城市軌道交通線路技術條件研究綜述

吳躍成

(西南交通大學,成都 610031)

1 概述

1.1 城市軌道交通各制式研究范疇

首先梳理我國城市軌道交通分類，確定城市軌道交通各制式的研究范疇。《城市公共交通分類標準》(CJJT 114—2016)將城市軌道交通分為：地鐵系統、輕軌交通系統、單軌交通系統、有軌電車、磁浮交通系統、自動導向軌道系統、市域快速軌道系統[1]。其中地鐵根據車輛的類型可分為A型、B型、Lb型；輕軌根據車輛與地板的位置關系可分為C型、Lc型；單軌交通根據車輛與軌道梁的位置關系分為懸掛式獨軌交通和跨座式單軌交通；有軌電車往往采用現代有軌電車進行描述，是為了與20世紀30年代起建設的傳統有軌電車進行區別，傳統有軌電車的輪軌關系為導軌式膠輪，現代有軌電車為單箱或鉸接式有軌電車；磁懸浮軌道交通按速度級別對各不同設計速度的車輛系統進行分類，分為中低速磁懸浮、中速磁懸浮、高速磁懸浮；自動導向軌道交通現階段我國暫無建成案例，現有研究參考的是國際上的膠輪特質車輛；市域快速軌道交通按車輛類型分為Vechile A型、B型、D型[2]。

1.2 線路技術條件研究范疇

線路主要技術條件包括平面線路參數、縱斷面線路參數和平縱組合線路參數，但全面的線路技術條件包含甚廣，研究內容繁多。在規范中一般將線路技術條件分為以下幾個板塊：一般規定、線路平面、線路縱斷面、道岔、配線、交叉、附屬措施、其他等幾個部分進行描述，根據制式的不同有的把道岔融入到線路平面、線路縱斷面當中去描述，有的增加了線路決定的乘客舒適度條件等。而對于一些特殊系統，會按需要增加一些新的線路技術條件，比如高速磁浮縱斷面參數中需要設置豎曲線緩和曲線并需要研究豎曲線緩和曲線最小長度[3]，而地鐵、輕軌、有軌電車、獨軌交通、中低速磁懸浮中則不需要設置豎曲線緩和曲線。因此，對我國現有線路技術條件研究方法的梳理順序和內容基本依據至今最新的城市軌道交通規范《市域快速軌道交通設計規范》(T/CCES 2—2017)中線路章節進行，并綜合其他制式獨有的線路技術條件進行調研研究成果，以期得到較為全面的線路研究方法綜述。

2 線路技術條件各要素研究方法

2.1 一般規定

線路起訖點選址：結合具體的城市規劃、軌道交通線網規劃、自然地理條件、行政區劃、客流預測、銜接換乘、工程實施條件來進行[4]。需要對建設項目的建設規模、工程投資、近遠期分界點等進行比選論證。

站點選址：根據系統的客流點吸引有效范圍布局和客流集散點分布規律，從車站結構與城市協調性、工程可行性、社會經濟效益和環境效益等多個準則建立決策評價模型，研究站點選址原則[5]。

合理站間距：從客流吸引、乘客出行時間、建設運營費用、沿線開發、交通網規劃和城鎮體系布局的關系著手。以站間距為核心變量，對建設費用、運營維護費用、旅客出行費用、運營收入及社會經濟效益進行定性與定量，并建立以站間距和最大凈現值關系的模型。建立評價體系，主要從交通功能、經濟效益、建設實施性、可持續發展等方面進行評價，得到合理站間距[6]。

線路敷設方式：根據系統的不同，有的系統可以進行地下線、地面線和高架線敷設方式的選擇，而有的系統不具備，比如懸掛式單軌交通系統只能高架敷設，對該類制式可不必討論。而對于能夠選擇敷設方式的制式，線路的敷設方式主要結合具體環境影響、工程造價、運營維護建立關于線路敷設方式的經濟評價體系，同時將環境影響指標進行量化[7]，確定經濟評價總費用現值與敷設方式的關系函數，研究線路敷設方式的合理選擇[8]。

線網敷設方式：對于線網線路敷設方式的研究，是對具體城市的土地開發利用、社會經濟效益、環境適應性和協調性、工程造價等方面進行綜合分析比較[9]。

線間距：結合系統構造、運行安全性、經濟合理性和工程投資，計算不同設計速度下最適合的線間距[10]。同時由于正線線間距往往難以滿足單渡線插入短鋼軌長度的要求，基于車輛、道岔等技術參數的條件，對城市軌道交通單渡線設置成曲線的最小線間距進行研究，得出不同組合情況下的最小線間距[11]。

