軌電車標準，而目前國內(nèi)又沒有完善和統(tǒng)一的規(guī)范標準：因此，有必要對現(xiàn)代有軌電車的技術(shù)標準、技術(shù)條件進行研究，以促進我國現(xiàn)代有軌電車的建設(shè)發(fā)展。

3　線路平面條件

3.1最小曲線半徑

現(xiàn)代有軌電車最小曲線半徑的選取主要受車輛構(gòu)造允許的最小轉(zhuǎn)彎半徑、行車速度以及道路條件影響。

3.1.1車輛構(gòu)造允許的最小曲線半徑

現(xiàn)代有軌電車主流產(chǎn)品都采取了模塊化設(shè)計，集成度較高。目前世界上廣泛使用的現(xiàn)代有軌電車主要有加拿大龐巴迪(Bombardier)公司的FLEXITY系列、法國阿爾斯通(Alstom)公司的Citadis系列以及德國西門子(Siemens)公司的Avenio系列,其性能參數(shù)如表3所示[4]。

表3　目前現(xiàn)代有軌電車主流產(chǎn)品的性能參數(shù)

由表3可以看出，目前主流的現(xiàn)代有軌電車車輛構(gòu)造允許的最小轉(zhuǎn)彎半徑為15～30 m。

3.1.2行車速度允許的最小曲線半徑

1) 計算公式。車輛在通過曲線時將產(chǎn)生一定的離心加速度，為了維持車輛的平衡，需要給車輛提供相應(yīng)的向心加速度。在軌道交通里一般設(shè)置外軌超高，使得車輛的重力加速度產(chǎn)生一個水平分量來平衡車輛的離心加速度，如圖1所示[5]。

圖1　車輛離心和向心加速度

根據(jù)受力平衡分析[6]可以推導(dǎo)出

(1)

式中：Rmin為最小曲線半徑,m;hmax為最大超高,mm;hqy為允許欠超高,mm;v為行車速度,km/h。

可以看出，行車速度v一定時，最小曲線半徑Rmin由最大超高hmax和允許欠超高hqy的取值決定。

2) 參數(shù)取值。當(dāng)超高值過大時，列車在曲線上低速行駛或者臨時停車就會有向內(nèi)傾覆的危險。因此，為了保證行車安全，需要設(shè)定最大超高。根據(jù)我國鐵道科學(xué)院的試驗研究，當(dāng)列車停在實設(shè)超高hmax=200 mm 的曲線上時，部分旅客感到站立不穩(wěn)，行走困難，并有頭暈感覺。因此，建議最大超高hmax不宜超過180 mm[6]。在實際運營中，我國鐵路和地鐵根據(jù)長期運營實踐，分別采用了150 mm和120 mm的最大超高[7-8]?，F(xiàn)代有軌電車由于運行速度較低，且無實際運營經(jīng)驗，建議最大超高與地鐵保持一致，即hmax=120 mm。

當(dāng)列車在以高于設(shè)計速度設(shè)置超高的曲線上行駛時，將會產(chǎn)生未被平衡的離心加速度α，即欠超高hqy。欠超高過大時，對列車通過曲線的安全性、舒適性和軌道橫向穩(wěn)定性都會造成影響，故應(yīng)對欠超高hqy加以限制。根據(jù)國內(nèi)鐵路相關(guān)試驗結(jié)果，未被平衡的離心加速度α、欠超高hqy與乘客舒適度的關(guān)系見表4[7]。

表4　乘客對不同α值或hqy的反應(yīng)

在實際運營中，根據(jù)長期運營實踐，我國鐵路采用的欠超高值一般為70 mm,困難時為90 mm,既有線改造為110 mm,地鐵采用的欠超高值為60 mm[8]。

由式(1)可以看出，在速度v一定的情況下，允許的未被平衡的離心加速度越大，可使用的曲線半徑就越小，線路條件越靈活，但是乘客舒適度就越低。現(xiàn)代有軌電車由于大部分為地面線路，且采用了低地板的新型車輛，舒適程度比較高，相比地鐵可以承受更高的未被平衡的離心加速度。因此，建議適當(dāng)提高現(xiàn)代有軌電車允許的未被平衡的離心加速度值，一般取α=0.5 m/s2(hqy=80 mm)，困難條件下取α=0.7 m/s2(hqy=110 mm)。

