Метрополитен — рельсовый вид ГПТ с обособленным путевым устройством тоннельного, наземного или эстакадного исполнения. В настоящее время линии метрополитенов прокладывают преимущественно в подземном уровне, так как в наземном исполнении они нарушают другие транспортные связи города и загромождают городскую территорию.
Подземная трассировка линий определяет высокий уровень капитальных затрат на метрополитене, основная доля которых приходится на тоннели. Стоимость прокладки линий метрополитена составляет примерно 10—18 млн. руб/км одиночного пути, т. е. в 100 раз превышает стоимость прокладки двухколейного трамвайного пути современной конструкции.
При прокладке линий метрополитена в тюбах глубокого заложения площадь выработки растет пропорционально квадрату диаметра тюба. Хотя стоимость тоннеля растет медленнее, чем диаметр его поперечного сечения, тем не менее по строительным затратам очевидна экономическая выгодность тоннелей малого сечения. Но малые габариты тоннелей заставляют применять малогабаритный подвижной состав с ограниченной провозной способностью, поэтому габариты тоннелей метрополитенов в разных странах приняты с учетом ожидаемых пассажиропотоков разными, включая и габариты рамных тоннелей мелкого заложения.
Габариты линий мелкого и глубокого заложения метрополитенов Москвы, Нью-Йорка, Лондона, Парижа и некоторых других городов показаны на рис. 4.1. В соответствии с принятыми габаритами тоннелей различают три класса метрополитенов:
- Метрополитены с железнодорожным габаритом подвижного состава (в Нью-Йорке, Лондоне на сети мелкого заложения). Основное преимущество этих метрополитенов — возможность прямой беспересадочной связи линий городских и пригородных железных дорог.
- Метрополитены с нормальным габаритом подвижного состава (меньшим железнодорожного): шириной 2,4—2,7 м, высотой 3,4—3,7 м и длиной 16—19 м. К таким метрополитенам относятся Московский, Парижский и др. Подвижной состав отечественных метрополитенов имеет габаритную длину 18,77 м, ширину 2,7 м, высоту 3,795 м и базу 12,6 м.
- Метрополитены с трамвайными габаритами подвижного состава (мини-метрополитены). Такие метрополитены часто называют подземным или скоростным трамваем, в особенности если их трасса проходит и в подземном и в наземном уровнях. В настоящее время они получают широкое распространение.
Рис. 4.1
Габариты линий метрополитенов мелкого и глубокого заложения
В связи с прямой экономической выгодой возможно более полного использования габарита тоннелей требования к точности габаритов на метрополитенах значительно выше, чем на трамвае и других видах наземного ГПТ.
Габариты подвижного состава отечественных метрополитенов определены ГОСТ 18226—72 «Вагоны метрополитена. Основные параметры и технические требования» и СНиП 11-Д.3—68 Госстроя СССР. Строительство метрополитенов требует значительного времени. Их тоннели рассчитаны на эксплуатацию до 500 лет, маневренность транспортной сетью практически исключается. Однако мобильность градостроительства, развитие городов во времени от этого практически не страдают. Линии метрополитенов оказывают глубокое градообразующее влияние на окружающую застройку и в то же время при подземной трассировке не загромождают улиц и не мешают застройке.
Эксплуатационные расходы на метрополитенах значительны, что определяется главным образом необходимостью постоянного наблюдения за протечками грунтовых вод. Количество точек протечки грунтовых вод на новых линиях метрополитенов может доходить до 1000—1500 на 1 км пути. Большие эксплуатационные расходы связаны также с обслуживанием станций, эскалаторов и переходов между станциями.
В связи с высокой стоимостью станций, а также по соображениям повышения скоростей сообщения подвижного состава перегоны на линиях метрополитенов принимают 1—2,5 км — примерно в 2—3 раза большими, чем на линиях наземного ГПТ1. При таких перегонах реализуются скорости сообщения подвижного состава до 35—40 км/ч.
Требования безопасности движения на метрополитенах выше, чем для наземного ГПТ вследствие особой опасности наездов в тоннелях и весьма ограниченной видимости пути. Максимальную безопасность движения обеспечивает трассировка линий метрополитена с пересечениями в разных уровнях, принятая в Москве, Париже и других городах, но она исключает маневренность маршрутной системы и затрудняет пересадку пассажиров, которая связана с большими затратами времени на переходы между станциями и внутри них. С учетом этого реальная скорость сообщения пассажиров метрополитена примерно вдвое ниже по сравнению со скоростью сообщения подвижного состава, а при поездках на короткие расстояния не превышает иногда 10—15 км/ч, т. е. даже ниже, чем при использовании наземного ГПТ. Поэтому метрополитен используется пассажирами в основном как скоростной вид транспорта при поездках на большие расстояния. В метрополитенах, например, Нью-Йорка, Лондона и некоторых других городов линии трассированы частично с пересечениями в разных уровнях и частично в одном, что позволяет создавать маршрутные системы, подобные трамвайным. Однако это снижает условия безопасности движения поездов и приводит к увеличению времени ожидания их на станциях.
По экономическим соображениям метрополитены используют в качестве основных скоростных транспортных систем в столичных и крупнейших городах I и II групп с населением не менее 500 тыс. человек, а линии их прокладывают по наиболее пассажиронапряженным направлениям с устойчивым пассажиропотоком не менее 25—30 тыс. пасс/ч в одном направлении движения. Экономическая плотность транспортной сети вследствие больших капитальных затрат в тоннели сравнительно невелика и не превышает 0,5 км/км2 селитебной территории города.
