從運營角度談城市軌道交通的總體設計摘 要 從運營的角度對現行城市軌道交通總體設計中的客流、線路配線、列車配屬、環控制式、軌道等提出了看法。在新一輪城市軌道交通建設高潮中,必須要從系統的角度,綜合考慮已建軌道交通存在的一些問題。關鍵詞 城市軌道交通,總體設計,運行 作為城市公共客運體系的骨干和城市最大規模的基礎設施項目,城市軌道交通的建設不但決定了城市公共交通發展的水平和方向,而且對城市經濟、城市結構和規劃發展方向均產生了巨大而深遠的影響。由于我國絕大多數城市處于一種超常規發展階段,城市總體規劃滯后,交通規劃、軌道交通的路網規劃處于一種不穩定狀態或空白狀態。作為城市軌道交通的總體設計單位必須要認識到這一特征。筆者結合自己十多年參與軌道交通建設、運營的切身體會后認為,運營業績應是貫穿城市軌道交通總體設計的主線,應成為軌道交通建設的出發點和歸宿點。為此,從運營角度談一談自己對城市軌道交通總體設計的一些看法。1城市軌道交通總體定位 城市軌道交通的總體定位是決定項目建設的戰略性問題,它應偏重于宏觀性、整體性和策略性的分析。由于各城市在軌道交通前期研究階段技術積累不多,因此對軌道交通總體定位的把握在宏觀層面上、定性分析上就顯得格外重要。主要體現在以下幾個方面。1.1客流預測 客流預測是通過交通預測模型并在分析現狀的基礎上,對各年限內軌道交通線路客流的模型、分布、特征、規律等進行預測。然而,這種預測是利用沒有軌道交通情況下的現狀數據建立交通方式的分擔模式,由于模型與城市發展的規劃與變化的矛盾影響了其結果的可信度,因此對客流預測的結果要有一個理性的分析。要充分認識到現行客流預測不足的一面,以及還需要經過運營實踐反饋調整的另一面。國內對城市軌道交通系統規模的決策完全依靠預測客流這一做法,雖列入《地鐵設計規范》等國家標準,但設計依據似乎仍嫌不足。上海地鐵自1號線開通以來,關于客流大小的爭論就是一個最好的例證。唯客流論很容易摻入人為的因素。因此,不妨依據客流預測結果,再以國際上其它一些城市的形態、中心城市人口總量、人口密度和功能定位等相當的城市客流作為參考來比較,可能更接近實際情況。從表1可見,上海的市區人口數、人口密度、中心城區面積等指標,與東京、漢城等城市比較接近,所以其客流可參考這兩個城市來考慮。
1.2 城市超常規發展 我國正處于一個城市化進程加速發展階段,然而城市的總體規劃以及交通規劃、軌道交通路網規劃處于一種滯后或不穩定的狀態。根據發達國家的經驗,當城市發展成熟以及復合化功能提高以后,居住地和工作地選擇將會更加自由,交通更加活躍,地域之間的交通量將會更大。如東京市民生活半徑為60ｋｍ,而北京市民生活半徑僅為20ｋｍ。因此,現階段在軌道交通總體設計上對一些預留項目一定要有預見性。如車站換乘問題,以上海軌道交通4號線(明珠線二期)為例,作為上海路網中唯一的一條環線,它與路網中其它直徑線的換乘必然很多,如果全部采用“島—島”換乘模式,不論在換乘客流上怎么自圓其說,其在預見性方面的考慮顯然是不足的。北京復興門站換乘方式也有很深刻的教訓。筆者認為,像上海城市軌道交通的換乘型式,應首推華盛頓地鐵“側—島”換乘模式。1.3建設規模、速度及標準 各地建造城市軌道交通都面臨資金壓力,因此怎樣控制建設規模、建設速度和建設標準,不僅需要一個科學的態度,而且需要掌握好分寸,具有前瞻性。軌道交通工程尤其是地下工程有一個最大的特點,就是建造完以后很難更改,因此一味為了追求建設規模和速度而人為降低建設標準是不足取的。2線路總體設計與路網的關系2.1路網對單條線路的影響 每一座城市要修建軌道交通都不能沒有路網。