從限界角度分析北京地鐵5號線采用國家地鐵標準B型車的可行性

摘 要: 本文從限界角度，分析了目前施工設計階段,地鐵五號線各區間隧道、車站斷面以及原來預留好的隧道斷面條件下，由車高3.7m的現有北京鼓形車改為國家地鐵標準B型車的可行性。
北京地鐵現運行的車輛，由于受既有線車站站臺限制，是在原寬2.6m車（C型車）基礎上，為增加載客量，從軌面以上高度1075mm起加寬形成鼓形車輛。該車最寬達到2.8m，此種車為非標準B型車，載客量較標準B型車少，并且由于受車型限制，站臺面與車廂地板面高差較大（135mm），對乘客（尤其是乘坐輪椅的殘疾人）上下車造成不便。
在北京地鐵新線設計評審中，專家也多次提出采用標準B型車的建議。目前,北京地鐵5號線（以下簡稱5號線）還未完全實施,地鐵4號線、10號線一期及奧運支線、9號線工程正在待建之際，很有必要抓住這個機會，改進車輛造型，對在北京地鐵新線上采用標準B型車是否可行進行必要的研究。
5號線是連接北京地鐵車輛廠的唯一通道，軌道交通路網中規劃的其他線路均需通過五號線方可與北京地鐵車輛廠連通，因此，五號線的車輛限界決定了其它線路的車輛限界。目前，五號線正在開展施工設計，還未施工，具備采用標準B型車的基礎。標準B型車造型美觀，相對北京現有車輛來說，還可以增加載客量,另外,標準B型車的空調不必采用薄型空調。從增加載客量、車輛造型美觀、方便乘客上下車及車輛標準化角度出發，北京地鐵新線車輛應選用標準B型車。
一、 國家標準B型車簡介
為了推進車輛國產化、標準化，我國把地鐵車輛分為A、B兩種車型。標準A型車車寬3.0m,車高3.8m,車體有效長度22.1m,車輛定距15.7m,轉向架固定軸距2.5m；標準B型車車寬2.8m,車高3.8m，車體有效長度19.0m,車輛定距12.6m,轉向架固定軸距2.2～2.3m。標準B型車有一個建議車輛計算輪廓線，在此基礎上，結合國內、外車輛實際情況，考慮應具有較強包容性,綜合考慮計算得出一個車輛限界，該車輛限界是具有法定約束力的限界。車輛制造廠家在此車輛限界范圍內，在不突破標準B型車的限界的基礎上，可以優化車輛計算輪廓線、車輛制造輪廓線等，使車輛外形美觀。標準B型車車輛計算輪廓線、車輛限界見圖1。

圖1 國家標準B型車圖及坐標

二、 五號線采用標準B型車可行性研究
1、 區間
北京地鐵五號線工程地下線主要有馬蹄形隧道、圓形隧道和總長度約600m的矩形隧道三種隧道斷面形式。
(1) 圓形隧道
設計盾構法施工圓形隧道雍和宮試驗段時，依據北京城鐵車輛限界(車高3.7m)來確定的建筑限界,軌道建筑高度當時定為800mm，圓形隧道建筑限界為直徑5100mm的圓，后地鐵公司領導考慮到車輛頂部的薄型空調供貨將來如果有問題，則只能采用常規空調，那么車高就會超過3.7m，加之盾構段施工經驗不足，需要留有一定余量，半徑方向外放了50cm，故最終建筑限界直徑定為5200mm。在開展施工設計前，由于盾構施工單位已經確定，其盾構機械也是按照建筑限界5200mm來選型的，施工設計時，如再變更建筑限界，土建設計及施工均是不可能的。故其余盾構段線路建筑限界延續下來，仍定為直徑5200mm。施工設計階段，經與軌道、接觸軌專業協商，對三軌墩布置型式進行了優化，軌道建筑高度可以由初步設計階段的800mm降為740mm，這樣，對于本線限界最緊張的曲線半徑400m曲線段，經檢算限界凈空仍能滿足采用標準B型車行車安全需要，見圖2。

a) 圖2 標準B型車在區間400m曲線段圓形隧道斷面限界圖

(2) 馬蹄形隧道
對于馬蹄形隧道，由于初步設計階段確定的限界凈空有一定余量，加之對設備布置位置做一適當調整后,可以留出一定安全空間，調整后，限界凈空相對圓形隧道緊張一些,通過對本線限界最緊張的500m曲線半徑段限界凈空檢算后，標準B型車也能滿足安全行車需要，也即對本線工程區間礦山法施工的馬蹄形隧道斷面，在不需要修改設計前提下，該限界斷面也能滿足標準B型車行車安全需要。見圖3。

圖3 標準B型車在區間500m曲線段馬蹄形隧道斷面限界圖

(3) 矩形隧道
對于矩形隧道,由于原來是按照城鐵（車高3.7m，車寬2.8m）車輛設計，如采用標準B型車(車高3.8m)，側面凈空滿足限界要求,但頂部凈空不滿足限界要求,按照標準B型車限界，結構頂板需要相應抬高150mm才能滿足要求。由于地鐵五號線區間明挖矩形隧道十分短，全線只有宋家莊站前后大約400m及干楊樹站北側出洞口前200m左右，且都處于施工設計階段，現在立即修改設計，是完全可能的。因此，對于矩形隧道，只需對頂部凈高做下修改設計，就能滿足采用標準B型車限界要求。區間直線段標準B型車矩形隧道限界見圖4。

