城市轨道交通工程设计常识.docx

城市轨道交通工程设计常识.docx

《城市轨道交通工程设计常识.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《城市轨道交通工程设计常识.docx（44页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

城市轨道交通工程设计常识

城市轨道交通工程设计常识 周 心 培  2004.12 

前言

轨道交通和隧道工程是城建院的两大支柱专业。

近年来，宜万、甬温、温福铁路和武广客运专线隧道设计任务繁重，北京、苏州、广州地铁设计也是忙得不可开交。

大批新生力量投入到隧道和地铁的设计工作中来，形势大好。

为使新参加工作的年轻同志们对隧道和地铁有所了解，特把平时所见所闻的资料罗列出来给大家作个参考。

隧道专业方面以“铁路隧道史”为蓝本，回顾我国铁路隧道技术的发展历程；以大瑶山隧道和秦岭隧道为例，介绍我国当代铁路隧道技术的最高水平；最后简要地展望一下隧道及地下工程发展的前景。

文中内容只是个人阅读的笔录，有兴趣者可进一步找原文研究。

轨道交通工程确是一项庞大复杂的系统工程。

个人的学识有限，简单介绍不能解决如何设计的问题，只希望使大家建立个基本概念。

介绍包括基础篇、车站区间篇、设备篇和工程实例篇，目的是为使读者知道什么是轨道交通，其设计包括哪些内容，曾经有过哪些经验教训。

实例篇只列了个提纲，有的已有专文可作参考，如果有兴趣可另作专题交流。

今借院网城建院网页一角，把“我国铁路隧道技术的发展与展望”和“城市轨道交通工程设计概论”发表出来，希望能省却读者一些翻阅资料的时间。

许多专业性的问题远非、四、五万字能解决的，具体问题可以另作专题讨论。

因本人水平有限，文中谬误之处在所难免，真诚欢迎各位同仁批评指正。

城市快速轨道交通工程设计概论

基 础 篇

1、轨道交通分类

城市轨道交通顾名思义就是车辆在轨道上行驶的公共交通系统。

火车，有轨电车等等都属于轨道交通，前者属于较长距离的城际间的交通，后者是低速行驶于街市的公共交通，但两者都不属于通常所说的城市快速轨道交通系统。

粗略地可以将城市快速轨道交通分为地铁和轻轨两大类，其中轻轨又可分为普通轮轨式、独轨跨座式和独轨悬挂式三种。

武汉市轨道交通1号线即属普通轮轨式的轨道交道。

广州地铁4号线的车辆采用线性电动机和特殊的轨道，但本质上仍属轮轨式的交通方式。

台北捷运的木栅线，采用的是胶轮车，在特别的砼轨槽内行驶，也属于轮轨式交道。

上海龙东路至浦东机场的磁悬浮线，没有通常意义上的车轮和钢轨，不属于城市快速轨道交通之例。

目前重庆正在修建的就是独轨跨座式轨道交通工程。

独轨悬挂式类似于悬挂的索道缆车，只是车辆不是挂在缆索上，而是挂在专门的钢梁上，跨距可以做得比较大，用在一些公园和旅游区比较合适。

在我国独轨悬挂式作为正规的城市轨道交通还没有建设实例。

地  铁      普 通 轮 轨 式

轻  轨      普 通 轮 轨 式

            独 轨 跨 座 式

            独 轨 悬 挂 式    

2、地铁与轻轨

有人认为在地下跑的叫地铁，在地面上、在高架桥上跑的叫轻轨，这样区分对不对呢？

最早的地铁确实是在地下跑的，要不怎么会叫地铁呢，而轻轨也确实大多数是在地面上跑，特别是在高架桥上跑，但严格讲这样区分是偏面的。

国际上对地铁和轻轨是以车辆的轴重来区分的：

载客量大，车辆编组长，车辆轴重大，需要采用较重钢轨和轨道的划为地铁：

而载客量相对较小，车辆编组也较短，车辆轴重较轻，可以采用轻型钢轨和轨道的则划为轻轨。

当然这样划分也不是绝对的，例如武汉轻轨铺设的钢轨与地铁一样，都是60kg/m钢轨，这是因为重型轨线路稳定性好、耐磨、有利于运营。

在我国A型车的轴重约16t，属于地铁车辆；C型车的轴重约11t，属于轻轨车辆；而B型车的轴重约14t，介于A型和C型两者之间，地铁和轻轨都可以采用。

北京地铁采用的就是B型车，武汉轻轨采用的也是B型车。

客流量大的轨道交道，往往采用大型车、大编组、重型轨道，并且多穿行于闹市，所以一般采用地下线，即所谓“地铁”；客流量小的轨道交通，相应地采用小型车、小编组、轻型轨道，多行驶于郊区和非繁华地区，有条件建成高架线，甚至地面线，以降低造价，一般简称为“轻轨”。