每條線路在總體設計階段都需要在線路走向、換乘點設計、規劃控制、聯絡線設計、修建順序、停車場布置等方面和路網發生關系。線路走向不穩定會影響路網整體布局的合理性;換乘點不明確會導致換乘方式嚴重缺陷以及增加后續工程的建設難度;沒有預留停車場和聯絡線用地位置,就不能從整個線路的角度做到資源共享,這對工程建設和運營的經濟性都十分不利;不重視修建順序的研究,很難盡早合理發揮軌道交通的整體效益。 做好路網的規劃,最終是為了控制建設用地規劃,保證路網規劃的可實施性,減少今后工程實施難度并降低造價。在這一方面我們的教訓應該說是很深刻的了,如上海地鐵1、2號線人民廣場換乘問題,東方路站節點等問題,都是路網和單條線路沒有很好銜接的最好例證。 路網的規劃一定要做到專業規劃的深度。僅有概念性的路網規劃等于沒有路網規劃。除此之外,路網規劃還應考慮大交通網絡,包括公交、私車、市郊鐵路、地鐵輕軌等多種形式,應是一個多樣化的綜合體系。軌道交通的鋪設方式也應是多樣化的,地面、高架、地下有機結合,不能一味修建地下線。2.2樞紐站設計 由上海市和法國索菲圖公司聯合編制的上海城市軌道交通路網規劃中,共設置了16座大型換乘樞紐站,其中4線換乘站為2座,3線換乘站12座,2條市域線換乘站為2座。這種以大型換乘樞紐站為錨固點,根據城市形態進行路網規劃的主題思想是合理的。但在樞紐站設計過程中,應與商業中心、行政中心、地面交通中心合理分布,不宜過于集中。應避免一味強調所謂“零距離”換乘。大型換乘樞紐站設計原則應“疏而不散”。作為客流的集散中心,必須要有充分的空間提供給客流“集與散”。像東方路這種4線換乘樞紐站,遠期日均客流總量可能高達60～70萬人次,如果不與周邊地塊規劃較好地融合(最好同步規劃),客流會對附近地面道路形成很大的沖擊。如法國巴黎著名的換乘樞紐站———拉德芳斯,全天客流為50多萬人次(其中包括少量公共汽車系統),換乘客流達40萬人次,而整個換乘樞紐站占地面積(結合地塊開發)達750ｈｍ2。3線路的配線設計 線路配線設置包括渡線、折返線、聯絡線、車輛停放線、存車線以及出入庫線。對比國內外線路配線的設計不難看出,國外配線設計注重功能設置,而國內線路配線設置則較多注重“形式”。如《地鐵設計規范》規定:每隔3至5個車站的站端設渡線或車輛停車線。為滿足規范要求而設一條渡線的例子舉不勝舉。國外配線設計還表現在注重長遠,甚至考慮到土建結構大修時運營組織方案;而國內配線設置只看到眼前,如投資規模是否大,建設節點目標能否完成等。這種線路配線的設計很難在運營階段發揮較好的客運效果。圖1為德國慕尼黑路網配線圖,從中可以得到一些啟示。 應該先有運營組織的設想,再考慮線路的配線設計。而我們較多的線路設計對遠期運營方式還是停留在“紙上談兵”階段,線路總體設計在運營方式上考慮還是“爛泥蘿卜吃一段揩一段”。這對運行里程較短的線路,問題還不算十分突出,無非是運行效能發揮不是最優,運營靈活性差一些。而對上海路網中規劃長達100多ｋｍ的市域線來說,若不盡早進行研究運營模式,將來運營問題可能會非常突出。很明顯,市域線采用一個交路的運營模式肯定是不經濟的,而采用何種模式的確值得探討。研究市域線的運營模式一定要結合上海的城市特征及總體規劃。 筆者認為,市域線如果是一種制式,應在中心城區和市郊區采用交錯運營的模式,交錯點的選擇可分別設置在內、外環線附近,中間折返站最好采用雙島式車站方式,便于兩端折返。以規劃中的上海市Ｒ3線為例,其運行交路設想如圖2所示,具體折返點的選擇可根據規劃、客流等作進一步研究后酌定。 