城市軌道交通車站端部線路平面最小曲線半徑標準值的研究*

饒雪平 顧保南

(1.上海市城市建設設計研究院,200125,上海;2.同濟大學交通運輸工程學院,200092,上海∥第一作者,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,更多的運營維護費用。目前,對于軌道交通最小曲線半徑標準選擇國內已有較多的研究。本文結合“八六三”計劃課題“大城市快捷公交客運交通系統設計技術”中關于“軌道交通線路平面設計標準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準值。

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計的主要技術標準之一,對軌道交通線路的造價、旅客舒適度、運營時間和養護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,能夠較好地適應地形、地物、地質等條件的約束。在上海、北京等大城市,隨著社會經濟的快速發展,高層建筑、高架橋等設施大量興建,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數千萬元甚至上億元。

如圖1所示,線路在交叉口轉角處遇到高層建筑,但必須從此經過。該小區容積率為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。當平面曲線半徑為250 m(圖1實線)時,地鐵線路侵入建筑區的范圍大約3 000 m2;當平面曲線半徑為350 m(圖1虛線)時,地鐵線路侵入建筑區的范圍大約 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數億元(與所在城市及地段有關)。當然,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彎侵入建筑區的范圍

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,列車行駛速度不應超過74 km/h;半徑為200 m時,列車行駛速度不應超過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(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。在凸型縱斷面的進站端,減速段距離將延伸至站外200～300 m。如在這里設置半徑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,對司機操作影響很小(人工操作時按提前進站模式執行),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 列車在區間運行的速度-距離曲線示意圖

1.4 對養護維修費的影響

小半徑曲線對運營費的影響主要體現在鋼軌更換費用(含材料及更換作業費)上。曲線半徑越小,鋼軌磨耗越嚴重,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半徑曲線在設計年度(25年)內增加的換軌費用為162.5萬元。考慮到隧道內換軌條件比較差,施工費用會適當增加,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,探討曲線半徑標準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興中路—斜穿地塊至淮海中路東側,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,斜穿巨鹿路兩側地塊后至常熟路,下穿1號線區間后再拐至烏魯木齊路,車站設在常熟路上。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,在淮海路東側與1號線平行設站。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,主要經濟指標見表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濟指標

由于常熟路站各方案的規模相同,因此其建設費用也基本相同。這樣,只需要對換乘時間、換軌及動拆遷等三項構成的總成本進行比較后即可知：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到9.4億元。由此可見小半徑曲線對樞紐布局優化的重要意義。

3 結論

(1)在大城市中心區,降低最小平面曲線半徑標準對于改善換乘樞紐布局方案具有重要作用,其節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數億元。

(2)在大城市中心區,降低最小平面曲線半徑標準對動拆遷工程量的影響與樞紐附近的具體情況有關,一般情況下都可以減少動拆遷工程量,有時可節省動拆遷費用數億元。

(3)地鐵車站端部300 m附近區域最小平面曲線半徑標準值由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準值可由 250～300 m減小到200～250 m。

[1] GB 50157—2003 地鐵設計規范[S].

[2] 國家建設部,國家計劃發展委員會.城市快速軌道交通工程項目建設標準(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準的選擇[J].同濟大學學報：自然科學版,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：上海科學技術出版社,1999.