交通运输设备第三章城市轨道交通设备

交通运输设备第三章城市轨道交通设备第一节城轨交通概述第二节轨道与结构工程第三节城轨交通车站第四节城轨交通车辆第五节信号与通信系统第六节供电、环控与给排水系统第三章城市轨道交通设备[重点掌握]城市轨道交通系统的发展历史，基本分类，不同轨道交通系统设备的基本功能特点，设备设计与运营要求。第一节城轨交通概述一、历史与现状二、城市轨道交通基本形式一、历史与现状世界上最早的地铁是1863年元月10日在伦敦开通的一段6km长的线路。列车由蒸汽机车驱动，通风也很成问题；这条线路被人们称为“地沟铁路”。不过它运营几年后就电气化了。目前，伦敦已经建成了由12条线路组成、总长400余km的现代化城市轨道交通系统。亚洲最早的地铁是日本东京1927年12月开通的浅草-涩谷线。目前，日本有11个城市拥有城市轨道交通系统，东京50km圈内的轨道交通系统总长达2355km，其中高架铁路1985km，地铁及线性地铁273km。一、历史与现状我国最早的地铁是1969年建设的北京地铁。天津（1984）、上海（1995）、广州（1997）陆续建设了地铁香港的第一条地铁建成于1975年。到2001年底，已有10多个城市建成和正在建设轨道交通系统。一、历史与现状近年来，随着社会与经济的发展，人口向城市的集中加快，这种城市化导致了城市内部以及城市与市郊之间的众多交通问题。现代城市交通的目标包括六个方面：1．使人与货物到商业区、学校、工作地等地点的可达性最大化即实现客货的位移需要，这也是交通运输最基本的目标。一、历史与现状2．减少交通事故事故除了直接损失外，还产生了许多难以估计的外部费用。因此，降低交通事故成为所有发达国家与发展中国家共同关心的重要问题。3．使交通对环境的不利影响最小化随着人口密度的增加，交通引起的环境问题也越来越尖锐。4．引导城市规划目标的实现交通对城市发展具有诱导作用，交通规划考虑了城市或地区的长期效益，具有较好的可持续性。一、历史与现状5．保存稀缺资源，尤其是土地和石油要考虑人类生存和发展的长期后果，考虑发展的可持续性。6．使公众的代价最小化它反映了社会优化的观点。一、历史与现状研究表明：有轨的、运输能力大的交通系统已经成为现代城市发展的重要基础设施。日本的研究表明：按人公里计算，轨道交通能耗为1时，公共汽车能耗为1.8，私人汽车能耗为5.9，飞机为4.1。按人公里排放的CO2计算，当轨道交通排放为1时，公共汽车的排放为2.7，私人汽车的排放则高达8.3。一、历史与现状轨道交通技术在以下三个领域内取得了较好发展：1、技术上较为复杂的高速铁路系统在全世界范围内得到了较好的认可和发展；2、发生在城市中心到民航机场之间。3、城市轨道交通系统的建设，这些发展很大程度上缓解了城市范围内的交通拥挤，尤其是在私人轿车上下班线路上的拥挤。一、历史与现状城市轨道交通系统的设备包括:车辆、车站、线路、列车、控制以及通信信号系统等；它们的协同工作是为用户提供满意服务的保证。一、历史与现状按能力分为：市郊铁路(SuburbsRail)地铁(Subway)轻轨(LightRailTransit)有轨电车(TrolleyBus)二、城市轨道交通基本形式按构造分为：铁路地铁单轨导向轨道交通磁悬浮二、城市轨道交通基本形式北美轨道交通系统则分为：快速轨道交通（RRT）轻轨交通（LRT）通勤铁路（CR）自动导向系统（AGT）二、城市轨道交通基本形式主要服务于城市间客货运输早期的铁路由蒸气驱动的机车牵引现代铁路则主要有电力和内燃两种机车牵引形式，电力牵引采用高压交流供电方式。（一）铁路系统目前，铁路主要是沟通城市边缘与远郊区的手段。由于服务于人口密度相对稀疏的郊区，站间距比较大，它使得列车的运行速度可以提高许多。目前城市间高速铁路的商业速度已达到250km/h以上，一般地，市郊铁路线路的最高速度可以达到100km/h以上。