城市轨道交通环线规划研究

写 在 前 面

 

环线是城市轨道交通网络的一种特殊形式，其设置条件尚未有明确标准。总结国内外城市轨道交通环线规划及运营经验，探讨环线的功能定位、不足与缺陷。重点论述环线设置与城市规模及形态关系、环线与放射线的关系、实体环线和组合环线的关系、环线的建设时序等规划关注的问题。结合北京中心城区、北京城市副中心、沈阳等地城市轨道交通线网规划的相关实践，提出环线设置参考指标，包括中心城区面积、环线客运强度、与环线相交的放射线数量、环线换乘站占比、环线内外放射线长度比、两条L型线换乘节点的高峰小时单向换乘客流量等。

 

 

徐成永

北京城建设计发展集团股份有限公司 教授级高级工程师 总规划师

 

引言

在以道路交通为主要交通廊道引导城市发展过程中，环路的设置较为普遍，中国大中城市的道路网络布局多以“环+放射/棋盘”为主。城市轨道交通环线的功能定位和道路环路系统有着较大差异，业界对城市轨道交通环线设置的条件也存在较多争议。目前中国已批复城市轨道交通建设规划的城市达44座，其中规划有环线的城市10座，总计13条线路，已运营环线共6条。由于城市轨道交通环线分类较多，本文仅对城市轨道交通线网结构起到支撑作用的结构性环线[1]规划进行分析论证。

 

典型城市轨道交通环线规划建设情况

 

城市轨道交通结构性环线按线路形态分为独立环线、勺型环线、共线环线和组合环线[2]。对国内外15个国家23个城市共计29条里程大于10 km的结构性环线进行数据整理发现，东京、伦敦、巴黎、马德里等大都市都建设了多条环线(见表1)。其中，东京(山手线、武藏野线)和北京(2号线、10号线)的环线设置具有典型特征，本文重点对其进行对比分析。

 

表1 国内外城市轨道交通环线基础参数

资料来源：部分数据来自文献[3]。

 

1  城市规模与形态

 

东京的山手线、武藏野线及北京地铁2号线、10号线均位于城市主体通勤圈内。山手线总体呈现南北向椭圆形态，东西宽约6 km，南北长约15 km；武藏野线位于20 km圈层，服务外围国分寺、所泽、浦和、吉川、松户、船桥等地区(见图1a)。北京地铁2号线总体位于二环区域，主要服务首都功能核心区；地铁10号线位于三、四环路之间，服务中心城区重点地区(见图1b)。

 

图1 东京与北京城市轨道交通环线区位对比

资料来源：图1a底图来源于文献[4]，图1b基于百度地图绘制。

 

东京城市布局较为集聚，围绕城市轨道交通布局城市空间资源。山手线紧邻的新宿、池袋、涉谷、上野、大崎、锦丝町、临海等地区为城市副中心，与东京站一起构成东京都“一核七心”的布局[5]；其重要的综合交通枢纽周边用地融合商业、办公、休闲娱乐等多种功能，容积率都超过10。武藏野线主要位于城市20 km圈层，重点车站周边1 km范围内人口密度约为1万人·km-2。

 

北京中心城区的发展更为均质化，重点功能区布局较为分散。地铁2号线沿线功能区主要布局在东西两侧，西侧为西直门、金融街，东侧为崇文门—北京站及朝阳门—东直门商圈；地铁10号线沿线功能区主要为东三环的CBD区域及西北部中关村区域，车站周边人口密度均在1.5万人·km-2以上。

 

2  线网与环线关系

 

东京的城市轨道交通网络布局主要是“环+放射”结构。山手线位于东京核心功能区，起到区域联络服务功能，换乘站24座，占该线车站总数的比例高达80%，是东京交通大动脉。由于客流需求大，各类干线铁路、区域铁路、市郊铁路及城市轨道交通线路与山手线的连接方式除了换乘衔接，还存在大量线路并行关系，其中品川—东京—上野—日暮里区间的并行轨道交通线路达8条以上[6]。武藏野线全线26个车站，换乘站13座，占该线车站总数的比例为50%，主要起到联络外围区域、疏解内部换乘客流的作用。

