地鐵線路縱斷面區(qū)間單向坡設(shè)計(jì)探析

摘 要：地鐵線路縱斷設(shè)計(jì)經(jīng)常面臨單向坡道問(wèn)題，是采用單個(gè)坡段還是采用多坡段組合設(shè)計(jì)問(wèn)題，一直都存在爭(zhēng)議。針對(duì)單向坡度設(shè)計(jì)問(wèn)題，本文根據(jù)工程實(shí)例，通過(guò)多方案比選研究，結(jié)合運(yùn)營(yíng)模擬檢算，提出了單向坡度設(shè)計(jì)應(yīng)與列車運(yùn)營(yíng)相結(jié)合的設(shè)計(jì)理念，進(jìn)而分析出地鐵線路縱斷面單向坡度設(shè)計(jì)的一些原則，以供地鐵線路縱斷面設(shè)計(jì)借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：地鐵 線路縱斷面 單向坡設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TU7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2012）12（c）-0053-03

地鐵線路縱斷面一般設(shè)計(jì)為高站位、低區(qū)間的凹型節(jié)能坡度，但在線路縱斷面設(shè)計(jì)中經(jīng)常遇到單向坡度設(shè)計(jì)的情況，如昆明地鐵3號(hào)線大樹(shù)營(yíng)站至東部客運(yùn)站段由于地形起伏較大，此四站三區(qū)間線路縱斷面就面臨單向坡度設(shè)計(jì)問(wèn)題。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，3號(hào)線單向坡度約占本工程線路總長(zhǎng)的35%。如何合理地設(shè)計(jì)好地鐵單向坡度問(wèn)題，筆者根據(jù)地鐵設(shè)計(jì)工作實(shí)際，通過(guò)列車模擬計(jì)算和多方案研究，提出地鐵線路縱斷面單向坡度設(shè)計(jì)的一些原則和體會(huì)。

1 線路縱斷面設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題

所謂線路縱斷面單向坡是指車站與車站之間采用同一方向的坡度。單向坡度設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合不同的地形、地質(zhì)和水文條件、線路敷設(shè)方式與埋深要求、隧道施工方法、地上地下建筑物與基礎(chǔ)情況，以及線路平面條件等因素進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，當(dāng)單向平均坡度小于10‰時(shí)，區(qū)間一般可設(shè)計(jì)為凹型節(jié)能坡度，當(dāng)區(qū)間單向平均坡度大于10‰時(shí)，就很難設(shè)計(jì)為凹型節(jié)能坡度，此時(shí)就宜考慮設(shè)計(jì)為單向坡度。單向坡度采用一面坡或多段坡道組合設(shè)計(jì)問(wèn)題存在兩種普遍看法：一種看法為單向坡度采用一面坡道設(shè)計(jì)較為合理，可以提高列車運(yùn)營(yíng)的舒適性，方便運(yùn)營(yíng)維護(hù)，節(jié)能效果也較好；另一種看法認(rèn)為采用多段坡度（緩坡+陡坡）組合才能達(dá)到節(jié)能效果，也較符合列車運(yùn)行規(guī)律。以上兩種觀點(diǎn)都是定性看法，均無(wú)定量分析，存在感性層面認(rèn)識(shí)。對(duì)于高站位、低區(qū)間的凹型節(jié)能坡度設(shè)計(jì)，眾多同仁進(jìn)行了較為成熟的研究，但對(duì)單向坡度的線路縱斷面設(shè)計(jì)問(wèn)題，相關(guān)研究和分析的成果較少。

2 研究單向坡度目的

地鐵工程是為了安全、快速、大批量地運(yùn)送旅客，土建工程是永久工程，線路縱斷面直接影響列車的運(yùn)行效果，并對(duì)長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)成本產(chǎn)生較大影響。據(jù)統(tǒng)計(jì)，地鐵能源消耗的費(fèi)用一般要占運(yùn)營(yíng)支出的20%～30%。較好的線路縱斷面設(shè)計(jì)方案能夠大大降低列車牽引能耗，因此，線路縱斷面設(shè)計(jì)最終目的是為運(yùn)營(yíng)服務(wù)，提高運(yùn)營(yíng)環(huán)境舒適性，降低能源消耗。

3 單向坡設(shè)計(jì)研究的優(yōu)點(diǎn)

在滿足地鐵線路合理選線的基礎(chǔ)上，對(duì)單向坡度設(shè)計(jì)采用列車模擬仿真軟件，通過(guò)對(duì)多個(gè)方案進(jìn)行時(shí)間、能耗等指標(biāo)計(jì)算，從而確定出相對(duì)科學(xué)合理的線路優(yōu)化方案。其優(yōu)點(diǎn)如以下幾點(diǎn)。

（1）將地鐵工程在設(shè)計(jì)階段就置于系統(tǒng)工程的控制之下，從工程設(shè)計(jì)開(kāi)始就考慮了綜合運(yùn)營(yíng)目標(biāo)的相互協(xié)調(diào)，使整個(gè)工程盡可能優(yōu)化。