換乘站：基于人流密度、速度、流量等關系，建立旅客換乘方式選擇模型，確定換乘形式與換乘客流的關系，得出不同客流下的推薦換乘方式。同時考慮不同換乘方式的客流疏導問題、設計、建設、運營、安全管理復雜程度得到具體換乘站設置方式[12]。

交路形式：基于服務水平，建立與交路形式相關的線路通過能力、車輛運行、車站布置及客運組織等方面的定性與定量計算模型，得到最佳交路形式[13]。

合理經濟長度：先確定包括速度目標值、站間距、最佳旅行時間、敷設方式、運營組織等技術指標。再基于技術指標，從經濟角度出發，建立客流需求密度與城市效益函數和成本函數，求解社會效益最大化的目標函數，得出線路合理經濟長度[14]。

超長線：超長線的選擇與否從需求特征分析出發，往往有的系統因速度較慢、旅行時間不宜過長而不考慮超長線，比如有軌電車。對于可設置超長線的系統，需結合客流需求、設計速度、合理站間距、旅行時間、最有效益長度等要素，并采用列車在各區間的滿載率和擁擠度評價，確定分期建設可行性和時機，提出超長線路規劃方法和原則[15]。

2.2 線路平面與縱斷面

線路平面與縱斷面是線路技術條件的核心，是線路線型設計的主要依據，城市軌道交通線路參數與車輛的構造、牽引特性、制動特性和運行速度等密切相關。目前我國主流的研究方法為：確定評價指標，結合靜力學計算，基于動力學仿真分析，對比實際運營數據得到合理的平面、縱斷面、平縱組合線路參數，確定平面、縱斷面線路技術條件，本小節中的線路技術條件默認為按以上方法研究，以下只強調靜力學和動力學研究中各線路技術條件的關鍵性問題。

圓曲線：平面圓曲線最小半徑的確定主要是根據輪軌磨耗(磁浮除外)、輪軌減載率(磁浮除外)、橫向未被平衡離心加速度、最大橫坡角等指標確定。若困難地段能設置的圓曲線半徑較小，可以進行地段限速。平面最大曲線半徑的確定與制造、施工、維護精度有關。

緩和曲線：包括緩和曲線線型和緩和曲線最小長度兩個關鍵內容。城市軌道交通的緩和曲線線型往往采用三次拋物線線型，主要是保證在曲率變化點處的振動不致乘客感到不適。而最小緩和曲線長度的確定主要是滿足橫坡角扭轉率(對于懸掛式單軌交通的某些車輛則是偏角時扭轉率)和未被平衡離心加速度時變率這兩方面。

復曲線：復曲線間緩和曲線長度，部分城市軌道交通在困難條件下是允許設置復曲線間緩和曲線的，但如高速磁浮交通和市域快速軌道交通等速度較快的系統則不允許，主要考慮的則是復曲線將導致勘測、設計、施工、維護的難度提升，以及影響車輛運行的平穩性。

圓曲線最小長度和夾直線最小長度：由于緩和曲線起終點的曲率發生變化，當列車經過時會產生一定的沖擊作用，從而產生振動。夾直線和圓曲線最小長度需滿足列車經過時，前后兩次振動不疊加，從而保證旅客舒適度的要求。

道岔選型：研究不同道岔型號和車輛通過性能間的關系，分析影響因素和規律，評價指標主要包括尖軌和護軌的瞬時沖擊力、車岔作用力、車體振動等，得出車輛與道岔間的匹配關系，得出道岔選型要求[16]。

道岔兩端最小直線距離：通過動力學仿真分析，在保證車輛運行的平順性以及減少輪軌對道岔的磨耗作用，減少維護工作量要求下，確定道岔兩端與平、豎曲線間的最小直線距離以及道岔在坡道上時對坡度的限制。

最大坡度：一方面車輛性能必須適應最大坡度，需要滿足兩點要求，一是車輛在最大坡度上停車后，能隨時啟動加速；二是列車通過最大坡度的速度不應過低，以免影響線路的運輸能力。第二方面是滿足列車的故障救援能力和故障運行能力。列車的故障救援能力指的是當一輛列車完全喪失動力時，另一輛列車能夠將其連掛通過最大坡度運行至近鄰車站；故障運行能力指的是當一節動車發生故障喪失動力時，整列車輛仍能夠通過最大坡度運行至近鄰車站。

