城市快速軌道交通線路縱斷面節(jié)能坡研究

周 錟 楊文昕

(1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院 成都 610031； 2.高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 成都 610031)

城市快速軌道交通作為各大城市外圍郊區(qū)地帶交通發(fā)展的重點(diǎn)，其快速、大運(yùn)量、準(zhǔn)點(diǎn)等特點(diǎn)可以很好地作用于市區(qū)與郊區(qū)和郊區(qū)間的相互聯(lián)系，但同時(shí)其能源消耗總量也是驚人的。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，對(duì)于長(zhǎng)約20 km的普通軌道交通線路，年用電量為6 000萬(wàn)～1億kW·h。據(jù)此推算，若建成300 km的軌道交通線網(wǎng)，年用電量將達(dá)到9億～15億kW·h，而城市快速軌道交通的能耗將會(huì)更為巨大。在目前能源緊缺的大環(huán)境下，降低軌道交通運(yùn)營(yíng)能耗已然非常迫切。在軌道交通各部分能耗中，列車運(yùn)營(yíng)占據(jù)了很大一部分，為20%～30%。在線路縱斷面設(shè)計(jì)中引入節(jié)能坡設(shè)計(jì)，可以降低列車牽引制動(dòng)能耗，延長(zhǎng)車輛加減速系統(tǒng)使用壽命，實(shí)現(xiàn)城市快速軌道交通的可持續(xù)發(fā)展[1]。

1 節(jié)能坡

1.1 節(jié)能坡概念

所謂節(jié)能坡，就是指能夠降低牽引制動(dòng)能耗的坡道。節(jié)能坡一般設(shè)計(jì)成凹型縱斷面以達(dá)到節(jié)能的目的。車輛在出地鐵站后通過區(qū)間下坡迅速地將重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能,在盡可能少耗費(fèi)牽引電能的情況下,獲得列車運(yùn)行所需要的加速度和目標(biāo)速度。列車加速一定時(shí)間和距離后達(dá)到目標(biāo)速度，進(jìn)入?yún)^(qū)間勻速坡,以最高速度或接近最高速度勻速運(yùn)行,這樣可以基本不需要耗費(fèi)牽引電能;車輛進(jìn)入下一個(gè)地鐵站之前通過站前上坡將車輛動(dòng)能轉(zhuǎn)化為勢(shì)能,加速列車的制動(dòng),從而節(jié)省列車制動(dòng)所需要的電能耗費(fèi)[2]。節(jié)能坡是一個(gè)相對(duì)概念，即節(jié)能坡設(shè)計(jì)下，列車的牽引制動(dòng)能耗小于只考慮工程施工條件的坡道設(shè)計(jì)的相關(guān)能耗，反之則為不節(jié)能坡。目前節(jié)能坡常用的有V字形和W字形。W字形主要使用于長(zhǎng)距離區(qū)間。常用較優(yōu)的節(jié)能坡坡段示意見圖1所示[3]。

圖1 常用較優(yōu)的節(jié)能坡坡段示意圖

1.2 節(jié)能坡設(shè)計(jì)要求

1) 保證列車安全平穩(wěn)的運(yùn)行環(huán)境，不能存在“有害坡”——列車沿陡長(zhǎng)下坡道惰行時(shí)，因受速度限制而需施行制動(dòng)的坡道。

2) 保證列車的加速性能，有效提高列車商業(yè)旅行速度。

3) 具有最佳的工程造價(jià)和運(yùn)行效果。

1.3 節(jié)能坡應(yīng)用場(chǎng)景

目前城市軌道交通敷設(shè)方式有3種：地面線路、高架線路和地下線路。地下線路多用于城市中心區(qū)域，地面線路和高架線路多用于城市外圍區(qū)域。這樣布置主要是考慮到城市中心區(qū)域建筑物密集，地面線路對(duì)城市的切割作用太強(qiáng)，影響地面交通和居民正常生活，而高架線路噪聲振動(dòng)太大影響居民區(qū)居民生活，同時(shí)地面和高架線路占用土地資源較多，拆遷成本也較大，因而多采用地下線路。而城市外圍區(qū)域建筑物稀疏，空間開闊，土地資源豐富，采用地面和高架線路較為經(jīng)濟(jì)。節(jié)能坡設(shè)計(jì)采用“高站位、低區(qū)間”的縱斷面形式，針對(duì)節(jié)能坡的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，這3種敷設(shè)方式在設(shè)計(jì)施工等方面差別很大。

