李 明

（北京市軌道交通設(shè)計研究院有限公司；北京市軌道交通工程技術(shù)研究中心，北京 100068）

1 問題的提出

我國地鐵經(jīng)過50 余年的發(fā)展，形成了一部應(yīng)用廣泛的地鐵設(shè)計國家標(biāo)準(zhǔn)《地鐵設(shè)計規(guī)范》，該規(guī)范自頒布以來已經(jīng)修訂了兩次，目前正在施行的版本是2013年版。該規(guī)范的施行，對于我國地鐵工程的設(shè)計工作起到了很好的指導(dǎo)作用，極大地規(guī)范了我國各城市的地鐵設(shè)計工作，保證了地鐵設(shè)計的綜合質(zhì)量。值得注意的是，該規(guī)范在具體使用的過程中也面臨著一些問題，亟須進行一些修訂完善工作。例如該規(guī)范適用于地鐵新建工程的設(shè)計，而對于既有線增設(shè)車站的情況，該規(guī)范條文就并未涉及。

《地鐵設(shè)計規(guī)范》(GB 50157—2013)要求“……區(qū)間隧道的線路最小坡度宜采用3‰；困難條件下可采用2‰；區(qū)間地面線和高架線，當(dāng)具有有效排水措施時，可采用平坡?！囌菊九_范圍內(nèi)的線路應(yīng)設(shè)在一個坡道上，坡度宜采用2‰。當(dāng)具有有效排水措施或與相鄰建筑物合建時，可采用平坡……”[1]。單看地下線的設(shè)計要求，區(qū)間的最小坡度為3‰，而車站范圍內(nèi)的坡度宜為2‰，如果當(dāng)初在新建某地鐵隧道工程時，區(qū)間隧道縱坡沒有采用困難值(2‰)，則該區(qū)間隧道肯定不能滿足未來增設(shè)車站的縱坡要求。

城市的發(fā)展存在一定變數(shù)，在規(guī)劃某地鐵線路時，該處沒有設(shè)置車站的必要，但不排除隨著時間的推移，城市規(guī)劃有了新的安排，城市建設(shè)用地進行了局部調(diào)整，原本未規(guī)劃設(shè)置地鐵站的位置有了增設(shè)車站的需求，而地鐵既有線已經(jīng)建成，如何在地鐵既有線區(qū)間增設(shè)車站，以及確定區(qū)間縱向坡度的可選取范圍，是值得研究的新課題。

經(jīng)查詢，國內(nèi)外還沒有相關(guān)文獻針對地鐵既有線增設(shè)車站的坡度問題進行研究，《城市道路公共交通站、場、廠工程設(shè)計規(guī)范》[2](CJJ/T 15—2011)只是對公交首末站的夜間停車坪的坡度提了要求，“遠離停車場、保養(yǎng)場或有較大早班客運需求的首末站應(yīng)建供夜間停車的停車坪，……停車坪的坡度宜為0.3%～0.5%”，主要是為了便于雨水排放，不造成積水，保障停車安全。考慮城市公交為膠輪系統(tǒng)，其走行部的摩擦系數(shù)與鋼輪鋼軌系統(tǒng)差異很大，并不具備參考性。因此本文將針對地鐵既有線增設(shè)車站及配線縱向坡度問題進行探討。

2 影響地鐵車站縱向坡度要求的因素

本文主要從列車停止平穩(wěn)性、列車啟動和制動、車站縱向排水、車站建筑及無障礙設(shè)計、車站站臺門安裝、車站設(shè)置配線等幾個方面分析對車站縱向坡度的要求。

2.1 列車停止平穩(wěn)性對坡度的要求

為了保證車輛停止?fàn)顟B(tài)下的平穩(wěn)性，車站的坡度應(yīng)該做到盡量平緩，這樣可以最大限度地防止車輛溜逸，也就是說車站坡度最好采用平坡。但是設(shè)置成平坡有時候是做不到的，因此有必要分析一下車輛不溜逸前提下的最大車站坡度。

