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地铁

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地铁铁路运输的一种形式,目前在中文的词意上有两种理解,但均与城市轨道交通系统相关:

  1. 指在地下运行为主的城市轨道交通系统,即“地下铁道”或“地下铁”(Subway、underground)的简称[1][2];许多此类系统为了配合修筑的环境,并考量建造及运营成本,可能会在城市中心以外地区转成地面或高架路段。[3]
  2. 指涵盖了各种地下与地上的路权专有、高密度、高运量的城市轨道交通系统(U-Bahn 、rapid transit),在台湾多称为捷运;除了定义1之外,也包括高架铁路(Elevated railway)或路面上铺设的铁路。中国大陆的城市轨道交通标准中规定了地铁必须拥有专有路权且与其他运具线路无平交,以作为区分轻轨运输系统的主要特征。[4][5][6][7][8][9]

定义

一般来说,现代的地铁须具有以下几个条件:[10][11][7]

  1. 在城市内部运行的大客流量、主要以电力驱动的轨道交通,换言之,该系统须主要在城市内部运行,服务城市;
  2. 拥有独立路权,运输时不为其他交通系统所干扰。
  3. 班次密集,在白天的频率一般在10分钟以内一趟。

根据这个定义,地铁无须完全建于地下,可以位于地面或高架桥上;亦无须采用重轨(重量大于每米30千克的铁轨),如使用轻轨(重量小于或等于每米30千克的铁轨)[12]能做到以上几点的,应当也能算成地铁, 如温哥华高架列车(博览线早期用ICTS Mark I轻轨列车);至于是采用钢轮或是胶轮,是传统的两根轨道或是跨座式、悬挂式单轨、是用第三轨或是接触网、是自动驾驶或是有人驾驶、轨距几何,都不影响这个定义的适用。[10]

历史

世界上首条地下铁路系统是在1863年开通的伦敦大都会铁路,是为了解决当时伦敦的交通堵塞问题而建。当时电力尚未普及,所以即使是地下铁路也只能用蒸汽机车。由于机车释放出的废气对人体有害,所以当时的隧道每隔一段里程便要有和地面打通的通风槽。[13]

到了1870年,伦敦开办了第一条客运的钻挖式地铁,位在伦敦塔附近、穿越泰晤士河的伦敦塔地铁(Tower Subway)。但这条铁路并不算成功,在运营数个月后便因新通车的伦敦塔桥取代了大部分的旅运量而废线。现存最早的钻挖式地下铁路则在1890年开通,亦位于伦敦,连接市中心与南部地区。最初铁路的建造者计划使用类似缆车的推动方法,但最后用了电力机车,使其成为第一条电气化地铁,即现时北线的一部分。早期在伦敦市内开通的地下铁亦于1905年全数电气化。现存最早的越江地下铁路于1886年开通,位于利物浦,以连接利物浦市中心与河对岸的伯肯黑德码头区。 1896年,当时奥匈帝国的城市布达佩斯开通了欧洲大陆的第一条地铁,共有5公里,11站,至今仍在使用。

法国巴黎巴黎地铁在1900年开通,最初的法文名字“Chemin de Fer Métropolitain”(法文直译意指“大都会铁路”)是从Metropolitan Railway直接译过去的,后来缩短成“métro”,所以现在很多城市轨道系统都称Metro苏联的地铁也顺理成章,称作метрополитен,简称Метро

至于亚洲第一条地下铁则是日本东京地铁银座线,于1927年开始通车。

地铁施工

明挖回填法的案例——台北捷运松山线。松山线并非全线皆使用明挖回填,此段因有袋型轨仅可使用明挖回填法
明挖回填法的案例——台北捷运松山线。松山线并非全线皆使用明挖回填,此段因有袋型轨仅可使用明挖回填法

在地底下挖隧道并不是一件容易的事,而且需要极大量的金钱[注 1]时间,至少也要好几年才能完成。以下为地铁的主要施工方法。

明挖回填

最简单直接的方法是明挖回填。这种方法一般是在街道上挖掘一条大沟渠,然后在其内铺设轨道、建造隧道结构,隧道有足够的承托力后才把路面重新铺上。

除了道路被掘开,其他地下结构如电线电话线水管等都需要重新配置。

建这种隧道的物料一般是混凝土,但较旧的系统也有使用砖块

盖挖法

当地下工程施做时需要穿越公路、建筑等障碍物而采取的新型工程施工方法,是由地面向下开挖至一定深度后,将顶部封闭,其余的下部工程在封闭的顶盖下进行施工。主体结构可以顺作,也可以逆作。