3) 計算結(jié)果。將以上參數(shù)取值代入式(1)中計算可得：一般情況下Rmin=0.059v2,困難條件下Rmin=0.051v2;

以設(shè)計時速v=70 km/h計算，一般情況下Rmin=300 m，困難條件下Rmin=250 m;

以設(shè)計時速v=50 km/h計算，一般情況下Rmin=150 m，困難條件下Rmin=130 m。

3.1.3道路條件允許的最小曲線半徑

現(xiàn)代有軌電車的最小曲線半徑還受城市道路條件限制，CJJ37—2012《城市道路工程設(shè)計規(guī)范》對城市道路最小曲線半徑的規(guī)定如表5所示[9]。

表5　城市道路最小曲線半徑

由表5可以看出，城市道路的最小曲線半徑是可以滿足同等速度條件下的現(xiàn)代有軌電車曲線半徑要求的。

此外，在通過十字路口時，過大的曲線半徑會嚴重影響路口的道路交通，并造成大量的拆遷。我國一般的十字形交叉口路緣石的最小半徑為：主干道20～25 m；次干道10～15 m；支路6～9 m。目前主流的現(xiàn)代有軌電車車輛構(gòu)造允許的最小曲線半徑為15～30 m。根據(jù)不同的道路等級和路面寬度，可采取合適的橫斷面布置形式和路口信號控制模式，這種最小轉(zhuǎn)彎半徑可適用于大部分主干道和次干道。因此，在通過十字路口時，最小曲線半徑宜采用車輛構(gòu)造允許的最小曲線半徑，以減少對路口交通的影響、路口改造工程量及拆遷量。

3.1.4結(jié)論

綜上所述，現(xiàn)代有軌電車的最小曲線半徑一般情況下要滿足行車速度的要求，即R≥0.059v2,困難條件下R≥0.051v2。

在特殊困難情況下(如通過十字路口)，可采用現(xiàn)代有軌電車車輛允許的最小轉(zhuǎn)彎半徑作為最小曲線半徑。根據(jù)所采用的車型可選擇15～30 m。

3.2車站間距

現(xiàn)代有軌電車的車站應(yīng)根據(jù)所在位置周圍的環(huán)境條件及城市規(guī)劃部門對車站布局的要求，在主要客流集散點如商業(yè)網(wǎng)點、公交站點、風(fēng)景園林區(qū)出入口等場所，因地制宜進行合理布置。

考慮到交叉口處的道路一般都有增加進口道、加寬交叉口等既有措施，因而無需拓寬或者少拓寬交叉口即可滿足車站的道路用地，同時乘客利用交叉口行人過街設(shè)施即可到達、離開車站。因此，車站應(yīng)盡可能布置于交叉路口附近，以減少道路拓寬，并充分利用交叉口行人過街設(shè)施，方便各方向乘客乘坐。

車站之間的距離選定應(yīng)根據(jù)具體情況確定，站間距太短雖然能方便乘客，但是會降低運營速度，增加乘客旅行時耗，并增大能耗,同時，由于多設(shè)車站也增加了工程投資和運營成本。站間距若太長，會使乘客感到不便，降低對客流的吸引程度?，F(xiàn)代有軌電車的運營速度介于地鐵和公共汽車之間。根據(jù)GB 50157—2003《地鐵設(shè)計規(guī)范》規(guī)定：地鐵車站間距一般在城市中心區(qū)和居民稠密地區(qū)宜為1 km左右，而根據(jù)CJJ 15—87《城市公共交通站、場、廠設(shè)計規(guī)范》規(guī)定：城市公共電、汽車中途站平均站距宜在500～600 m[10]。在采用混行路權(quán)時，現(xiàn)代有軌電車的運營更趨向于公交化，因此可在CJJ 15—87《城市公共交通站、場、廠設(shè)計規(guī)范》要求的基礎(chǔ)上適當(dāng)提高，車站間距宜在500～700 m；而采用專用路權(quán)時，現(xiàn)代有軌電車的運營速度相對較快，應(yīng)適當(dāng)增大站間距，宜在700～1 000 m。

