王 楚 驕

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，廣東 深圳　518000)

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地鐵線路縱斷面設(shè)計(jì)優(yōu)化探討

王 楚 驕

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，廣東 深圳518000)

結(jié)合列車的運(yùn)行狀態(tài)，提出了基于節(jié)能以及優(yōu)化相關(guān)工程條件的地鐵線路縱斷面設(shè)計(jì)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(shí)使列車重力勢能轉(zhuǎn)換為列車動(dòng)能；在制動(dòng)狀態(tài)下，宜采用大坡度上坡以增加列車制動(dòng)力，減少制動(dòng)能耗以及制動(dòng)距離，同時(shí)使列車動(dòng)能轉(zhuǎn)換為重力勢能。

線路縱斷面，節(jié)能，牽引計(jì)算，區(qū)間風(fēng)井，列車運(yùn)行狀態(tài)

在地鐵縱斷面設(shè)計(jì)中，地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)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(shè)計(jì)規(guī)范》設(shè)計(jì)出來的縱斷面明顯不能滿足節(jié)能以及工程經(jīng)濟(jì)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(gòu))筑物、工程經(jīng)濟(jì)等方面的限制，各種因素之間也相互影響，但縱斷面的設(shè)計(jì)同時(shí)也具備一定的靈活性。選擇合理的縱斷面對(duì)減少工程投資、工程風(fēng)險(xiǎn)以及降低運(yùn)營能耗具有非常重要的意義。

1　列車運(yùn)行狀態(tài)分析

列車運(yùn)行狀態(tài)可分為加牽引狀態(tài)、惰性狀態(tài)、制動(dòng)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(dòng)2拖)、速度目標(biāo)值為80 km/h為例，在列車啟動(dòng)加速出站時(shí)，不同坡段上的啟動(dòng)加速距離存在較大差別，坡度越小，列車啟動(dòng)加速距離越小，達(dá)到速度目標(biāo)值的時(shí)間越短(見表1)。

表1　啟動(dòng)加速距離與坡率的關(guān)系

列車在區(qū)間運(yùn)行時(shí)，當(dāng)列車的重力能克服列車阻力做功時(shí)(坡率小于-5‰)，列車會(huì)一直處于惰性運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)列車的重力無法克服阻力做功時(shí)(坡段為上坡或大于-5‰)時(shí)，列車會(huì)反復(fù)經(jīng)歷惰性運(yùn)行與牽引加速兩種狀態(tài)(見圖1)；在坡率一定時(shí)該種運(yùn)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(yùn)行距離與坡率呈二次函數(shù)關(guān)系，在坡率為15‰ 左右時(shí)列車的運(yùn)行周期最短。

當(dāng)列車減速進(jìn)站時(shí)，坡率越大，列車阻力越大，制動(dòng)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(shí)使列車重力勢能轉(zhuǎn)換為列車動(dòng)能；在制動(dòng)狀態(tài)下，宜采用大坡度上坡以增加列車制動(dòng)力，減少制動(dòng)能耗以及制動(dòng)距離，同時(shí)使列車動(dòng)能轉(zhuǎn)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(dǎo)致列車運(yùn)行過程中需要多次制動(dòng)調(diào)速增加制動(dòng)能耗。

2　基于節(jié)能以及優(yōu)化相關(guān)工程條件的線路縱斷面方案

車站在有條件的情況下應(yīng)布置于凸形斷面上，有利于列車進(jìn)站減速以及出站加速。梁廣深等從對(duì)節(jié)能線路的專題研究中得出以下結(jié)論：設(shè)計(jì)時(shí)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(duì)于設(shè)計(jì)時(shí)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(jì)算才能確定。設(shè)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(shè)置加速坡，下面針對(duì)幾種常見的情況進(jìn)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(shè)置通風(fēng)豎井、不考慮地下建構(gòu)筑物及地質(zhì)的情況下，線路有條件設(shè)置加速坡。根據(jù)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》，每隔600 m需設(shè)置聯(lián)絡(luò)通道，區(qū)間排水泵房應(yīng)與聯(lián)絡(luò)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(shí)，線路縱斷面應(yīng)采取如下方案：區(qū)間兩端設(shè)置加速坡(列車出站加速)，中間采用緩坡連接，區(qū)間最低點(diǎn)位置的排水泵房應(yīng)與聯(lián)絡(luò)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(dāng)區(qū)間長度大于2.4 km時(shí)，線路必須考慮設(shè)置區(qū)間風(fēng)井與排水泵房，縱斷面方案應(yīng)以優(yōu)先滿足相關(guān)工程條件為最優(yōu)。以深圳地鐵20號(hào)線機(jī)場北站至重慶路站為例進(jìn)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(biāo)值為80 km/h。根據(jù)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》，區(qū)間應(yīng)每隔1.8 km左右設(shè)置區(qū)間風(fēng)井，區(qū)間風(fēng)井埋置深度宜淺不宜深，設(shè)置位置應(yīng)使氣流順暢，因此該區(qū)間應(yīng)至少設(shè)置1座區(qū)間風(fēng)井；單向坡長度超過1.5 km以及區(qū)段最低點(diǎn)應(yīng)設(shè)置排水泵房，并盡可能減少泵房的設(shè)置。根據(jù)之前的列車運(yùn)行狀態(tài)分析可知，列車出站加速地段宜設(shè)置加速坡，達(dá)到速度目標(biāo)值后至列車制動(dòng)減速前的區(qū)間坡度應(yīng)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(jì)算結(jié)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(fēng)井埋置深度較方案二淺14 m，雖然多設(shè)1座排水泵房，但是與聯(lián)絡(luò)通道合建，工程投資僅需少量增加。

