王春森

(廣州地鐵設(shè)計研究院有限公司，廣州 510010)

0 引言

隨著城市的不斷發(fā)展以及“退二進(jìn)三”的策略，大多城市實施了新的發(fā)展戰(zhàn)略，對調(diào)整、優(yōu)化、提升城區(qū)建設(shè)提出了新的要求?；诖耍鞘熊壍澜煌ńㄔO(shè)也逐漸突破城市中心區(qū)，向城市外圍區(qū)、城市拓展區(qū)、衛(wèi)星城或新城延伸。在一些地勢變化大的城市，如重慶地鐵1號線、深圳地鐵4號線、南寧地鐵2號線和長沙地鐵4號線等，面臨由于本身城市形態(tài)帶來的特殊地形，地鐵線路和常規(guī)市區(qū)內(nèi)的不同，在線路設(shè)計時都遇到了長大陡坡問題。文獻(xiàn)［1］通過對工程中長大陡坡的設(shè)計實例及深圳4號線的測試和驗證，提出了列車在正常運營情況下，只要列車的性能滿足長大坡度的要求即可;文獻(xiàn)［2］以清連一級公路升級改造工程為例，對解決長大陡坡路段存在的有關(guān)問題進(jìn)行了探討;文獻(xiàn)［3］結(jié)合包家山特長隧道3號長大陡坡有軌斜井快速施工正洞的工程實踐，著重介紹長大有軌斜井隧道的現(xiàn)場施工組織;文獻(xiàn)［4］結(jié)合烏鞘嶺特長隧道4號長大陡坡有軌斜井快速施工左線平導(dǎo)的工程實踐，介紹適合長大有軌斜井施工的斜井提升、運輸設(shè)備配套技術(shù)及平導(dǎo)快速掘進(jìn)技術(shù);文獻(xiàn)［5］介紹旅客列車在長大下坡道上平穩(wěn)操縱方法，給出具體實例和相關(guān)數(shù)據(jù)，測試結(jié)果證明該方法可使旅客列車在長大下坡道上安全、平穩(wěn)地運行;文獻(xiàn)［6］介紹了太原西山特長隧道1號大陡坡斜井施工的設(shè)備選型及其軌道布設(shè)。而上述研究未涉及長大陡坡設(shè)計車輛的制動及電機溫升的相關(guān)問題，本文就此展開探討。

1 概述

根據(jù)建標(biāo)104—2008《城市軌道交通工程項目建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》，“線路長大坡度地段”是指列車運行在連續(xù)上坡時，可能導(dǎo)致列車不能正常牽引運行而造成運行速度下降至過低，或在故障條件下發(fā)生列車停車再啟動的困難。在該坡道下坡運行時，可能需要控制速度運行，以免制動力不足而失控，為此應(yīng)檢查列車下坡時是否具有充分的制動力，其電阻制動力與空氣制動力之和應(yīng)大于下滑力，此外還要考慮電機溫升的安全問題。上述問題隨車輛性能和環(huán)境條件的差異而不同，尤其應(yīng)注意在高架線路或受氣候條件影響時，輪軌粘著條件有較大差異。對于“線路長大陡坡地段”在城市軌道交通的有關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)中沒有確切的定義和規(guī)定，選線設(shè)計人員難以定性判斷，為此根據(jù)近年來各城市有關(guān)人士的研究，初步提出表1作為一般條件下長大坡道的控制值。當(dāng)線路設(shè)計參數(shù)大于表1規(guī)定值時，需作安全驗算。

表1 正線線路長大陡坡規(guī)定值Table 1 Values specified for long steep slope section of main line

2 研究意義

修建地鐵工程的目的是為安全、快速、大批量地運送旅客，實現(xiàn)這一目標(biāo)要通過列車的快速、高效、安全的運行來完成，地鐵建設(shè)應(yīng)該首先保證地鐵列車安全有效地運行。在地鐵建設(shè)中，各種設(shè)施的設(shè)計應(yīng)無條件保證列車正常運行，并最終受到列車運行的檢驗。由此可以看出，要想達(dá)到地鐵工程總系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計和地鐵各子系統(tǒng)相互呼應(yīng)，其協(xié)調(diào)配合的關(guān)鍵是列車運行。因此，在設(shè)計過程中，應(yīng)將地鐵列車的運行融入到各子系統(tǒng)的設(shè)計中去，使各子系統(tǒng)的設(shè)計得到優(yōu)化控制和協(xié)調(diào)配合。本文著重就線路長大坡度設(shè)計與列車運行的制動影響以及制動對踏面升溫的影響等方面進(jìn)行分析，運用仿真模擬方法論述長大陡坡線路設(shè)計可行性，為軌道交通線路的合理設(shè)計提出可行性建議。

