[目的]城市軌道交通作為城市的重要交通基礎(chǔ)設(shè)施，對(duì)保障城市安全有序運(yùn)行至關(guān)重要。為應(yīng)對(duì)城市軌道交通系統(tǒng)所面臨的安全挑戰(zhàn)，需探討提升城市軌道交通系統(tǒng)安全韌性的策略。

[方法]介紹了“安全”的相關(guān)定義和“韌性”的相關(guān)表述，提出了城市軌道交通系統(tǒng)安全韌性概念的內(nèi)涵?；谏虾＼壍澜煌ǖ慕ㄔO(shè)和運(yùn)營(yíng)實(shí)踐，結(jié)合具體案例，圍繞隧道結(jié)構(gòu)安全性、設(shè)施設(shè)備可靠性和系統(tǒng)協(xié)同性三個(gè)方面提出了提升城市軌道交通系統(tǒng)安全韌性的策略。

[結(jié)果及結(jié)論]提出以強(qiáng)化本質(zhì)安全、系統(tǒng)安全為核心，通過(guò)夯實(shí)隧道結(jié)構(gòu)安全基石、強(qiáng)化關(guān)鍵設(shè)施設(shè)備可靠性、增強(qiáng)系統(tǒng)間匹配與協(xié)同等關(guān)鍵性舉措不斷提升城市軌道交通系統(tǒng)的安全韌性。

關(guān)鍵詞?城市軌道交通；安全韌性；結(jié)構(gòu)安全性；設(shè)備可靠性；系統(tǒng)協(xié)同性

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC Guide 51：2014《安全問(wèn)題》對(duì)“安全”的定義為“免除不可接受的風(fēng)險(xiǎn)”。國(guó)際民航組織對(duì)“安全”的定義為“安全是一種狀態(tài)，即通過(guò)持續(xù)的危險(xiǎn)識(shí)別和風(fēng)險(xiǎn)管理過(guò)程，將人員傷害或財(cái)產(chǎn)損失的風(fēng)險(xiǎn)降低至并保持在可接受的水平或其以下”。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)如GB/T 28001—2021《職業(yè)健康安全管理體系》對(duì)“安全”的定義為“免除了不可接受的損害風(fēng)險(xiǎn)的狀態(tài)”，GB/T 50438—2007《地鐵運(yùn)營(yíng)安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)“安全”的定義為“沒(méi)有不可接受的有害風(fēng)險(xiǎn)”。

韌性（resilience）來(lái)自拉丁語(yǔ)resilio、resilire和resalire，被描述為“受挫折后恢復(fù)原狀的能力”。20世紀(jì)50年代，物理學(xué)中的韌性定義為“在負(fù)載下韌性偏轉(zhuǎn)而不會(huì)斷裂或變形，在壓力作用下反彈復(fù)原的能力”。20世紀(jì)60年代初，生態(tài)學(xué)家通過(guò)研究生態(tài)種群系統(tǒng)穩(wěn)定性理論，提出韌性觀點(diǎn)。1973年，加拿大生態(tài)學(xué)家霍林（Holling）將韌性概念引入生態(tài)學(xué)領(lǐng)域，韌性內(nèi)涵表現(xiàn)為生態(tài)系統(tǒng)自身重組能力和適應(yīng)恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)的速度和能力。2010年，馬?。∕artin）借鑒復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)理論，提出了演化韌性，也稱為適應(yīng)韌性，是指系統(tǒng)為減少干擾的影響程度或利用沖擊來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)更新和結(jié)構(gòu)重組的能力，強(qiáng)調(diào)實(shí)體吸收、適應(yīng)、預(yù)測(cè)、恢復(fù)、抵御和應(yīng)對(duì)沖擊的能力。

結(jié)合“安全”和“韌性”的相關(guān)表述，可以將城市軌道交通系統(tǒng)安全韌性理解為：面對(duì)內(nèi)外部環(huán)境或人為擾動(dòng)時(shí)，城市軌道交通系統(tǒng)自身所具備的抵御、承受，或恢復(fù)至可接受水平的運(yùn)行能力。為此，一是從設(shè)施設(shè)備角度，需要強(qiáng)化關(guān)鍵核心系統(tǒng)的本質(zhì)安全；二是從運(yùn)行角度，需要從全局高度、系統(tǒng)思維來(lái)統(tǒng)籌兼顧，即樹立大安全理念；三是從經(jīng)濟(jì)角度，需要權(quán)衡好安全、效率與效益的關(guān)系，評(píng)估確定可接受的水平。