市郊铁路主要为通勤者提供运输服务，故有时也称通勤铁路或地区铁路。（一）铁路系统为土地紧张的城市中心区提供的一种交通形式，每小时单向最大运送能力可达5万人次以上。地铁建设投资大，周期长。现代地铁的牵引多采用电力驱动的动车组方式，供电方式多为直流。各国地铁系统的建设标准不完全相同。（二）地铁系统日本还建设了另一种小断面地铁，即线性地铁。特点：断面较一般地铁要小，可降低建设成本，此外，它可以采用较小的曲线半径和较大的坡道，也可高架，维护较易，目前在日本已有几条线路建成投产。线性地铁能力略低于一般地铁系统。（二）地铁系统（三）轻轨系统目前各国采用较多的是形式比较灵活的城市轻轨运输系统（LightRailTransit或LightRapidTransit）。轻轨系统的雏形是城市有轨电车，后者由于与道路交通间的冲突而被淘汰和改造为与道路交通具有一定程度隔离的轻轨系统。Metrolink列车在车站轻轨铁路（三）轻轨系统一般地，轻轨要求有至少40%的股道与道路完全隔离，以避免拥挤，这也是它区别于有轨电车之处。轻轨运输系统可以在地面、地下或高架建设，其最大运送能力根据列车编组确定，每列车2节编组时每小时单向能力可达13500人。（四）特殊形式的轨道交通1．单轨系统最早的单轨系统一般可以追溯到1821年的英国人Palmer开发单轨所获得的发明专利。世界上第一条单轨运输线路是1824年在伦敦船坞修建的那条木轨线路，比蒸汽铁路还早，不过它是用马来牵引的。（四）特殊形式的轨道交通1888年法国人在爱尔兰铺设的、长约15km的跨座式独轨蒸汽铁路可以被认为是单轨铁路的先驱，它也是有动力单轨铁路走向实用的标志。1893年，德国人Langen发明了悬挂式单轨车辆1901年，一条13.3km的悬挂式单轨铁路投入运营，它也是利用街道上空建设单轨铁路的开始。现代单轨系统有跨座式和悬挂式两种类型。单轨铁路一般使用道路上部空间，故土地占用较少。大多数单轨系统采用橡胶轮胎，可以适应急弯及大坡度，对复杂地形有较好的适应性，从而减少拆迁量。同时，单轨系统建设工期较短，投资也小于地铁系统。单轨系统每小时单向最大运送能力在8400人至25200人，适用于对速度和运输需求较低的场合。（四）特殊形式的轨道交通2．自动导向系统（AGT）自动导向系统（AutomaticGuidewayTransit）是一种通过非驱动的专用轨道引导列车运行的轨道交通。在日本，较早的AGT系统是1981年开通的两条线路：一是神户新交通公司开通的三宫-中公园线路，全长6.4公里；二是大阪市住之江公园-中埠头间的6.6公里线路。自动导向系统2．自动导向系统（AGT）目前这两条线路均采用无人驾驶的ATO系统，运营速度22~27km/h，最大速度达到60km/h；高峰期最小间隔达到了3min左右，能力与单轨系统大致相同。下图是几类典型的AGT系统。第二节轨道与结构工程一、土质路基的轨道结构二、隧道内的轨道结构三、高加桥上的轨道结构四、结构工程概述轨道结构是城市轨道交通系统的重要组成部分，一般由钢轨、轨枕、扣件、道床、道岔及其他附属设备组成。为保证列车运行的安全，轨道结构应具有足够强度和稳定性、耐久性、绝缘性及适量弹性，且养护维修量小，以确保列车安全运行和乘客舒适。轨道交通在土质路基上一般宜采用混凝土枕碎石道床，并尽可能敷设无缝线路。一、土质路基的轨道结构目前的钢轨形式有三种：一是槽形钢轨，多用于街道轨道，即路面与钢轨轨面在同一平面的场合，如香港屯门轻铁。第二种是19世纪应用很广，但目前已经很少采用的双头钢轨，这种钢轨在英国还能见到。第三种是目前广泛采用的平底钢轨。（一）钢轨我国国家铁路的钢轨主要有50kg、60kg与75kg三种类型。年通过总重在15Mt－25Mt时，采用50kg/m钢轨；在25Mt－50Mt时，采用60kg/m钢轨；在大于50Mt时，采用60kg/m或750kg/m钢轨。