丁习富 DING Xi-fu
（中国中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031）
摘要： 以广州地铁3号线、东莞城市快速轨道交通R2线等的快线设计为例，分析地铁快线设计与一般地铁设计的区别，就地铁快线在设计中的几个技术问题进行总结分析，为今后地铁快线的设计提供借鉴和参考。
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关键词 ： 地铁快线；设计；探讨；思考
中图分类号：U231+.2 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）17-0128-03
作者简介：丁习富（1973-），男，云南南华人，高级工程师，中铁二院地铁院设计管理部部长，中铁二院东莞城市轨道交通项目部常务副经理，东莞城市快速轨道交通R2线副总体。
1 概述
随着我国城市轨道交通建设的迅猛发展，至2014年12月31日，中国内地已有22个城市94条城市轨道交通建成并运营，运营总里程2886km，目前东莞、贵阳、青岛、合肥、南昌、福州、厦门等城市也在修建，预计到2020年，国内将有约40个城市发展轨道交通，总规划里程7000多公里。
在这些已建成和正在建设的城市轨道交通中，绝大多数为位于中心城区的地铁制式线路，设计的最高运行速度主要有80km/h和100km/h两种，其运营组织与车辆选型、系统配置与土建工程配套等均可按现行的《地铁设计规范》（GB50157-2013）、《城市轨道交通工程项目建设标准》（建标104-2008）、《城市轨道交通技术规范》（GB50490-2009）及相关专业的规范进行设计。
而已经建成开通的广州地铁3号线、上海地铁16号线和正在建设、即将于2016年开通的东莞城市快速轨道交通R2线、深圳地铁11号线等，则为连接中心城区与相应组团的地铁快线，设计的最高运行速度均为120km/h，已超过《地铁设计规范》规定的最高运行速度不超过100km/h的适用范围，因此在这几条线路的设计中，不能完全按地铁规范进行设计，需要根据最高运行速度为120km/h的地铁快线特点对相关的设计参数进行研究论证后采用，本文结合参与的广州地铁3号线和东莞城市快速轨道交通R2线工程的设计，重点研究120km/h地铁快线设计的一些基本特征及在地铁快线设计中现行《地铁设计规范》存在的不足，特别是速度目标值、列车编组及空气动力学等方面，为今后地铁快线设计规范的制定提供了参考，下面，就设计中遇到的几个技术问题进行探讨和思考。
2 设计中遇到的几个技术问题的探讨和思考
2.1 地铁快线的线路设计特征
随着城市轨道交通的发展，中心城区的地铁线路密度越来越大，网络逐步完善，地铁的建设逐步向郊区辐射，为了实现中心城区与周边卫星城（镇）或卫星城之间高速、便捷、环保的出行方式，地铁快线应运而生，如广州地铁3号线主要是连接广州中心城区与番禺区，深圳11号线是连接福田中心区与宝安区碧头，上海地铁16号线是连接浦东新区龙阳路与临港新城。
同时随着经济的发展，我国一些经济较发达的地级市也开始规划建设地铁，由于城市空间结构的原因，这些地级市下的行政机构相对分散，为了加强各行政机构与城市中心城区之间的联系，突出中心城区的首位度，也需修建高速、便捷、环保的地铁线路，如东莞城市快速轨道交通R2线，这几条地铁快线线路具有以下共同的特点：
①线路长度较长，但车站数量较少，最大站间距和平均站间距都比一般地铁线路大。在城市地铁中，一般的地铁线路长度为大多在30km以内，最大站间距控制在2.5km以内，平均站间距为1.2～1.5km，而地铁快线的线路长度大多为50km以上，最大站间距超过5km，平均站间距达2.4～3.0km，是一般地铁线路的两倍，并且超过2.5km的长大区间个数较多，目前国内已建成和正在修建的几条地铁快线线路的一些基本参数见表1。
②由于城市的空间形态布置及规划发展的不均衡，这几条地铁快线线路的敷设在中心城区或卫星城内站间距小（和一般地铁的站间距接近），但在中心城区与卫星城、两个卫星城之间，线路的站间距较大。
这种由于城市空间结构、城市规划形成的线路敷设方式、站点设置的特点直接影响到整条线路系统制式、速度目标值、车辆选型的选择，也是设计中需考虑的一个重要因素。