綜上所述，當(dāng)線路單向平均坡度小于10‰、區(qū)間長度大于2.4 km時(shí)，線路宜采用連續(xù)V形坡，單個(gè)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(yīng)根據(jù)區(qū)間通風(fēng)豎井的位置確定。

3)區(qū)間單向平均坡度大于10‰。當(dāng)區(qū)間單向平均坡度大于10‰ 時(shí)，區(qū)間高程低的一端設(shè)置加速坡將導(dǎo)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(yīng)當(dāng)設(shè)置成單向坡。

單向坡的設(shè)置有單面坡及多段坡兩種形式。單面坡在通風(fēng)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(jì)算才能確定。同時(shí)，多段坡有多種組合方式，不同的組合方式對(duì)牽引能耗是否存在影響尚無定論。結(jié)合前述列車運(yùn)行狀態(tài)分析可知，列車啟動(dòng)加速地段坡度應(yīng)采用小坡，制動(dòng)減速地段應(yīng)采用大坡；列車達(dá)到速度目標(biāo)值后至制動(dòng)減速前的區(qū)間縱斷面選擇上暫無法判斷?；谝蓡?，對(duì)平均坡率大于10‰ 的區(qū)間提出以下四種縱斷面方案(以深圳地鐵10號(hào)線梅林東—?jiǎng)?chuàng)新園區(qū)間為例，梅林東—?jiǎng)?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—?jiǎng)?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(jìn)站前采用19‰ 的坡度。方案二：出站緩坡+單面坡+進(jìn)站陡坡方案。線路自出梅林東站后采用500 m，5‰ 的緩坡，進(jìn)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(gè)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—?jiǎng)?chuàng)新園各縱斷面方案牽引計(jì)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(dá)到速度目標(biāo)值后至制動(dòng)減速前的區(qū)間縱斷面方案對(duì)能耗存在影響，且陡坡與緩坡組合對(duì)于節(jié)能降耗具有一定的優(yōu)勢。方案三與方案四的各項(xiàng)牽引數(shù)據(jù)基本一致，對(duì)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(dāng)區(qū)間各坡率的對(duì)應(yīng)總長確定時(shí)，區(qū)間能耗就已確定，各坡率的排列方式對(duì)能耗不產(chǎn)生影響。結(jié)合工程實(shí)際，區(qū)間長度超過2.4 km時(shí)，根據(jù)隧道通風(fēng)要求應(yīng)設(shè)置區(qū)間風(fēng)井，且風(fēng)井的埋置深度不宜過大，線路應(yīng)在達(dá)到速度目標(biāo)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(duì)于平均坡率大于10‰ 的區(qū)間，縱斷面方案應(yīng)采用如下模式：出站后的啟動(dòng)加速地段采用緩坡，達(dá)到速度目標(biāo)值至制動(dòng)減速段采用陡坡+緩坡形式，且陡坡應(yīng)相對(duì)集中于區(qū)間的前半段以減少區(qū)間風(fēng)井的埋置深度，在進(jìn)站前的制動(dòng)減速地段應(yīng)采用陡坡。

3　結(jié)語

線路縱斷面設(shè)計(jì)所需考慮的專業(yè)非常多，在設(shè)計(jì)過程中，在大多數(shù)情況下縱斷面設(shè)計(jì)存在很大的靈活性。本文的研究成果對(duì)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(yùn)營成本，實(shí)現(xiàn)較高的經(jīng)濟(jì)效益。

[1]龐淵.線路節(jié)能坡設(shè)計(jì)方案對(duì)地鐵能耗的影響[J].鐵路工程造價(jià)管理,2008(1)：19-20.

[2]GB 50157—2003，地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]梁廣深.地鐵節(jié)能線路縱斷面設(shè)計(jì)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

A