北京城市轨道交通网络布局为“环+棋盘”结构。由于城市格局及路网条件限制，棋盘式网络的直达性较放射式差，加之功能区布局较为分散，对环线需求更高。地铁2号线为第一个环，主要功能为服务线网客流的衔接换乘，换乘站12座，占该线车站总数的比例为66.7%；地铁10号线为第二个环，是世界上最长的地下环线，全长57.1 km，换乘站22座，占该线车站总数的比例为48.9%，线路既承担了环线的联络功能，也承担了较多的本线OD服务，功能较为复合。用环线内外放射线长度比指标来评估环线在线网中的位置：武藏野线指标为0.28，地铁10号线为0.36，地铁2号线仅为0.15，均远小于0.5(见表2)。

 

表2 东京与北京城市轨道交通环线基础参数

资料来源：东京数据来源于文献[4]，北京数据来源于《2020 北京市交通发展年度报告》。

 

3  运行及客流情况

 

环线距离城市核心区越近，越能体现其联络功能，平均运距越短。地铁2号线线路长度最短，平均运距最小，为5.1 km；武藏野线为外围疏解型环线，平均运距达12.3 km。

环线距离城市核心区越近，客流时间分布越均衡，高峰小时系数越小。山手线和地铁2号线从客流效益上看是非常成功的两条环线。山手线客运量高达397.3万人次·d-1，其高峰小时系数只有15.68%，高峰小时单向最大断面满载率高达223%；地铁2号线的客运强度高达4.5万人次·km-1·d-1，客运量达104.8万人次·d-1，高峰小时单向最大断面客运量为2.5万人次·h-1，客流在线路上的空间分布较为均衡，运力适配较好。地铁10号线线路长，客流分布较不均衡，客流压力主要集中在CBD及中关村区域，高峰小时单向最大断面满载率高达111%(见表3)。

 

表3 东京与北京城市轨道交通环线客流参数

资料来源：东京数据来源于文献[4] ；北京数据来源于北京轨道交通路网运营客流信息。

 

城市轨道交通环线规划策略

 

1  环线的功能定位

 

1.1  强中心布局的线网联络线

 

强中心布局的城市，其中心区面积较大，且多以高密度的商业办公为主，客流目的地较为分散，需通过环线疏解客流。此类环线客流以短距离换乘为主，其主要作用是提升网络通达性，如东京山手线、北京地铁2号线。北京地铁2号线服务的金融街及朝阳门组团的客流来源较为分散(见图2)，受限于城市空间结构，外围进城线路无法有效直达，需通过地铁2号线换乘进行有效衔接。根据北京市轨道交通指挥中心2017年客流数据统计，地铁2号线早高峰客流主要以其他线路换乘进入为主，本线进站客流仅占23.5%。

 

图2 北京地铁2号线服务组团的客流来源

资料来源：根据北京轨道交通指挥中心2017年客流数据绘制。

 

1.2  线网联络、区域OD服务功能复合线

 

环线服务周边城市功能较为多样，既有重点功能区，又有大型居住组团，围合区域面积较大。此类环线既提供了放射线间的换乘服务，又提供了沿线组团间的通勤服务。如北京地铁10号线，线路沿线规划了CBD、中关村、奥体中心等国家级重点功能区，又建设了劲松、潘家园、南三环区域、芍药居等大型居住组团(见图3)。客流兼具换乘和通勤特征，高峰小时客流累积效应大，线路满载率高，同时早高峰本线进站客流占比达36.3%，远高于2号线。

 

图3 北京地铁10 号线沿线功能区分布

 

1.3  外围客流疏解联络线

 

外围环线主要设置于超(特)大城市，服务于城市核心区外围，提供外围径向联络功能。大城市外围组团发展度高，经济活力强，组团之间的联系需求大，由于中心城区轨道交通网络换乘服务水平较低，需要环线起到联系外围、疏解中心客流的作用。如东京武藏野线，埼玉县和神奈川县之间经武藏野线换乘的客流均高于经山手线的换乘客流(见表4)。

 

表4 日本埼玉县和神奈川县间轨道交通客流内外环换乘对比 %

资料来源：文献[7]。

 

2  不足与缺陷

 

2.1  线路和换乘节点的能力不足

 

