王 楚 驕

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，廣東 深圳　518000)

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地鐵線路縱斷面設計優(yōu)化探討

王 楚 驕

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，廣東 深圳518000)

結合列車的運行狀態(tài)，提出了基于節(jié)能以及優(yōu)化相關工程條件的地鐵線路縱斷面設計方案，經(jīng)分析表明：在牽引狀態(tài)下，列車宜采用大坡度下坡以增加列車加速度，減少牽引距離及牽引能耗，同時使列車重力勢能轉換為列車動能；在制動狀態(tài)下，宜采用大坡度上坡以增加列車制動力，減少制動能耗以及制動距離，同時使列車動能轉換為重力勢能。

線路縱斷面，節(jié)能，牽引計算，區(qū)間風井，列車運行狀態(tài)

在地鐵縱斷面設計中，地鐵設計規(guī)范對線路縱斷面在不同條件下的坡長、坡率等有較為明確的規(guī)定，但是規(guī)范規(guī)定的坡長坡率范圍較為寬泛，僅僅依據(jù)《地鐵設計規(guī)范》設計出來的縱斷面明顯不能滿足節(jié)能以及工程經(jīng)濟最優(yōu)等要求。地鐵縱斷面往往受平面線形、地形、地質(zhì)條件、施工工法、地下建(構)筑物、工程經(jīng)濟等方面的限制，各種因素之間也相互影響，但縱斷面的設計同時也具備一定的靈活性。選擇合理的縱斷面對減少工程投資、工程風險以及降低運營能耗具有非常重要的意義。

1　列車運行狀態(tài)分析

列車運行狀態(tài)可分為加牽引狀態(tài)、惰性狀態(tài)、制動狀態(tài)三種形態(tài)，不同的坡段上上述三種形態(tài)的組合形式存在一定的差異。以深圳地鐵6A編組(4動2拖)、速度目標值為80 km/h為例，在列車啟動加速出站時，不同坡段上的啟動加速距離存在較大差別，坡度越小，列車啟動加速距離越小，達到速度目標值的時間越短(見表1)。

表1　啟動加速距離與坡率的關系

列車在區(qū)間運行時，當列車的重力能克服列車阻力做功時(坡率小于-5‰)，列車會一直處于惰性運行狀態(tài)。當列車的重力無法克服阻力做功時(坡段為上坡或大于-5‰)時，列車會反復經(jīng)歷惰性運行與牽引加速兩種狀態(tài)(見圖1)；在坡率一定時該種運行形態(tài)具備一定的周期性，坡率越小惰行距離越大，牽引距離越小，周期內(nèi)列車運行距離與坡率呈二次函數(shù)關系，在坡率為15‰ 左右時列車的運行周期最短。

當列車減速進站時，坡率越大，列車阻力越大，制動距離越短，能耗越小。

綜合上述分析可知，在牽引狀態(tài)下，列車宜采用大坡度下坡以增加列車加速度，減少牽引距離及牽引能耗，同時使列車重力勢能轉換為列車動能；在制動狀態(tài)下，宜采用大坡度上坡以增加列車制動力，減少制動能耗以及制動距離，同時使列車動能轉換為重力勢能；在惰性狀態(tài)下，宜采用-4‰～-7‰ 之間的緩坡，使列車在惰性狀態(tài)下避免速度迅速下降或者速度持續(xù)上升從而導致列車運行過程中需要多次制動調(diào)速增加制動能耗。

2　基于節(jié)能以及優(yōu)化相關工程條件的線路縱斷面方案

車站在有條件的情況下應布置于凸形斷面上，有利于列車進站減速以及出站加速。梁廣深等從對節(jié)能線路的專題研究中得出以下結論：設計時速為80 km/h的出站加速坡宜采用坡率25‰ 左右、坡長為250 m的坡道，對于設計時速為100 km/h及120 km/h或者更高速度的列車制式，其節(jié)能原理是一致的，但具體的坡長坡率須經(jīng)牽引計算才能確定。設置加速坡固然有利于節(jié)能，但是在具體的工程中并非所有情況都適合設置加速坡，下面針對幾種常見的情況進行分析。