1) 未采取制動措施時。從理論上分析，車輛單位坡道阻力i(相當(dāng)于下坡方向的單位分力)小于車輛開始溜逸時的單位啟動阻力ω，車輛才不至于溜逸。ω可能隨著很多因素而變化，例如車輛質(zhì)量、氣候條件等都有很大關(guān)系，根據(jù)規(guī)范條文說明[3]，單位啟動阻力ω、單位坡度阻力i和平面曲線半徑R之間存在以下大致關(guān)系

假設(shè)列車停在直線上，而且假設(shè)坡度值為零，那么可以得到ω=2‰。因此，當(dāng)停車線的坡度i≤ω時，車輛就不會溜逸。

以上分析可以看作是地鐵車輛停止平穩(wěn)性要求的理論計算。由于地下線較少受到外界環(huán)境的干擾，因此可以認為地下線車站的坡度i≤2‰時，車輛就不會溜逸；但是當(dāng)車輛停在地面或高架車站時，可能會受到較多的外界影響，例如風(fēng)力、振動等，因此需要再額外考慮一定的安全系數(shù)，根據(jù)北京地鐵的運營經(jīng)驗，當(dāng)位于高架橋上的停車線坡度i≤1.5‰時，沒有發(fā)現(xiàn)溜逸現(xiàn)象，因此可以認為高架或地面車站的坡度i≤1.5‰時，車輛不會溜逸。

2) 采取制動措施時。根據(jù)我國相關(guān)規(guī)范的要求，沒有特殊規(guī)定的情況下，正線的最大坡度不宜大于30‰，困難地段可采用35‰，聯(lián)絡(luò)線、出入線的最大坡度不宜大于40‰，這個最大坡度其實與列車的動拖比有直接關(guān)系，動車配置越多，列車的動力就越強勁，爬坡能力就越大，規(guī)范中規(guī)定的坡度值只是一個在常規(guī)動拖比配置下的坡度要求。同時，規(guī)范[4]也對列車的停放制動做出了規(guī)定，要求地鐵列車都應(yīng)設(shè)有停放制動裝置，保證在線路最大坡度、最大載荷的情況下施加停放制動的列車不會發(fā)生溜逸，且它的制動力應(yīng)僅通過機械方式產(chǎn)生并傳遞。

根據(jù)以上兩種工況的分析，如果未采取制動措施，為了保證列車停止時不溜逸，地下區(qū)段的縱向坡度不宜大于2‰，高架和地面區(qū)段的縱向坡度不宜大于1.5‰，但如果采取了相應(yīng)的制動措施，根據(jù)相關(guān)規(guī)范的要求，地鐵列車應(yīng)具備在最大坡度(正線為30‰，困難情況下35‰)情況下依然不會溜逸的能力，可以看出這兩種工況下的縱向坡度跨度非常大，這與我國的車輛停放制動技術(shù)性能很高有很大的關(guān)系，它賦予了列車在某種極端情況下依然不會溜逸的能力。在地鐵既有線的區(qū)間增設(shè)車站本身就是一種非常規(guī)的情況，不必規(guī)定停車時不能采取制動措施，因此不必以1.5‰或2‰的坡度來對列車停止的平穩(wěn)性做出要求，但是縱向坡度的上限不該放大到正線的允許最大縱坡，因為縱向坡度越大，停止制動裝置失效的可能性就越高，在實際運營過程中如果發(fā)生列車停止?fàn)顟B(tài)下溜逸的最大風(fēng)險是乘客上下列車時被擠壓而發(fā)生人員傷亡事故，這是必須進行防范的，這是地鐵建設(shè)單位、設(shè)計單位以及運營單位都應(yīng)重點考慮的問題。

2.2 列車啟動和制動對坡度的要求

我國相關(guān)規(guī)范同樣也對列車的故障運行及救援的能力做出了強制規(guī)定，要求在超員載荷工況下，當(dāng)列車喪失1/4 動力時，依然能夠維持運行到終點車站；要求在超員載荷工況下，當(dāng)列車喪失1/2 動力時，依然應(yīng)該具有在正線最大坡道上(30‰，困難情況下35‰)啟動和運行到最近車站的能力；同時也要求一列空載列車應(yīng)具有在正線最大坡道上(30‰，困難情況下35‰)推送(拖拽)一列相同編組無動力的超員載荷工況的列車啟動并運行至最近車站的能力[1,5]。從上述規(guī)定可以看出，我國對于地鐵列車在極端狀況下的故障運行及救援能力要求很高，我國的地鐵車輛裝備供應(yīng)商在列車出廠時必須滿足國家對其故障運行及救援的能力要求，否則它就不能出廠。基于這個前提條件，只要線路區(qū)間沒有超過正線最大坡度，地鐵列車在增設(shè)的車站進行啟動和制動的能力應(yīng)該是有保障的，因此車站縱向坡度實際上對列車的啟動和制動并不制約，但是從列車啟動和制動本身的難易程度而言，縱向坡度越小越有利。

