城市轨道交通车站端部线路平面最小曲线半径标准值的研究*

饶雪平 顾保南

(1.上海市城市建设设计研究院,200125,上海;2.同济大学交通运输工程学院,200092,上海∥第一作者,工程师)

在城市轨道交通中,线路平面最小曲线半径,特别是车站两端的最小曲线半径大小,对换乘枢纽车站布局有较大的影响。半径越小,可供选择的线位会越灵活,换乘枢纽的布局越趋合理,在穿越城市时对地块的切割影响也更小。但是采用小半径曲线时也会带来更多的限速,更多的运营维护费用。目前,对于轨道交通最小曲线半径标准选择国内已有较多的研究。本文结合“八六三”计划课题“大城市快捷公交客运交通系统设计技术”中关于“轨道交通线路平面设计标准对枢纽布局方案的影响”的研究,提出了在困难条件下地铁线路(特别是在车站端部)的最小平面曲线半径标准值。

1 理论分析

线路平面最小曲线半径是城市轨道交通线路设计的主要技术标准之一,对轨道交通线路的造价、旅客舒适度、运营时间和养护维修量等有很大的影响。平曲线半径过小,不能满足高速列车行车舒适性的要求,增加轨道维护和施工成本;平曲线半径过大,又会大大增加动拆迁工程量及费用。特别是车站两端最小曲线半径的取值,更加会影响到换乘时间和换乘费用。

1.1 对工程造价的影响

较小的曲线半径,能够较好地适应地形、地物、地质等条件的约束。在上海、北京等大城市,随着社会经济的快速发展,高层建筑、高架桥等设施大量兴建,其深桩基对轨道交通选线形成很大的约束。此外,一些需要保护的古建筑、古树、防汛墙桩基、大型污水管等也在一定程度上影响线路走向的选择。如果遇到高层建筑群,一处曲线分别采用大、小半径而引起的拆迁工程费差异可达数千万元甚至上亿元。

如图1所示,线路在交叉口转角处遇到高层建筑,但必须从此经过。该小区容积率为3.0。横向道路建筑红线宽80 m,纵向道路建筑红线宽60 m。暂按单线通过此交叉口。当平面曲线半径为250 m(图1实线)时,地铁线路侵入建筑区的范围大约3 000 m2;当平面曲线半径为350 m(图1虚线)时,地铁线路侵入建筑区的范围大约 12 000 m2。由图1可知,最小平面曲线半径分别为250 m、350 m的方案受影响地块面积相差约 9 000 m2,受影响建筑面积达27 000 m2。如果要动拆迁这些建筑,两者的建筑动拆迁成本差异高达数亿元(与所在城市及地段有关)。当然,这些地块还有很大的重建价值。如果拆迁后考虑重建,重建成本按 2 500元/m2(建筑面积,含装修成本)计算,则两者的建筑重建费用相差约6 000万元。

图1 不同半径的单线在交叉口转弯侵入建筑区的范围

1.2 对旅客舒适度的影响

1.3 对运营时间的影响

小半径曲线的主要不利之处是限制行车速度。半径为R的曲线,其列车限速约为4.3 R。曲线半径为300 m时,列车行驶速度不应超过74 km/h;半径为200 m时,列车行驶速度不应超过60 km/h。

实际列车运行中,因停站需要,列车在车站端部必须减速运行(如图2)。一般,地铁列车运行最大速度为80 km/h,列车进(出)站制动减(加)速度约为1 m/s2。按此计算,列车在站外140 m处即需减速至60 km/h以下。在凸型纵断面的进站端,减速段距离将延伸至站外200～300 m。如在这里设置半径200 m的曲线,对列车正常运行几乎无影响。若小半径曲线涉及到该减速段之外,则可要求列车在此段减速运行,对司机操作影响很小(人工操作时按提前进站模式执行),而且对行程时间的影响也很小。每100 m段采用60 km/h与80 km/h速度运行的时间差仅为1.5 s。

图2 列车在区间运行的速度-距离曲线示意图

1.4 对养护维修费的影响

小半径曲线对运营费的影响主要体现在钢轨更换费用(含材料及更换作业费)上。曲线半径越小,钢轨磨耗越严重,钢轨更换周期越短(如图3所示)。

图3 我国铁路钢轨磨耗与曲线半径的关系曲线

一般200 m半径曲线的换轨周期大约比400 m半径曲线的换轨周期缩短40%。

PD3钢轨每根(25 m)的材料及焊接费约为6 500元。假设一处曲线段长度平均取500 m,则200 m半径曲线比400 m半径曲线在设计年度(25年)内增加的换轨费用为162.5万元。考虑到隧道内换轨条件比较差,施工费用会适当增加,但每处小半径曲线段在25年中增加的换轨费用不会超过300万元。