3 制動影響分析

陡坡對制動的影響主要表現(xiàn)在制動距離延長和制動能量增加2個方面。從制動距離方面來說，在下坡時制動距離將延長。通常，B型車緊急制動平均減速度設(shè)計為1.2m/s，最大常用制動平均減速度為1.0m/s;初速為80 km/h時，平直道緊急制動距離為206 m，初速80 km/h，30‰的下坡道，緊急制動距離約為277 m。從制動能量角度來說，國內(nèi)地鐵一般采用平直道連續(xù)三次緊急制動校核熱負(fù)荷能力。下坡道制動能量包括列車動能和列車勢能，以最大軸質(zhì)量16 t計算，單軸一次緊急制動動能約為4MJ，勢能約為1.3MJ，坡道附加產(chǎn)生的勢能僅為動能的1/3。具體到30‰的坡道，連續(xù)提升16 m，意味著坡道長度約為533 m，針對該坡道，即便是進(jìn)入坡道立即緊急停車，然后加速到80 km/h(在30‰下坡道從0開始加速到80 km/h，加速距離也不低于200 m)，僅可能產(chǎn)生一次在坡道上的緊急制動，即便按連續(xù)兩次緊急制動，也不會比平直道連續(xù)三次緊急制動情況惡劣。因此，單一的30‰的坡道，連續(xù)提升16 m，可以解決緊急制動問題。

在正常情況下，常用制動優(yōu)先采用電制動，以西門子為代表的歐系牽引系統(tǒng)及南車時代公司牽引系統(tǒng)電制動能力很強，常用制動時空氣制動幾乎不參與，不存在摩擦制動熱量累積問題，線路條件幾乎對摩擦制動沒有影響。電制動失效時，根據(jù)經(jīng)驗，國內(nèi)B型地鐵，采用踏面制動，純空氣制動一般能以55～65 km/h速度運營一個往返;而采用盤式制動，純空氣制動一般能以90 km/h運營一個往返。純空氣制動的熱負(fù)荷能力與線路條件密切相關(guān)(如線路坡道、站間距、停站間隔等)，需針對線路條件做專門的熱負(fù)荷仿真計算。

對于救援工況，首先應(yīng)考慮的是制動距離。從能量的角度分析，制動初速的影響要遠(yuǎn)大于坡度的影響，救援工況制動能量可以達(dá)到。一列空載列車救援一列重載列車，在30‰的坡道上為保證制動距離，一般限速設(shè)為25 km/h，如果坡道提高，救援限速還要降低;如果正線坡道超過40‰時，救援時制動力將趨于與下滑力平衡，一列空載列車將可能無法救援一列重載列車。

4 仿真模擬分析

針對地鐵制動踏面溫度的升高，以地鐵A型車輛30‰坡道純空氣帶閘運行踏面溫度仿真模擬計算。圖1，2，3 分別為踏面初始溫度40，150，200℃時列車進(jìn)行坡道制動時的踏面溫度變化曲線。

1)仿真條件。車輪輪徑840 mm;列車軸質(zhì)量按廣州地鐵1號線車輛動車AW3載荷軸重計算;列車帶閘運行速度80km/h;列車采用純空氣制動;環(huán)境溫度40℃;坡道參數(shù)為30‰;制動過程中車輪踏面允許的極限溫度為400℃，但實際運行中不建議超過350℃。

2)踏面初始溫度40℃。在圖1中，列車在坡道持續(xù)制動450s后車輪溫度達(dá)到350℃，但實際運行過程中由于列車需要頻繁制動，車輪踏面溫度遠(yuǎn)高于40℃;因此不建議按此作為坡道設(shè)計的依據(jù)。

圖1 踏面初始溫度40℃坡道制動踏面溫度變化曲線Fig.1 Variation of brake tread temperature in slope braking when original temporary of brake tread is 40℃

3)踏面初始溫度150℃。圖2曲線顯示的是踏面初始溫度為150℃時列車進(jìn)入坡道制動階段，在坡道持續(xù)制動200 s時踏面溫度達(dá)到350℃，370 s時達(dá)到400℃。