对一条轨道交通线而言，可以根据需要时而走在地上，时而走在地下，并无绝对的区分。

例如：

上海轨道交通明珠线，其一期工程（西半环）系利用老沪杭铁路路基建的高架线；二期工程过黄浦江走浦东极大部分为地下线。

明珠线的车辆和轨道与地铁完全一样，从上面的定义划分，明珠线当属“地铁”。

3、城市快速轨道交通的优缺点

世界上一些繁华的大城市都建有发达的轨道交通（地铁），照外国人的说法，一百万以上人口的大城市应该修地铁。

地铁被认为是现代化大城市解决交通问题的根本性手段。

从上个世纪90年代开始，我国大陆己经建成和在建地铁或轻轨的城市有北京、天津、上海、广州、南京、武汉、重庆和深圳等8个城市：

已经向国家申报立项积极筹建或准备审报的有哈尔滨，沈阳、青岛、苏州、杭州等20余个城市。

下面简要介绍一下现代化城市轨道交通的优缺点。

3.1快速轨道交通的优越性

（1）安  全    地铁和轻轨或深埋地下、或高架空中，即便行驶于地面也是全封闭的。

每条轨道交通都采用双线独立运营，与地面交通之间完全是立交关系，因此其运营十分安全。

（2）正  点    正因为采取独立运营和立交方式，最大限度地避免了交通事故和交通阻塞，因此能确保行车的正点率在百分之九十八以上。

在北京和上海坐地铁已经成为“上班族”出行的首选交通方式。

（3）快  速    同样由于其安全性和高正点率保证了轨道交通运行的高速度。

地铁车辆的设计构造度为80km/h，旅行速度在35km/h左右。

而地面公交车辆的旅行速度很难确保达到25km/h。

（4）舒  适    无论是在地铁车站里，还是在车厢里冬暖夏凉四季如春的小气侯、柔和的色彩、明亮的灯火、优雅的环境给人以“宾至如归”的家的感觉。

常常可以看到一些年青的旅客朋友手不释卷地坐在车厢里，完全忙却了旅途的遥远和疲劳。

这自然也是颠跛急转的地面公共交通望尘莫及的。

（5）节  能    城市轨道交通车辆都采用电动车组，以电为牵引动力。

而通常的城市地面车辆除电车外都是以柴油或汽油为能源。

众所周知，电能转换为车辆的机械能的转换效率是60%~70%，而燃料转换为机械能的效率只有25%左右，两者相差一倍以上。

所以说现代化的城市轨道交通是节能型的交通。

（6）环  保    因为现代城市轨道交通是以电为能源，所以在行驶中不排放废气、废液，对周围环境不产生有害影响。

唯一可能带来负面影响的是地面线或高架路段列车行驶中产生的噪声污染，但采取必要的措施，如：

采用减震道床、隔声屏障或胶轮车等是可以防治的。

3.2快速轨道交通存在的问题

（1）高造价   任何事物都有两面性，在众多优点的背后是高造价和高投入，以至使一般城市承受不起。

上世纪80年代末，上海地铁的造价是每公里约人民6亿元：

到90年代初，广州地铁的造价达到每公里人民币7.8亿元。

建一条地铁要花上百亿元，这笔钱中有百分之三十至四十是用来购买外国的车辆和机电设备，老百姓的血汗钱哗哗地流进了洋人的荷包。

1995年，国家注意到了这个问题的严重性，下达了国务院60号文件，规定新建地铁工程的车辆及设备的国产化率必须达到70%以上。

此后，提高了国产化率，各个城市的地铁造价基本上都能控制在每公里人民币5亿元左右。

但这对于经济实力不够雄厚的城市仍然是可望而不可及的事。

（2）低效益   城市轨道交通在高投入的同时并不能带来高的经济效益。

相反，一条地铁线每年都可能造成上亿元的亏损。

以武汉轻轨一期工程来说，不计折旧每天的亏损约在人民币20万左右。

所以城市轨道交通是以社会效益为主的基础设施工程，一般只能由政府投资建设。

世界上只有少数几个城市的地铁是盈利的，我国的香港就是其中之一。

其实香港地铁的盈利并不在于地铁本身的票房收入，而在于与地铁密切相关的房地产等的综合物业开发。

所以在地铁的设计阶段就要同时做好相关物业的规划，并争取与地铁建设同步实施。

纵观城市轨道交通的优缺点，其服务大众、以人为本的优点是主要的，而其缺点随着技术和经济的发展是可以克服和改善的。

4、设计年限与设计阶段

4.1设计年限  

城市轨道交通设计经常要涉及到“设计年限”，路网规划要分年限，线路建设要分年限，客流预测要分年限，行车交路要分年限，车辆及设备配置要分年限……。

根据《城市块速轨道交通工程项目建设标淮》的有关规定，设计年限分为初期、近期和远期，具体的时段划分规定如下：

初  期      建成通车后第 3年

近  期      建成通车后第10年

远  期      建成通车后第25年

以武汉地铁1号线为例，假设于2010年建成，则初期为2013年，近期为2020年，远期为2035年。

4.2设计阶段  

轨道交通工程在完成前期预可、工可、立项工作后转入设计阶段。

根据“城市快速轨道交通工程建设标准”，设计可分为三个阶段：

    总体设计  总体性的方案设计，以优化总体方案为目的。

    初步设计  专业性的方案设计，以落实具体专业方案为目的。

    施工设计  详细设计，提供施工图。

    各个城市的情况不同，设计阶段也不同。

广州、南京等城市均按三阶段设计，北京、上海也有采取两阶段设计的，即无总体设计。

5、轨道交通的建设规模

5.1 轨道交通类型 的划分

根据《城市块速轨道交通工程项目建设标淮》，城市轨道交通工程的建设规模按远期单向客运能力（断面运量）划分为三个运量等级和规模，即高运量、大运量和中运量，相应的技术特征见下表：

