時(shí)速140 km地鐵線路主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)探討

王彥琛

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京　100055)

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時(shí)速140 km地鐵線路主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)探討

王彥琛

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京100055)

摘要：國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)時(shí)速超過(guò)100 km的地鐵線路暫無(wú)相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)分析對(duì)比國(guó)內(nèi)主要鐵路及地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范在線路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)方面的差異，借鑒國(guó)內(nèi)建成線的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，以速度目標(biāo)值140 km/h的地鐵線路為例，選取合理的最大超高值、允許欠超高值、超高時(shí)變率、欠超高時(shí)變率及超高順坡率，計(jì)算出不同曲線半徑對(duì)應(yīng)的緩和曲線長(zhǎng)度值，并參考地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范計(jì)算出站端及區(qū)間豎曲線半徑值。最后總結(jié)得出時(shí)速140 km地鐵系統(tǒng)線路主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：地鐵；線路；設(shè)計(jì)規(guī)范；技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快，城市中心區(qū)人口越來(lái)越密集，現(xiàn)有主城區(qū)資源已然難以承受城市快速擴(kuò)張引起的負(fù)荷[1]。因此，連接城市中心與周邊城鎮(zhèn)的市域軌道交通線的建設(shè)已成為各大城市調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、合理分配資源的重要手段。

目前，國(guó)內(nèi)市域軌道交通線路主要以機(jī)場(chǎng)線為主，最高設(shè)計(jì)速度為120～160 km/h。廣州地鐵3號(hào)線是國(guó)內(nèi)第一條最高行車速度達(dá)到120 km/h的軌道交通線路[2]，上海地鐵9號(hào)線一期工程、16號(hào)線最高設(shè)計(jì)速度也為120 km/h并已投入運(yùn)營(yíng)。成都地鐵18號(hào)線最高設(shè)計(jì)速度為140 km/h，北京新機(jī)場(chǎng)線最高設(shè)計(jì)速度為160 km/h，兩線已經(jīng)進(jìn)入設(shè)計(jì)階段。其他國(guó)家和地區(qū)已運(yùn)營(yíng)的線路中，香港機(jī)場(chǎng)快軌最高運(yùn)營(yíng)速度為135 km/h，巴黎RER五條線最高設(shè)計(jì)速度為100～140 km/h[3]。

國(guó)內(nèi)外研究資料表明，市域軌道交通最高運(yùn)行速度在100～160 km/h是比較合理的[4]。目前，國(guó)內(nèi)市域軌道交通線路速度目標(biāo)值一般為120、140 km/h或160 km/h，且多數(shù)按地鐵系統(tǒng)制式進(jìn)行設(shè)計(jì)建設(shè)，而《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50157—2013)僅適用于設(shè)計(jì)速度80～100 km/h的地鐵線路。對(duì)于設(shè)計(jì)速度超過(guò)100 km/h地鐵系統(tǒng)的市域軌道交通線路，國(guó)內(nèi)目前未發(fā)布相關(guān)國(guó)家規(guī)范、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。因此，分析對(duì)比相關(guān)規(guī)范、結(jié)合國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀，對(duì)140 km/h地鐵線路的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，包括平面最小曲線半徑、緩和曲線長(zhǎng)度和豎曲線半徑等進(jìn)行探討是有必要的。

1平面最小曲線半徑

1.1最大超高

國(guó)內(nèi)主要鐵路規(guī)范及國(guó)內(nèi)外已建成的線路中，最大超高值的確定存在差異。

《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50157—2013)根據(jù)最高行車速度、車輛性能、軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和乘客舒適度等因素，確定最大超高為120 mm?！惰F路軌道設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10082—2005)根據(jù)列車曲線上行駛或停車存在傾覆的危險(xiǎn)，確定曲線外軌最大超高為150 mm。《城際鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10623—2014)根據(jù)列車在通過(guò)曲線時(shí)的安全性和乘客舒適度要求，并參考國(guó)外經(jīng)驗(yàn)，確定最大實(shí)設(shè)超高為150 mm。從列車在曲線上行駛的安全性角度考慮，時(shí)速超100 km后，最大超高值可在120～150 mm范圍選取。

