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地铁工程设计方案比选和优化刘志义2013.11地铁工程设计方案比选和设计优化是地铁设计各个阶段的重要内容之一。通过对方案比选，提出最佳的设计方案，通过对设计的优化，提出便于运营管理、方便维护管理、确保安全施工的设计文件。设计文件的优化是地铁工程最大的优化和工程投资的最大节约。因此做好设计方案的比选和优化是我们每个设计人员都要认真思考和研究的课题。目录设计方案比选1设计优化2设计方案比选1设计方案比选主要在工可阶段、总体设计阶段和初步设计阶段进行。方案比选的分类可分为“原则方案”和“具体方案”。（一）设计方案比选原则设计方案比选1、新地铁规范中有关规定：（1）地铁工程设计，应符合政府主管部门批准的城市总体规划、城市轨道交通线网规划及近期建设规划。（1.0.4）（2）地铁工程设计应根据远景线网规划，确定线路功能定位、服务水平、系统运能、客流预测、线路走向及起讫点、车辆基地选址和资源共享等主要设计内容，进行变化或调整应经研究论证，并报经相关主管部门批准。（1.0.5）（3）地铁工程设计应根据远景线网规划，处理与其他线路关系和预留后建工程连接条件。地铁线路间及地铁与其他交通系统间的衔接，应做到换乘安全、便捷。（1.0.6）设计方案比选2、方案比选的原则：（1）方案比选除应遵照地铁设计规范外，还应遵照“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）及地方和行业有关规范、规定和标准。（2）方案比选必须满足各个设计年度客流预测的要求。客流预测应包括：线路客流预测、车站客流预测、OD客流预测、换乘客流预测、出入口方向客流预测以及客流特征分析等。（3）方案比选的范围应该一致，所选用的主要技术标准均能满足客流预测初、近、远期的要求。（4）各方案均需满足地铁运营管理、维修和行车交路的要求。（5）方案比选应尽可能把对方案有影响的因素列全，从对周边环境的影响、拆迁、管线迁改、交通导改、施工、运营、工程投资等方面进行定性、定量的比较。能量化的部分应尽量量化。（一）设计方案比选原则设计方案比选是指对本工程和投资有重大影响的方案。主要有：本线的功能定位、车辆选型、服务水平、系统运能等方面进行论证和比较它的主要设计阶段。应在工可和总体设计阶段进行。（二）原则方案比选1、线路功能定位方案比选：根据规划线网对本线经行地段及起讫点的规划以及客流预测的结果研究本线的功能定位主要有：市区地铁（轻轨线）、机场快线、市域快线等。（1）市区地铁线：满足市区内居民出行要求和客流预测的结果。地铁各设计年限的列车运行间隔，应根据各设计年限的预测客流量、列车编组及列车定员、系统服务水平、系统运输效率等综合确定。为保证地铁的服务水平，列车初期高峰时段最小运行间隔不宜大于5min，平峰时段最大运行间隔不宜大于10min。远期高峰时段系统最小运行间隔不应大于2min，平峰时段最小运行间隔不宜大于6min。（3.2.6）设计方案比选（二）原则方案比选（2）机场快线：城市轨道交通与机场连接，方便乘坐飞机的乘客出行和回家已成为近年来我国各城市轨道交通建设的一个亮点。北京、上海、广州、南京等各大城市都已建成或正在进行建设机场轨道交通线路。1）概况目前，国内已建和在建机场快线的城市主要有北京、香港、上海、广州、昆明、深圳等城市，具体情况如下表所示。