各级城市快速轨道交通相关技术特征表

线   路   等   级       Ⅰ           Ⅱ            Ⅲ           Ⅳ 

运   能   分   类    高 运 量     大 运 量     中 运 量     中 运 量

类   型   归   属     地  铁       地  铁        轻  轨       轻  轨

线   路   型   式     全封闭       全封闭        全封闭       半封闭

单向运能（万人小时）    5-7          3-5         1.5-3.5         1~2 

列车最大长度 （m）     185          140          100           80

适   用   车   型        A         B或A     B、L或单轨     B或D

列 车 最 大 编 组       8 辆         6辆          5辆         4辆

列车最高速度（km-h）  80~100       80 ~100        60-80         60

旅 行 速 度 （km-h）   35-45        35-45         35-45        20-30

适用城市人口（万人）    ≥300        ≥300          ≥150        ≤100

※  按建设标准，Ⅴ级为有轨电车，旅行速度15-20km/h，故不列入。

5.2 新建轨道交通工程的规模

我国《城市块速轨道交通工程项目建设标淮》对新建轨道交通工程的建设规模有如下规定：

（1）初期高峰断面客流大运量线不应小于1万人，中运量线不应小于6千人。

也就是说客流不足不应该建设，应采用其他交通方式；

（2）初期新建线路大运量线不宜小于15km，中运量线不宜短于10km，太短的线路运营上、经济效益上均不可取：

（3）线路末端2-3个区间的平均高峰客流不宜小于全线最大高峰客流的0.25-0.30。

如果用上述规定来核查在建或已建的轨道交通线，有很多是不符合规定的。

如武汉轻轨一期工程长度太短影响效益；广州地铁2号线琶洲岛段客流量不足全线最大断面的1/4……。

但地方上往往会以地铁建设带动沿线开发为由，扩大建设规模。

5.3轨道交通的建设实施

一条线的建设应按不同年度的运量，分项分类合理地分期实施：

（1）地下车站及区间隧道工程应按远期规划一次建成，其他高架及地面工程可以根据客流情况分期延伸和增建。

（2）车辆应按初期客运量配置。

车辆基地应按远期设计规模规划

控制用地，整备、检修设施按近期规模建设，地面建筑应根据工艺要求结合远、近期需要建设。

（3）各系统运营设备中有的随着技术的发展更新换代很快，因此

宜分阶段配置。

经技术、经济比较后，供电设备可按远期一次建成。

6、城市快速轨道交通项目组成

一条轨道交通线路一般长度在20 m左右，北京地铁1号线、上海地铁1号线、广州地铁1号线、南京地铁1号线、深圳地铁1号线等的建设长度都在20km以内，但地铁“麻雀虽小，五脏齐全”。