國(guó)內(nèi)最高設(shè)計(jì)速度高于100 km/h的軌道交通線路中，最大超高值統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1　國(guó)內(nèi)部分軌道交通線路最大超高統(tǒng)計(jì)

由行車速度、曲線半徑、與曲線外軌超高關(guān)系式V2=0.084 7RH可知，最大超高與線路平面最小曲線半徑成反比。設(shè)計(jì)速度為140 km/h時(shí)，不同超高對(duì)應(yīng)平面最小曲線半徑如表2所示。

表2　時(shí)速140 km最大超高-平面最小曲線半徑對(duì)照

地鐵線路在建構(gòu)筑物密集的城市中敷設(shè)，最小曲線半徑的選擇對(duì)線路選線設(shè)計(jì)、工程造價(jià)和養(yǎng)護(hù)維修有重大影響。由表2可知，設(shè)計(jì)速度140 km/h的線路采用最大超高150 mm比采用最大超高120 mm制定的最小曲線平面半徑小200 m左右，更有利于線路選線設(shè)計(jì)。

綜合考慮上述因素，建議時(shí)速140 km的地鐵線路最大超高為150 mm。

1.2允許欠超高

列車通過(guò)曲線地段時(shí)產(chǎn)生的未被平衡橫向加速度是限制乘客舒適度的主要因素，其值越大，乘客舒適度越低，因此未被平衡橫向加速度應(yīng)控制在一定數(shù)值以內(nèi)[5]。未被平衡橫向加速度與欠超高的關(guān)系為hq=153a[6]，國(guó)內(nèi)規(guī)范規(guī)定的允許欠超高取值見(jiàn)表3。

比較可知，《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50157—2013)中規(guī)定的允許欠超高值61 mm，小于《鐵路軌道設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10082—2005)的允許值，屬于《城際鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10623—2014)和《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10621—2014)的“良好”范圍，說(shuō)明地鐵線路對(duì)乘客舒適度要求略高于普速鐵路對(duì)乘客舒適度要求?？紤]到地鐵線路的乘客多為站立狀態(tài)，較高的舒適度要求是合理的。

表3　國(guó)內(nèi)相關(guān)規(guī)范允許欠超高統(tǒng)計(jì)

因此建議設(shè)計(jì)速度為140 km/h時(shí)允許欠超高值仍采用《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50157—2013)中的規(guī)定值61 mm。

1.3平面最小曲線半徑

線路平面最小曲線半徑的選擇與最高設(shè)計(jì)速度、乘客舒適度、車輛性能、行車安全要求、地形條件、鋼軌磨耗等眾多影響因素有關(guān)[7]。由于線路性質(zhì)和車輛性能的不同，各規(guī)范計(jì)算線路平面最小曲線半徑的決定因素略有不同。國(guó)內(nèi)相關(guān)規(guī)范平面最小曲線半徑對(duì)照見(jiàn)表4。

表4　國(guó)內(nèi)相關(guān)規(guī)范平面最小曲線半徑對(duì)照

地鐵線路多為單一速度等級(jí)的客運(yùn)專線，也有快慢車混跑的情況，本次僅對(duì)單一速度情況下最小曲線半徑的計(jì)算進(jìn)行分析。單一速度等級(jí)客運(yùn)專線不需考慮過(guò)超高導(dǎo)致內(nèi)軌磨耗的情況，因此地鐵線路平面最小曲線半徑主要受制于最高設(shè)計(jì)速度和乘客舒適度，即欠超高產(chǎn)生的未被平衡橫向加速度。綜上，平面最小曲線半徑的計(jì)算公式為

(1)

式中R——平面最小曲線半徑，m；

Vmax——設(shè)計(jì)速度，km/h；

hmax——最大超高，mm；

Δh——允許欠超高，mm。

國(guó)內(nèi)部分設(shè)計(jì)速度大于100 km/h的地鐵線路均采用上述公式計(jì)算最小平面曲線半徑，如表5所示。

表5　國(guó)內(nèi)部分軌道交通線路平面最小曲線半徑統(tǒng)計(jì)