2?夯實(shí)隧道結(jié)構(gòu)安全基石

2.1 區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道優(yōu)化設(shè)置

GB 51298—2018《地鐵設(shè)計(jì)防火標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，相鄰聯(lián)絡(luò)通道（水平）距離不大于600?m（強(qiáng)制性條文）。住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部頒布實(shí)施的GB 55037—2022《建筑防火通用規(guī)范》中，調(diào)整了有關(guān)區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道設(shè)置的具體內(nèi)容，即不再明確相鄰聯(lián)絡(luò)通道間600 m間距的要求，但目前的設(shè)計(jì)實(shí)踐中仍按照GB 51298—2018中的要求執(zhí)行。

區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道施工作為重大安全風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，尤其在隧道疊交、越江區(qū)段等復(fù)雜地質(zhì)與環(huán)境下，可能引發(fā)涌水涌砂、路面塌陷、凍結(jié)管破裂等事故^[3]。上海軌道交通在既有線路建設(shè)中，為控制聯(lián)絡(luò)通道建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)，投入巨大?！笆奈濉逼陂g建設(shè)所面臨的環(huán)境更為復(fù)雜，類似情況更趨普遍。如12號(hào)線西延伸場(chǎng)七風(fēng)井—七莘路站區(qū)間工程的7#聯(lián)絡(luò)通道位于承壓含水層并近距離下穿既有運(yùn)營(yíng)線路（豎向最小凈距僅4.03m），施工風(fēng)險(xiǎn)極大。此外，若對(duì)聯(lián)絡(luò)通道與區(qū)間連接的排水管以及集水井內(nèi)注漿孔處置不當(dāng)，在運(yùn)營(yíng)期間列車持續(xù)振動(dòng)影響下會(huì)產(chǎn)生諸多安全隱患。據(jù)統(tǒng)計(jì)，軟土地區(qū)運(yùn)營(yíng)超過(guò)10年的地鐵隧道中，聯(lián)絡(luò)通道旁線路出現(xiàn)不均勻沉降的占比高達(dá)約80 %，沉降槽深度可達(dá)40 mm，影響范圍超過(guò)50 m^[4]。聯(lián)絡(luò)通道與主隧道連接部位的差異沉降會(huì)導(dǎo)致連接區(qū)域應(yīng)力集中，甚至?xí)霈F(xiàn)混凝土受拉或受剪破壞，進(jìn)而引發(fā)滲漏水病害。

因此，從科學(xué)、合理制定技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、優(yōu)化工程風(fēng)險(xiǎn)控制的角度而言，應(yīng)重新審視聯(lián)絡(luò)通道設(shè)計(jì)中相鄰聯(lián)絡(luò)通道間600m間距要求的合理性，甚至要研究如此設(shè)置的必要性，探索取消部分風(fēng)險(xiǎn)地層內(nèi)聯(lián)絡(luò)通道的可行性，并研究相應(yīng)的替代方案。如采用更先進(jìn)的監(jiān)控和預(yù)警系統(tǒng)、提高應(yīng)急響應(yīng)能力等，以達(dá)到同樣的安全防護(hù)和應(yīng)急響應(yīng)效果。

2.2 提升結(jié)構(gòu)本質(zhì)安全的技術(shù)措施

以區(qū)間盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)安全為例，上海軌道交通地下區(qū)間隧道幾乎全部采用盾構(gòu)法修建完成，目前服役盾構(gòu)管片總量超過(guò)73萬(wàn)環(huán)。由于受施工初始質(zhì)量缺陷、周邊載荷以及外部環(huán)境變化等因素的綜合影響，所引發(fā)的隧道結(jié)構(gòu)安全問(wèn)題日益凸顯。

自2017年起，在廣泛調(diào)研國(guó)內(nèi)外盾構(gòu)隧道接頭形式發(fā)展進(jìn)程、新型連接件形式及新型連接件管片工程應(yīng)用的基礎(chǔ)上，上海軌道交通研究開發(fā)了基于新型接頭的預(yù)埋承插式管片盾構(gòu)隧道技術(shù)體系。該新型接頭管片摒棄了傳統(tǒng)的螺栓連接方式，采用在管片澆筑前預(yù)埋雌雄連接件、施工時(shí)將相鄰管片機(jī)械插入式固定的拼裝方式。根據(jù)足尺試驗(yàn)和工程驗(yàn)證，新型接頭管片的初始剛度較傳統(tǒng)螺栓連接管片結(jié)構(gòu)的更高，極限承載能力也更高，同時(shí)環(huán)縫接頭也表現(xiàn)出更強(qiáng)的延性，整體呈現(xiàn)“環(huán)剛縱柔”的特性，在提升橫斷面承載性能以抵御外界環(huán)境變化的同時(shí)，能夠很好地適應(yīng)軟土地層隧道的縱向長(zhǎng)期沉降變形^[4]?；谛滦徒宇^的預(yù)埋承插式管片、接頭及成型隧道如圖1所示。