由于要求高密度地运营，为了保证其安全、快速、正点和高水平的服务，因此许多设备和技术方面比大铁路复杂、先进。

城市快速轨道交通工程的设计项目组成分两大类，即：

工程基本设施和运营设备系统。

6.1 工程基本设施

轨    道     一般采用整体道床

路    基     地面线及车场线多为路基

桥    梁     高架区间桥梁

隧    道     地下区间隧道

车    站     地下车站和高架车站

主变电所     实现从城市电网到地铁用电的转变

控制中心     调度指挥整（几）条地铁的运营管理

车辆基地     车辆维修停放等的综合基地

车辆（基地）段往往与其他保障体系合建，包括材料总库、综合维修和技术培训基地等，有时控制中心也建在其中。

6.2 运营设备系统

车    辆     输送旅客的载体

供    电     为车辆、机电设备和车站提供动力及照明

通    风     车站、区间隧道换气降温

空    调     用于车站环境温度的控制

通    讯     信息传输

信    号     指挥行车、保障安全

给 排 水     供给生产生活用水，抽排废水污水

消    防     水消防和气体消防

 防灾报警     灾害事故的监测和报警

自动扶梯     各层间旅客输送

屏 蔽 门     保障站台旅客安全，屏蔽环控范围

 自动售检票   直接为旅客服务的票务设施

 监控设施     环境、灾害、电力等监控、信息采集和微机管理系统等

7、轨道交通路网规划

7.1路网规划设计的基本原则

（1）路网规划的线路走向应该和城市的主客流方向相一致；

（2）路网规划应与城市的总体规划密切结合，并适当预留发展延伸的余地；

   （3）线网应布置均匀，密度适当，换乘方便，“时距”最短；

   （4）轨道交通路网应与公交线网有机地衔接，优势互补；

   （5）路网上各条线的客流力求均匀；

（6）环线的作用是为避免集中在市中心区换乘。

环不宜大，特别要注意环线本线要有一定的客流；

   （7）车辆段选址应先近后远，避免过长的出入段线，要便于与大铁路相连结；注意节约用地，有条件时尽量做到统一规划，资源共享；

   （8）路网规划时应考虑各条线的建设时序，与城市建设相结合，为城市建设服务，做到有序、持续地发展。

7.2路网的基本形态

    路网的形态应根据城市的大小、地形特征、发展规模而定。

其形态主要有以下几种。

    基本形态        十字形、Y形、环形

    变通形态        棋盘形、放射形、棋盘形加环形、

放射形加环形、棋盘形加放射形

路 网 类 型 示 意

7.3路网规划

7.3.1规划规模

    轨道交通路网规模与一个城市的面积大小、人口多少和其在公共交通中的地位有密切的关系，一般可以用下面的一些关系式来表达：

    与城市公交的关系   L = α Q / q （km）

      式中  L 路网总长 （km）

   Q 城市总交通量（万人次）

            q 负荷强度（万人次/千米.年）

伦敦200 巴黎586 东京1159 莫斯科1380 香港1861

         α轨道交通的比重（0.3~0.6）

    与城市面积的关系   L = A /δ1（km）

      式中  A 为城市面积 （m2）

  δ1 路网宓度指标（km/km2）（0.25~0.35）

伦敦1.3  巴黎2.0  东京0.37莫斯科0.26  香港0.25

    与城市人口的关系   L = M /δ2（km） 

