立即下载 知乎日报 每日提供高质量新闻资讯

高速地铁: 看上去很美

图片:fancycrave1 / CC0

时速比普通地铁2倍还快,高速地铁修建难在哪儿?

网易《了不起的中国制造》,从未停止追赶

普通地铁时速只有几十公里,而高速地铁的速度可达 160 公里 / 小时~

出品 |网易新闻

作者 |须臾千秋,清华大学土木工程博士

  城市中穿梭来往的地铁,虽然速度只有每小时几十公里,但却给大城市的上班族带来了通勤的极大便利。

  随着现代城市的扩张,普通地铁已经逐渐无法满足城市居民的出行需要,北京、上海、广州、深圳这样的巨型城市,单向跨度往往会超过 100 公里,如果只借助普通地铁出行,单程出行时间就会达到两个小时甚至更多。为此,人们发明了一种在城市里跑的高铁——高速地铁。

  广州地铁 18 号线就是这样一条高速地铁。

(一)高速地铁有哪些好处?

  为什么要修建高速地铁?按理说,普通地铁又不会堵车,也能将人送到目的地呀。

  其实,高速地铁最大的优势就是“快”。

  在城市中,人们的行动距离受到出行时间的制约,很少有人愿意居住在距离工作单位一小时车程以上的地方,也很少有人愿意前往离家 30 分钟以上的商场逛街。

  然而,城市中的人们生活所需要的要素又很多:医院、教育、休闲、工作……这些要素必定分布在城市的不同区域,如果人们无论去哪里都要耗费大量的时间,那么距离城区较远的土地就变得毫无价值,市中心则会人满为患。城市无法扩张,市民的生活则越来越拥挤。

拥挤的地铁站

  而修建了高速高铁后,人们在距离市中心四、五十公里远的地铁站上车,也可以在半个小时内到达市中心。

  这样一来,人们即使居住在郊区,也能同样体验到城区生活的便利。从城市整体的角度来看,高速地铁将城市郊外的荒地也变成了便利的城区,聚集在市中心的人口得以疏解到郊区,像南沙这样原本无人问津的远郊也可以利用便捷的交通吸引来资金和人口,变成新的城区,创造财富。

广州南沙新区

  而且,相比起普通的城际高铁,高速地铁也有它难以比拟的优势。

  普通的高铁站往往规模庞大、结构复杂,进出站、候车、上下车的耗时很长,有时车程只有半个小时,可加上这些零散的时间却要一个多小时,根本起不到日常通勤的作用。

  高速地铁则不同,它的发车频率高,人们随来随走,赶上哪班坐哪班,与其它地铁也可以无缝换乘,极大地提高了通勤效率。

  因此,高速地铁可以在真正意义上将五十公里外的郊区纳入“一小时通勤圈”。

(二)高速地铁的修建有何特别之处?

  广州地铁 18 号线是广州市的南北快线,全长 62.7 公里,连接广州市中心城区与南沙新区,既可以支持南沙新区、南沙自贸区发展,又同时连接市中心城区线网,补充南北轴向方向客流发展走廊,使广州东站成为交通枢纽,是国内首批可以实现地铁服务水平的全地下市域快线之一。未来,这条线路还将有望继续向南,延伸至珠海、中山和清远地区。

  线路采用最高运营速度达 160km/h 的八节编组市域快线列车,定员高达 1750 人,是不折不扣的“重载高速地铁”。18 号线全线共设 9 座车站,平均站间距 7.8 公里,跑完全程只需 30 分钟。

  相对于中国到处跑的 350km/h 的高铁而言,广州地铁 18 号线的时速算不得什么,但让地铁实现高速却有其自身的难点。

  尽管相对于市区中每隔 1-2 公里都要停站的普速地铁而言,作为城郊线路的高速地铁站间距已经很大,站间距往往超过 10 公里;但相对于上百公里才停站一次的城际高铁,高速地铁的站间距可以算得上是非常短了。

  这意味着一条高速地铁,每隔几分钟就要经历一次加速到 160km/h 的高速,再减速、刹车直至停下,这对于地铁车辆而言是很大的考验,同时也会造成能量的浪费。

  频繁的刹车对列车的刹车材料要求很高,必须有极强的耐磨性、耐久性和可靠性,列车也必须进行频繁的检修,才能确保运行的安全。

  除了用刹车装置进行能量耗散型的制动外,为了节约能量,高速地铁车辆还会采用“再生制动”的方法进行能量回收。它可以将列车的电动机切换成发电机,利用车的惯性带动发电机发电,将车辆的动能转化为电能送回电网中,供另一辆正在加速中的列车使用。

