109 鐵路人員升資考試員級晉高員級 技術類(選試鐵路工程) 鐵路工程 考古題詳解

核心觀念

本題考查列車行經曲線時，曲線半徑、行車速度與軌道超高之間的關係，以及超高設置與曲線限速的基本概念。列車在曲線上行駛會受離心作用，超高藉由抬高曲線外軌，使重力與軌道反力共同提供向心力，改善乘車舒適與行車安全。

本題屬鐵路工程名詞解釋，以下以軌距 $G$、速度 $V$、曲線半徑 $R$ 表示；$G$ 與超高採相同長度單位，速度以 km/h、半徑以 m 表示。

（一）超高與超高度

超高是曲線地段外軌高於內軌的高差，通常以 $h$ 表示。其作用是抵銷列車轉彎時的離心作用，減少輪軌橫向作用力，提升行車穩定性與乘坐舒適度。

超高度是指超高所形成的軌道橫向傾斜程度，亦可理解為外軌相對於內軌的高程差。實務上「超高」與「超高度」常用來指稱外、內軌高差；作答時應明確指出其量測對象為曲線外軌與內軌的高差，避免將其誤解為軌道縱向坡度。

（二）平衡超高與車速及曲線半徑之關係

平衡超高是指列車以某一速度行駛於特定半徑曲線時，恰能使重力與離心作用達到平衡的超高。此時列車所受合力大致垂直於軌道平面，理想狀態下不產生未平衡的橫向加速度。

依曲線運動的向心加速度關係，平衡超高可寫為：

其中 $h_e$ 為平衡超高，$G$ 為軌距，$V$ 為列車速度，$R$ 為曲線半徑。由式可知：

• 速度愈高，所需平衡超高愈大，且與速度平方成正比。
• 曲線半徑愈大，所需平衡超高愈小，且與半徑成反比。
• 在相同軌距及半徑下，速度加倍，平衡超高需求為四倍；半徑加倍，平衡超高需求減半。

（三）超高漸變

超高漸變是指由直線段的零超高，至曲線段的設計超高，沿線逐漸增高或降低的過渡段。列車通過曲線入口與出口時，若超高突然改變，會造成車體與輪軌受力突變，影響舒適及安全；因此須在適當長度內平順完成超高的增加或遞減。

超高漸變通常配合緩和曲線設置，使曲率與超高逐步變化。設計上須兼顧超高變化率、列車速度、緩和曲線長度及乘坐舒適要求。

（四）理論最大超高

核心觀念

本題考查長焊鋼軌（長軌）的溫度應力原理、鋪設穩定條件，以及臺鐵常用焊接方法。

鋼軌受溫度變化會熱脹冷縮。一般短軌可由接頭間隙吸收部分伸縮；長焊鋼軌因接頭焊成連續軌條，伸縮受到扣件、軌枕與道碴阻力約束，溫度變化主要轉化為鋼軌內部的軸向應力：

• 氣溫升高時，鋼軌受壓；若軌道橫向阻力不足，可能發生挫屈。
• 氣溫降低時，鋼軌受拉；若拉力過大，可能造成鋼軌斷裂。
• 長軌中央存在伸縮量近乎為零的「不動區」，兩端則為伸縮區。

其溫度應力關係可寫為：

式中，$\sigma$ 為溫度應力、$E$ 為鋼軌彈性模數、$\alpha$ 為線膨脹係數、$\Delta T$ 為鋼軌溫度與無應力溫度之差。鋪軌及應力調整的目的，就是讓鋼軌在預定的舖定溫度下固定，使高溫與低溫時的軸力均落在軌道結構可承受的範圍內。

解題方法

依題目三個層次作答：先說明焊接長軌如何把熱脹冷縮轉成軸力，再列舖設時控制鋼軌、軌道阻力與施工品質的要項，最後說明臺鐵常用的兩種焊接方法及其原理。

鋪設長軌的穩定要項

1. 控制舖定溫度及無應力狀態 依路段條件選擇合宜的舖定溫度；施工時量測軌溫，必要時以拉伸器進行應力調整，使鋼軌在預定溫度下固定。避免在不適當溫度下任意鎖定長軌，造成日後溫度變化時軸力失衡。

2. 確保軌道縱向及橫向阻力 扣件應完整並依規定鎖固，軌枕配置及道碴狀況須符合要求。道碴肩寬、厚度及密實度需足夠，以提供橫向阻力，抑制高溫時軌道挫屈；扣件與軌枕亦須提供足夠縱向阻力，控制鋼軌伸縮。