（2）由于線路縱斷面是在列車運(yùn)行仿真模擬的條件下設(shè)計(jì)出來(lái)的，這樣可以最大限度地接近運(yùn)營(yíng)列車的實(shí)際運(yùn)行情況，能夠更好地達(dá)到地鐵系統(tǒng)遠(yuǎn)期的功能目標(biāo)。

（3）能耗是一個(gè)長(zhǎng)期的運(yùn)營(yíng)支出問(wèn)題，地鐵的能耗費(fèi)用一般在運(yùn)營(yíng)支出中占較大比重，因此，合理的縱斷面設(shè)計(jì)，能夠在很大程度上降低運(yùn)營(yíng)成本，符合國(guó)家節(jié)能減排的政策。

（4）由于在地鐵建設(shè)初期就考慮了列車運(yùn)行要求，不僅增加了安全可靠性，也更符合建設(shè)為運(yùn)營(yíng)服務(wù)的宗旨。

4 單向坡度方案設(shè)計(jì)及模擬計(jì)算

列車運(yùn)行過(guò)程中減小加減速時(shí)間和列車牽引時(shí)間，才能達(dá)到節(jié)能和提高旅行速度目的。筆者結(jié)合昆明地鐵3號(hào)線工程某區(qū)間，通過(guò)在理想狀態(tài)下進(jìn)行多方案研究和模擬計(jì)算，從而歸納分析出單向坡坡度設(shè)計(jì)的方法。

線路縱斷面方案設(shè)計(jì)和列車運(yùn)營(yíng)模擬計(jì)算采用地鐵A型車、6輛編組，列車重量337 t，架空接觸網(wǎng)1500 V牽引供電；列車最高運(yùn)行速度為80 km/h，不限速運(yùn)營(yíng)模式。線路坡度的設(shè)計(jì)應(yīng)符合《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》的相關(guān)要求，正線最大坡度不宜超過(guò)30‰，困難地段可采用35‰。目前業(yè)內(nèi)在線路縱斷面設(shè)計(jì)時(shí)，通常情況下坡度設(shè)計(jì)值不超過(guò)28‰，且采用超過(guò)24‰以上的大坡度，坡段提升高度不宜超過(guò)16 m，否則應(yīng)檢查列車編組及其牽引、制動(dòng)力性能，以及滿足各種故障情況下列車的運(yùn)行能力要求。

昆明地鐵3號(hào)線工程太平村站（A站）至虹橋村站（B站）站間距約1.5 km，兩站之間由于地形起伏原因，必須采用單向坡設(shè)計(jì)，區(qū)間單向坡平均坡度值為16‰。

同時(shí)對(duì)采用27‰、25‰、23‰陡坡+緩坡的四個(gè)可能性方案進(jìn)行研究，通過(guò)對(duì)上、下行列車進(jìn)行運(yùn)營(yíng)模擬計(jì)算，對(duì)每個(gè)方案的綜合運(yùn)營(yíng)時(shí)間和能耗進(jìn)行了研究分析，得出較為科學(xué)合理的坡度設(shè)計(jì)方案。本段工程設(shè)計(jì)也得到了相關(guān)部門和專家審查組的一致認(rèn)可，取得了較好的工程效果。下面筆者就其中平均坡度16‰的單向坡為例，在采用單面坡和緩坡+陡坡組合的情況下，通過(guò)列車運(yùn)營(yíng)模擬計(jì)算，進(jìn)行較為詳細(xì)的比選。

（1）平均坡度為16‰的單向坡方案設(shè)計(jì)和模擬計(jì)算。

對(duì)于兩站間平均坡度為16‰的單向坡度，研究比選了四個(gè)方案。方案一區(qū)間采用16‰/1300 m一面坡設(shè)計(jì)；方案二區(qū)間采用6.929‰/700 m+27‰/590 m坡度設(shè)計(jì)；方案三區(qū)間采用7.354‰/650 m+25‰/640 m坡度設(shè)計(jì)；方案四區(qū)間采用8.183‰/600 m+23‰/690 m坡度設(shè)計(jì)，計(jì)算縱斷面設(shè)計(jì)方案示意圖1所示，通過(guò)列車運(yùn)行模擬軟件對(duì)各方案進(jìn)行計(jì)算，模擬計(jì)算過(guò)程見(jiàn)圖2、圖3所示，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1所示。

從上表可以看出，相對(duì)于16‰的單向一面坡，采用27‰、25‰、23‰陡坡+緩坡組合坡度設(shè)計(jì)，能耗分別節(jié)約6.2%，4.5%、3.7%，運(yùn)行時(shí)間分別減少3 s、3 s、2 s。

（2）其它單向坡度方案設(shè)計(jì)和模擬計(jì)算

在上面方案基礎(chǔ)上，筆者理論研究了單向坡平均坡度12‰、14‰、18‰、20‰四個(gè)坡度情況，進(jìn)行了方案比選及模擬計(jì)算，方案特征和計(jì)算結(jié)果如下表2、表3、表4、表5所示。

