[目的]城市軌道交通作為城市的重要交通基礎設施，對保障城市安全有序運行至關重要。為應對城市軌道交通系統(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”的相關定義和“韌性”的相關表述，提出了城市軌道交通系統(tǒng)安全韌性概念的內涵。基于上海軌道交通的建設和運營實踐，結合具體案例，圍繞隧道結構安全性、設施設備可靠性和系統(tǒng)協(xié)同性三個方面提出了提升城市軌道交通系統(tǒng)安全韌性的策略。

[結果及結論]提出以強化本質安全、系統(tǒng)安全為核心，通過夯實隧道結構安全基石、強化關鍵設施設備可靠性、增強系統(tǒng)間匹配與協(xié)同等關鍵性舉措不斷提升城市軌道交通系統(tǒng)的安全韌性。

關鍵詞?城市軌道交通；安全韌性；結構安全性；設備可靠性；系統(tǒng)協(xié)同性

國際標準ISO/IEC Guide 51：2014《安全問題》對“安全”的定義為“免除不可接受的風險”。國際民航組織對“安全”的定義為“安全是一種狀態(tài)，即通過持續(xù)的危險識別和風險管理過程，將人員傷害或財產損失的風險降低至并保持在可接受的水平或其以下”。國家標準如GB/T 28001—2021《職業(yè)健康安全管理體系》對“安全”的定義為“免除了不可接受的損害風險的狀態(tài)”，GB/T 50438—2007《地鐵運營安全評價標準》對“安全”的定義為“沒有不可接受的有害風險”。

韌性（resilience）來自拉丁語resilio、resilire和resalire，被描述為“受挫折后恢復原狀的能力”。20世紀50年代，物理學中的韌性定義為“在負載下韌性偏轉而不會斷裂或變形，在壓力作用下反彈復原的能力”。20世紀60年代初，生態(tài)學家通過研究生態(tài)種群系統(tǒng)穩(wěn)定性理論，提出韌性觀點。1973年，加拿大生態(tài)學家霍林（Holling）將韌性概念引入生態(tài)學領域，韌性內涵表現(xiàn)為生態(tài)系統(tǒng)自身重組能力和適應恢復到穩(wěn)定狀態(tài)的速度和能力。2010年，馬丁（Martin）借鑒復雜適應系統(tǒng)理論，提出了演化韌性，也稱為適應韌性，是指系統(tǒng)為減少干擾的影響程度或利用沖擊來實現(xiàn)系統(tǒng)更新和結構重組的能力，強調實體吸收、適應、預測、恢復、抵御和應對沖擊的能力。

結合“安全”和“韌性”的相關表述，可以將城市軌道交通系統(tǒng)安全韌性理解為：面對內外部環(huán)境或人為擾動時，城市軌道交通系統(tǒng)自身所具備的抵御、承受，或恢復至可接受水平的運行能力。為此，一是從設施設備角度，需要強化關鍵核心系統(tǒng)的本質安全；二是從運行角度，需要從全局高度、系統(tǒng)思維來統(tǒng)籌兼顧，即樹立大安全理念；三是從經濟角度，需要權衡好安全、效率與效益的關系，評估確定可接受的水平。

2?夯實隧道結構安全基石

2.1 區(qū)間聯(lián)絡通道優(yōu)化設置

GB 51298—2018《地鐵設計防火標準》規(guī)定，相鄰聯(lián)絡通道（水平）距離不大于600?m（強制性條文）。住房和城鄉(xiāng)建設部頒布實施的GB 55037—2022《建筑防火通用規(guī)范》中，調整了有關區(qū)間聯(lián)絡通道設置的具體內容，即不再明確相鄰聯(lián)絡通道間600 m間距的要求，但目前的設計實踐中仍按照GB 51298—2018中的要求執(zhí)行。