1 В соответствии с рекомендациями СНиП 11-60—75 п. 8.15 расстояния между ОП для автобуса, троллейбуса и трамвая не должны превышать 600 м, для экспресс-автобуса, троллейбуса и трамвая — 800—1200 м, для метрополитена — 1200—1500 м и для электрифицированных железных дорог в черте города — 1500—2000 м.
При прогнозировании развития метрополитенов в СССР исходят из потребности в них во всех городах с населением более 1 млн. человек (СНиП П-60—75, п. 8.13). По имеющимся прогнозам к 1980 г. таких городов-миллионеров будет в нашей стране 17—18.
В настоящее время проектируются и строятся метрополитены в Минске, Горьком, Куйбышеве, Свердловске, Новосибирске, Ереване.
Подвижной состав метрополитенов по конструкции и основным узлам оборудования, за исключением более жестких габаритных ограничений и требований надежности, близок к подвижному составу трамвая. Вагоны проектируют, как правило, четырехосными на двух двухосных поворотных тележках или шарнирно-сочлененными. Внутреннюю планировку, а также количество и расположение дверей выбирают с учетом сравнительно короткого времени пребывания пассажиров в подвижном составе и требований ускорения пассажирообмена в целях сокращения времени стоянок на станциях. В связи с большим пассажирообменом на станциях, в 2—4 раза превышающим пассажирообмен подвижного состава трамвая, вагоны метрополитена выполняют с большим количеством дверей, продольным расположением сидений, широкими проходами и большими накопительными площадками у дверей. Специализация дверей на вход и выход пассажиров, требующая переходов пассажиров внутри вагонов, обычно отсутствует. Общая ширина дверей составляет около 0,4 длины вагонов против приблизительно 0,2 у вагонов трамвая. Для ускорения и облегчения пассажирообмена Уровень пола вагонов метрополитена располагают на уровне посадочных платформ.
Оборот подвижного состава метрополитенов с целью экономии площадей производят обычно на тупиковых путях без оборотных колец, поэтому вагоны имеют двустороннее управление и двустороннее симметричное расположение дверей.
Энерговооруженность вагонов (мощность тяговых двигателей в расчете на единицу массы вагона без пассажиров) составляет 8—15 кВт/т, т. е. соизмерима с энерговооруженностью трамвайных вагонов. Тот же порядок цифр имеют и динамические показатели подвижного состава (за исключением более высокой скорости): среднее пусковое ускорение и замедление при служебном торможении 0,9—1,5 м/с2, замедление при экстренном торможении 1,0—2,5 м/с2, максимальная скорость движения 70—90 км/ч. Некоторые типы вагонов метрополитена, как и современные трамвайные, оборудованы рельсовыми тормозами, но большинство имеют электрический и механический с пневматическим или электропневматическим приводом. Основные параметры и технические требования к подвижному составу метрополитенов СССР установлены ГОСТ 18226—72 «Вагоны метрополитена. Основные параметры и технические требования». Им определены его габаритные размеры, весовые и динамические показатели, конструктивная скорость, плавность хода и др.
Современный подвижной состав метрополитенов имеет, как правило, групповую автоматическую систему управления ТЭД, обеспечивающую управление всеми вагонами поезда по «системе многих единиц» из кабины машиниста головного вагона от одного контроллера управления. Для управления пуско-тормозными режимами обычно используют системы реостатного регулирования. В последнее время на подвижном составе метрополитенов и наземного ГПТ (трамвая и троллейбуса) внедряют бесконтактные тиристорно-импульсные системы управления, обеспечивающие снижение до 30% расхода электрической энергии на движение, повышенную плавность пуска и торможения и эксплуатационную надежность. Снижению расхода электрической энергии на движение и облегчению динамического режима работы поездов метрополитена способствует также специальная трассировка пути в профиле на перегонах между станциями. Особенность метрополитенов по сравнению с наземным ГМПТ — использование железнодорожных систем автоблокировки, так как система организации движения по принципу прямой видимости транспортной обстановки, принятая на наземном, ГПТ, для метрополитенов неприемлема. Автоблокировка обеспечивает необходимую безопасность движения при достаточно высокой частоте движения поездов.
Вследствие сравнительной легкости автоматизации управления движением подвижного состава, обусловленной отсутствием помех движению, на метрополитенах в настоящее время широко применяют системы автомашиниста — управление и оптимизацию режимов движения поездов с использованием электронных вычислительных машин (ЭВМ). Впервые в мире система автомашиниста была осуществлена и испытана в 1957—1958 гг. в СССР. В настоящее время различные варианты автомашиниста внедрены и внедряются на Московском, Ленинградском, Парижском, Стокгольмском и других метрополитенах.
Одним из главных преимуществ метрополитенов перед другими традиционными видами ГПТ, кроме сравнительно высокой скорости сообщения подвижного состава, является высокая провозная способность, определяемая большой вместимостью поездов и сравнительно высокой частотой движения. При интервале 1,5 мин (40 поездов/ч в одном направлении движения), вместимости вагона 170 пасс.1 и 8-вагонном поезде теоретическая провозная способность линии метрополитена составляет 40·170·8=54 400 пасс/ч. Минимальный интервал движения на линиях отечественных метрополитенов в часы пик составляет около 90 с, а частота 28—40 поездов в час. В настоящее время ведутся большие работы по повышению пропускной и провозной способности наиболее загруженных линий за счет разработки и внедрения систем автомашиниста, автоматической локомотивной сигнализации (АЛС) и автоблокировки, оснащения метрополитенов новым подвижным составом с улучшенными характеристиками, разработки и внедрения автоматизированных систем управления (АСУ) метрополитена.
1 Соответствует расчетному наполнению 5 чел/м2 площади пола пассажирского салона для стоящих пассажиров.