最小坡段長度：最小坡段長度是由最小夾坡段長和前后兩個豎曲線的切線長組成。從列車運行平穩性和旅客舒適性的角度考慮，最小坡段長度除了應滿足兩豎曲線不重疊外，還應考慮兩豎曲線間有一定的夾坡段直線長度，確保車輛在前一個豎曲線上產生的垂向加速度在夾坡段直線長度范圍內完成衰減，不與下一個豎曲線上產生的垂向加速度疊加。

相鄰坡段坡度差：需從設置豎曲線的相鄰坡段差最大、最小值兩方面進行研究，保證滿足豎向離心加速度、輪軌磨耗(磁浮除外)、輪軌縱向力等評價指標的不用設置豎曲線的坡段差限值，從而確定需設置豎曲線的坡段差；另一方面，得到當采用某一大坡段差時，動力學性能難以滿足評價指標，從而確定相鄰坡段最大坡段差。

豎曲線最小半徑：控制因素主要有以下幾點：(1)保證車體剛性車架和軌道梁之間以自由外接形式通過曲線；(2)保證列車不斷鉤；(3)輪軌鐵路車輛在凸形縱斷面上運行時，受豎向離心力的作用而產生輪重減載而引起車輪懸空，其懸空高度應保證車輪不脫軌，若磁浮系統無車輪則不考慮，空軌列車的轉向架被包在軌道梁中，也不考慮；(4)良好的通視條件：豎曲線設置應滿足司機通視條件；(5)車輛在變坡點處產生垂向離心加速度不應引起旅客不舒適；(6)豎曲線半徑的設置，應減少功能件制造的難度。

道岔坡度：確定包括鋼軌縱向力、鋼軌位移、心軌和尖軌位移等車輛過道岔的動力學評價指標，分析不同坡度下列車制動時的動力學性能影響規律，確定道岔上的坡度限制[17]。

豎曲線與平面圓曲線起終點最小距離：豎曲線與平面圓曲線起終點是振動敏感點，兩者強烈的振動不應疊加，因此需根據振動衰減距離確定最小距離。

豎曲線與緩和曲線、道岔是否應重合：考慮施工制造、運營維護的難度和投入較大，通常不允許重合。

2.3 配線規定

從工程條件、建設時序、客流組織、車輛選型、車輛檢修模式、運營條件、車站建筑面積、環境適應性等方面，研究配線設置規定，配線包括了聯絡線、停車線、折返線、故障列車停車線、渡線、安全線等[18]。

2.4 交叉、附屬措施及其他

交叉形式：交叉形式分為立體交叉和平面交叉兩種。除有軌電車這種可共享路權的交通外，往往采用立交交叉和隧道交叉的立體交叉形式。平面交叉的設置需建立平面交叉通行能力定量化計算模型，根據相應的平面交叉口設計方案和控制方法來預測和提高交叉口的通行能力[19]。

隔離柵欄：滿足建筑限界和安全需求的基礎上，確定隔離柵欄的設置位置和方式。

護欄：滿足建筑限界和安全需求的基礎上，確定公路側護欄的設置位置和方式，需要滿足國家的防撞等級。

安全保護區：需要根據系統的安全需要和系統對其他交通、行人安全的潛在威脅進行評估，確定不同城市區域的安全保護區設置手段、范圍。

3 線路技術條件各要素研究情況

3.1 線路技術條件各要素系統

根據上文內容建立線路技術條件要素系統，并梳理研究較成熟的城市軌道交通系統線路技術條件研究現狀如表1～表3所示。未列舉的系統有速度為100～200 km/h的中速磁浮、懸掛式單軌、自動導軌交通等處于研究較少、缺少相應規范和工程的系統。

表1 地鐵、有軌電車、輕軌線路技術條件研究情況

表2 高速磁浮、中低速磁浮線路技術條件研究情況

表3 跨座式單軌、市域快軌磁浮線路技術條件研究情況

綜上，我國對于地鐵、輕軌、有軌電車、跨座式單軌交通、高速磁浮、時速為100 km以下的中低速磁浮、120 km/h至160 km/h速度區間的市域快速軌道交通的研究已經較為全面，但有些專題還需進一步研究。而對于懸掛式單軌交通、速度等級為100～200 km/h的中速磁懸浮、自動導軌交通，以及除120～160 km/h速度區間的其他速度等級的市域快速軌道交通等研究還較為缺乏，具有較大的研究空間。