1)區(qū)間單向平均坡度小于10‰，且區(qū)間長度不大于2.4 km。由于線路區(qū)間長度不大于2.4 km，因此不考慮設置通風豎井、不考慮地下建構筑物及地質(zhì)的情況下，線路有條件設置加速坡。根據(jù)《地鐵設計規(guī)范》，每隔600 m需設置聯(lián)絡通道，區(qū)間排水泵房應與聯(lián)絡通道合建以減少工程投資。因此，區(qū)間單向平均坡度小于10‰ 時，線路縱斷面應采取如下方案：區(qū)間兩端設置加速坡(列車出站加速)，中間采用緩坡連接，區(qū)間最低點位置的排水泵房應與聯(lián)絡通道合建。

2)區(qū)間單向平均坡度小于10‰，且區(qū)間長度大于2.4 km。當區(qū)間長度大于2.4 km時，線路必須考慮設置區(qū)間風井與排水泵房，縱斷面方案應以優(yōu)先滿足相關工程條件為最優(yōu)。以深圳地鐵20號線機場北站至重慶路站為例進行研究：線路位于填海區(qū)，地勢平坦，區(qū)間總長3.9 km，車站高差約0.7 m，制式采用6A編組，速度目標值為80 km/h。根據(jù)《地鐵設計規(guī)范》，區(qū)間應每隔1.8 km左右設置區(qū)間風井，區(qū)間風井埋置深度宜淺不宜深，設置位置應使氣流順暢，因此該區(qū)間應至少設置1座區(qū)間風井；單向坡長度超過1.5 km以及區(qū)段最低點應設置排水泵房，并盡可能減少泵房的設置。根據(jù)之前的列車運行狀態(tài)分析可知，列車出站加速地段宜設置加速坡，達到速度目標值后至列車制動減速前的區(qū)間坡度應采用4‰～7‰。

綜合上述分析，本文提出兩種縱斷面方案，方案一采用W形坡，方案二采用V形坡(見圖2)。經(jīng)檢算，兩方案的牽引計算結果基本一致。但是工程上方案一較方案二有較大的優(yōu)勢，方案一的區(qū)間風井埋置深度較方案二淺14 m，雖然多設1座排水泵房，但是與聯(lián)絡通道合建，工程投資僅需少量增加。

綜上所述，當線路單向平均坡度小于10‰、區(qū)間長度大于2.4 km時，線路宜采用連續(xù)V形坡，單個坡的長度不宜大于1.5 km，坡率不宜大于7‰，坡頂位置的選擇應根據(jù)區(qū)間通風豎井的位置確定。

3)區(qū)間單向平均坡度大于10‰。當區(qū)間單向平均坡度大于10‰ 時，區(qū)間高程低的一端設置加速坡將導致后續(xù)區(qū)間坡度很大，反而不利于行車。因此在這種條件下，區(qū)間縱斷面應當設置成單向坡。

單向坡的設置有單面坡及多段坡兩種形式。單面坡在通風等方面較多段坡有一定的優(yōu)勢，但是在節(jié)能方面還需經(jīng)牽引計算才能確定。同時，多段坡有多種組合方式，不同的組合方式對牽引能耗是否存在影響尚無定論。結合前述列車運行狀態(tài)分析可知，列車啟動加速地段坡度應采用小坡，制動減速地段應采用大坡；列車達到速度目標值后至制動減速前的區(qū)間縱斷面選擇上暫無法判斷?；谝蓡枺瑢ζ骄侣蚀笥?0‰ 的區(qū)間提出以下四種縱斷面方案(以深圳地鐵10號線梅林東—創(chuàng)新園區(qū)間為例，梅林東—創(chuàng)新園區(qū)間長約4 km，車站高差約76 m，平均坡度約19‰)(見圖3)。

方案一2 12519 40002 125方案二2 1255 50020.692 325025 2502 125方案三2 1255 1200 25 28002 125方案四2 1255 50025 6305 20025 6305 20025 6205 15025 6705 15025 2502 125