环线所经区域与城市功能结合紧密，客流需求较大，在规划设计中应对客流预测进行充分论证，定好系统规模、环线结构，为运营组织做好准备。上海地铁4号线为环线，位于内环以内，全长约33.6 km，客运量达91.5万人次·d-1，客运强度约为2.72万人次·km-1·d-1。根据2018年5月客流数据，其高峰小时单向最大断面客运量为2.6万人次·h-1，受限于和3号线共线，高峰时段开行对数仅为12对[8]，满载率已超过100%(6A编组)。北京地铁10号线的高峰小时单向最大断面客运量高达4.9万人次·h-1，高峰小时单向最大断面满载率为111%(满载率按6B编组、站立密度6人·m-2统计，而北京现行地方标准的站立密度为5人·m-2)。上述环线的设计能力均与实际客流需求不符。

 

由于环线的换乘客流量大，中国早期建设的环线均出现换乘通道拥堵严重、运能不足的问题。如北京地铁2号线和4号线换乘站宣武门站，其中2号线于1971年开通，4号线于2009年开通，新线开通后宣武门站换乘客流压力大，换乘通道狭窄导致客流拥挤堆积，存在较大安全隐患。北京现已完成相关新增换乘通道工程，换乘通道由原来的2条增至5条，乘客在高峰时段从4号线换乘2号线所需时间由8 min减少至3 min以内。

 

2.2  客流效益不佳

 

中国目前运营6条环线(见表5)。其中北京、上海、成都、重庆的4条环线相交的放射线数量均超过8条；北京、上海、成都的换乘站占比均超过50%，环线内外放射线长度比均远小于0.5，客运强度都超过2.0万人次·km-1·d-1，客流效益较好。而郑州地铁5号线、重庆环线客运量均不足50万人次·d-1，客运强度均为1.0万人次·km-1·d-1左右。

 

表5 中国已建环线基础参数

资料来源：基于公开资料统计。

 

从城市开通的运营线路来看，郑州已开通运营6条线路，其中4条线路均与5号线两次换乘(见图4)；重庆已开通8条线路，所有线路均与环线换乘，其中5条线路换乘2次(见图5)。

 

图4 郑州城市轨道交通运营线路布局

资料来源：https://api.zzmetro.com/lines/map。

图5 重庆城市轨道交通运营线路布局

资料来源：https://www.cqmetro.cn/search-way.html。

 

从换乘站占比来看，重庆、郑州两条环线均不足50%，从环线内外放射线长度比来看，所有环线均小于或接近0.5。郑州的放射线仅为4条，重庆放射线较多，但存在较多外围长大线路末端区域城市开发强度不高的问题，影响了线网效益的发挥。

 

2.3  运营效率不高

 

中国城市的环线线路长度普遍较长，除北京地铁2号线、上海地铁4号线外，其他线路均超过38 km。在环线规划设计中，对不同类型环线的客流特征判断及运营组织方案设计尚有欠缺，线路开通运营后交路组织也较为单一，导致线路的运营效率较低。如北京地铁10号线分段客流特征明显，客流主要集中于东段及北段，高峰时段开行环状交路，分别由劲松站库线及宋家庄车辆段开行3列放空车至双井站缓解双井站客流压力，高峰小时最大开行32列。而从高峰小时单向最大断面客流数据可知，客流满载率较高区段仅位于线路东段，大多区段高峰小时单向最大断面满载率不足50%，上行方向全线30对运力配置造成较多路段的运能浪费，需要通过运营组织规划提升整体运营效率(见图6)。

 

图6 北京地铁10 号线早高峰上下行断面客流情况

资料来源：基于北京市轨道交通指挥中心2017年客流数据绘制。

 

3  规划重点

 

3.1  环线与城市的关系

 

从客流需求角度出发，是否需要设置环线与城市的功能布局关系密切。如果城市是强中心布局(中心城区面积大于300 km2)，功能组团布局较为均衡，组团之间的联络需求较大，则应重点考虑是否设置环线。环线的设置除了联络需求外，更应该服务和吸引车站周边客流出行需求。

环线的客运强度指标应大于普通放射线，而环线的高峰小时单向最大断面客流指标不应被过度强调。根据环线的客流特征分析，其平均运距一般较小，不利于客流断面的累积，客流效益主要体现在客运强度上。基于环线在线网中的重要作用，初期客运强度需达到1.0万人次·km-1·d-1以上、远期客运强度超过2.0万人次·km-1·d-1才能有较好的效益。

 

3.2  环线与放射线的关系

 