基于新型接頭的預(yù)埋承插式管片盾構(gòu)隧道技術(shù)體系是對(duì)傳統(tǒng)隧道施工技術(shù)的一次重大創(chuàng)新，可有效減少隧道結(jié)構(gòu)初始缺陷，提升隧道成型質(zhì)量，增強(qiáng)隧道的整體穩(wěn)定性和耐久性，可從源頭上保障隧道結(jié)構(gòu)本質(zhì)安全^[5]。上海軌道交通在“十四五”建設(shè)期間大力推廣新型管片的應(yīng)用，也為后續(xù)長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)的結(jié)構(gòu)安全奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

圖1 基于新型接頭的預(yù)埋承插式管片、接頭及成型隧道

2.3 研發(fā)推拼同步智能盾構(gòu)建造技術(shù)

采用基于新型接頭的預(yù)埋承插式管片，對(duì)盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)和管片拼裝的控制精度要求大幅提高，對(duì)現(xiàn)有盾構(gòu)施工水平提出了極大挑戰(zhàn)，同時(shí)也為盾構(gòu)智能推拼提供了更高技術(shù)要求和新的應(yīng)用場(chǎng)景^[6]。

上海軌道交通在“十四五”建設(shè)期間將積極研發(fā)應(yīng)用盾構(gòu)隧道推拼同步智能建造技術(shù)。該技術(shù)的核心理念是將人工操作經(jīng)驗(yàn)數(shù)字化，通過(guò)機(jī)器自動(dòng)控制取代人工操作。具體而言，“智能化推進(jìn)”是推進(jìn)系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前姿態(tài)自主調(diào)整推力進(jìn)行糾偏，確保盾構(gòu)機(jī)沿設(shè)計(jì)軸線精準(zhǔn)推進(jìn)；而“智能化拼裝”是拼裝系統(tǒng)自動(dòng)抓取、拼裝管片。在此基礎(chǔ)上轉(zhuǎn)變施工模式，將盾構(gòu)掘進(jìn)和管片拼裝的工序并聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了從“推拼交替”到“推拼同步”的跨越。通過(guò)兩大盾構(gòu)機(jī)系統(tǒng)的智能化改造，可減少人工操作引發(fā)的不確定性，實(shí)現(xiàn)隧道施工過(guò)程的精細(xì)化控制，進(jìn)而提高施工質(zhì)量和效率。盾構(gòu)推力自動(dòng)分配、掘進(jìn)自主糾偏示意圖如圖2所示。管片位姿識(shí)別、拼裝運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃示意圖如圖3所示。

圖2 盾構(gòu)推力自動(dòng)分配、掘進(jìn)自主糾偏

圖3 管片位姿識(shí)別、拼裝運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃

3 提升關(guān)鍵設(shè)施設(shè)備可靠性

根據(jù)中國(guó)城市軌道交通協(xié)會(huì)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2023年度我國(guó)內(nèi)地城市軌道交通5min以上運(yùn)營(yíng)延誤事件中，設(shè)施設(shè)備故障占比達(dá)到74.4%，其中車輛系統(tǒng)、通信信號(hào)系統(tǒng)和供電系統(tǒng)的設(shè)施設(shè)備故障是影響運(yùn)營(yíng)安全的關(guān)鍵。上海軌道交通近年來(lái)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，在導(dǎo)致5min及以上運(yùn)營(yíng)延誤的事件中，通信信號(hào)系統(tǒng)、車輛系統(tǒng)、供電系統(tǒng)的設(shè)施設(shè)備故障分別占比為52%、28%和3%。上海軌道交通結(jié)合多年運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)增強(qiáng)關(guān)鍵設(shè)施設(shè)備的冗余設(shè)計(jì)、減少單點(diǎn)故障對(duì)整體運(yùn)營(yíng)的影響，不斷提升系統(tǒng)安全韌性和穩(wěn)定性。