地面線路在經(jīng)過處理的路基上直接鋪設(shè)軌道，線路縱斷面一般貼近地形。若采用節(jié)能坡的設(shè)計(jì)，會(huì)大大增加土石方工程量，破壞城市景觀。高架線路是將軌道架設(shè)于高架橋上，線位一般位于道路兩側(cè)或中央。若要采用節(jié)能坡設(shè)計(jì)，高架橋會(huì)高低起伏，增加高橋長(zhǎng)度，既增加橋梁造價(jià)，也不利于城市景觀美化，同時(shí)高站位也會(huì)增加旅客進(jìn)出站時(shí)間和距離。因此，地面線路和高架線路只有在線路適應(yīng)地形時(shí)才會(huì)使用節(jié)能坡設(shè)計(jì)。

地下線路將除車站出入口和個(gè)別電力通風(fēng)設(shè)施以外的設(shè)施設(shè)備全部建造于地面以下，節(jié)約了土地資源。為了方便旅客進(jìn)出站，地下線路的車站一般設(shè)置于距地表很近的地方。若采用節(jié)能坡的設(shè)計(jì)，其高站位的設(shè)計(jì)很符合地下線路車站的設(shè)計(jì)理念，而低區(qū)間的設(shè)計(jì)只需要采用盾構(gòu)暗挖即可，工程施工上差別不大，因此，節(jié)能坡設(shè)計(jì)很適合地下線路。

2 節(jié)能坡縱斷面參數(shù)研究

本次試驗(yàn)主要面向城市快速軌道交通V字形節(jié)能坡進(jìn)行參數(shù)研究。針對(duì)節(jié)能坡3個(gè)影響因素：坡段長(zhǎng)度、坡度和區(qū)間長(zhǎng)度，分別設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的坡段組合。坡段長(zhǎng)度、坡度和區(qū)間長(zhǎng)度的取值均在《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定范圍之內(nèi)。考慮到節(jié)能坡適合地下線路，以地下線為例，采用城市列車運(yùn)行計(jì)算系統(tǒng)，統(tǒng)計(jì)不同影響因素控制下的坡段組合設(shè)計(jì)的運(yùn)營(yíng)能耗并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2.1 試驗(yàn)參數(shù)

2.1.1試驗(yàn)車型

深圳地鐵11號(hào)線采用A型車，8輛編組(6M2T/1C2M)，車速120 km/h。

2.1.2線路數(shù)據(jù)

本文研究對(duì)象為車速120 km/h的城市軌道交通，目前一般將區(qū)間長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為2.5 km左右。本文重點(diǎn)考慮2 000～4 000 m的線路區(qū)間。為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，采用對(duì)稱坡段設(shè)計(jì)：加速與減速節(jié)能坡，中間后續(xù)緩坡的坡段長(zhǎng)度與坡度均相同。

1) 車站坡度設(shè)置為0.2%。

2) 根據(jù)列車的相關(guān)參數(shù)確定，列車運(yùn)行允許的最大坡度為3%。因而加減速節(jié)能坡坡度的可取范圍為0.2%～3%。

3) 考慮到后續(xù)坡一般設(shè)置為較緩的坡段以便列車做高速運(yùn)行，同時(shí)也考慮到排水需求和后續(xù)改進(jìn)的需要，本文中的后續(xù)緩坡坡度設(shè)置為0.6%。

2.2 針對(duì)不同影響因素的坡段設(shè)計(jì)和模擬計(jì)算

以地下線為例，結(jié)合城市列車運(yùn)行計(jì)算系統(tǒng)，對(duì)節(jié)能坡各相關(guān)參數(shù)取值進(jìn)行分析研究。假設(shè)2個(gè)車站A站、B站高程相同，均為-10.00 m，2車站區(qū)間長(zhǎng)度可調(diào)。

2.2.1節(jié)能坡坡度

考慮區(qū)間長(zhǎng)度、節(jié)能坡長(zhǎng)度相同，對(duì)節(jié)能坡的坡度大小這一因素進(jìn)行分析研究?？紤]到后續(xù)緩坡坡度值為0.6%，以及《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》中正線最大坡度不宜超過3%[4]，將試驗(yàn)坡度區(qū)間坡度定為1%～3%。為了簡(jiǎn)化試驗(yàn)，選取坡度值1.0%，1.5%，2.0%，2.5%，3.0%，同時(shí)設(shè)定區(qū)間長(zhǎng)度為2 000～3 500 m，進(jìn)行模擬計(jì)算和分析。

其中針對(duì)坡段長(zhǎng)度這一影響因素，在初步模擬中選取不同區(qū)間長(zhǎng)度，并改變坡段長(zhǎng)度，計(jì)算后未得到較為普遍的取值范圍，因此考慮采用坡段長(zhǎng)度占區(qū)間長(zhǎng)度的比值a來定量分析坡段長(zhǎng)度和區(qū)間長(zhǎng)度對(duì)節(jié)能坡能耗的影響。假設(shè)坡段長(zhǎng)度與區(qū)間長(zhǎng)度的比值為a，考慮到坡段長(zhǎng)度不能小于遠(yuǎn)期列車長(zhǎng)度(195 m)且區(qū)間長(zhǎng)度范圍為2 000～4 000 m，a的取值下限為0.1,上限為0.35。本次坡段組合設(shè)計(jì)中，a的取值為0.1，1/9，1/8，1/7，0.15，1/6，0.2，0.25，0.3，1/3，0.35。