盖挖法适用于松散的地质条件、隧道处于地下水位以上的地区。

特点:对结构的水平位移小,安全系数高,对地面的影响小,只在短时间内封锁地面交通,施工受外界气候的影响小。但是,盖板上不允许留下过多的竖井,后续开挖土方需要水平运输,出土不方便,施工空间较小,施工速度慢,工期长,费用较高。

浅埋暗挖

适用于浅表软弱地层的地下工程设计、施工,为距离地表较近的地下进行各种类型地下洞室暗挖施工的一种方法。在城镇软弱围岩地层中在浅埋条件下修建地下工程(隧道,地下泊车场等),需以改造地质条件为前提,控制地表沉降为侧重点,使用格栅(或其他钢结构)和喷锚作为初期支护手段,并大部分的遵循“新奥法”原理,按照十八字原则(即管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测)进行隧道的设计和施工。

矿山法

属于暗挖法的其中一种,主要用钻眼填充炸药爆破的方法开挖断面而修筑隧道及地下工程的施工方法。因借鉴矿山开拓巷道的方法,故名矿山法。用矿山法施工时,将整个断面分部开挖至设计轮廓,并随之修筑衬砌。当地层松软时,则可采用简便挖掘机具掘进,并根据围岩稳定程度,在需要时应边开挖边支护。分部开挖时,断面上最先开挖导坑,再由导坑向断面设计轮廓进行扩大开挖。分部开挖主要是为了减少对围岩的扰动,分部的大小和多少视地质条件、隧道断面尺寸、支护类型而定。在坚实、整体的岩层中,对中、小断面的隧道,可不分部而将全断面一次开挖。如遇松软、破碎地层,须分部开挖,并配合开挖及时设置临时支撑,以防止土石坍塌。

钻挖法

另一种方法是先在地面某处挖一个竖井,再在井底挖掘隧道。最常见的方法为使用钻挖机(潜盾机,盾构机),一面挖掘一面把预先准备好的组件安装在隧道壁上。对于建筑物高度密集的地方或无法进行明挖法的区域(如水域),钻挖法甚至是唯一可行的建造方法。

这种方法的优点是对街道交通或其他地下设施的影响非常小,甚至可在水底建造(伦敦纽约东京香港首尔广州等都市的城市轨道系统都有很多越过河流海港的隧道);隧道的设计也有较多的创作空间,例如车站会比站与站之间的隧道高一些,有助列车离站时加速以及入站时减速。此外,当要挖掘较深的隧道时也常采用此法。

但这种挖法也不是没有缺点的,除了成本较高之外,也经常需要留意地下水的影响;另外在一些较硬的岩层开挖,可能需要炸药。地下空气供应问题甚至隧道坍塌亦有可能造成工人伤亡。此外,对于建筑高度密集的地方,挖掘时除了要留意避免对工地四周的建筑结构造成影响以外,有时亦要统筹所在的公用事业,把地底的输水、输电管线迁移,以便腾出地方来兴建列车通道。

沉管式

只适用在水下建设隧道。将海床挖掘至指定深度,然后将预制隧道组件下沉至预定位置,再抽走积水、铺上铁轨即完成。

受流方式

内径仅有3.81m的伦敦地铁北线隧道
内径仅有3.81m的伦敦地铁北线隧道

全世界绝大多数地铁均采电气化提供车辆动力。一般而言,为减低隧道建造成本,地铁隧道必须尽可能小,对于明挖法时代修建的地铁,由于隧道断面多呈方形,因此为了减少开挖面积,此时期地下铁会选择使用第三轨供电方式以缩小隧道断面。对于现代常用的盾构法建造而言,则多用刚性接触网系统,因为隧道呈现圆形断面,使用刚性接触网并不增加隧道直径,反而是使用第三轨供电可能增加隧道直径。此外,刚性电缆亦可与柔性电缆直接连结。当今世界地铁系统总的来说,接触网系统属于后发致胜,逐渐成为主流系统。

地铁的受流方式主要如下:

第三轨供电

第三轨供电主要为第三轨供电,少数采用第四轨受流。第三轨在原有两轨线路侧边新增轨道带电,车辆则利用集电靴获得电力;电流经车轮和运行轨道回到发电厂。第四轨除了原有车轮支撑导引用轨道外,另外增设两条轨道各供应直流电正负两极,或者供应三相交流电,但不如第三轨式经济,故不常见。