區(qū)間聯(lián)絡通道施工作為重大安全風險點，尤其在隧道疊交、越江區(qū)段等復雜地質與環(huán)境下，可能引發(fā)涌水涌砂、路面塌陷、凍結管破裂等事故^[3]。上海軌道交通在既有線路建設中，為控制聯(lián)絡通道建設風險，投入巨大。“十四五”期間建設所面臨的環(huán)境更為復雜，類似情況更趨普遍。如12號線西延伸場七風井—七莘路站區(qū)間工程的7#聯(lián)絡通道位于承壓含水層并近距離下穿既有運營線路（豎向最小凈距僅4.03m），施工風險極大。此外，若對聯(lián)絡通道與區(qū)間連接的排水管以及集水井內注漿孔處置不當，在運營期間列車持續(xù)振動影響下會產生諸多安全隱患。據統(tǒng)計，軟土地區(qū)運營超過10年的地鐵隧道中，聯(lián)絡通道旁線路出現(xiàn)不均勻沉降的占比高達約80 %，沉降槽深度可達40 mm，影響范圍超過50 m^[4]。聯(lián)絡通道與主隧道連接部位的差異沉降會導致連接區(qū)域應力集中，甚至會出現(xiàn)混凝土受拉或受剪破壞，進而引發(fā)滲漏水病害。

因此，從科學、合理制定技術標準、優(yōu)化工程風險控制的角度而言，應重新審視聯(lián)絡通道設計中相鄰聯(lián)絡通道間600m間距要求的合理性，甚至要研究如此設置的必要性，探索取消部分風險地層內聯(lián)絡通道的可行性，并研究相應的替代方案。如采用更先進的監(jiān)控和預警系統(tǒng)、提高應急響應能力等，以達到同樣的安全防護和應急響應效果。

2.2 提升結構本質安全的技術措施

以區(qū)間盾構隧道結構安全為例，上海軌道交通地下區(qū)間隧道幾乎全部采用盾構法修建完成，目前服役盾構管片總量超過73萬環(huán)。由于受施工初始質量缺陷、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)的隧道結構安全問題日益凸顯。

自2017年起，在廣泛調研國內外盾構隧道接頭形式發(fā)展進程、新型連接件形式及新型連接件管片工程應用的基礎上，上海軌道交通研究開發(fā)了基于新型接頭的預埋承插式管片盾構隧道技術體系。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埋雌雄連接件、施工時將相鄰管片機械插入式固定的拼裝方式。根據足尺試驗和工程驗證，新型接頭管片的初始剛度較傳統(tǒng)螺栓連接管片結構的更高，極限承載能力也更高，同時環(huán)縫接頭也表現(xiàn)出更強的延性，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，能夠很好地適應軟土地層隧道的縱向長期沉降變形^[4]?；谛滦徒宇^的預埋承插式管片、接頭及成型隧道如圖1所示。

基于新型接頭的預埋承插式管片盾構隧道技術體系是對傳統(tǒng)隧道施工技術的一次重大創(chuàng)新，可有效減少隧道結構初始缺陷，提升隧道成型質量，增強隧道的整體穩(wěn)定性和耐久性，可從源頭上保障隧道結構本質安全^[5]。上海軌道交通在“十四五”建設期間大力推廣新型管片的應用，也為后續(xù)長期運營的結構安全奠定堅實基礎。

圖1 基于新型接頭的預埋承插式管片、接頭及成型隧道

2.3 研發(fā)推拼同步智能盾構建造技術

采用基于新型接頭的預埋承插式管片，對盾構機姿態(tài)和管片拼裝的控制精度要求大幅提高，對現(xiàn)有盾構施工水平提出了極大挑戰(zhàn)，同時也為盾構智能推拼提供了更高技術要求和新的應用場景^[6]。