限于篇幅，現(xiàn)僅將2 800 m區(qū)間長(zhǎng)度下，列車在節(jié)能坡上運(yùn)營(yíng)時(shí)的節(jié)能效率散點(diǎn)圖列出，見圖2。

圖2 2 800 m區(qū)間各節(jié)能坡坡度下的節(jié)能效率圖

通過分析2 000～3 500 m散點(diǎn)圖可知，節(jié)能坡的節(jié)能效率隨著節(jié)能坡坡度的增大而增大。當(dāng)節(jié)能坡坡度采用規(guī)范限制的最大值3%時(shí)，在各個(gè)節(jié)能坡長(zhǎng)度下，節(jié)能效率理論上均達(dá)到最大值，節(jié)能效率比采用1.0%節(jié)能坡時(shí)高4%～19.5%,但實(shí)際工程設(shè)計(jì)中較少采用極限坡度。同時(shí)由圖2可知，當(dāng)節(jié)能坡采用2.5%坡度時(shí)比1.0%緩坡節(jié)能效率提高了6%～13.6%。結(jié)合軌道交通設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)值及上述圖表能耗變化趨勢(shì)，同時(shí)考慮為線路調(diào)線調(diào)坡階段留有一定余量，取節(jié)能坡坡度為2.5%～2.8%，節(jié)能坡的節(jié)能效果會(huì)非常明顯。

2.2.2區(qū)間長(zhǎng)度與節(jié)能坡坡段長(zhǎng)度

根據(jù)軌道交通設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，120 km/h的城市軌道交通線路區(qū)間長(zhǎng)度一般設(shè)計(jì)為2.5 km左右，為了探索普遍規(guī)律，本次試驗(yàn)將區(qū)間長(zhǎng)度范圍設(shè)定為2 000～4 000 m，取值間隔100 m，節(jié)能坡坡度設(shè)定為2.5%。針對(duì)不同區(qū)間長(zhǎng)度L與節(jié)能坡坡段長(zhǎng)度占區(qū)間長(zhǎng)度的比值a，將設(shè)計(jì)區(qū)間縱斷面進(jìn)行組合。為了簡(jiǎn)化運(yùn)算，采用對(duì)稱設(shè)計(jì)，得到節(jié)能坡的坡段組合形式見圖3。

圖3 采用節(jié)能坡的坡段組合

不采用節(jié)能坡的坡段組合形式見圖4。

圖4 不采用節(jié)能坡的坡段組合

整理歸納2 000～4 000 m的能耗數(shù)據(jù)及散點(diǎn)折線圖，將20組數(shù)據(jù)分為下述5組。由于篇幅限制，僅列出2 300～4 000 m區(qū)間的部分?jǐn)?shù)據(jù),節(jié)能效率以符號(hào)e表示，具體計(jì)算方法如下。

式中：EN為未采用節(jié)能坡的區(qū)間能耗；EA為采用節(jié)能坡的區(qū)間能耗。

1) 區(qū)間長(zhǎng)度取為2 000～2 350 m，節(jié)能坡坡度取2.5%的情況下，各a值對(duì)應(yīng)的能耗節(jié)省效率見圖5。

2) 區(qū)間長(zhǎng)度取為2 350～3 150 m，節(jié)能坡坡度取2.5%的情況下，各a值對(duì)應(yīng)的能耗節(jié)省效率見圖6。

圖6 2 350～3 150 m區(qū)間節(jié)能坡節(jié)能效率

3) 當(dāng)區(qū)間長(zhǎng)度取為3 150～3 350 m，節(jié)能坡坡度取2.5%的情況下，各a值對(duì)應(yīng)的能耗節(jié)省效率見圖7。

圖7 3 150～3 350 m區(qū)間節(jié)能坡節(jié)能效率

4) 當(dāng)區(qū)間長(zhǎng)度取為3 350～3 750 m，節(jié)能坡坡度取2.5%的情況下，各a值對(duì)應(yīng)的能耗節(jié)省效率見圖8。

圖8 3 350～3 750 m區(qū)間節(jié)能坡節(jié)能效率

5) 區(qū)間長(zhǎng)度取為3 750～4 000 m，節(jié)能坡坡度取2.5%的情況下，各a值對(duì)應(yīng)的能耗節(jié)省效率見圖9。