3. 維持道床完整，妥善安排施工與養護 長軌鋪設、抽換或整修後，應夯實道碴並恢復道床阻力。避免在軌道阻力尚未恢復時承受不利的溫度與載重條件；必要時依規定辦理應力放散或重新舖定。

核心觀念

本題分成兩部分：第一，說明「臺鐵捷運化」如何將以中長程運輸為主的臺鐵，調整為更適合都會通勤的區域鐵路服務；第二，以基隆—南港通勤走廊為例，比較臺鐵改善與新建軌道系統的效益、成本及營運條件，提出整體建議。

「臺鐵捷運化」不是把臺鐵改成法規上的捷運系統，而是運用既有鐵路路網與營運資源，改善車站、班距、轉乘及服務方式，使通勤旅客能像使用都會軌道運輸一樣，方便、頻繁地搭乘。其核心可概括為：車站較密、班次較密、轉乘較便、票務較簡、服務較可靠。

本題屬政策與工程方案申論，沒有單一計算公式。比較方案時，應同時檢視運輸需求、路線服務範圍、尖峰運能、工程可行性、建設與營運成本、與既有鐵路及捷運的銜接，以及對都市發展的帶動效果。

解題方法

作答宜採「先定義、再列特點與硬體改善、接著比較方案、最後提出有條件的綜合建議」的架構。比較時不能只看新系統的速度或單位建設成本，還要確認方案能否進入旅客真正需要到達的地區、能否提供足夠班次，以及是否會排擠臺鐵既有的東部幹線運能。

一、臺鐵捷運化的主要特點

1. 縮短站距，增加通勤可及性：在都會或區域通勤需求較高處增設通勤車站，使旅客不必遠赴大型車站搭車。
2. 提高班次密度：以尖峰通勤需求為核心，增加區間車或通勤列車班次，縮短候車時間。
3. 調整營運服務：強化區間與通勤服務，使旅客較容易理解班次、停靠站及轉乘方式。
4. 整合票務與轉乘：改善與公車、捷運及其他鐵路系統的接駁，並以較簡便的票務及旅運資訊提升使用便利性。
5. 提升可靠度與運輸容量：透過軌道、號誌、供電、車站及調度改善，讓較密集的列車服務能穩定運行。

二、硬體方面的改善

臺鐵捷運化的硬體工作，通常包含下列項目：

• 增設或改建車站：設置通勤車站，改善月台長度、寬度、雨遮、照明及無障礙設施，並增設電梯、電扶梯與旅客引導設施。
• 改善軌道與路線容量：辦理軌道更新、路線雙軌化或增建軌道，並改善彎道、道岔及路線瓶頸，以提高列車通過能力。
• 更新號誌與行車控制設備：改善號誌、閉塞、列車控制及調度設備，支援縮短班距與提升行車安全。
• 改善供電及車輛設施：配合電氣化、供電設備更新及通勤車輛汰換，提升加減速性能與運輸效率。
• 改善車站接駁與周邊設施：設置公車轉乘區、停車與自行車設施，改善步行動線及站區聯外道路。
• 辦理鐵路立體化或平交道改善：在都市瓶頸路段視需要採地下化、高架化或平交道改善，減少道路阻隔並提升鐵路運轉穩定性。

基隆通勤軌道方案比較

民國 109 年討論「基隆輕軌」升級為「基隆捷運」時，核心議題是：基隆—南港間的通勤需求，應由臺鐵自身捷運化改善承擔，或另建輕軌／捷運系統分流。當時方案仍在規劃與研議階段，路線、運量、工程方式及與臺鐵的關係，均須以各方案的規劃內容為基礎比較。

方案一：臺鐵捷運化

**作法：**利用既有臺鐵路線，透過增設通勤車站、增加班次、改善車站與轉乘，以及必要的軌道、號誌及營運設備升級，強化基隆—南港沿線通勤服務。

優點：

• 可利用既有路廊與車站，避免另闢完整軌道走廊，通常較能節省用地及新建工程。
• 臺鐵既有系統可直接進入基隆車站，減少旅客在基隆端轉乘的不便。
• 可沿用臺鐵既有營運、維修及票務基礎，系統整合相對直接。
• 若能透過增班與設備改善滿足需求，可較快提升通勤服務。

缺點：

• 臺鐵路線須同時服務基隆通勤與東部幹線、區域及城際旅客，增加通勤班次可能與既有列車爭用路線容量。
• 若線路、號誌及調度瓶頸未解除，單靠增班不易持續縮短班距。
• 增設車站會增加停站時間，可能影響長途旅客旅行時間。
• 若沿線用地狹窄，增建軌道或改善車站的工程難度高，施工期間也可能影響既有營運。