根據(jù)公式(1)計(jì)算得出，當(dāng)速度為140 km/h，線路平面最小曲線半徑應(yīng)為1 100 m。由于外部控制因素導(dǎo)致選線困難，如線路避繞大型立交橋樁困難時(shí)，平面曲線可采用小于1 100 m的半徑，根據(jù)超高設(shè)置情況計(jì)算曲線最大通過(guò)速度，設(shè)置限速地段，同時(shí)設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)結(jié)合沿線物業(yè)開(kāi)發(fā)、建筑物等情況靈活掌握[8]。限速地段半徑-速度關(guān)系見(jiàn)表6。

表6　限速地段曲線半徑-速度關(guān)系

2緩和曲線長(zhǎng)度

為使列車安全、平順、舒適地由直線過(guò)渡到圓曲線，滿足超高和加寬遞變的需求，需在直線和圓曲線間設(shè)置一定長(zhǎng)度的緩和曲線[9]。緩和曲線有多種線形，根據(jù)國(guó)內(nèi)外的經(jīng)驗(yàn)，我國(guó)輪軌系統(tǒng)通常采用三次拋物線作為緩和曲線線形。

2.1緩和曲線長(zhǎng)度影響因素

緩和曲線長(zhǎng)度是軌道交通線路平面設(shè)計(jì)的主要參數(shù)之一。國(guó)內(nèi)相關(guān)規(guī)范均提出緩和曲線長(zhǎng)度的影響因素主要是保證行車安全和滿足乘客舒適度，從超高順坡率、超高時(shí)變率和欠超高時(shí)變率三個(gè)控制參數(shù)計(jì)算緩和曲線的最小長(zhǎng)度。

(1)超高順坡率

超高順坡率允許值受車輛脫軌安全性的控制[10]，是保證列車通過(guò)曲線地段時(shí)，不會(huì)因?yàn)橥廛壋叩脑驅(qū)е萝囕喢撥墶?/p>

滿足超高順坡率要求的緩和曲線長(zhǎng)度為

(2)

式中l(wèi)1——緩和曲線長(zhǎng)度，m；

h——圓曲線超高，mm；

i——不使車輪脫軌的臨界超高順坡率，‰。

關(guān)于超高順坡率，我國(guó)鐵路系統(tǒng)一直沿用2‰的要求，《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50157—2013)也規(guī)定不宜大于2‰。國(guó)外規(guī)定的超高坡度最大值分別為2.5‰至5‰不等[11]，大于國(guó)內(nèi)沿用的標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，鋼軌磨耗也與超高順坡率有直接的關(guān)系，特別是緩和曲線的起點(diǎn)和終點(diǎn)，當(dāng)超高順坡率過(guò)大時(shí)，可在軌面觀察到明顯的磨耗點(diǎn)[12]。

因此，應(yīng)采用超高順坡率不大于2‰的規(guī)定。

(2)超高時(shí)變率

超高時(shí)變率的限制是保證車體傾斜角速度，即列車通過(guò)曲線時(shí)，外軌超高的變化速度不會(huì)影響乘客舒適度，是滿足乘客舒適度的指標(biāo)之一[11]。滿足超高時(shí)變率要求的緩和曲線長(zhǎng)度為

(3)

式中l(wèi)2——緩和曲線長(zhǎng)度，m；

h——曲線超高，mm；

V——通過(guò)曲線的速度，km/h；

f——乘客允許的超高時(shí)變率，mm/s。

超高時(shí)變率允許值主要依據(jù)實(shí)測(cè)來(lái)決定[10]，目前，國(guó)內(nèi)主要鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)于乘客允許的超高時(shí)變率取值各不相同，我國(guó)廣深線的運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)表明一般地段32 mm/s、困難地段40 mm/s是可行的[9]。國(guó)內(nèi)規(guī)范對(duì)超高時(shí)變率的取值見(jiàn)表7。