圖3梅林東—創(chuàng)新園區(qū)間各縱斷面方案

方案一：單面坡方案。線路自出站后至進站前采用19‰ 的坡度。方案二：出站緩坡+單面坡+進站陡坡方案。線路自出梅林東站后采用500 m，5‰ 的緩坡，進創(chuàng)新園站前采用250 m，25‰的加速坡，中間采用單一坡度。方案三：陡坡+緩坡方案。線路自出梅林東站后采用1.5 km，5‰ 的緩坡，之后接2 500 m，25‰ 的陡坡接入創(chuàng)新園站。方案四：陡坡與緩坡相互交叉使用方案。線路出梅林東站后采用500 m，5‰ 的緩坡，之后接25‰ 陡坡(單個坡段爬升高度不大于16 m)，再接5‰ 緩坡，依次如前，至梅林東站前采用250 m，25‰ 陡坡。

表2　梅林東—創(chuàng)新園各縱斷面方案牽引計算表

如表2所示，方案一(單面坡形式)較其他方案耗能多，因此單面坡在能耗方面不具有優(yōu)勢。方案二較方案三、方案四能耗多，表明列車達到速度目標值后至制動減速前的區(qū)間縱斷面方案對能耗存在影響，且陡坡與緩坡組合對于節(jié)能降耗具有一定的優(yōu)勢。方案三與方案四的各項牽引數(shù)據(jù)基本一致，對比其縱斷面可以發(fā)現(xiàn)，方案三與方案四5‰ 的坡段總長及25‰ 的坡段總長一致，這表明當區(qū)間各坡率的對應總長確定時，區(qū)間能耗就已確定，各坡率的排列方式對能耗不產(chǎn)生影響。結合工程實際，區(qū)間長度超過2.4 km時，根據(jù)隧道通風要求應設置區(qū)間風井，且風井的埋置深度不宜過大，線路應在達到速度目標值后立即爬升，在區(qū)間后半段采用緩坡(如圖4中方案A所示)。

綜述，對于平均坡率大于10‰ 的區(qū)間，縱斷面方案應采用如下模式：出站后的啟動加速地段采用緩坡，達到速度目標值至制動減速段采用陡坡+緩坡形式，且陡坡應相對集中于區(qū)間的前半段以減少區(qū)間風井的埋置深度，在進站前的制動減速地段應采用陡坡。

3　結語

線路縱斷面設計所需考慮的專業(yè)非常多，在設計過程中，在大多數(shù)情況下縱斷面設計存在很大的靈活性。本文的研究成果對優(yōu)化靈活性較大的縱斷面具有一定的幫助，但是由于影響縱斷面的因素較多，研究成果的適用范圍也存在一定的局限性。因此希望有更多的同行一同深入研究，以期降低地鐵的運營成本，實現(xiàn)較高的經(jīng)濟效益。

[1]龐淵.線路節(jié)能坡設計方案對地鐵能耗的影響[J].鐵路工程造價管理,2008(1)：19-20.

[2]GB 50157—2003，地鐵設計規(guī)范[S].

[3]梁廣深.地鐵節(jié)能線路縱斷面設計研究[J].都市快軌交通,2009(8)：71-73.

On optimization of longitudinal section design on subway routes

Wang Chujiao

(TheThirdRailwaySurveyandDesignInstituteGroupCo.,Ltd,Shenzhen518000,China)

Combining with the operation status of trains, the paper points out the design scheme for the longitudinal sections of subway routes based on the energy-saving and optimal engineering conditions, proves by the analysis that the large gradient slope can be adopted on trains under the traction so as to reduce the traction distance and energy consumption and replace the train’s gravitational potential energy into train’s kinetic energy, and indicates the large gradient ascent can be adopted under the braking status to increase the train’s braking force, so as to reduce the braking energy consumption and braking distance, so as to replace the kinetic energy into the gravitational potential energy.

route longitudinal section, energy-saving, traction calculation, internal wind well, train’s operation status

1009-6825(2016)08-0175-02

2016-01-07

王楚驕(1989- )，男，助理工程師

U212.34

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