高架电缆

电力由高架电缆提供,车辆则利用受电弓获得电力,有时亦会以车轮经过轨道将电流带回发电厂。使用高架电缆受流的地下铁,电缆设置会非常低,几乎触及车顶,以减少隧道高度,从而减低建造成本。

由于上述原因,地下铁均会使用直流受流,减少绝缘里程,隧道可以造得较低。相同等效电压的交流电需要√2倍的绝缘里程。

常见的直流受流有600V、750V、1500V及3kV。交流受流则有15kV及25kV。因此,直流受流需要建造更多的变压站。但对比整条铁路采用较大的隧道,建造更多变压站成本较低。

优点和缺点

优点

  • 节省土地:由于一般大都市的市区地皮价值高昂,将铁路建于地底,可以节省地面空间,令地面地皮可以作其他用途;
  • 减少噪音:如果是经过精确设计的地铁系统,无论在地下还是地面,其车外噪音均低于一般公路。
  • 减少干扰:由于地铁的行驶线路不与其他运输系统(如地面道路)重叠、交叉,路权专有(不专有的城市轨道交通系统称为轻轨或者有轨电车),因此行车受到的交通干扰较少,可节省大量通勤时间。
  • 节约能源:在全球暖化问题下,地铁是最佳大众交通运输工具。由于地铁行车速度稳定,大量节省通勤时间,使民众乐于搭乘,也取代了许多开车所消耗的能源。此项原则上不包含全部或者大部分区间建于地下的地铁系统,地下线路车站的通风环控照明等消耗巨大,一般来说是列车运行能耗的4-6倍。

缺点

  • 建造成本较高:由于要钻挖地底,并且需要避开或迁移地下先前埋设的管线,使得铁路的建造成本比建于地面高昂。
  • 因大部分站点需要明挖法建造,使得建造期间地铁工地附近的道路交通挤塞
  • 速度受限:地下隧道如高速行驶会因风阻产生活塞效应,必须控制速度、设置地铁通风口(通风竖井)、或者是隧道内抽成真空才行,后者尚无实例;也因如此,高速铁路几乎很少有地下化车站,以台湾高铁的北部地下化路段为例,最高速度仅为时速120公里,若是以时速300公里的最高运营速度来行走该路段,活塞效应所造成的风阻力量足以造成高铁桃园站所有玻璃碎裂,直到2011年的改善工程完工才改变此现状。

安全性

虽然地铁对于雪灾、冰雹强风的抵御能力较强。但是对地震水灾火灾恐怖攻击等抵御能力很弱。由于地铁的构造,导致很容易因为这些因素发生悲剧。为此自地铁出现以来,工程师们就不断持续研究如何提高地铁的安全性。

地震

地震可以导致行进中的车辆出轨,因此地铁都设计有遇到地震立即停驶的功能。为防止地铁地道坍塌,处于地震地带的地铁结构必须特别坚固。

水灾

由于地铁的地底路段低于地平线,而导致地上的水容易灌入地铁内的设施。因此地铁在设计时不得不规划充分的防水排水设施,即使如此也可能发生地铁站淹水事件。为此在发生暴雨之时,地铁车站入口的防潮板和线路上的防水闸门都要关闭。 知名事件:

火灾

昔日人们不太重视地铁站内的防火设施,车站内一旦发生火灾,瞬间就会充满烟雾,而引发严重的灾祸。1987年11月18日,英国伦敦地铁国王十字圣潘克拉斯站发生火灾,导致31人死亡。产生火灾的原因之一是因为伦敦地铁内采用了大量木质建筑。日本各都市的地铁部门在车站内实施禁烟政策来避免火灾。同时还要求将车厢和车厢之间分割开来,避免采用大通道式(地铁列车不同车厢之间直接连通,不设置通道门)的地铁列车,万一发生火灾,可以防止火灾迅速蔓延至所有车厢。

2003年2月18日,韩国大邱广域市的地铁车站遭到纵火,12辆车厢被烧毁,198人死亡,148人受伤。这次火灾产生如此严重死伤的原因除了车厢内部装潢采用可燃材料之外,车站区域内排烟设施不完善也是重要因素,加上车辆材质燃烧时产生了大量的一氧化碳等有害物质,而导致不少人中毒死亡。