      式中  M为城市人口 （百万人）

δ2 路网人口指标（km/百万人）

伦敦140  巴黎90  东京、莫斯科25  香港10

7.3.2规划步骤

（1）客流是公共交通规划设计的主要依据。

路网规划前，应进行城市的居民出行调查，根据OD分布图及地面道路规划资料初步拟定轨道交通路网。

（2）按初拟路网再预测路网客流量，验证路网的合理性，发现不合理的应调整路网，并再作客流预测，反复调整和验证，直至合理。

7.3.3规划内容

（1）网线规划  路网中各条线路走向的基本选定。

选线原则是沿城市主干道、沿主客流方向，尽量经过大的客流集散点，如商业中心、文化体育中心、城市交通枢纽等。

先由点及线，再由线成网。

规划时，每条线的起终点要预留将来发展延伸的余地。

（2）车站分布规划  

    车站分布规划是和线路规划同步进行的，也就是由点到线。

客流集中的处所、地面公交枢纽、线网交汇处等应该设站。

车站的站间距在城市中心可以近一些，一般1km左右；郊区可远一些，2~3km。

车站规划时还应考虑周围环境，出入口风亭是否有地方布置；对换乘站应考虑换乘线的走向、设站条件及换乘通道的设置。

（3）联络线规划

    虽然路网中各条线是独立运营的，但是为了行车调度的灵活，各条线间应能直接或间接地互相联络。

不是所有相交的线都设联线，应根据路网情况、环境条件统一考虑。

此外，还应考虑与大铁路的联络，路网中只少要有一处与铁路接轨，便于大型设备、材料的运输。

（4）铺设方式规划

    轨道交道线路可以铺设在地下，也可铺设在地面（高架），这要根据城市现状和远期规划而定，铺设方式一经确定，在城市建设上应作相应的规划控制。

8、轨道交通客流的预测和分析

    客流是公共交通规划设计的主要依据。

客流关系到轨道交通项目的社会必要性、投资效益、经济可行性、车辆选型、车站规模、设备容量和工程投资等。

所以工程的前期客流预测是重中之重。

客测预测需由专业人员与地方规划、交通、交管等部门共同完成。

目前，我国尚无成熟的统一的轨道交道客流预测方法，一般延用城市交道规划的“四阶段法”进行客流预测。

（1）出行生成预测  在研究分析沿线城市建设及土地开发变化、人口分布及就业情况的基础上作出行生成预测。

（2）出行分布预测  根据各交通小区的生成量、吸引量、小区间的阻抗和城市布局预测居民出行分布量。

（3）出行方式划分  居民出行可以选择多种交通方式：

步行、自助车、公交车和轨道交通等。

（4）路网客流分配  按行程最短、时间最少和最舒适的原则分配路网客流。

路网客流预测成果主要应包括以下六项内容：

（1）城市客流预测交通小区划分图

（2）规划年居民全方式出行期望路线图

（3）规划年全市客流分布图

（4）规划年各线全日乘降及断面客流量表

（5）规划年各线早、睨高峰乘降及断面客流量表

（6）规划年换乘站各线间的换乘客流量

9、线路设计

9.1线路的主要技术标准

    线路的技术标准主要决定于建设条件、客运量、采用的车辆类型和行车速度。

    线  路  要  素          A型车    B型车    D型车

    最小平曲线半径 （m）   

          正    线         300~350   250~300    50-100

          辅 助 线           250     150~200    25-80

          车 场 线           150      80~110    25-80 

    最  大  坡  度 （‰）