线路运能分类IIIIIIIV高运量大运量中运量(钢轮钢轨)(钢轮钢轨/单轨)线路型式全封闭型部分平交道口列车最大长度（m）18514010060单向运能（万人次/h）4.5~72.5~51.5~31~2适用车型AB或LbB、C、Lb及单轨C或D最高速度（km/h）800~10060~80平均站间距（km）1.2~20.8~1.5旅行速度（km/h）35~4020~30适用城市城区人口规模（万人）≥300≥500各级线路相关技术特征设计方案比选（二）原则方案比选国内部分城市机场轨道交通建设情况线路性质长度（km）平均站间距（km）设计速度（km/h）发车间隔（min）列车编组（节）车型座位北京机场线机场快线28.19.311084直线电机车辆横向香港机场快线机场快线35.28.8135108Adtranz-CAF电动列车横向上海轨道交通2号线徐泾东-广兰路市域快线36.01.7803-68A型纵向上海轨道交通2号线广兰路-浦东国际机场市域快线23.62.9806-74远期预留8节编组A型纵向广州地铁3号线北延段机场快线30.92.212066B型纵向昆明轨道交通6号线机场快线25.675.32100256B型纵向深圳地铁11号线机场线51.733.2120远期2.58A型横向设计方案比选（二）原则方案比选2）国内轨道交通机场快线建设经验和教训根据国内主要机场快线及市域轨道交通线的情况来看，机场线和市域快线站间距多在5km以上，速度目标值在100km/h及以上。由于我国目前还没有专门针对区域轨道交通系统的建设规范，很多地方直接将城市轨道交通市区线向外延伸，导致我国城市轨道交通线网中不断出现长度超过35km的线路，更有甚者长度超过50km甚至100km，如上海的2号线、广州地铁3号线等。虽然各线的情况不相同，但都存在下列共性问题：①全线各段的需求特征不同，若选取同一制式，较难适应需求；②全线各段的客流量差别较大，若用同一制式和编组的列车，仅用列车运行交路进行调整，可能造成两端行车密度偏低或满载率偏低；③全线大交路需求量并不大，且在运行调整、故障处理、乘务人员工作时间等方面都存在不同类型的问题。设计方案比选（二）原则方案比选3）从乘客的角度分析既有城市机场快线的利弊北京机场快线在三元桥增设一个换乘站，主要还是市区到机场的专用线，功能和祥光机场快线、上海磁悬浮相同，这三条机场线列车速度分别是110km/h、135km/h和430km/h，座位横排，舒适度好，票价比常规地铁高，带来的问题是运营效益和行车速度成反比，香港机场线竞争不过机场大巴，上海磁悬浮竞争不过地铁2号线（也通浦东机场）。北京的机场快线车站停车时间长，到市区东直门站和其他地铁线在非付费区换乘，换乘通道长，快线的优势并不明显，客流量不大，列车满载率一般。与此同时，横排座位不利于大件行李摆放，旅客与行李一般不愿分离，所以在车厢端头设置大件行李架利用率并不高。上海地铁2号线是属于市区市域和机场线的复合功能线，线路一端通虹桥机场和高铁站、一端通浦东机场（需要在广兰路站同台换乘），座位竖排，市区市域客流为主，机场、高铁站客流为辅，票价属于地铁价位，速度适中，客流量大。广州地铁3号线与上海地铁2号线属于同类型，车速较高，需要在体育西路站换乘。设计方案比选（二）原则方案比选4）结论：地铁机场快线的服务旅客定位还是以中低端大众为主，随着我国经济的发展，航空旅行已呈大众化、平民化趋势，真正高端VIP旅客基本上以专车接送为主。地铁机场快线作为轨道交通网络的一支，使之纳入地铁运营的统一管理，定价服务平民化、亲民化，有利于其吸引客流、积聚人气、健康发展。设计方案比选（二）原则方案比选（3）市域快线随着城市规模的飞速发展，城市形态已从单中心向多中心、组团式转化，这样使得中心城市与卫星城、组团之间形成较大的空间距离。为了满足卫星城、组团及城市中心之间长距离出行的交通需求，需要市域快线对沿线客流提供支撑，如图所示。A城市中心BC城市中心与组团之间出行示意图设计方案比选（二）原则方案比选根据快线构架准则，市域快线应向组团间提供快速通道，联系各级城市中心。市域快线的建设将有利于优化城市产业结构，使资源分配更加趋向合理化，有助于推动产业结构和消费结构的升级。市域快线能加强沿线区域交通可达性，提高沿线物业及房地产开发价值，带动沿线的产业转移和新城区的开发。由于城市主要交通走廊基本服务于城市居民出行的主方向，为承担走廊内大量的居民出行需求，一般都配置了包括高速公路、快速路、轨道交通、常规公交等多种路径和运输方式，并由此构成城市的对外运输通道。