4　線路縱斷面條件

4.1最大坡度

現(xiàn)代有軌電車線路的最大縱坡主要受車輛爬坡性能和城市道路條件影響。

1) 車輛爬坡性能。從表3可以看出目前現(xiàn)代有軌電車主流產(chǎn)品的最大爬坡基本上在50‰～80‰之間。

2) 城市道路條件。我國的城市道路條件根據(jù)CJJ 37—2012《城市道路工程設(shè)計規(guī)范》的要求，城市道路機動車車行道最大縱坡度推薦值與限制值如表6所示[9]。

表6　城市道路最大縱坡度

此外，積雪或冰凍地區(qū)的快速路最大縱坡不應(yīng)大于3.5%，其他等級道路最大縱坡不應(yīng)大于6.0%。

3) 結(jié)論。有軌電車一般以地面線形式敷設(shè)于城市道路上，線路最大縱坡由其所采用的車輛爬坡性能和敷設(shè)的城市道路縱坡決定。從以上分析可以看出，大部分現(xiàn)代有軌電車的車輛最大縱坡在50‰～80‰之間，而我國城市道路的最大縱坡推薦值均在80‰以下:因此，在已建成的城市道路上修建現(xiàn)代有軌電車線路時，可根據(jù)城市道路的實際情況選擇車輛。按照城市道路的既有坡度敷設(shè)線路即可滿足要求，最大坡度不超過80‰；在積雪或冰凍地區(qū)的最大縱坡不超過60‰；在準備新建或者規(guī)劃的城市道路上修建現(xiàn)代有軌電車時，考慮到大部分現(xiàn)代有軌電車的車輛最大縱坡在50‰～80‰，為了能適應(yīng)大多數(shù)車輛的性能，建議最大坡度不超過50‰。

綜上所述，建議現(xiàn)代有軌電車線路最大坡度為50‰，困難條件下不超過60‰，特殊困難條件下，例如既有道路改造代價巨大且車輛性能允許的情況下，可采用不超過80‰的坡度，但需考慮與本城市其他線路車輛類型相配套問題。

4.2豎曲線

4.2.1豎曲線線型

為了緩和變坡點坡度的急劇變化，使車輛通過變坡點時產(chǎn)生的附加加速度不超過允許值，相鄰坡度差大于一定數(shù)值時，應(yīng)該在變坡點處設(shè)置豎曲線。

常用的豎曲線有兩種線型。一種是拋物線型，即用一定坡率的20 m短坡段連接起來的豎曲線；另外一種是圓弧形豎曲線。因圓弧形曲線測設(shè)、養(yǎng)護方便，目前國內(nèi)外鐵路、地鐵均采用了這種豎曲線形式。因此，建議現(xiàn)代有軌電車也采用圓弧形豎曲線。

4.2.2豎曲線半徑

參照GB 50157—2003《地鐵設(shè)計規(guī)范》，車輛通過變坡點時產(chǎn)生的豎向加速度ay、豎曲線半徑Ry與行車速度v的關(guān)系[6]為

(5)

從式(5)可以看出，在速度v一定的情況下，豎向加速度ay越大，可采用的豎曲線半徑就越小，線路條件越靈活，但是乘客的舒適度就越低。

對于豎向加速度ay的取值，GB 50157—2003《地鐵設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定：在正線取值范圍為0.1～0.154 m/s2，困難條件下為0.17～0.26 m/s2。而對于現(xiàn)代有軌電車目前國內(nèi)尚無更多的經(jīng)驗值可借鑒，參照北京西郊線的建設(shè)經(jīng)驗，豎向加速度ay一般情況下取0.154 m/s2，困難情況下取0.24 m/s2，經(jīng)計算可得:當(dāng)v=50 km/h時,Ry≥1 200 m，困難條件下Ry≥800 m；當(dāng)v=70 km/h時,Ry≥2 500 m，困難條件下Ry≥1 600 m。

4.2.3道路條件

現(xiàn)代有軌電車的豎曲線設(shè)置還受城市道路條件限制，CJJ37—2012《城市道路工程設(shè)計規(guī)范》對城市道路最小豎曲線半徑的規(guī)定如表7所示[9]。