方案二：利用臺鐵路廊增建第三軌或改善軌道配置，另提供通勤服務

**作法：**在既有鐵路廊帶增建第三軌，或配合軌道配置調整，讓通勤列車與臺鐵既有列車分擔運輸需求。此類方案仍須處理列車如何共用路廊、如何銜接臺鐵車站，以及新增軌道如何滿足營運需求。

優點：

• 可利用既有鐵路走廊，減少大規模新闢路線及沿線拆遷需求。
• 若能將通勤列車與臺鐵長途列車有效分流，可增加走廊運能及班次彈性。
• 可保留臺鐵服務基隆端的可能性，降低完全脫離臺鐵後須另行轉乘的問題。

缺點：

核心觀念

本題分成兩部分：第一部分考臺鐵如何透過路線、軌道、牽引動力、車輛及號誌運轉條件改善，提高列車速率；第二部分考近年鐵路行車安全改善的整體作為，須涵蓋安全防護、防災、減少誤點及提升服務品質。

提高行車速率不能只靠更換高速車輛。列車實際速度受路線曲線半徑、坡度、軌道狀況、號誌閉塞、站間距離、車輛性能及停站時間等共同限制；若路線條件或運轉設備未同步改善，車輛的設計速度便無法充分發揮。

解題方法

先依「路線與軌道—牽引與車輛—號誌與運轉—營運服務」分類，逐項說明臺鐵提升速率的方法。第二部分則依題目要求，分成「行車安全與設備防護」、「災害預警與工程防災」、「降低誤點」、「服務品質」四個面向，並以近六年內具體計畫及措施作例證。

申論

一、臺鐵逐步提高行車速率的方法

1. 改善路線線形，降低曲線與坡度限制 對半徑較小、行車速率受限的曲線路段辦理截彎取直、線形改善，並改善坡度及路線瓶頸。曲線半徑加大後，列車通過曲線所受的離心作用降低，可減少曲線限速並提升行車安全。東部鐵路辦理曲線改善，即屬此類作法。

2. 改善軌道與橋梁等基礎設施 更新鋼軌、道岔、橋梁及相關路基設施，改善軌道平順度與承載能力，並維持適當軌距、軌道幾何及路線狀態。基礎設施狀況較佳，可減少因軌道不良而採取的限速，也能降低設備故障造成的運轉中斷。

3. 辦理雙線化及瓶頸路段改善 單線路段須安排列車交會，常增加待避及行車時間；增建第二線或改善瓶頸後，可減少交會等待、提高路線容量，使列車運轉安排更有彈性。這種作法主要提升整體運輸效率與平均旅行速度，不等於單一列車的最高速度必然提高。

4. 電氣化並提升牽引動力 將路線電氣化，並採用性能較佳的電力機車或電聯車，可提高加速性能及運轉效率。列車在站間距離較短或停站較多時，加速性能尤其影響平均旅行速度。南迴線電氣化通車，亦使臺鐵電氣化路網進一步延伸。

5. 汰換車輛，提升車輛性能與可靠度 以新型機車、電聯車及客車逐步汰換老舊車輛，提升牽引、煞車、車載設備及可靠度。車輛性能進步可提高運轉效率；故障減少則能避免列車因臨時檢修、救援或調度而延誤。

6. 改善號誌、閉塞及行車控制設備 更新號誌、聯鎖及中央行車控制設備，改善列車運轉監控與調度效率。號誌與閉塞系統須確保列車間隔及行車安全；設備更新可協助列車運轉更順暢，並降低因號誌、通訊或控制設備故障而造成的限速及延誤。

二、近六年臺鐵提升安全、防災、準點及服務品質的作為

以下以命題當時的「近六年」為範圍，重點列舉民國104年至109年間持續推動或具體辦理的措施。

（一）提升行車安全與安全防護

1. 推動鐵路行車安全改善計畫 臺鐵持續辦理鐵路行車安全改善，更新或改善橋梁、軌道、電力、號誌及車輛等設施。工程重點包括老舊橋梁改善、鋼軌及道岔更新、號誌繼電器室改善，以及列車電機系統更新等，以降低設備老化或故障所造成的事故風險。

2. 加強平交道防護 改善平交道告警及防護設備，並逐步建置遠端監視及相關告警機制。平交道事故常涉及道路使用人違規或車輛故障，透過告警、防護及通報設備，可增加駕駛人與行車人員掌握異常狀況的時間。

3. 改善行車控制及列車安全防護 持續改善號誌、電訊及列車安全防護系統；並研議以多元通訊為基礎的行車控制功能，涵蓋精準定位、連續監控、即時通訊與車載號誌等方向。