圖2 踏面初始溫度150℃坡道制動踏面溫度變化曲線Fig.2 Variation of brake tread temperature in slope braking when original temporary of brake tread is 150℃

4)踏面初始溫度200℃。圖3曲線顯示的是踏面初始溫度為200℃時列車進(jìn)入坡道制動階段，在坡道持續(xù)制動100 s時踏面溫度達(dá)到350℃，235 s時達(dá)到400℃。

圖3 踏面初始溫度200℃坡道制動踏面溫度變化曲線Fig.3 Variation of brake tread temperature in slope braking when original temporary of brake tread is 200℃

5)模擬演算結(jié)論。通過仿真模擬分析，初始溫度為150℃時，其持續(xù)制動時間為200 s，踏面溫度達(dá)到350℃。按照地鐵80 km/h速度，30‰坡道純空氣帶閘運行踏面溫度仿真模擬，并通過行車牽引計算，站間距可達(dá)到3.5 km，連續(xù)抬升約100 m。當(dāng)初始溫度為200℃時，其持續(xù)制動時間為100 s，踏面溫度達(dá)到350℃。按照地鐵80 km/h速度，30‰坡道純空氣帶閘運行踏面溫度仿真模擬，并通過行車牽引計算，站間可達(dá)到1.3 km，連續(xù)抬升約39 m。對于城市軌道交通站間距一般為1.2～2.0 km，從模擬分析均能滿足要求;但對于郊區(qū)及外延伸線路存在長大站間距線路，站間距多為2.0～3.5km，有條件對其連續(xù)長大坡度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，并在其陡坡區(qū)間增設(shè)緩坡條件來避開連續(xù)帶閘運行的情況。

5 設(shè)計案例

1)長沙地鐵4號線。長沙地鐵4號線一期工程中阜埠河路站—南湖新城站—赤黃路站三站兩區(qū)間，站間距分別為2.2 km和1.9 km。阜埠河路站—南湖新城站區(qū)間下穿湘江且避讓南湖新城過江隧道，南湖新城站埋深達(dá)28 m;南湖新城站—赤黃路站區(qū)間受本身地勢高差影響，兩站軌面高差約37 m。軌面標(biāo)高須由11.6 m 抬升到48.4 m，其縱斷面見圖4。

圖4 南湖新城至赤黃路段縱斷面圖Fig.4 Longitudinal profile of Nanhuxincheng-Chihuanglu section

通過多方案比選，該區(qū)間采取了如下方法來解決長大陡坡的問題:①合理確定兩端車站的埋深，有利于坡度的改善。南湖新城站在滿足過湘江的情況下盡量抬高軌面標(biāo)高，這是由于赤黃路站受電纜管線控制軌面標(biāo)高不能壓低。②在2個大坡度之間增加了長300 m的14‰緩坡，這樣可以降低持續(xù)帶閘制動使踏面溫度升高，起到緩解過度的作用。③對于站端上坡設(shè)置了長300 m的14‰緩坡再接28‰大坡度，使車站出站后在最短時間內(nèi)達(dá)到最大速度，降低長時間牽引電機的過熱。

2)深圳地鐵4號線。深圳地鐵4號線二期工程中康站至梅林檢查站，站間距約2.9 km，中間隧道穿越大腦殼山，該山海拔385.4 m，兩站的軌面標(biāo)高只差約77 m。其中，大腦殼山南端到梅林檢查站，軌面標(biāo)高須由39 m抬高至90 m。在設(shè)計中通過多方案比選，該區(qū)間采取了相關(guān)措施解決了長大坡度的問題，經(jīng)過4號線開通至今的運營情況看，證明了長大陡坡的設(shè)計所采取的一些措施是有效的、科學(xué)的。

6 結(jié)論與討論

隨著城市軌道交通建設(shè)從城市中心區(qū)轉(zhuǎn)向外圍區(qū)，長大陡坡地鐵案例逐漸增多。本文通過列車制動影響分析、熱負(fù)荷仿真模擬計算和工程案例測試，驗證了長大陡坡設(shè)計在采取一些措施和優(yōu)化設(shè)計后列車連續(xù)帶閘制動運行的有效性和科學(xué)性。在我國，長大陡坡案例還處在研究和設(shè)計討論階段，是一門比較新的課題，還需要作專題深入研究和工程案例實踐證明(如長大陡坡的耦合激勵、長大陡坡度的定量定義、長大陡坡的危害、長大陡坡的預(yù)案、長大徒坡的平穩(wěn)操縱方法等)。

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