兩車站間平均坡度為12‰的單向坡。

采用27‰、25‰、23‰陡坡+緩坡組合坡度設(shè)計(jì)方案比采用單面坡設(shè)計(jì)方案，能耗分別節(jié)約11.4%，10.1%、11.2%，運(yùn)行時(shí)間分別減少3 s、4 s、3 s。

兩車站間平均坡度為14‰的單向坡。

采用27‰陡坡+緩坡、25‰陡坡+緩坡、23‰陡坡+緩坡的兩段坡度設(shè)計(jì)方案比采用一面坡設(shè)計(jì)方案，能耗分別節(jié)約10.2%，7.2%、7.5%，運(yùn)行時(shí)間分別減少5 s、4 s、5 s。

兩車站間平均坡度為18‰的單向坡。

采用27‰、25‰、23‰陡坡+緩坡組合坡度設(shè)計(jì)方案比采用單面坡設(shè)計(jì)方案，能耗分別節(jié)約5.8%，4.5%、3.1%，運(yùn)行時(shí)間分別減少2 s、2 s、1 s。

分析可見(jiàn)，當(dāng)兩車站間平均坡度值為20‰時(shí)，采用各種陡坡+緩坡組合坡度設(shè)計(jì)方案與采用單面坡設(shè)計(jì)方案，列車能耗和運(yùn)行時(shí)間基本相當(dāng)。

綜上研究分析，在線路縱斷面單向坡度設(shè)計(jì)過(guò)程中，當(dāng)兩車站間平均坡度值在12‰～20‰時(shí)，隨著單向坡平均坡度值的增加，采用陡坡+緩坡組合坡度方案比采用單面坡設(shè)計(jì)方案，節(jié)能效果從11.4‰降至0.4‰，節(jié)能效果逐漸降低；當(dāng)平均坡度為20‰時(shí)，節(jié)能效果不明顯。

以昆明地鐵3號(hào)線為例，當(dāng)采用14‰的平均坡度時(shí)，根據(jù)列車開(kāi)行計(jì)劃，初、近、遠(yuǎn)期全天列車開(kāi)行計(jì)劃對(duì)數(shù)分別為180對(duì)、240對(duì)、298對(duì)，以電價(jià)0.8元/度計(jì)算，昆明地鐵3號(hào)線A車站至B車站區(qū)間范圍，采用27‰、25‰、23‰陡坡+緩坡組合坡度設(shè)計(jì)方案初、近、遠(yuǎn)期全年電費(fèi)分別為337萬(wàn)元、503萬(wàn)元、625萬(wàn)元。如能耗可以降低10%，則每年可節(jié)約的用電費(fèi)用為33.7萬(wàn)元、50.3萬(wàn)元、62.5萬(wàn)元。若按遠(yuǎn)期后運(yùn)營(yíng)50年計(jì)算（通車后72年，不計(jì)電價(jià)上漲因素），A車站至B車站區(qū)間總共可省電費(fèi)約4350萬(wàn)元。

5 結(jié)論

地鐵線路縱斷面優(yōu)化設(shè)計(jì)是一個(gè)牽涉多專業(yè)的綜合性題目，它與列車最高運(yùn)行速度、列車運(yùn)行特性、施工工法、車站埋深、地質(zhì)情況、地面地下建構(gòu)筑物等因素有密切關(guān)系，在這些因素基本確定后，進(jìn)行地鐵縱斷面設(shè)計(jì)時(shí)，采用有利于列車運(yùn)營(yíng)和降低運(yùn)行能耗的合理縱斷面是非常有必要的。筆者通過(guò)上述工程實(shí)例，對(duì)各縱斷面設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比選并進(jìn)行運(yùn)營(yíng)模擬計(jì)算，研究分析后認(rèn)為。

（1）當(dāng)單向坡區(qū)間平均坡度值小于10‰時(shí)，盡可能設(shè)計(jì)為凹型的節(jié)能坡度。

（2）當(dāng)單向坡區(qū)間平均坡度值10‰～18‰時(shí)，采用緩坡+陡坡設(shè)計(jì)能達(dá)到較好的節(jié)能效果。

（3）當(dāng)單向坡區(qū)間平均坡度值大于18‰時(shí)，節(jié)能效果已不明顯，應(yīng)結(jié)合工程情況考慮，一般采用單面坡坡度設(shè)計(jì)，提高列車運(yùn)營(yíng)舒適性和減小運(yùn)營(yíng)維護(hù)費(fèi)用。

就地鐵區(qū)間單向坡度設(shè)計(jì)問(wèn)題，本文從節(jié)能效果方面僅僅對(duì)固定站間距約1.5 km區(qū)間進(jìn)行了分析總結(jié)，結(jié)論可作為一般工程參考，但可能并不全面，因?yàn)榫唧w工程中不同站間距、不同高差大小進(jìn)行多種坡段組合類型很多，結(jié)果有可能會(huì)有差異。因此對(duì)于具體工程，應(yīng)考慮各種因素后有針對(duì)性進(jìn)行研究，以期達(dá)到線路縱斷面設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)效果最緊密的結(jié)合。

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