          正    线         30~35      30~35      50

          辅 助 线            40        40       60

          车 场 线            1.5       1.5       1.5

    竖 曲 线 半 径 （m）

          正    线       3000~5000   2500~5000  1000

          辅 助 线          2000       2000     1000

    钢  轨 （kg/m）

          正    线          ≧60        60       60

          辅 助 线          ≧50       ≧50      ≧50

    道  岔 （N./R.）

          正    线          9/200    9/200或7/150    待定

          车    场          7/150       6/110     待定

9.2 线路设计的基本原则    

（1）线路走向应与城市主客流方向相一致，符合路网规划要求；

（2）线路应该尽量沿城市主干道布设，以减少施工拆迁工程；

（3）线路平剖面设计应充分考虑地形、文物、建筑、地下管线等情况，并与市政综合开发相结合；

（4）线路应贯串沿线的商业、文化、体育、旅游、休闲等客流密集的地区，以最短捷的方式连结地面车站、码头等交通枢纽；

（5）轨道交通线路应与地面公共交通有机配合，优势互补；

（6）换乘节点线路设计除应考虑本线外，还应对换乘线前后1~2个区间的线路和设站条件作深入的研究；

（7）两端线路设计应根据规划留有延伸发展的条件。

9.3 轨道交通线路设计的特点

（1）与大铁路相比平、竖曲线半径都较小，而纵坡较大；

（2）因采用电动车组，爬坡能力强，不需要作各种坡度折减；

（3）除碎石道床外，一般平曲线和竖曲线可以重叠设置；

（4）因行车宓度大，线路交叉时一般应采用立交；

（5）线路平面和纵断面的设计受高层建筑、文物古迹和道路桥梁等建构筑物基础的控制，城市下水道埋置深、迁改难，往往影响线路及区间工法和车站的方案；

（6）一般情况下为高站位低区间，多设计成节能坡的形式。

出站和进站前后以20~25‰的大坡度急下急上，以利行车。

9.4 辅助线与车站配线

（1） 辅 助 线

    轨道交通的辅助线包括出入段（停车场）线和联络线。

因车辆段和停车场多设在地面，出入段线要完成从地下到地面或高架到地面的过渡。

出入段线应连通上、下行正线。

当出入段线与正线需交叉连接时，一般应采用上跨或下穿等立交方式。

路网中交叉或重叠的线路间应统筹考虑设置联络线，便于各线路间的联络和车辆的调度。

联络线虽然长度短，但往往受周围建筑物的限制，布置时会有一定困难，在地质不良地区一般采用明挖施工。

上海地铁1、2号线 在人民公园站作L形换乘， 两线间的联络线设在公园内，采用明挖施工，明挖的上部空间为长长的换乘通道。

（2） 车站配线

    一条线路的起、终点站或区段折返站应设折返线或折返渡线。

地铁设计规范规定“当两个具备临时停车条件的车站相距过远时，根据运营需要，宜在沿线每隔3~5个车站设停车线或渡线”。

所谓车站配线即包括上述折返线、折返渡线、停车线和渡线。

设计中采用前折返还是后折返？

单折返线还是双折返线？

单渡线还是交叉渡线？

应根据行车需要确定。

一般说来前折返、双折返线、交叉渡线的能力比后折返、单折