3.2 不同制式城市軌道交通的差異性和互補性3.2.1 地鐵

我國城市軌道交通系統中發展最成熟、建設工程最多的是地鐵系統。統計數據表明，截止2017年，我國建成投運地鐵城市已達33個，交通線路超100條，因此地鐵的線路技術條件研究較系統、理論研究較完善且經大量實踐檢驗。在地鐵規范中雖然未對復曲線緩和曲線長度進行明確規定，但相關研究探討了在地形受限的情況下(周圍較多的高層建筑限制了線型)，采用復曲線可節約建設投資，研究了復曲線線型和設計思路，并且用工程實例證明了其合理性[20]。同時針對重慶軌道交通地鐵超長線，現階段已研究了停站方案和運輸組織方式，考慮線路通過能力、工程條件、運營組織等影響因素，建議超長線的組織運營形式：高峰期間宜選用站站停方式，非高峰期間可選用跨站停方式[21]。地鐵不同于其他軌道交通，適應多種敷設方式，因此對具體線路的敷設方式選擇需要進行論證。由于我國對地鐵系統的研究較多、較全面，地鐵線路條件的一些研究方法可以推廣至其他新型的城市軌道交通系統當中，例如超長線問題和合理經濟長度問題。

3.2.2 單軌交通

(1)跨座式單軌

2004年，重慶軌道交通2號線一期工程作為中國第一條建成通車的跨座式單軌線路開始載客運行，2011年9月，我國第二條跨座式單軌交通——重慶軌道交通3號線開通運營。《跨座式單軌交通設計規范》(GB 50458—2008)中對線路技術條件做了大量的規定和解釋。但現階段暫缺少針對于跨座式單軌交通換乘站、經濟長度的研究。同時由于跨座式單軌交通修建數量較少，無法與地鐵、輕軌等不同制式的軌道交通進行聯絡，不具備修建聯絡線的條件，因此暫未對聯絡線進行詳細研究。由于跨座式單軌運行速度相較地鐵、輕軌等系統較慢，為避免通勤時間過長，可不考慮超長線問題的研究，但需對合理經濟長度進行研究。跨座式單軌線路適應性更強，因此可以設置復曲線。

(2)懸掛式單軌

我國現階段暫無投入運營的懸掛式單軌交通，而作為第一條運營線的韓城懸掛式單軌交通于2017年正式開工。同樣，懸掛式單軌交通的設計規范也未發布，線路技術條件處于研究階段。調研我國科研論文，主要研究成果為車輛、軌道梁、限界、抗側風、曲線通過能力等參數研究。曲線通過能力的研究中得出了圓曲線最小曲線半徑和緩和曲線長度的推薦值和限制速度。因此，懸掛式單軌的線路技術條件具有較大的研究空間。

3.2.3 現代有軌電車

現代有軌電車線路技術條件的研究早在2010年就已開展，現全國已有超過58個城市規劃現代有軌電車，長度累積超過6 000 km，投入運營的城市已有11座。目前，膠輪有軌電車使用得比較少，我國僅有上海1條，而鋼軌鋼輪有軌電車則廣泛使用。2016年由上海制定的《有軌電車工程設計規范》(DG/YJ08—2213—2016)則對線路技術條件作了較為全面的規定，同時西南交通大學通過研究車站工程費、運營費用、運營收入和乘客出行時間效益四方面，結合成都IT大道有軌電車項目得出了合理站間距，填補了規范空缺[22]。有軌電車敷設道路上時，其橫斷面需要結合道路來設置，因此相比其他制式的交通而言，新增了橫斷面的要素。由于現代有軌電車運行速度相較地鐵、輕軌等系統較慢，為避免通勤時間過長，可不考慮超長線問題。

3.2.4 輕軌

截止2017年7月，開通了輕軌的城市包括撫順、長春、大連、上海、重慶。已有多個輕軌成功運營的實際案例。我國輕軌的車輛經過了三代的發展，第一代為傳統輪對轉向架，第二代為部分低地板型，第三代為100%低地板型，大大方便了乘客在車內的流動，其優越的小半徑曲線通過能力，決定了該種車輛是輕軌的主要發展方向[23]。2016年3月，住建部城市軌道交通標準化技術委員會召開審查會，國家標準《輕軌設計規范》已通過專家評審，標志著輕軌線路技術條件的研究基本完善。

3.2.5 磁浮交通線路技術條件研究現狀

(1)中低速磁懸浮

我國已有多家單位研究中低速磁浮系統，第一條投入運營的是長沙中低速磁浮，運行速度100 km/h。西南交通大學通過基于動力學對平面圓曲線[24]、緩和曲線[25]、最大坡度[26]、豎曲線[27]、最小坡段長[28]等線路參數進行了系列研究，同時《中低速磁浮交通設計規范-條文說明》[29]對線路技術條件進行了較為全面的規定。同時中鐵寶橋集團基于UG仿真系統，研究了小線間距單線道岔問題并提供了設計思路和方式[30]，填補了該專題研究空白。但目前缺少合理站間距、線路經濟長度的研究，由于該系統與地鐵系統速度相近，可以借鑒地鐵系統的研究方法來進行完善；另一方面，現階段缺少線路平縱組合問題的論證和研究，該問題是每一個城市軌道交通都無法回避的線路技術條件，因此急需進行深入研究。