  这样既节约了电能,也保护了刹车制动装置。

  高速地铁面临的另一个重要难题,就是它的运行空间并非开阔的室外,而是地下隧道。

  隧道内的压力波动幅值与列车的运行速度平方近似成正比,隧道内的压力会随着列车时速的提高发生剧烈的变化,给乘坐的舒适性造成严重影响,会令乘客耳膜压痛,甚至呕吐。尤其是列车加速减速时,对乘坐体验造成的影响就会更大。

  因此,工程师们会对列车在隧道中运行时的气动效应进行模拟研究,计算出列车的高速运行对列车和乘客造成的影响。相应地,在地铁隧道的修建中,会增加通风井的布置,为地铁隧道中的气流提供更多的压力出口,减小气流压力。

  同时,车辆工程师们也会增加地铁车厢的密封性,减小气流对车辆内乘客的影响。

列车驶入隧道时隧道内的压力分布云图

(三)高速地铁的未来发展方向

  广州地铁 18 号线将广州市区与南沙新区紧密地连接在了一起,这种高速地铁的模式也为全国新的地铁建设开了个好头。

  然而,单一的高速郊区线路在实际应用中也仍然存在着许多的弊病。

  对于地铁单线而言,运行速度和站点密度永远是一对不可调和的矛盾。要想尽可能地方便沿途旅客出行,那地铁的运行速度就会变得相当慢;要想让远途的旅客快速进城,那就势必照顾不到沿途的许多站点。

  比如广州地铁 18 号线,最大的站间距达 26 公里,这意味着对于这段区间内生活的居民而言,18 号线根本不存在,当地的发展也无法从 18 号线的建设中获得任何好处。

  如何能同时兼顾速度与便捷呢?国外大城市有值得我们学习的地方。

  通行的做法就是修建复线,两条线路并行,一快一慢,沿线居民可以坐慢线到达节点站,然后无缝换乘快线到达市区,这样,沿途站点附近的土地都可以得到开发。

  东京的一些线路甚至将通行列车的速度分为四级,这些列车有着明确的时间表,能够精确地在站点处进行会车、超车,最大限度提高铁轨利用效率的同时,也让郊区的居民可以尽可能快地通行。

令人眼花缭乱的东京轨道交通线路图,其中有地铁,电车,也有郊区线,其中大部分线路都有快、慢兼容的复线

  此外,随着城市规模的进一步扩张和城市群的发展,单凭市内的地铁线路无论如何也不可能满足人们的出行需要。

  城市群的人口规模动辄可达 4000 万以上,单凭过去的城市轨道交通是不可能应付的,长期来看,必须让城际列车与市内地铁之间实行无缝换乘,这是一件迟早要做、不得不做的事情。

  人们在广州市的任何一个地铁站走进地铁,最终都应该可以从深圳、珠海或者佛山的任何一个地铁站走出来,无论这中间换乘多少次,中间都不需要经过任何的重新进出站和三番五次的安检,这才是轨道交通建设的最终目的,而不仅仅是多多益善地修建新的地铁线路。

  在这一点上,中国的大城市与国外大城市相比还有不小的差距,尤其是考虑到中国的城市枢纽车站还往往规划得比较混乱,这就进一步增大了城市之间的交通时间成本,阻碍了城市群中各个城市之间的融合。

结语

  广州地铁 18 号线预计在 2020 年建成,发车间隔为 6-10 分钟,随着开通时间的推移,发车密度还会逐渐增大,最终达到 3 分钟一班。

  广州地铁 18 号线还拟将延伸至珠海、中山和清远地区,在其它方向也会陆续有郊区线路建成,并与城际铁路进行整合,最终将整个珠三角城市群高效地连接在一起。

作为世界上认知度最高的标签,中国制造(Made in China)正寻求战略升级。「了不起的中国制造」专栏,力邀行业权威、资深玩家,呈现他们眼中的中国创新之路。

投稿请联系 newsresearch_ntes@163.com,稿件一经刊用,将提供千字 800 元的稿酬。

扫描二维码下载知乎日报

支持 iOS 和 Android
二维码下载知乎日报
阅读更多 中国刑法为什么不把出轨入刑? 下载 「知乎日报」 客户端查看更多