圖4 標準B型車在區間直線段矩形隧道斷面限界圖

綜上所述，車輛如采用標準B型車，將只會引起區間矩形隧道斷面高度方向的修改設計，對其它地下區間（圓形隧道、馬蹄形隧道），不需要修改設計。
2、車站
標準B型車車寬為2.8m,車高為3.8m，車廂地板位置寬度也為2.8m。由于五號線目前（施工設計階段）是按北京城鐵車輛設計，其車站限界見圖5。

圖5 北京現有鼓形車在車站直線段斷面限界圖

由于該車在軌面以上高度1075mm起局部鼓形，車輛限界決定了站臺的高度(965mm)和站臺邊緣距離線路中心線的距離。而該車車廂地板面距軌面為1100mm，導致站臺面與車廂地板面高差多達135mm，給乘客上下車帶來諸多不便，也不滿足限界標準規定的50～100mm的規定。如果本線采用標準B型車，其車站限界情況見圖6。

圖6 標準B型車在車站直線段斷面限界圖

5號線采用標準B型車后，車站站臺限界需要變更,即車站站臺邊緣與線路中心線距離由1400mm變更為1500mm（即側站臺寬度減小100mm）,車站站臺面高度由965mm變更為1020mm（即車站站臺面抬高55mm）。由此涉及到以下問題:(1) 車站站臺寬度將減小100mm（側式站臺）或200mm(島式站臺)。
（2）站臺面至其上吊頂高度是否滿足最小3000mm的建筑要求。（3）站臺邊緣與車站柱子邊緣距離是否滿足規范2.5m的要求。 經調查研究,,由于設計時大多數車站有富余量，全線車站只有兩個車站有些困難，其余都不存在問題，但該兩個車站可以采取規范中允許在困難情況下采用的措施進行設計，同時也可以滿足建筑規范要求，且對行車安全不會有影響。
對于車行道上方排熱風道底面至軌面高度限界，原來按照車高3.7m預留的高度限界，如果采用標準B型車（車高3.8m），按規范要求，車行道上方排熱風道底面至軌面高度限界需要抬高150mm，經調查研究，大多數站頂部凈空有富余，少數站可以對管線設備做一調整，限界抬高不存在問題。
綜上所述，采用標準B型車對車站帶來的以上影響，在車站修改設計中都能得到解決，因此,對車站，采用標準B型車是可行的。
三、特殊地段的影響――雍和宮預留控制節點的研究
地鐵環線（2號線）雍和宮車站施工時，為地鐵五號線預留了一段隧道，該段隧道控制節點長25m，詳見圖7。

圖7 雍和宮車站預留控制節點限界示意圖

隧道結構頂板與底板原來按照4700mm預留的,經現場實測數據表明,結構頂板和底板標高相對原來設計標高整體下沉約110mm，即頂板與底板凈高仍為4700mm。由于使用功能的要求，需要在預留節點頂部采取加固措施,頂板加固將占用270mm的頂部空間，實際結構頂板到底板高度為4430mm。為保證行車安全，軌面至頂板高度最小需為4027mm。考慮到限界高度緊張，經與線路專業協商，線路在此段可設計為平坡，通過如此調整后，在滿足行車高度限界4027前題下，軌面到結構底高度實際為403mm。
對于軌面以下高度（403mm），按常規做法，該高度將不滿足軌道正常設計和排水溝高度設置要求，經分析研究，可采取如下特殊措施，即可使軌面以下高度減小，又能滿足軌道鋪設和排水需要。 1. 軌道結構的零部件特殊安裝（詳見圖8）。

圖8 雍和宮控制節點軌道零部件特殊安裝圖

2. 水溝設置坡度和寬度加以調整。(詳見圖9).

圖9 雍和宮控制節點水溝設置示意圖

采取以上特殊措施后(水溝寬度見圖8)，該預留控制節點處限界仍能滿足行車安全需要。
四、采用標準B型車優點與遺留問題
1、 優點
（1） 車輛外形美觀。
（2） 充分利用了隧道凈空尺寸，尤其圓形隧道。
（3） 同一線車輛相比，可以增加載客量。
（4） 站臺面與車廂地板面高差減小，方便乘客上下車，并且該高差符合國家限界高差標準。
2、 遺留問題
(1) 標準B型車不能在目前已運營線路（1號線、2號線、13號線）和八通線上運營。
(2) 在新線建好而新線車輛未到時，借用目前運營的舊車輛運營，車站站臺邊緣與車輛邊緣縫隙偏大（約200mm），對乘客上下車存在不安全隱患，需要對站臺邊緣采取臨時處理措施（如在站臺邊緣貼橡皮層等）。
五、結 論
本文通過對以上隧道斷面的限界分析，北京地鐵五號線目前雖然已經開始施工設計（局部地段已經施工），但在基本不引起較大設計改動量和工期前題下，通過對車站站臺限界和500m左右的明挖矩形隧道高度做一修改設計，北京地鐵五號線采用國家地鐵標準B型車是完全可行的。基于對北京地鐵五號線各隧道斷面限界進行的分析，促使北京地鐵公司領導下定決心在地鐵五號線、四號線以及十號線上采用了國家地鐵標準B型車。