上海軌道交通在“十四五”建設期間將積極研發(fā)應用盾構隧道推拼同步智能建造技術。該技術的核心理念是將人工操作經驗數(shù)字化，通過機器自動控制取代人工操作。具體而言，“智能化推進”是推進系統(tǒng)根據當前姿態(tài)自主調整推力進行糾偏，確保盾構機沿設計軸線精準推進；而“智能化拼裝”是拼裝系統(tǒng)自動抓取、拼裝管片。在此基礎上轉變施工模式，將盾構掘進和管片拼裝的工序并聯(lián)，實現(xiàn)了從“推拼交替”到“推拼同步”的跨越。通過兩大盾構機系統(tǒng)的智能化改造，可減少人工操作引發(fā)的不確定性，實現(xiàn)隧道施工過程的精細化控制，進而提高施工質量和效率。盾構推力自動分配、掘進自主糾偏示意圖如圖2所示。管片位姿識別、拼裝運動路徑規(guī)劃示意圖如圖3所示。

圖2 盾構推力自動分配、掘進自主糾偏

圖3 管片位姿識別、拼裝運動路徑規(guī)劃

3 提升關鍵設施設備可靠性

根據中國城市軌道交通協(xié)會的統(tǒng)計數(shù)據，2023年度我國內地城市軌道交通5min以上運營延誤事件中，設施設備故障占比達到74.4%，其中車輛系統(tǒng)、通信信號系統(tǒng)和供電系統(tǒng)的設施設備故障是影響運營安全的關鍵。上海軌道交通近年來的統(tǒng)計數(shù)據顯示，在導致5min及以上運營延誤的事件中，通信信號系統(tǒng)、車輛系統(tǒng)、供電系統(tǒng)的設施設備故障分別占比為52%、28%和3%。上海軌道交通結合多年運營經驗，通過增強關鍵設施設備的冗余設計、減少單點故障對整體運營的影響，不斷提升系統(tǒng)安全韌性和穩(wěn)定性。

3.1 車輛系統(tǒng)增強冗余設計

車輛的電氣設備故障發(fā)生率遠高于機械故障，且許多電氣故障是監(jiān)測設備產生的誤報，并非真正意義上的故障。針對這一問題，上海軌道交通提出通過硬件冗余（繼電器、蓄電池、輔助逆變器等）、回路冗余和網絡冗余（MVB（多功能車輛總線）網絡雙通道）設計，配合單點繼電器故障不救援策略、外置式旁路設置，確保即使在單點故障發(fā)生時，列車仍能安全運行，實現(xiàn)“零救援”目標。

針對車輛設計、制造、維護優(yōu)化，上海軌道交通研究采用模塊化車輛設計，提高部件的可診斷性及可維護性；通過加強關鍵設備狀態(tài)監(jiān)測與診斷，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，實現(xiàn)“故障不過夜”目標。

3.2 通信信號系統(tǒng)冗余設計

通信與信號系統(tǒng)是地鐵安全運營的神經中樞。在網絡側，上海軌道交通建立了服務行車指揮的專用無線集群網絡，通過異地冗余設計提升了系統(tǒng)的冗余性和可靠性。在線路級的有線側，通信信號骨干網的物理獨立，信號LTE（長期演進）核心的異地部署，確保了系統(tǒng)的強冗余性；在線路級的無線側，上海軌道交通開創(chuàng)性地對信號系統(tǒng)采用雙制式車地通信網絡設計，避免了單頻段易受干擾的風險。目前信號系統(tǒng)雙制式車地通信網絡技術已在上海軌道交通新線建設和既有線改造中得到應用。從運營實際效果看，采用冗余設計后均未發(fā)生過因車地通信中斷導致影響運營的事件。該技術與傳統(tǒng)單制式車地通信網絡技術相比，可靠性表現(xiàn)更優(yōu)異。