对外运输通道系统结构示意图在这样的对外运输通道上，轨道交通客流的主要竞争对手是行使在高速公路或快速路上的公交车和私家车。由于道路车辆在对外通道上一般用用较高的行驶速度，因此轨道交通必然要求选择平均旅速较高的系统方能与之竞争，一般要求最高运行速度应大于80km/h，并且站间距也不能太短，否则将影响平均旅行速度。设计方案比选（二）原则方案比选2、车辆选型车辆选型是地铁设计的重要基础资料。它对决定一条线的建设、设计规模和主要技术标准起着十分重要的作用。（1）车辆选型基本原则1）必须满足线路的运营要求：运输能力满足各设计年度高峰小时最大客流量和行车密度的要求。2）车辆必须适应强地下、地面和高架相结合的线路状况的要求，并尽可能减少对周围环境的影响。3）车辆选型需要考虑今后线网各条线路技术协调和资源共享的要求，并预留一定的发展余地。4）车辆的车体材料、空调系统及电器设备等应满足所在地区的地理人文环境和自然气候环境。5）车辆应保证运行安全可靠、检修方便、造型美观、乘坐舒适；车辆的技术性能既要高起点，复核国内外发展趋势，又要求技术成熟、经济实用，符合国情。设计方案比选（二）原则方案比选2、车辆选型（2）车辆基本型式选择1）车辆型式分类从现阶段国内外以及成都市城市轨道交通车辆的现状来看，备选车辆型式主要有以下几类：按车体宽度分：A、B、C类型。按牵引控制系统分：直流牵引控制系统、交流牵引控制系统。按车体材料分：耐候钢车、不锈钢车和铝合金车。按受流方式分：架空接触网和第三轨接触轨。按牵引供电系统电压等级分：DC1500V和DC750V两种。系统制式的选择，首先要考虑的是远期线路能力与客流需求的匹配。2）车辆选型与客流量的匹配依据《城市轨道交通工程项目建设标准》（建标04-2008）的要求，车辆选型应以项目客流预测数据位基础数据，根据沿线规划性质和乘客出行特征，客流断面分布特征、客流变化风险等多种因素综合确定，满足各设计年限单项高峰小时最大断面客流量的需要。A、B型车辆不同站立密度比较如下表；不同车型运能比较表列车编组列车长度(m)折返能力6人/m25人/m24人/m2定员运能定员运能定员运能6A140301860558001602480601352405606B118301460438001258237740105831740设计方案比选（二）原则方案比选2、车辆选型3）系统制式的选择，要考虑的是系统的适应性、经济性和可延展性。①从牵引控制系统看，采用变频变压（VVVF）交流牵引传动系统较为普遍，具有结构简单、维修工作量小、转速高、功率大、体积小等优点。交流牵引传动车辆目前正逐步取代直流牵引传动车辆，在我国北京、上海、广州、深圳等城市轨道交通中已经广泛使用，很多在建的城市轨道交通工程也都选用了交流牵引传动车辆，这也味我国交流传动车辆的技术发展和国产化提供了良好的市场环境。推荐车辆的牵引传动系统采用VVVF交流牵引传动系统。②从车体材料来看，耐候钢车体重量较重，耐腐蚀性能方面不如不锈钢和铝合金车体，维修量和运营成本较大，现有的车型较老，目前新建线路使用较少。不锈钢车体和铝合金车体各有千秋：不锈钢车体最大的优点是耐腐蚀，这种车体外表不用涂漆，因此易于维护，并可以减少喷漆工序和喷漆车间。目前国内有一些线路采用不锈钢车体，如北京地铁的部分线路和西安地铁。采用铝合金车体的优点是不易锈蚀、重量轻。铝合金车体与钢车体相比，还可减轻相应重量10%；根据国内有关厂家测算，采用铝合金作为车体材料，车辆的自重可减少约3T。由于车辆自重减轻，减少了列车牵引和制动时产生的热量和粉尘，减轻隧道的升温和污染，轮轨磨耗也相应减少，可节省一定数量的维修费用：由于车辆自重的减轻，改善了列车运行品质，提高运行速度，缩短制动距离，减少振动和噪声等。铝合金车体目前在国内得到广泛的采用，如广州地铁、上海地铁各线、上海莘闵轻轨线、南京地铁、杭州地铁等均采用或即将采用铝合金车体的车辆。因此，采用铝合金或不锈钢车体各有优势，具体车型还需要与可能的车辆供应商进行沟通确定。设计方案比选（二）原则方案比选