2.2 系统制式的选择与速度目标值、车辆选型与列车编组方案
系统制式的选择、速度目标值得确定、车辆选型与列车编组方案是地铁快线设计的重要基础参数，对工程建设、运营有较大影响，合理的确定上述参数是地铁快线设计的首要任务。
系统制式的选择一般应从客流等级和特征、线路和环境条件、系统本身的技术成熟性和先进性、运营的可靠性和成本、以及建设工期和工程投资等方面进行分析，其决策还受到国家的产业政策、城市的经济实力、文化传统和价值取向等因素的影响。
速度目标值的选择与规划的出行时间目标要求、线路敷设方式、站间距的大小、线网的资源共享等因素有关，在设计过程中，需根据上述条件进行80km/h、100km/h、120km/h的速度目标进行综合比选，必要时还需进行140km/h的速度目标值的比选，最终确定设计线路的速度目标值。
车辆选型主要根据运营需求（线网服务标准、运输能力）、出行时间要求、舒适度要求、安全性需求、环境需求及线网资源共享等综合考虑。
列车编组方案主要根据初、近、远期最大单向断面预测客流资料，根据旅客的出行特征（地铁快线的旅客平均出行距离和全程运行时间均远大于一般地铁，其平均出行距离达到了15km左右，全程旅行时间均在1小时左右，乘客乘车时间平均超过15分钟）、考虑乘车的舒适度（按照一定的站立标准，适当的增加坐席率），按满足客流预测的远期单向高峰小时最大断面客流量的需求，并留有10～15%的富余量的系统能力来进行设计。
在设计过程中，需根据初、近、远期最大单向断面预测客流资料，进行多方案比选，最终确定列车的编组方案，列车编组方案对土建工程的投资影响较大。
目前，国内已建成或正在建设的地铁快线采用的车辆分别为120km/h的A型车（上海地铁16号线、深圳地铁11号线）、B型车（广州地铁3号线、东莞城市快速轨道交通R2线）两种，供电方式分别为DC1500V接触轨供电（上海地铁16号线）和DC1500V架空接触网供电（广州地铁3号线、东莞城市快速轨道交通R2线、深圳地铁11号线）。
列车编组为：广州地铁3号线原设计为3-3/6-6编组，后来在建成开通后由于客流的急剧增长，于2010年4月底全部改为6辆编组，4车门，纵列式座椅布置，系统最大设计能力34对/h。上海地铁16号线设计为3-3/6-6编组，3车门，横排式座椅布置，东莞轨道交通R2线设计为6-6-6编组，3车门，原设计为纵横混合式布置，后改为纵列式布置，系统设计的最大能力为27对/h，并预留30对/h的条件。
深圳地铁11号线设计为：初、近、远期采用6/8混跑编组（8辆带两节头等车），系统最大设计能力24对/h。
从上面的资料可以看出，由于缺乏相应的地铁快线设计规范，各条快线的系统最大设计能力、座椅布置、每平方米的站立标准均不同，根据对东莞轨道交通R2线、深圳地铁11号线及广州地铁3号线的初步研究，考虑到地铁快线的速度目标值比较高（最高运行速度为120km/h）、平均出行距离长（达到了15km左右）、全程旅行时间长（均在1小时左右）、乘客乘车时间平均长（超过15分钟），建议系统的最大设计能力按不超过27对/h设计（地铁设计规范要求不小于30对/h）、座椅按纵横式混合布置（增加坐席率，地铁车辆通常为纵列式布置）、每平方米的站立标准按5人考虑（地铁设计规范为每平方米5～6人）。
另外，关于速度目标值，在目前的设计中，信号ATP的值一般比设计的最高运行速度低3～5km/h，ATO的值在ATP的基础上又下降3～5km/h，因此最后列车自动驾驶的速度比设计的最高运行速度低近10km/h，而车辆的构造速度比列车最高运行速度高10～5km/h，整条线路的技术标准（线路、车辆、限界、土建工程、轨道等）均按最高运行速度进行设计，这样就造成了工程的浪费，建议在地铁快线设计中，信号ATP的值就按最高运行速度控制，ATO的值根据与信号供应商沟通后做适当降低，但降低值以不超过5km/h为宜。
2.3 乘客舒适度与空气动力学
根据广州地铁3号线运营反馈的信息，当列车在长度为6.2公里、内径5.4m的盾构隧道——番禺广场站至市桥站区间运行、列车最高运行速度接近120km/h时，乘客和司机会出现胸闷、耳鸣、耳痛等身体不适情况。