3.3 供電系統(tǒng)的可靠性加強

城市軌道交通供電系統(tǒng)設計采用了冗余設計理念，從110KV到400KV設備系統(tǒng)均實現(xiàn)了單設備故障不影響運營的韌性設計，是城市軌道交通關鍵設備系統(tǒng)中在設計上韌性最強的系統(tǒng)。在此基礎上，通過完善供電專業(yè)SCADA（電力監(jiān)控系統(tǒng)），實現(xiàn)了自動化控制、一鍵停送電等功能，從應用效果看生產效率總體可提升70%。通過UPS（不間斷電源）設備的模塊化、智能化升級，可基本杜絕UPS設備引起的關鍵系統(tǒng)供電故障。此外，對既有線供電牽引框架絕緣的維護改造，絕緣標準從0.5MΩ提升至3MΩ，同步推進動態(tài)監(jiān)測和風險防范，實現(xiàn)了框架絕緣的零故障運行。這些技術改進和標準提升的可靠性加強措施，從源頭上增強了供電系統(tǒng)設備的安全韌性，確保了供電系統(tǒng)的高可靠性。

4 增強系統(tǒng)間的匹配與協(xié)同

城市軌道交通系統(tǒng)的健康運行需要各專業(yè)系統(tǒng)的協(xié)同聯(lián)動來保障。就發(fā)生的故障甚至事故而言，已凸顯出由早期的“散點式、單專業(yè)、小范圍”特征逐步轉變?yōu)椤榜詈鲜健⒍鄬I(yè)、擴散式”特征。因此，增強專業(yè)系統(tǒng)間的功能性能匹配與高效協(xié)同，是當前運營安全面臨的新挑戰(zhàn)，也是未來行業(yè)發(fā)展需要不斷改進和突破的技術問題。

4.1 提升輪軌關系匹配性設計

圖4為輪軌匹配關系示意圖。輪軌關系直接影響列車運行安全、車輛部件的疲勞性能、軌道結構服役壽命、乘客舒適度及環(huán)境振動噪聲等問題，嚴重時甚至影響行車安全^[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，列車制動距離增加，最終導致追尾事故的發(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)。上海軌道交通個別線路也曾遭遇濕軌模式下的列車打滑事件。在處理過程中發(fā)現(xiàn)，在打滑狀態(tài)下，空氣制動可能并非最佳選擇，在低黏著條件下甚至不利于輪軌之間黏著的建立。相關研究和試驗已表明，在防滑性能方面，單節(jié)車純電制動與純氣制動之間的差異并不顯著，說明在低黏著條件下電制動的效率更高，更有利于輪軌間快速建立黏著。目前，關于低黏著條件下如何快速建立黏著、制動系統(tǒng)防滑控制底層邏輯以及防滑應對策略，甚至在低黏著下電氣制動與空氣制動、快速制動與緊急制動之間的制動效率差異如何，都需更為深入地研究和探討。

圖4? 輪軌匹配關系示意圖

4.2 提升弓網關系匹配性設計

圖5為弓網關系匹配性示意圖。弓網關系匹配性設計是確保城市軌道交通系統(tǒng)安全高效運行的關鍵，涉及到受電弓與接觸網之間的動力學性能、系統(tǒng)穩(wěn)定性和磨耗控制，直接影響行車安全、取流效率和弓網設備壽命。弓網關系不匹配可能導致列車受流不穩(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，即為弓網系統(tǒng)匹配失衡的典型表現(xiàn)。碳滑板磨耗過快，由正常值的0.3mm/萬km激增到46mm/萬km，磨耗速度增加150多倍，導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，維護成本急劇升高。研究發(fā)現(xiàn)，影響弓網系統(tǒng)磨耗性能的主要因素為電流、接觸壓力及列車運行速度等，特別是列車出站牽引、進站制動階段的電流極值與異常磨耗具有較高的關聯(lián)性。因此在設計階段，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計，從運營中出現(xiàn)的各種問題看，軌道交通各系統(tǒng)間的匹配性設計和研究還遠遠不夠。在運營維護階段，還需要加強對弓網關系的監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)并處理潛在的故障隱患。