表7　城市道路最小豎曲線半徑

由表可以看出，城市道路的最小豎曲線半徑是可以滿足同等速度條件下的現(xiàn)代有軌電車豎曲線半徑要求的。

4.2.4結(jié)論

現(xiàn)代有軌電車在坡度發(fā)生變化處采用圓弧形豎曲線連接相鄰坡段，最小豎曲線半徑Ry可由式(5)計算得出。ay一般情況下取0.154 m/s2，困難情況下取0.24 m/s2。

4.3最短坡段長度

列車通過變坡點時要產(chǎn)生附加力和附加加速度，從行車平穩(wěn)考慮，宜設(shè)計較長的坡段，但是為了適應(yīng)線路高程的變化，坡段長度也不能太長，否則容易發(fā)生較大的工程量，給施工帶來困難。因此，應(yīng)綜合考慮兩者的影響來確定最短坡段長度。

GB 50157—2003《地鐵設(shè)計規(guī)范》指出，為了保證行車平穩(wěn)，線路最小坡段長度應(yīng)不小于遠期列車長度，這樣可以使一列車范圍內(nèi)只有一個變坡點，避免變坡點附加力的疊加和附加力的頻繁變化對行車平穩(wěn)造成的不利影響。

現(xiàn)代有軌電車車輛為模塊化鉸接車輛，單列車輛全長較短，一般不超過40 m，兩列連掛長度一般也不超過70 m:因此，建議現(xiàn)代有軌電車一般情況下，線路最短坡段長度不小于遠期列車長度，可以使整列車范圍內(nèi)只有一個變坡點，避免變坡點附加力的疊加和附加力的頻繁變化，以保證行車的平穩(wěn)。另外,坡段長度還應(yīng)滿足豎曲線既不相互重疊又能相隔一定間距的要求，這樣有利于列車運行和線路維修養(yǎng)護。

5　結(jié)語

現(xiàn)代有軌電車作為一種清潔環(huán)保、快捷舒適的公共交通方式，必將擁有廣泛的應(yīng)用前景。筆者對現(xiàn)代有軌電車主要線路條件進行了分析，為今后進行類似的研究提供了借鑒。

[1] CJJ/T 114—2007 城市公共交通分類標準[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2007.

[2]上海市城市建設(shè)設(shè)計研究院.蘇州高新區(qū)有軌電車1號線工程可行性研究報告[R].蘇州,2011.

[3] 法國SYSTRA(上海)公司.北京現(xiàn)代有軌電車西郊線工程可行性研究重點技術(shù)審查咨詢報告[R].北京，2009.

[4] 北京市基礎(chǔ)設(shè)施投資有限公司.現(xiàn)代有軌電車系統(tǒng)研究與實踐[R].北京,2011.

[5] 易思蓉.鐵路選線設(shè)計[M].成都:西南交通大學(xué)出版社,2005.

[6] GB 50157—2003 地鐵設(shè)計規(guī)范[S].北京: 中國計劃出版社, 2003.

[7] 北京市市政工程設(shè)計研究總院.北京新機場快線軌道系統(tǒng)研究報告[R].北京，2013.

[8] GB 50090—2006鐵路線路設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國計劃出版社，2006.

[9] CJJ 37—2012 城市道路工程設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2012.

[10] CJJ 15—87城市公共交通站、場、廠設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1988.

(編輯：王艷菊)

Technological Conditions of Main Lines of Modern Tram

Wang Fengyun

(Beijing Rail and Transit Design & Research Institute Co., Ltd., Beijing 100089)

This paper analyzes the differences among modern tram, traditional tram and light rail and puts forward the definition of modern tram. By reviewing the present conditions of technology adopted by main lines of domestic and foreign modern tram, we studied condition of the planar technology, such as minimum radius of curve, station distance, and minimum radius of curve of station, and that of the vertical technology, such as maximum gradient, vertical curve and the shortest slope length in modern tram. Specific value or calculation method of the technological conditions of main lines was put forward.

modern tram; traditional tram; light rail; line; technology conditions

10.3969/j.issn.1672-6073.2015.01.017

2014-01-17

2014-03-05

王風(fēng)云，男，工程師，從事軌道交通線路設(shè)計與研究，18935577@qq.com

U482.1

A

1672-6073(2015)01-0072-05