(2)高速磁懸浮

2003年，由中德兩國合作開發的上海磁懸浮列車專線正式開始商業運營，運營速度430 km/h。適用于設計速度不高于500 km/h的《高速磁浮交通設計規范》對線路技術條件進行了詳細的規定。現有研究通過實測不同線間距列車會車時風壓對車輛的影響，得到了安全的線間距，填補了規范空白[31]。不同于其他制式，高速磁浮道岔的坡道限制缺少明確的規定，但規定了道岔處不應設置橫坡。規范中對配線的設置缺少詳細的描述，配線是每個城市軌道交通必不可少的一部分，因此須結合工程對該問題進行完善。

(3)時速為100～200 km的中速磁懸浮

由于高速磁浮的研究范疇為運行速度低于500 km/h，高于200 km/h[32]的系統，中低速磁浮的研究范圍為運行速度低于100 km/h的系統，因此暫時缺少運行速度高于100 km/h低于200 km/h的中速磁浮研究，其線路技術條件的研究也處于空白。

3.2.6 市域快速軌道交通

2013年12月上海軌道交通16號線(市域通勤鐵路)開通運營。2017年青島四方機車特制的新型城市市域快軌列車亮相，同年4月由中國土木工程學會發布的適用于速度等級為120～160 km/h的《市域軌道交通設計規范》正式實施，對線路技術條件做了詳細的闡述。其車輛類型主要分為地鐵A、B型車輛相似的車型和與城際動車組相似的D型車[33]。但由于該規范適用范圍的速度區間較少，有的市域軌道交通線最高運營速度在100 km/h左右，因此缺乏其他速度等級的市域快速軌道交通線路技術條件的研究。而對于時速120～160 km的市域快速軌道交通線而言，其服務范圍一般在50～100 km，地鐵中的超長線概念就沒有意義了，因此可不研究該問題。由于市域快速軌道交通相比地鐵運行速度更快，因此對線路要求較高，給出了豎曲線與圓曲線設置的最小間距，要求豎曲線與圓曲線不能重合，這與其他城市軌道交通是不同的。

3.2.7 自動導向軌道交通線路技術條件

我國暫無建成運營的自動導向軌道交通系統，該制式規范也未完成制定。2017年3月。廣州地鐵設計研究院起草了《自動導向軌道交通設計規程(征求意見稿)》，標志著自動導向軌道交通的研究初步開始。自動導向軌道交通車輛采用的是橡膠輪胎，軌道為專用軌道，客運能力為1～3萬人次/h，控制系統為全自動化無人計算機控制[34]。

4 需完善的研究內容

4.1 成熟的城市軌道交通系統

(1)城市軌道交通合理的經濟長度不僅是線網的宏觀控制量，而且是一項重要的投資依據。跨座式單軌、高速磁浮、中低速磁浮系統在該專題上的研究是亟待解決的。

(2)隨著城市軌道交通網的規劃，不斷出現長度超過35 km的超長線路，這些線路難免存在以下問題：①全線需求不同，同一制式很難適應；②若用同一制式和編組的列車，可能造成兩端行車密度太低或滿載率太低；③全線大交路需求量不大；④超長線如不加分析的分段運行，會降低服務水平。而作為運行速度較高，適合于超長線的城市軌道交通系統的高速磁浮、中低速磁浮、輕軌的在該專題上的研究是亟待解決的。

(3)目前，中低速磁浮的線路平縱組合問題的研究是非常欠缺的，在實際的設計與建設中，該問題也是不可回避的，因此急需進行深入研究。

(4)高速磁浮的配線設置規定缺少詳細的研究，需結合工程對該問題進行完善。

4.2 新型城市軌道交通系統

除以上提到的城市軌道交通系統外，還有懸掛式單軌交通、速度等級為100～200 km/h的中速磁懸浮、自動導軌交通，以及除120～160 km/h外的其他速度等級的市域快速軌道交通等研究還較為缺乏，其線路技術條件的研究技術幾乎還未起步，為適應社會建設發展的需求，需要對線路技術條件各要素逐條研究。

5 結語

(1)既有成熟的城市軌道交通系統線路技術條件中仍存在亟待解決的關鍵性問題。

(2)多種新型城市軌道交通的研究還處于起步階段，建議對線路技術條件各要素進行逐條研究。