3.1 車輛系統(tǒng)增強(qiáng)冗余設(shè)計(jì)

車輛的電氣設(shè)備故障發(fā)生率遠(yuǎn)高于機(jī)械故障，且許多電氣故障是監(jiān)測(cè)設(shè)備產(chǎn)生的誤報(bào)，并非真正意義上的故障。針對(duì)這一問(wèn)題，上海軌道交通提出通過(guò)硬件冗余（繼電器、蓄電池、輔助逆變器等）、回路冗余和網(wǎng)絡(luò)冗余（MVB（多功能車輛總線）網(wǎng)絡(luò)雙通道）設(shè)計(jì)，配合單點(diǎn)繼電器故障不救援策略、外置式旁路設(shè)置，確保即使在單點(diǎn)故障發(fā)生時(shí)，列車仍能安全運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)“零救援”目標(biāo)。

針對(duì)車輛設(shè)計(jì)、制造、維護(hù)優(yōu)化，上海軌道交通研究采用模塊化車輛設(shè)計(jì)，提高部件的可診斷性及可維護(hù)性；通過(guò)加強(qiáng)關(guān)鍵設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與診斷，依托車輛故障與健康管理系統(tǒng)，優(yōu)化車輛全壽命周期維修頻次，實(shí)現(xiàn)“故障不過(guò)夜”目標(biāo)。

3.2 通信信號(hào)系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)

通信與信號(hào)系統(tǒng)是地鐵安全運(yùn)營(yíng)的神經(jīng)中樞。在網(wǎng)絡(luò)側(cè)，上海軌道交通建立了服務(wù)行車指揮的專用無(wú)線集群網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)異地冗余設(shè)計(jì)提升了系統(tǒng)的冗余性和可靠性。在線路級(jí)的有線側(cè)，通信信號(hào)骨干網(wǎng)的物理獨(dú)立，信號(hào)LTE（長(zhǎng)期演進(jìn)）核心的異地部署，確保了系統(tǒng)的強(qiáng)冗余性；在線路級(jí)的無(wú)線側(cè)，上海軌道交通開創(chuàng)性地對(duì)信號(hào)系統(tǒng)采用雙制式車地通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，避免了單頻段易受干擾的風(fēng)險(xiǎn)。目前信號(hào)系統(tǒng)雙制式車地通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已在上海軌道交通新線建設(shè)和既有線改造中得到應(yīng)用。從運(yùn)營(yíng)實(shí)際效果看，采用冗余設(shè)計(jì)后均未發(fā)生過(guò)因車地通信中斷導(dǎo)致影響運(yùn)營(yíng)的事件。該技術(shù)與傳統(tǒng)單制式車地通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相比，可靠性表現(xiàn)更優(yōu)異。

3.3 供電系統(tǒng)的可靠性加強(qiáng)

城市軌道交通供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了冗余設(shè)計(jì)理念，從110KV到400KV設(shè)備系統(tǒng)均實(shí)現(xiàn)了單設(shè)備故障不影響運(yùn)營(yíng)的韌性設(shè)計(jì)，是城市軌道交通關(guān)鍵設(shè)備系統(tǒng)中在設(shè)計(jì)上韌性最強(qiáng)的系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)完善供電專業(yè)SCADA（電力監(jiān)控系統(tǒng)），實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化控制、一鍵停送電等功能，從應(yīng)用效果看生產(chǎn)效率總體可提升70%。通過(guò)UPS（不間斷電源）設(shè)備的模塊化、智能化升級(jí)，可基本杜絕UPS設(shè)備引起的關(guān)鍵系統(tǒng)供電故障。此外，對(duì)既有線供電牽引框架絕緣的維護(hù)改造，絕緣標(biāo)準(zhǔn)從0.5MΩ提升至3MΩ，同步推進(jìn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和風(fēng)險(xiǎn)防范，實(shí)現(xiàn)了框架絕緣的零故障運(yùn)行。這些技術(shù)改進(jìn)和標(biāo)準(zhǔn)提升的可靠性加強(qiáng)措施，從源頭上增強(qiáng)了供電系統(tǒng)設(shè)備的安全韌性，確保了供電系統(tǒng)的高可靠性。