表7　國(guó)內(nèi)相關(guān)規(guī)范超高時(shí)變率取值

從表7可以看出，《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50157—2013)中超高時(shí)變率取值最大，乘客舒適度最低。從乘客舒適度角度出發(fā)，建議參考國(guó)鐵采用的超高時(shí)變率允許值，時(shí)速140 km時(shí)采用的超高時(shí)變率f調(diào)整為32 mm/s。

(3)欠超高時(shí)變率

欠超高時(shí)變率就是限制未被平衡橫向加速度的時(shí)變率，也是舒適度的指標(biāo)[13]。滿足欠超高時(shí)變率要求的緩和曲線長(zhǎng)度為

(4)

式中l(wèi)3——緩和曲線長(zhǎng)度，m；

hq——欠超高，mm；

V——通過(guò)曲線速度，km/h；

b——允許欠超高時(shí)變率，mm/s。

欠超高時(shí)變率的取值與未被平衡橫向加速度a有關(guān)，未被平衡橫向加速度a應(yīng)按一定的增長(zhǎng)率逐步實(shí)現(xiàn)，不能突然產(chǎn)生或消失，否則乘客會(huì)感到不舒適[10]。

國(guó)內(nèi)規(guī)范對(duì)欠超高時(shí)變率的取值見(jiàn)表8。

表8　國(guó)內(nèi)相關(guān)規(guī)范欠超高時(shí)變率取值

從表8可以看出，《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50157—2013)與《鐵路線路設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50090—2006)中的欠超高時(shí)變率基本一致，建議140 km/h地鐵線路欠超高時(shí)變率允許值仍采用45 mm/s。

2.2緩和曲線長(zhǎng)度表制定

緩和曲線的長(zhǎng)度應(yīng)從上述3個(gè)控制參數(shù)計(jì)算的緩和曲線長(zhǎng)度中取最大值，作為地鐵線路設(shè)計(jì)的最小緩和曲線長(zhǎng)度

(5)

(6)

(7)

當(dāng)列車通過(guò)圓曲線速度為60 km/h時(shí)，l2≥(0.008 7×60)h=0.522h，大于l1，因此l1對(duì)緩和曲線長(zhǎng)度的計(jì)算不產(chǎn)生影響。

在單一速度情況下，曲線超高根據(jù)列車實(shí)際通過(guò)速度和曲線半徑計(jì)算確定，因此在曲線超高小于最大超高時(shí)，不產(chǎn)生未被平衡橫向加速度，即l3=0。當(dāng)計(jì)算超高大于150 mm時(shí)，實(shí)設(shè)超高為150 mm，此時(shí)l2≥150V/(3.6×32)=1.302V，當(dāng)欠超高為61 mm時(shí)，l3≥61V/(3.6×45)=0.377V。由此可以看出，欠超高時(shí)變率的限制不影響對(duì)軌道交通線路緩和曲線長(zhǎng)度的計(jì)算。

因此，可以確定軌道交通線路中決定緩和曲線長(zhǎng)度的因素是按超高時(shí)變率計(jì)算的長(zhǎng)度l2，同時(shí)滿足大于1節(jié)車輛全軸距的要求。時(shí)速140 km地鐵線路緩和曲線長(zhǎng)度如表9所示。

3豎曲線半徑

3.1相鄰坡度差

為了緩和縱斷面變坡點(diǎn)坡度的突然變化，使列車通過(guò)變坡點(diǎn)時(shí)不影響行車安全和乘客舒適度，相鄰坡度差大于一定限制時(shí)，應(yīng)在變坡點(diǎn)處設(shè)置圓曲線型的豎曲線[9]。

表9　緩和曲線長(zhǎng)度　m

注：表中加括號(hào)的緩和曲線長(zhǎng)度為設(shè)置最大超高時(shí)的長(zhǎng)度。

《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50157—2013)規(guī)定兩相鄰坡段的坡度代數(shù)差大于等于2‰時(shí)，應(yīng)設(shè)置豎曲線連接?！惰F路線路設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50090—2006)規(guī)定路段設(shè)計(jì)速度小于160 km/h時(shí)，相鄰坡度差大于3‰時(shí)，應(yīng)設(shè)置豎曲線連接。