恐怖袭击事件

由于地铁站人流密集,又位于密闭空间,容易成为恐怖袭击的目标。

地铁空气之压力

地铁因列车在隧道内高速移动,可能产生隧道及车厢内之压力剧烈改变,而造成旅客不舒适之感觉,或者影响设备之使用寿命,其压力改变之现象可详活塞效应。地铁因列车高速移动产生之压力波若传抵隧道出口,将产生隧道口微压波噪音,干扰附近住民安宁。

坠轨问题

昔日人们不太重视站台候车乘客的安全,随着坠轨事故近年愈趋常见,不仅造成列车延误,使用第三轨供电的线路更可能导致堕轨者触电致死,故此站台安全门/幕门受到重视。现时亚洲大部分城市轨道交通系统的新建线路全线安装屏蔽门,既有线路则逐步加装。在欧洲、大洋洲及南美洲,部分新建线路装设屏蔽门,既有线路则暂不加装。至于北美洲则仍未有装设屏蔽门的地铁系统。

地铁之最

最深的地铁

有些城市的土质不稳,或者为了战略需要,隧道要挖得特别深。俄罗斯圣彼得堡地铁有很多车站埋深超过50米,包揽全俄最深的10个地铁站里面的9个(只有第2深的站点是莫斯科胜利公园站)。

而在港铁系统当中,最深的车站是港岛线香港大学站,深度为70米。

然而,世界最深的地铁车站并没有定论。根据公开的数据[14]乌克兰基辅地铁1号线兵工厂站因为设在山体当中,距离地表足足105.5米,是全球最深的地铁站。然而,有传朝鲜平壤地铁最深处达地下200米,平均深度亦达100米。

图片集

注释

  1. ^ 北京地铁施工费用约每公里7亿人民币

参考材料

  1. ^ 《在线新华字典》,地铁条目
  2. ^ 《重编国语辞典修订本》,地下铁条目,中华民国教育部
  3. ^ GB 50157-2003《中华人民共和国国家标准 地铁设计规范》 互联网档案馆存档,存档日期2014-02-02.:“地铁 metro 或 underground railway 或 subway ——在城市中修建的快速、大运量用电力牵引的轨道交通。线路通常设在地下隧道内,也有的在城市中心以外地区从地下转到地面或高架桥上。”
  4. ^ 城市轨道交通工程项目建设标准(2008) (PDF). [2013-03-02]. (原始内容 (PDF)存档于2012-09-07). :高、大运量级的线路均采用全封闭形式。具有独立的专用轨道和信号、高密度 运行的、为中长运距服务的、现代化的城市客运快速骨干系统,传统称为“地铁”。(附件城市轨道交通工程项目建设标准条文说明第二章第十五条)。另外2008年重新修订的《城市轨道交通工程项目建设标准》(建标104-2008)取消了“轻轨”与“地铁”的区分,仅根据运能将线路分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个等级,并指出:“Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级线路是全封闭快速系统,采用独立的专用轨道和信号,高密度运行。Ⅳ级线路具有专用轨道和部分信号的中低运量系统,但部分路段设置铁路道口。”
  5. ^ Urban Mass Transit: The Life Story of a Technology,2006,Greenwood Press,ISBN 978-0-313-33916-5
  6. ^ Rapid transit. Merriam-Webster. [2008-02-27]. ; Metro. International Association of Public Transport. [2008-02-27]. (原始内容存档于2013-06-27). 
  7. ^ 7.0 7.1 Glossary of Transit Terminology. American Public Transportation Association. [2008-02-27]. (原始内容存档于2013-06-27). 
  8. ^ 城市快速轨道交通工程项目建设标准(试行本). [2013-03-02]. 其中对地铁的定义是:全封闭高运量及大运量的轨道交通系统。
  9. ^ 轻轨(LRT、全线与相交路口为平面交叉之 B 型路权),见轻轨运输系统介绍 页面存档备份,存于互联网档案馆
  10. ^ 10.0 10.1 What is a metro? A subway? An underground?. [2012-12-30]. 
  11. ^ Rapid transit. Merriam-Webster. [2008-02-27]. ; Metro. International Association of Public Transport. [2008-02-27]. (原始内容存档于2013-06-27). 
  12. ^ 城市轨道交通中的“轻轨”与“重轨” 互联网档案馆存档,存档日期2014-04-13.
  13. ^ 陈炳圣. 《万物简史》. 源桦. 2007. ISBN 986828421X. 
  14. ^ Самые глубокие станции метро в мире
15. https://baike.baidu.com/item/盖挖法

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外部链接

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