2 实例

为了更直观地说明平面最小曲线半径对换乘枢纽的影响程度,本文以上海市轨道交通7号线常熟路站为例,探讨曲线半径标准对轨道交通车站布局的影响。

2.1 项目背景

常熟路站是上海轨道交通1号线、7号线和10号线之间的换乘枢纽站。1号线常熟路站线路走向为衡山路—乌鲁木齐南路—淮海中路,车站设在淮海中路、华亭路口,沿淮海中路布置;10号线常熟路站的线路走向为复兴中路—斜穿地块至淮海中路东侧,车站站位与1号线常熟路站平行;7号线线路穿过延安中路后,斜穿巨鹿路两侧地块后至常熟路,下穿1号线区间后再拐至乌鲁木齐路,车站设在常熟路上。如图4所示。

图4 7号线常熟路站方案

2.2 方案研究

考虑车站两端最小曲线半径R分别取200 m、250 m、300 m、350 m,7号线常熟路站还有另外4种站位方案。

2.2.1 最小曲线半径为200 m方案

7号线线路穿过延安中路沿富民路前行,以R=200 m穿延庆路与淮海路间街坊,下穿已建成的1号线,在淮海路东侧与1号线平行设站。车站为地下三层。在车站处10号线线位与7号线重叠。10号线线路位于上方,车站为地下二层,与1号线车站等高。线路方案详见图5。

图5 最小曲线半径为200 m的常熟路站枢纽方案

2.2.2 最小曲线半径为250 m方案

与R=200 m方案相比,此方案因为曲线半径采用250 m,车站需要向东侧偏移,与1号线车站之间的距离变大。在车站处10号线线位与7号线重叠。10号线线路位于上方,车站为地下二层,与1号线车站等高。线路方案详见图6。

图6 最小曲线半径为250 m的常熟路站枢纽方案

2.2.3 最小曲线半径为300 m方案

此方案由于曲线半径采用300 m,7号线车站无法做到与1号线车站平行,10号线车站位于两者之间。线路方案详见图7。

图7 最小曲线半径为300 m的常熟路站枢纽方案

2.2.4 最小曲线半径为350 m方案

曲线半径采用350 m,7号线车站与1号线车站夹角变大,10号线车站位于两者之间。线路方案详见图8。

图8 最小曲线半径为350 m的常熟路站枢纽方案

2.3 方案比较

上述各种最小曲线半径的线路及车站枢纽方案中,其车站布置、换乘距离、最小曲线半径长度、车站端的最大速度及车站动拆迁量均不相同。在各方案的车站规模均相同的情况下(即1号线为地下2层车站,7号线为地下3层车站,10号线为地下2层车 站)各方案的主要特征见表1,主要经济指标见表2。

表1 常熟路站各方案的主要特点

表2 常熟路站各方案的经济指标

由于常熟路站各方案的规模相同,因此其建设费用也基本相同。这样,只需要对换乘时间、换轨及动拆迁等三项构成的总成本进行比较后即可知：200 m半径的方案总成本最低;半径越大,枢纽总成本越高。上述各方案中,总成本的最大差异达到9.4亿元。由此可见小半径曲线对枢纽布局优化的重要意义。

3 结论

(1)在大城市中心区,降低最小平面曲线半径标准对于改善换乘枢纽布局方案具有重要作用,其节省的换乘时间效益是巨大的,有些换乘枢纽的布局改善方案的长期社会效益可达数亿元。

(2)在大城市中心区,降低最小平面曲线半径标准对动拆迁工程量的影响与枢纽附近的具体情况有关,一般情况下都可以减少动拆迁工程量,有时可节省动拆迁费用数亿元。

(3)地铁车站端部300 m附近区域最小平面曲线半径标准值由250～300 m减小到200～250 m对运营时间的影响很小。

因此建议：在困难条件下,地铁线路最小平面曲线半径标准值可由 250～300 m减小到200～250 m。

[1] GB 50157—2003 地铁设计规范[S].

[2] 国家建设部,国家计划发展委员会.城市快速轨道交通工程项目建设标准(试行本)[S].北京：1999.

[3] 顾保南,姜晓明.论城市轨道交通最小曲线半径标准的选择[J].同济大学学报：自然科学版,2003,31(4)：428.

[4] 姜晓明,荆新轩,顾保南,等.上海市轨道交通换乘现状的分析与对策[J].城市轨道交通研究,2003(4)：36.

[5] 王午生.铁道线路工程[M].上海：上海科学技术出版社,1999.