从结构上看，环线应尽可能多地串联放射线，放射线宜大于8条(贯穿式放射线可视为两条)且换乘站占比大于50%，才能有效收集换乘客流。同时，放射线的客流必须经过足够多区域的积累，环线内外放射线长度比宜小于0.5，即城市规模要足够大，放射线服务的城市区域足够广。

环线需要重点处理好和换乘线路的关系。一是换乘节点的换乘能力需做好匹配，避免出现客流堆积的运营风险。二是避免环线是放射线的端点，造成大量客流在环线被动换乘，可学习山手线经验，重点区域外围线与环线形成多线并行的综合交通廊道。

 

3.3  实体环线和组合环线的关系

 

在城市轨道交通网络结构形态中经常可以找出各种组合环，如两条L型线路倒扣成环，两条半圆形线路组合成环，棋盘型线网4条线路组合成环等。这些组合环是否需要规划一条实体环线是线网规划的关键问题。首先应该从客流需求角度分析其成环的必要性，若两线换乘节点的高峰小时单向换乘客流量大于断面客流量的50%，则应重点论证是否需要贯通成环，同时对线路工程可行性、段场选址等线路实施条件进行综合论证。

 

3.4  环线的建设时序

 

作为重大基础设施城市轨道交通的建设投资规模大，在考虑建设时机时尤其要关注其客流效益。环线的客流主要来自两方面，一是车站周边的吸引客流，二是相交线路的换乘客流，且换乘客流的比例较一般线路高。因此，在考虑环线建设时，首先要有足够的放射线保障其客流，其次要重点解决周边地区的出行问题。若环线的局部路段功能较为重要，也可分期建设。如北京地铁10号线，一期工程首先满足CBD、奥体中心、中关村等重点区域的发展需求，二期工程逐步引导西南部区域的发展需求。同时，在建设过程中，应该重点关注环线与城市的融合，强调车站周边用地开发时序和车站开通时序的匹配，以保障线路客流效益。

 

城市轨道交通环线规划实证分析

 

1  如何协调环线与城市规划及其他重大基础设施的关系

 

2019年1月3日，中共中央、国务院批复了《北京城市副中心控制性详细规划(街区层面)(2016年—2035年)》(以下简称《城市副中心控规》)。城市副中心规划范围155 km2，到2035年，常住人口规模控制在130万人以内，就业岗位70万~75万个。《城市副中心控规》明确了副中心商务服务、行政办公、文化旅游三大功能，并规划了公共服务体系和设施服务体系(见图7)。

 

图7 北京城市副中心功能分区和公共服务体系规划

资料来源：《北京城市副中心控制性详细规划(街区层面)(2016 年—2035 年)》。

 

在副中心城市轨道交通线网规划中，如何围绕公共设施服务环规划城市轨道交通线路成为重大课题。从功能布局上看，副中心有成环条件，而公共设施服务环的范围较大，位于副中心的外圈。从客流角度分析，西北半环及东南半环的客流交互性较好，而围绕公共设施服务环全环运行的客流不大、效益较低。用发展的眼光看城市副中心，为预留城市轨道交通线网的灵活性，将环线根据客流需求进行运营组织拆分，形成西北半环和东南半环交路，并保留环状运营条件。同时，为了带动京津冀协同发展，将服务网络拓展至15 km圈层，在东北角和西南角分别向燕郊及亦庄延伸，形成多交路灵活运营组合环(见图8)。

 

图8 北京城市副中心城市轨道交通环线运行交路

资料来源：根据北京城市副中心城市轨道交通线网规划资料绘制。

 

2  城市轨道交通网络中线路成环的必要性研究

 

北京地铁10号线在《北京城市总体规划(2004年—2020年)》中由两条L线组合而成。随着城市发展变化，东南部去往CBD的客流、西南部去往中关村的客流期望出现大幅增长。为更好服务城市通勤客流，避免L线的两个换乘节点出现大规模被动换乘，将两线组合成10号线及西郊线(见图9)。西郊线整体客流不高，高峰时段和环线换乘量不大，降级为中低运量线路。10号线建成后从客流需求方面验证了成环必要性，宋家庄—成寿寺的高峰小时客流量高达3万人次·h-1，主要为南部居住组团去往CBD客流；火器营—巴沟的高峰小时客流量高达2.6万人次·h-1，主要为西部居住组团去往中关村客流。

 