如果客流分布懸殊或因市域規劃等因素,中心區客流高度集中,新發展的城市帶發展不快,造成客流“中間大兩頭小”的特點而很不匹配,即使采用圖2的交路也避免不了土建設備投資的浪費;則采用不同制式的軌道交通,則可能會更為經濟合理,其運行交路亦可采用“紡錘型”。4列車配屬數 列車配屬數主要是根據客流和行車組織方案來表示。總體設計往往根據客流預測表,通過大小交路的設置,提出運營組織方案來滿足客流斷面的要求。初期列車配屬數通常約為每公里一列車。如上海現運營線路長度為65ｋｍ,列車配屬數為64列384節。從國內現有運營地鐵線路的實際情況來看,這種方式配屬列車不太合理。首先,客流斷面沒有明顯變化的情況,正常運營方案小交路很難實施;若采用大交路運營,列車行走里程增加,原有的列車配屬就顯得緊張。其次,按現行建設管理的實際情況,在土建、機電設備安裝完成后,列車才能陸續抵達進行調試;列車全部調試結束,一般比試運營要晚2年左右;為了使早已完工的線路盡早發揮運營功能,往往采用從其它線路借車的辦法,使原本不夠的車輛更加緊張。此外,客流的不確定性,以及土地利用和交通之間本身明顯的互動聯系,在客流預測階段不能很好地反映出來;若規劃沒有很好對地鐵沿線用地進行控制的話,軌道交通的導向作用將導致沿線地塊迅速開發。如上海地鐵1號線南延伸段沿線的開發密度過大,造成客流激增。鑒于以上因素,建議列車配屬按近期考慮。表2為國外部分城市車輛配屬一覽表。由表可知,若按6節編組計算,每公里列車配屬數約為2列。5環控模式 地鐵的環控模式不外乎3種:開式、閉式和屏蔽門模式。按新頒布的《地鐵設計規范》,在夏季當地最熱月的平均溫度超過25℃,全年平均溫度超過15℃,且地鐵高峰時間內每小時行車對數和每列車車輛數的乘積大于120時,可采用空調系統。鑒于此,上海地鐵環控系統制式也只有閉式系統(開、閉運行)和屏蔽門系統兩類。有趣的是,上海地鐵1號線采用屏蔽門系統(緩裝),2號線采用閉式系統(開、閉運行)方式。從表3可看出,線路規模相當的兩條地鐵線,且1號線客流大于2號線的情況下,2號線的照明、空調費就比1號線多將近1000萬元。由此,兩種制式技術經濟指標一目了然。 因此,上海地區地鐵環控最佳制式是采用屏蔽門系統。至于采用屏蔽門系統后長大區間隧道溫度升高問題,可采用局部預留冷源或增設中間風井的辦法來解決。香港地鐵“香港—九龍”海底隧道就是采用預留冷源的辦法。上海地鐵4號線設計時則采用增設中間風井的方法。 從地鐵新老規范中關于采用空調系統的規定對比來看,新標準的制定是有意識降低空調的使用條件,鼓勵使用空調提高舒適度。然而,現上海正在實施的部分線路中,車站設計采用“路塹”式,單層、側式站臺,環控只考慮通風不使用空調。這一設計標準值得商榷。顯然,現行做法可能與規范修訂的初衷相違背。6軌道結構 地鐵軌道結構的設計有別于干線鐵路,其自身的特點決定了軌道結構的設計原則是“減振、降噪,少維修”。國內外大量研究表明,地鐵軌道結構按其減振效果來劃分,可分成3大類:第一大類為一般扣件,其豎向剛度在20～69ｋＮ/ｍｍ,有一定的減振效果;第二大類為柔性扣件,其豎向剛度在10～25ｋＮ/ｍｍ之間,用于減振要求相對較高的區域;第三大類為特殊要求的減振軌道結構(減振型軌下基礎),用于對減振降噪有特殊要求的地段。上海自地鐵1號線建設以來,在軌道結構設計上由于受特定環境的限制,走了一些彎路。地鐵1、2號線總體設計原則沒錯,但考慮到當時的投資及市場環境的制約,減振扣件設計采取模仿國外產品。但從這么多年的使用效果來看,是“有其形、無其魂”,主要還是歸結到橡膠制品加工工藝、配比、材料選用等問題。對此,雖做過大量反復改進,使產品的測試能滿足設計指標,但橡膠實施階段的老化問題總過不了關。不難理解,這是因為涉及到橡膠行業核心技術,不是憑簡單的模仿可以學到的。