针对这一情况，在东莞轨道交通R2线、深圳地铁11号线的设计时，均开展了隧道空气动力学的研究，并在设计中采取了如下主要措施：地下长大区间采用大断面隧道（按隧道阻塞比小于0.4考虑，盾构隧道内径6.0m、矿山法隧道的内轮廓净面积不小于28m2）、列车突入洞口处设带有减压孔的缓冲结构（主要在地下线与地面线的过渡的明挖段设置）、提高列车气密性指数、采用流线型车头。
目前这些措施已经在工程的设计和建设中被采用，待2016年初这两条线路建成通车后的实测进一步进行验证。
2.4 土建工程设计
由于土建工程按100年的使用寿命进行设计，且一经实施后，若远期客流增加较多，车站规模不够，要对土建工程进行改造不仅影响运营，而且改造的成本较高、废弃工程量较大、施工风险极大，为避免出现上述现象，在设计中需结合远期最大单向断面预测客流资料，并对远期客流的抗风险能力进行分析，结合城市的整体规划和经济发展，按具备包容高水平客流状态的能力来进行综合设计。
设计过程中，建议车站规模可以按远期车辆编组的有效站台长度进行设计并一次建成，在运营的初、近期，可根据客流资料和设计的列车编组来设计站台上屏蔽门或安全门开启的范围，当客流上升接近设计客流时，在局部改造屏蔽门或安全门及升级列车信号系统等，以达到设计的能力。
目前东莞城市快速轨道交通R2线、深圳地铁11号线的车站有效站台长度分别是按远期6辆编组B型车120m的长度和远期8辆编组A型车186m的长度一次建成的。
2.5 牵引供电制式
目前，城市轨道交通直流牵引供电系统有两种电压等级可供选择，即DC750V和DC1500V；列车授流方式按安装位置的不同也有两种可供选择，即接触轨授流方式和架空接触网授流方式。
从城市轨道交通牵引供电系统的发展历史来看，两种授流方式在不同时期、不同城市、不同线路条件下，都得到了广泛应用。
地铁快线设计中高架桥梁结构占有比较大的比例，在高架桥梁上，若采用架空接触网供电，对城市的景观有一定影响，建议选用接触轨供电的方式，以减少对城市景观的影响，利于城市的长远发展和高架结构的可持续发展。
3 建议与结论
3.1 建议
由于我国暂时还没有最高运行速度为100~120km/h的地铁快线设计规范，在目前的地铁快线设计过程中，一般采用的方法为：先参照《地铁设计规范》（GB50157-2013）和《城市轨道交通工程项目建设标准》（建标104-2008）、《城市轨道交通技术规范》（GB50490-2009）等进行技术标准的初步拟定，然后结合最高运行速度为100~120km/h的特征开展专题研究及专家论证确定技术标准，在这个过程中，由于受到技术水平和认识的限制，难免有些缺憾，建议加快地铁快线设计规范的出台，以指导工程的设计和建设。
3.2 结论
①地铁快线主要为连接中心城区与卫星城、两个卫星城之间的城市地铁线路，线路的站间距较大，选择120km/h的速度目标值可达到技术、经济和社会效果为最佳；
②考虑到地铁快线的速度目标值比较高、平均出行距离长、全程旅行时间长、乘客乘车时间平均长，地铁快线的系统最大设计能力按不超过27对/h设计、座椅按纵横式混合布置、每平方米的站立标准按5人考虑；
③为了充分发挥地铁快线的综合效益，在设计中，信号ATP的值按最高运行速度控制，ATO的值根据与信号供应商沟通后做适当降低，但降低值以不超过5km/h为宜；
④为了提高乘客的舒适度，对于地下长大区间采用大断面隧道（按隧道阻塞比小于0.4考虑，盾构隧道内径6.0m、矿山法隧道的内轮廓净面积不小于28m2）、列车突入洞口处设带有减压孔的缓冲结构（主要在地下线与地面线的过渡的明挖段设置）、提高列车气密性指数、采用流线型车头。目前东莞城市快速轨道交通R2线、深圳地铁11号线均按此要求设计，该措施已经经过专题研究论证；
⑤车站规模按远期车辆编组的有效站台长度进行设计并一次建成；
⑥选用接触轨供电的方式。
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参考文献：
[1]GB50157-2013.地铁设计规范[S].北京市规划委员会.北京：中国建筑工业出版社，2013.
[2]建标104-2008.城市轨道交通工程项目建设标准[S].中华人民共和国建设部.北京，2008.
[3]GB50490-2009.城市轨道交通技术规范[S].中华人民共和国住房和城乡建设部.北京，2009.