4 增強(qiáng)系統(tǒng)間的匹配與協(xié)同

城市軌道交通系統(tǒng)的健康運(yùn)行需要各專業(yè)系統(tǒng)的協(xié)同聯(lián)動(dòng)來(lái)保障。就發(fā)生的故障甚至事故而言，已凸顯出由早期的“散點(diǎn)式、單專業(yè)、小范圍”特征逐步轉(zhuǎn)變?yōu)椤榜詈鲜?、多專業(yè)、擴(kuò)散式”特征。因此，增強(qiáng)專業(yè)系統(tǒng)間的功能性能匹配與高效協(xié)同，是當(dāng)前運(yùn)營(yíng)安全面臨的新挑戰(zhàn)，也是未來(lái)行業(yè)發(fā)展需要不斷改進(jìn)和突破的技術(shù)問(wèn)題。

4.1 提升輪軌關(guān)系匹配性設(shè)計(jì)

圖4為輪軌匹配關(guān)系示意圖。輪軌關(guān)系直接影響列車運(yùn)行安全、車輛部件的疲勞性能、軌道結(jié)構(gòu)服役壽命、乘客舒適度及環(huán)境振動(dòng)噪聲等問(wèn)題，嚴(yán)重時(shí)甚至影響行車安全^[7]。以北京地鐵昌平線為例，受降雪影響，輪軌黏著系數(shù)降低，列車制動(dòng)距離增加，最終導(dǎo)致追尾事故的發(fā)生。這一事件凸顯出，在惡劣環(huán)境條件下，城市軌道交通鋼輪鋼軌制式的安全性面臨極大挑戰(zhàn)。上海軌道交通個(gè)別線路也曾遭遇濕軌模式下的列車打滑事件。在處理過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，在打滑狀態(tài)下，空氣制動(dòng)可能并非最佳選擇，在低黏著條件下甚至不利于輪軌之間黏著的建立。相關(guān)研究和試驗(yàn)已表明，在防滑性能方面，單節(jié)車純電制動(dòng)與純氣制動(dòng)之間的差異并不顯著，說(shuō)明在低黏著條件下電制動(dòng)的效率更高，更有利于輪軌間快速建立黏著。目前，關(guān)于低黏著條件下如何快速建立黏著、制動(dòng)系統(tǒng)防滑控制底層邏輯以及防滑應(yīng)對(duì)策略，甚至在低黏著下電氣制動(dòng)與空氣制動(dòng)、快速制動(dòng)與緊急制動(dòng)之間的制動(dòng)效率差異如何，都需更為深入地研究和探討。

圖4? 輪軌匹配關(guān)系示意圖

4.2 提升弓網(wǎng)關(guān)系匹配性設(shè)計(jì)

圖5為弓網(wǎng)關(guān)系匹配性示意圖。弓網(wǎng)關(guān)系匹配性設(shè)計(jì)是確保城市軌道交通系統(tǒng)安全高效運(yùn)行的關(guān)鍵，涉及到受電弓與接觸網(wǎng)之間的動(dòng)力學(xué)性能、系統(tǒng)穩(wěn)定性和磨耗控制，直接影響行車安全、取流效率和弓網(wǎng)設(shè)備壽命。弓網(wǎng)關(guān)系不匹配可能導(dǎo)致列車受流不穩(wěn)定、接觸線和受電弓磨耗加劇、供電中斷、安全隱患增加，進(jìn)而引發(fā)故障甚至事故。2021年，某線發(fā)生了受電弓碳滑板V型異常磨耗事件，即為弓網(wǎng)系統(tǒng)匹配失衡的典型表現(xiàn)。碳滑板磨耗過(guò)快，由正常值的0.3mm/萬(wàn)km激增到46mm/萬(wàn)km，磨耗速度增加150多倍，導(dǎo)致碳棒和接觸線更換頻率急劇上升，碳棒和接觸線的使用壽命大大縮短，維護(hù)成本急劇升高。研究發(fā)現(xiàn)，影響弓網(wǎng)系統(tǒng)磨耗性能的主要因素為電流、接觸壓力及列車運(yùn)行速度等，特別是列車出站牽引、進(jìn)站制動(dòng)階段的電流極值與異常磨耗具有較高的關(guān)聯(lián)性。因此在設(shè)計(jì)階段，就需要研究接觸線能承載的最大電流值，要充分研究碳滑板和接觸線之間的性能匹配設(shè)計(jì)，從運(yùn)營(yíng)中出現(xiàn)的各種問(wèn)題看，軌道交通各系統(tǒng)間的匹配性設(shè)計(jì)和研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。在運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段，還需要加強(qiáng)對(duì)弓網(wǎng)關(guān)系的監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理潛在的故障隱患。