從國外軌道結構的設計來看,設計者對軌道扣件的設計只是產品的選型,而非軌道扣件產品的設計。設計只提供技術指標和相關參數,產品生產廠家去做動力學分析,設計出產品。從國外通行的做法中可以看出它的合理性:廠家的產品競爭不僅是價格競爭,還是專利和核心技術的競爭。這種產品選型的習慣做法既有利于技術進步,也有利于保證產品的質量。 軌道交通3號線自開通以來,噪聲影響一直是困擾管理者的一個難題。這個問題既涉及設計理念,也涉及建設標準。在軌道結構設計中,片面強調扣件高度可調節量而忽視扣件彈性,不能不算是一個失誤。高架結構噪聲是一個綜合性的問題,需要采用綜合措施才能解決。國內外的專業人士對解決這一問題的相關措施都較熟悉,但關鍵是建設標準怎么控制。如果一味強調造價,其結果是將使后期改造費用更高。參考文獻1應勤儉.上海人口發展戰略中六大關聯問題的思考.上海綜合經濟,2003(9)2劉 遷.國內城市快速交通項目前期研究的發展.地鐵與輕軌,2003(2)3 葛世平.城市軌道交通的振動和噪聲對環境的影響及其對策.城市軌道交通研究,2003(3):30
1.2 城市超常規發展 我國正處于一個城市化進程加速發展階段,然而城市的總體規劃以及交通規劃、軌道交通路網規劃處于一種滯后或不穩定的狀態。根據發達國家的經驗,當城市發展成熟以及復合化功能提高以后,居住地和工作地選擇將會更加自由,交通更加活躍,地域之間的交通量將會更大。如東京市民生活半徑為60ｋｍ,而北京市民生活半徑僅為20ｋｍ。因此,現階段在軌道交通總體設計上對一些預留項目一定要有預見性。如車站換乘問題,以上海軌道交通4號線(明珠線二期)為例,作為上海路網中唯一的一條環線,它與路網中其它直徑線的換乘必然很多,如果全部采用“島—島”換乘模式,不論在換乘客流上怎么自圓其說,其在預見性方面的考慮顯然是不足的。北京復興門站換乘方式也有很深刻的教訓。筆者認為,像上海城市軌道交通的換乘型式,應首推華盛頓地鐵“側—島”換乘模式。1.3建設規模、速度及標準 各地建造城市軌道交通都面臨資金壓力,因此怎樣控制建設規模、建設速度和建設標準,不僅需要一個科學的態度,而且需要掌握好分寸,具有前瞻性。軌道交通工程尤其是地下工程有一個最大的特點,就是建造完以后很難更改,因此一味為了追求建設規模和速度而人為降低建設標準是不足取的。2線路總體設計與路網的關系2.1路網對單條線路的影響 每一座城市要修建軌道交通都不能沒有路網。每條線路在總體設計階段都需要在線路走向、換乘點設計、規劃控制、聯絡線設計、修建順序、停車場布置等方面和路網發生關系。線路走向不穩定會影響路網整體布局的合理性;換乘點不明確會導致換乘方式嚴重缺陷以及增加后續工程的建設難度;沒有預留停車場和聯絡線用地位置,就不能從整個線路的角度做到資源共享,這對工程建設和運營的經濟性都十分不利;不重視修建順序的研究,很難盡早合理發揮軌道交通的整體效益。 做好路網的規劃,最終是為了控制建設用地規劃,保證路網規劃的可實施性,減少今后工程實施難度并降低造價。在這一方面我們的教訓應該說是很深刻的了,如上海地鐵1、2號線人民廣場換乘問題,東方路站節點等問題,都是路網和單條線路沒有很好銜接的最好例證。 路網的規劃一定要做到專業規劃的深度。僅有概念性的路網規劃等于沒有路網規劃。除此之外,路網規劃還應考慮大交通網絡,包括公交、私車、市郊鐵路、地鐵輕軌等多種形式,應是一個多樣化的綜合體系。軌道交通的鋪設方式也應是多樣化的,地面、高架、地下有機結合,不能一味修建地下線。2.2樞紐站設計 由上海市和法國索菲圖公司聯合編制的上海城市軌道交通路網規劃中,共設置了16座大型換乘樞紐站,其中4線換乘站為2座,3線換乘站12座,2條市域線換乘站為2座。