图9 北京地铁10号线成环方案论证

资料来源：依据北京市城市轨道交通线网规划资料绘制。

 

沈阳地铁在线网规划中也详细论证了9号线、10号线是否成环问题。从客流需求上看，两线有两个换乘节点，高峰小时最大换乘量约为6 500人次·h-1，而高峰小时单向最大断面客流量高达3万人次·h-1，换乘客流占比不高。组合环两线独立运营的方案与进城大客流方向需求相吻合，而采用独立环线、勺型环线方案时进城大客流均需要换乘，未照顾主客流方向；从线路实施条件上看，组合环两线独立运营的方案相关节点实施条件好，其他环线方案均需下穿相邻地块，实施条件差。因此，方案论证后仍选择了组合环两线独立运营的方案(见图10)。

 

图10 沈阳地铁9 号线、10号线成环方案论证

资料来源：依据沈阳市线网规划资料绘制。

 

结语

城市轨道交通线网中环线设置需要综合考虑城市规模及形态、环线和放射线的关系、实体环线和组合环线的关系。经研究本文提出环线设置参考指标：中心城区面积大于300 km2，初期客运强度大于1万人次·km-1·d-1，远期客运强度大于2万人次·km-1·d-1；与环线相交的放射线大于8条，环线换乘站占比大于50%，环线内外放射线长度比宜小于0.5；两条L型线换乘节点的高峰小时单向换乘客流量大于断面客流量的50%。具备上述条件可考虑成环。结合北京中心城区、北京城市副中心、沈阳等地线网规划案例进行了实证分析。需指出的是，参考指标均非单一指标，需要结合实际情况进行多指标综合研判。

 

参考文献：

[1] 贺惜，魏丽英. 城市轨道交通环线分类及其设置条件[J]. 都市快轨交通，2018，31(1)：92-98.

HE X, WEI L Y. Classification and setting conditions of urban rail transit circle lines[J]. Urban rapid rail transit, 2018, 31(1): 92-98.

[2] 孙元广，郑翔. 城市轨道交通环线运营模式研究与实践[J]. 都市快轨交通，2015，28(2)：33-37.

SUN Y G, ZHENG X. Operation model of loop lines of urban rail transit: research and practice[J]. Urban rapid rail transit, 2015, 28(2): 33-37.

[3] 刘丽波，陈立群. 世界典型城市轨道交通环线的运营方式分析[J]. 城市轨道交通，2006(3)：52-54.

LIU L B, CHEN L Q. On operation methods of world urban rail rings[J]. Urban mass transit, 2006(3): 52-54.

[4] 刘龙胜，杜建华，张道海. 轨道上的世界：东京都市圈城市和交通研究[M]. 北京：人民交通出版社，2013：215-219.

LIU L S, DU J H, ZHANG D H. City of rail: urban and transport research on Tokyo Metropolitan Area[M]. Beijing: China Communications Press, 2013: 215-219.

[5] 舒慧琴，石小法. 东京都市圈轨道交通系统对城市空间结构发展的影响[J]. 国际城市规划，2008(3)：105-109.

SHU H Q, SHI X F. The effect of Tokyo Metropolis circle's railway system to urban spatial structure development[J]. Urban planning international, 2008(3): 105-109.

[6] 王晓荣，荣朝和，盛来芳. 环状铁路在大都市交通中的重要作用：以东京山手线铁路为例[J]. 经济地理，2013，33(1)：54-60.

WANG X R, RONG C H, SHENG L F. Enlightenment of Yamanote Loop Line in Tokyo: an important role of rail loop line in metropolitan transportation[J]. Economic geography, 2013, 33(1): 54-60.

[7] 杨东援，王文聪. 东京轨道环线的客流构成分析[J]. 交通与港航，2016(6)：4-7.

YANG D Y, WANG W C. Analysis of passenger flow composition of Tokyo rail loop[J]. Public utilities, 2016(6): 4-7.

[8] 唐则昊. 上海轨道交通线网中环线发展和增设二环的思考[J]. 隧道与轨道交通，2020(2)：25-29.

TANG Z H. Loop line development and second loop line construction in Shanghai rail transit network[J]. Tunnel and rail transit, 2020(2): 25-29.

 

《城市交通》2023年第2期刊载文章

作者：徐成永，叶轩，任兵杰，黄铭强，李颖，刘德旺

来源：城市交通