結(jié)合地鐵規(guī)范和鐵路線路規(guī)范的要求，考慮到與普速鐵路相比，地鐵線路對(duì)乘客舒適度的要求更高，豎曲線可以緩和邊坡點(diǎn)的坡度變化，提高乘客舒適度，建議相鄰坡度差大于2‰時(shí)設(shè)置豎曲線連接。

3.2豎曲線半徑

車輛通過(guò)變坡點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生豎向離心力和豎向加速度，豎向加速度a屬于衡量乘客舒適度的標(biāo)準(zhǔn)[14]。豎曲線半徑R、設(shè)計(jì)速度V和豎向加速度a的關(guān)系為

(8)

國(guó)內(nèi)主要軌道設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)于a值的選取略有不同，如表10所示。

通過(guò)比較，《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50157—2013)中的取值適用于140 km/h的軌道交通線路，a取值為0.16 m/s2，則區(qū)間豎曲線半徑的計(jì)算公式為

一般情況R=0.5V2

困難情況R=0.25V2

表10　國(guó)內(nèi)相關(guān)規(guī)范豎曲線半徑公式對(duì)比

進(jìn)站停車前乘客舒適度應(yīng)相應(yīng)提高，參考《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50157—2013)的取值，計(jì)算站端豎曲線時(shí)取a=0.08 m/s2，進(jìn)站速度取60 km/h，計(jì)算得出站端豎曲線半徑R=4 000 m，困難情況采用2 000 m。見(jiàn)表11。

表11　時(shí)速140 km軌道交通線路豎曲線半徑　m

4結(jié)語(yǔ)

綜合上述分析，設(shè)計(jì)速度140 km/h地鐵線路最大超高為150 mm，平面最小曲線半徑為1 100 m；緩和曲線長(zhǎng)度按照表9選用；豎曲線半徑一般情況下區(qū)間取值10 000 m，站端取值4 000 m，困難情況下區(qū)間取值5 000 m，站端取值2 000 m。

隨著城市發(fā)展，長(zhǎng)距離、大運(yùn)量、速度快的市域軌道交通建設(shè)勢(shì)必會(huì)成為未來(lái)城市交通發(fā)展的新重點(diǎn)。但市域軌道交通與市區(qū)軌道交通、鐵路系統(tǒng)中的市郊線、城際鐵路等幾種軌道交通方式在功能定位、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、系統(tǒng)制式等方面既有交集又具備各自特點(diǎn)。各城市在開(kāi)展市域軌道交通建設(shè)時(shí)應(yīng)先開(kāi)展相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的研究工作，從而更好地支持軌道交通的建設(shè)與發(fā)展[15]。

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收稿日期：2016-01-07； 修回日期：2016-02-06

作者簡(jiǎn)介：王彥琛(1988—)，男，助理工程師，2014年畢業(yè)于西南交通大學(xué)交通運(yùn)輸工程專業(yè)，工學(xué)碩士，E-mail:wangyanchen1988@126.com。

文章編號(hào)：1004-2954(2016)07-0067-05

中圖分類號(hào)：U239.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.07.016

An Approach to 140 km/h Metro Line Technical Standard

WANG Yan-chen

(China Railway Engineering Consulting Group Co.， Ltd.， Beijing 100055， China)

Abstract：There are presently no official code and standard for metro line of over 100 km/h in China. This paper compares the differences of line technical standards applied to the design of general railway and metro in China. With reference to the experiences of domestic 140 km/h metro lines， appropriate maximum track super-elevation， allowed super-elevation deficiency， super-elevation time variation， deficient super-elevation time variation and super-elevation slope rate are selected. Then the transition curve lengths corresponding to different curve radiuses are calculated. Finally the main technical standards for 140 km/h metro line are defined．

Key words：Metro; Railway line; Code for design; Technical standard