這種以大型換乘樞紐站為錨固點,根據城市形態進行路網規劃的主題思想是合理的。但在樞紐站設計過程中,應與商業中心、行政中心、地面交通中心合理分布,不宜過于集中。應避免一味強調所謂“零距離”換乘。大型換乘樞紐站設計原則應“疏而不散”。作為客流的集散中心,必須要有充分的空間提供給客流“集與散”。像東方路這種4線換乘樞紐站,遠期日均客流總量可能高達60～70萬人次,如果不與周邊地塊規劃較好地融合(最好同步規劃),客流會對附近地面道路形成很大的沖擊。如法國巴黎著名的換乘樞紐站———拉德芳斯,全天客流為50多萬人次(其中包括少量公共汽車系統),換乘客流達40萬人次,而整個換乘樞紐站占地面積(結合地塊開發)達750ｈｍ2。3線路的配線設計 線路配線設置包括渡線、折返線、聯絡線、車輛停放線、存車線以及出入庫線。對比國內外線路配線的設計不難看出,國外配線設計注重功能設置,而國內線路配線設置則較多注重“形式”。如《地鐵設計規范》規定:每隔3至5個車站的站端設渡線或車輛停車線。為滿足規范要求而設一條渡線的例子舉不勝舉。國外配線設計還表現在注重長遠,甚至考慮到土建結構大修時運營組織方案;而國內配線設置只看到眼前,如投資規模是否大,建設節點目標能否完成等。這種線路配線的設計很難在運營階段發揮較好的客運效果。圖1為德國慕尼黑路網配線圖,從中可以得到一些啟示。 應該先有運營組織的設想,再考慮線路的配線設計。而我們較多的線路設計對遠期運營方式還是停留在“紙上談兵”階段,線路總體設計在運營方式上考慮還是“爛泥蘿卜吃一段揩一段”。這對運行里程較短的線路,問題還不算十分突出,無非是運行效能發揮不是最優,運營靈活性差一些。而對上海路網中規劃長達100多ｋｍ的市域線來說,若不盡早進行研究運營模式,將來運營問題可能會非常突出。很明顯,市域線采用一個交路的運營模式肯定是不經濟的,而采用何種模式的確值得探討。研究市域線的運營模式一定要結合上海的城市特征及總體規劃。 筆者認為,市域線如果是一種制式,應在中心城區和市郊區采用交錯運營的模式,交錯點的選擇可分別設置在內、外環線附近,中間折返站最好采用雙島式車站方式,便于兩端折返。以規劃中的上海市Ｒ3線為例,其運行交路設想如圖2所示,具體折返點的選擇可根據規劃、客流等作進一步研究后酌定。 如果客流分布懸殊或因市域規劃等因素,中心區客流高度集中,新發展的城市帶發展不快,造成客流“中間大兩頭小”的特點而很不匹配,即使采用圖2的交路也避免不了土建設備投資的浪費;則采用不同制式的軌道交通,則可能會更為經濟合理,其運行交路亦可采用“紡錘型”。4列車配屬數 列車配屬數主要是根據客流和行車組織方案來表示。總體設計往往根據客流預測表,通過大小交路的設置,提出運營組織方案來滿足客流斷面的要求。初期列車配屬數通常約為每公里一列車。如上海現運營線路長度為65ｋｍ,列車配屬數為64列384節。從國內現有運營地鐵線路的實際情況來看,這種方式配屬列車不太合理。首先,客流斷面沒有明顯變化的情況,正常運營方案小交路很難實施;若采用大交路運營,列車行走里程增加,原有的列車配屬就顯得緊張。其次,按現行建設管理的實際情況,在土建、機電設備安裝完成后,列車才能陸續抵達進行調試;列車全部調試結束,一般比試運營要晚2年左右;為了使早已完工的線路盡早發揮運營功能,往往采用從其它線路借車的辦法,使原本不夠的車輛更加緊張。此外,客流的不確定性,以及土地利用和交通之間本身明顯的互動聯系,在客流預測階段不能很好地反映出來;若規劃沒有很好對地鐵沿線用地進行控制的話,軌道交通的導向作用將導致沿線地塊迅速開發。