（一）钢轨从技术性能上分析，60kg/m钢轨重量只增加17.7%，而允许通过的总重量可增加50%。重型钢轨不仅能增加轨道的稳定性，减少养护维修工作量，而且还能增加回流断面，减少杂散电流。（一）钢轨城市轨道交通在经济条件允许下，无论地面线、地下线或高架线，运营正线宜选用重型钢轨。对车场线来说，由于主要是供空车运行，速度又低，考虑到经济性，选用50kg/m或43kg/m钢轨均是可行的。（一）钢轨轨枕是轨道的基础部件，其功能是支撑钢轨，保持轨距及方向，并将钢轨压力传递到道床。轨枕的种类按构造有横向轨枕、纵向轨枕、短轨枕和宽轨枕四种；按铺设部位有适用于区间线路的普通轨枕、道岔区的岔枕和无碴桥上的桥枕；按制造材料可分为木枕、混泥土枕及钢枕三种。（二）轨枕及扣件一般情况下，碎石道床的轨枕应尽可能采用常规铁路所使用的预应力混凝土枕。对采用第三轨受电方式的系统，在安装三轨托架的地方还需使用特殊加长的混凝土枕。（二）轨枕及扣件扣件是联结钢轨与轨枕间的中间零件，其作用是将钢轨固定在轨枕上，保持轨距并阻止钢轨的横纵向移动。有碴轨道的钢轨扣件可采用弹条I型扣件（二）轨枕及扣件扣件道床是指路基之下、轨枕之上的部分。一般分为道碴道床（有碴道床）和无碴道床两大类。常见的道碴道床有碎石道床。（三）道床土质路基上一般采用碎石道床。碎石道床结构简单，容易施工，减振、减噪性能较好，造价低；不足之处是轨道建筑高度较高，轨道维护工作量大。（三）道床（一）扣件（二）扣件型式二、隧道内的轨道结构整体道床整体性能好，坚固稳定、耐久；轨道建筑高度小，减少隧道净空，节省投资；轨道维修量小，适宜城市轨道交通运营时间长，维修时间短的特点。（三）道床1．无枕式整体道床亦称整体灌注式，无枕式轨道建筑高度较小，主要采用就地连续灌注混凝土基床或纵向承轨台。国外一些国家修建铁路隧道时常采用这种型式，香港地铁和新建的轻轨交通也采用了这种型式，简称PACT型轨道。这种型式结构简单，减振性能也较好，但施工时需采用刚度较大的模架，施工较为复杂。（三）道床2．轨枕式整体道床这种型式道床可分为短枕式和长枕式两种。（1）短枕式整体道床这种道床轨道建筑高度一般为550mm左右，轨枕下道床厚度一般不小于160mm，一般设中心排水沟。这种道床稳定、耐久、结构比较简单，施工方法简便，进度较快。我国北京地铁一、二期工程大多铺设这种道床，经20多年运营，使用状态良好。天津地铁亦铺设了这种道床。（三）道床（2）长枕式整体道床这种道床设侧向水沟，一般长轨枕预留圆孔，让道床纵筋穿过，加强了与道床的联结。它适用于软土地基隧道，可采用排轨法施工，施工快。上海和新加坡地铁铺设了这种轨道，使用状况良好。（三）道床轨枕长枕式整体道床高架桥上的轨道结构也可分为有碴轨道和无碴轨道两种。有碴轨道和土质路基轨道结构相同。无碴轨道与有碴轨道相比，可减少桥梁恒载，降低梁的刚度和造价，同时可大大减少轨道维修工作量。但由于整体道床轨道调整量有限，所以对桥梁徐变及桥墩的不均匀沉降提出了更高的要求。三、高架桥上的轨道结构高架桥上通常采用承轨台式轨道结构，分有碴和无碴两种型式无碴式承轨台是一种整体灌注式的钢筋混凝土结构有碴式承轨台是一种沿纵向铺设在钢轨下面的条形钢筋混凝土结构，系二次灌注混凝土结构。三、高架桥上的轨道结构四、结构工程（一）地下结构类型及施工方法轨道交通地下工程的结构类型及施工方法应根据区间隧道及车站的规模、工程地质及水文地质条件和周围环境条件进行技术经济比较确定。一般常用的结构类型和施工方法有明挖法和暗挖法两种，特殊情况下还可采用一些其他方法。（一）地下结构类型及施工方法1．明挖法地下铁道线路在地下几米深时采用。明挖法采用敞开口开挖或以工字钢桩、钢板桩、地下连续墙、钻孔桩等护壁施工的明挖隧道或车站，一般为现浇整体式矩形钢筋混凝土框架结构。根据运营需要可做成单跨、双跨或多跨结构，单层、双层或多层结构。1．明挖法为减