圖9 3 750～4 000 m區(qū)間節(jié)能坡節(jié)能效率

2.3 整理分析

通過分析各個(gè)區(qū)間內(nèi)牽引、制動(dòng)能耗情況及列車牽引運(yùn)行圖，正常采用V字形節(jié)能坡時(shí)，在節(jié)能坡長(zhǎng)度一致的情況下，隨著區(qū)間長(zhǎng)度的增加，列車下坡制動(dòng)能耗和上坡牽引能耗逐漸增加；在區(qū)間長(zhǎng)度一致的情況下，隨著節(jié)能坡長(zhǎng)度的增加，列車下坡階段牽引能耗減少并達(dá)到一定值、制動(dòng)能耗增加，上坡階段牽引能耗增加、制動(dòng)能耗減少。

特別地，在3 150～3 350 m區(qū)間長(zhǎng)度下，節(jié)能效率出現(xiàn)2個(gè)峰值，這是由于節(jié)能坡長(zhǎng)度較短時(shí)，下坡階段無需制動(dòng)，上坡階段無需牽引，能耗節(jié)省主要取決于下坡階段的牽引能耗節(jié)省，而隨著節(jié)能坡長(zhǎng)度增加，下坡需要制動(dòng)，上坡需要牽引，這導(dǎo)致節(jié)能效率的下降，形成節(jié)能效率第一峰值；但同時(shí)上坡的制動(dòng)能耗也在大幅降低，節(jié)能效率又逐漸上升，在a=0.25左右時(shí)，制動(dòng)能耗降低量與其余能耗增加量差值達(dá)到最大，形成節(jié)能效率第二峰值。

區(qū)間長(zhǎng)度超過3 350 m后，如果仍舊按照常規(guī)設(shè)計(jì)采用V字形節(jié)能坡，車輛出站后速度持續(xù)增加到最大速度后需采取制動(dòng)措施，而上坡時(shí)需要再次牽引，下坡制動(dòng)和上坡牽引能耗增加量較大，不符合節(jié)能坡設(shè)計(jì)的初衷。這一現(xiàn)象在城市快速軌道交通中3 350 m以上的區(qū)間長(zhǎng)度下表現(xiàn)的尤為明顯，因而在這種情況下設(shè)計(jì)時(shí)宜采用W形坡。W形坡利用其間設(shè)置的上、下緩坡實(shí)現(xiàn)動(dòng)能勢(shì)能的二次轉(zhuǎn)換，以達(dá)到減少能耗的目的[5]。

綜合上述5組數(shù)據(jù)的分析，可以得到如下結(jié)論。

針對(duì)不同區(qū)間長(zhǎng)度，較為節(jié)能的a值的取值范圍如下。

1) 2 000～2 350 m，a取0.2～0.25；

2) 2 350～3 150 m，a取0.25～0.3；

3) 3 150～3 350 m，a取0.146～0.15或0.25～0.3；

4) 3 350 m以上區(qū)間：建議采用W字形節(jié)能坡。

3 結(jié)論

1) 鑒于節(jié)能坡的良好節(jié)能效應(yīng)，在城市快速軌道交通的實(shí)際縱斷面設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡可能地采用節(jié)能坡設(shè)計(jì)。

2) 在城市軌道交通線路設(shè)計(jì)中，地面線及高架線路若地形與節(jié)能坡設(shè)計(jì)不適宜，多不采用“高站位，低區(qū)間”的節(jié)能坡形式；地下線路最適宜采用節(jié)能坡設(shè)計(jì)。

3) 節(jié)能坡的節(jié)能效率隨著坡度值的逐漸增大而增大，結(jié)合軌道交通設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及上述理論研究，節(jié)能坡坡度取2.0%～2.8%時(shí)節(jié)能效果較為明顯。

4) 當(dāng)節(jié)能坡采用最優(yōu)參數(shù)設(shè)置時(shí)，較其他參數(shù)設(shè)置形式總能耗降低約15%～19%。

5) 對(duì)于設(shè)計(jì)車速為120 km/h的城市軌道交通工程，不同區(qū)間長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的較優(yōu)節(jié)能坡坡段長(zhǎng)度占區(qū)間總長(zhǎng)度的比例a為：

2 000～2 350 m下，0.2～0.25；

2 350～3 150 m下，0.25～0.3；

3 150～3 350 m下，0.146～0.15或0.25～0.3。

6) 對(duì)于長(zhǎng)度為3 350 m以上的長(zhǎng)大區(qū)間，節(jié)能坡建議采用W字形坡。

在實(shí)際的工程中，采用節(jié)能坡設(shè)計(jì)應(yīng)因地制宜，綜合考慮快速軌道交通能耗節(jié)省與影響實(shí)際工程造價(jià)的因素，以保證兩者的協(xié)調(diào)一致。