如上海地鐵1號線南延伸段沿線的開發密度過大,造成客流激增。鑒于以上因素,建議列車配屬按近期考慮。表2為國外部分城市車輛配屬一覽表。由表可知,若按6節編組計算,每公里列車配屬數約為2列。5環控模式 地鐵的環控模式不外乎3種:開式、閉式和屏蔽門模式。按新頒布的《地鐵設計規范》,在夏季當地最熱月的平均溫度超過25℃,全年平均溫度超過15℃,且地鐵高峰時間內每小時行車對數和每列車車輛數的乘積大于120時,可采用空調系統。鑒于此,上海地鐵環控系統制式也只有閉式系統(開、閉運行)和屏蔽門系統兩類。有趣的是,上海地鐵1號線采用屏蔽門系統(緩裝),2號線采用閉式系統(開、閉運行)方式。從表3可看出,線路規模相當的兩條地鐵線,且1號線客流大于2號線的情況下,2號線的照明、空調費就比1號線多將近1000萬元。由此,兩種制式技術經濟指標一目了然。 因此,上海地區地鐵環控最佳制式是采用屏蔽門系統。至于采用屏蔽門系統后長大區間隧道溫度升高問題,可采用局部預留冷源或增設中間風井的辦法來解決。香港地鐵“香港—九龍”海底隧道就是采用預留冷源的辦法。上海地鐵4號線設計時則采用增設中間風井的方法。 從地鐵新老規范中關于采用空調系統的規定對比來看,新標準的制定是有意識降低空調的使用條件,鼓勵使用空調提高舒適度。然而,現上海正在實施的部分線路中,車站設計采用“路塹”式,單層、側式站臺,環控只考慮通風不使用空調。這一設計標準值得商榷。顯然,現行做法可能與規范修訂的初衷相違背。6軌道結構 地鐵軌道結構的設計有別于干線鐵路,其自身的特點決定了軌道結構的設計原則是“減振、降噪,少維修”。國內外大量研究表明,地鐵軌道結構按其減振效果來劃分,可分成3大類:第一大類為一般扣件,其豎向剛度在20～69ｋＮ/ｍｍ,有一定的減振效果;第二大類為柔性扣件,其豎向剛度在10～25ｋＮ/ｍｍ之間,用于減振要求相對較高的區域;第三大類為特殊要求的減振軌道結構(減振型軌下基礎),用于對減振降噪有特殊要求的地段。上海自地鐵1號線建設以來,在軌道結構設計上由于受特定環境的限制,走了一些彎路。地鐵1、2號線總體設計原則沒錯,但考慮到當時的投資及市場環境的制約,減振扣件設計采取模仿國外產品。但從這么多年的使用效果來看,是“有其形、無其魂”,主要還是歸結到橡膠制品加工工藝、配比、材料選用等問題。對此,雖做過大量反復改進,使產品的測試能滿足設計指標,但橡膠實施階段的老化問題總過不了關。不難理解,這是因為涉及到橡膠行業核心技術,不是憑簡單的模仿可以學到的。從國外軌道結構的設計來看,設計者對軌道扣件的設計只是產品的選型,而非軌道扣件產品的設計。設計只提供技術指標和相關參數,產品生產廠家去做動力學分析,設計出產品。從國外通行的做法中可以看出它的合理性:廠家的產品競爭不僅是價格競爭,還是專利和核心技術的競爭。這種產品選型的習慣做法既有利于技術進步,也有利于保證產品的質量。 軌道交通3號線自開通以來,噪聲影響一直是困擾管理者的一個難題。這個問題既涉及設計理念,也涉及建設標準。在軌道結構設計中,片面強調扣件高度可調節量而忽視扣件彈性,不能不算是一個失誤。高架結構噪聲是一個綜合性的問題,需要采用綜合措施才能解決。國內外的專業人士對解決這一問題的相關措施都較熟悉,但關鍵是建設標準怎么控制。如果一味強調造價,其結果是將使后期改造費用更高。參考文獻1應勤儉.上海人口發展戰略中六大關聯問題的思考.上海綜合經濟,2003(9)2劉 遷.國內城市快速交通項目前期研究的發展.地鐵與輕軌,2003(2)3 葛世平.城市軌道交通的振動和噪聲對環境的影響及其對策.城市軌道交通研究,2003(3):30