2.3 車站縱向排水對坡度的要求

從理論上來說，車站縱向坡度越大，車站的縱向排水就會越順暢。我國鐵路建設(shè)的經(jīng)驗顯示由于站場的石渣碎屑物較多，且車站的工作人員走行也比較頻繁，因此排水設(shè)施內(nèi)容易掉入泥沙或其他雜物，為避免排水設(shè)施的淤塞，一般情況下水流的平均速度不應(yīng)小于0.5 m/s，為了滿足這個要求，排水設(shè)施的縱向坡度不應(yīng)小于2‰，而且最好是能達到3‰～5‰。如果因為采用2‰的縱向坡度將引起大量的工程時，縱向排水設(shè)施的坡度也可以減少到1‰。因此《鐵路車站及樞紐設(shè)計規(guī)范》(TB10099—2017)要求站場范圍內(nèi)縱向排水設(shè)施的坡度不應(yīng)小于2‰，困難條件下也不應(yīng)小于1‰[6]。我國地鐵正線的軌道一般采用整體道床的形式，少有用碎石道床的，因此排水設(shè)施不易掉入泥沙或其他雜物，但我國的地鐵相關(guān)設(shè)計規(guī)范也對車站范圍的縱向排水提出了要求，且無一例外地要求地下車站站臺范圍內(nèi)坡度宜采用2‰，具有有效排水措施時可采用平坡，對于高架或地面車站規(guī)范要求站臺范圍內(nèi)的縱向坡度宜采用平坡[1,7,8]。通過以上的分析可以看出，與列車停止平穩(wěn)性以及列車啟動和制動都要求車站的縱向坡度盡量小不同，過小的坡度不利于車站的縱向排水，考慮本文主要探討的是在地鐵既有線區(qū)間增設(shè)車站的問題，地下既有線區(qū)間的縱向坡度一般都不會小于3‰，排水是沒有問題的，即便是高架或地面既有線區(qū)間可能采用了平坡，但也都會設(shè)置好相應(yīng)的有效縱向排水設(shè)施，因此地鐵既有線區(qū)間的縱向坡度不是構(gòu)成車站縱向排水的關(guān)鍵問題。

2.4 車站建筑及無障礙設(shè)計對坡度的要求

目前我國地鐵列車的編組以6B、6A 或8B、8A為主流，列車長度從120～185 m 不等，通常在車站設(shè)計時會將車站的站務(wù)用房以及設(shè)備系統(tǒng)用房設(shè)置在車站的兩端，因此一個地鐵車站的整體長度大概在200～300 m。通常我國地鐵設(shè)計規(guī)范要求的是在車站站臺范圍內(nèi)的線路應(yīng)設(shè)在一個坡道上，坡度一般取2‰[1]，因此正常情況下的有效站臺范圍內(nèi)站臺一端與另一端本身就存在一個高度差，如果是120 m 長的站臺，高度差為120×2‰=0.24 m，如果是185 m 長的站臺，高度差為185×2‰=0.37 m，這種車站站臺范圍內(nèi)不到0.5 m 的高度差不足以對車站的建筑設(shè)計以及乘客的使用造成較大的影響。假設(shè)車站站臺范圍內(nèi)的縱向坡度達到了10‰，120～185 m 長的站臺一端與另一端的高度差將會達到1.2～1.85 m，這是一個不小的高差，地鐵車站的設(shè)置與設(shè)計應(yīng)聚焦于便民使用上，應(yīng)能較好地平衡高度差與便民設(shè)施之間的關(guān)系，充分考慮常規(guī)的通勤乘客、攜帶大件行李的乘客、出行不便的殘障人士等不同類型乘客的出行需求，加強站內(nèi)無障礙設(shè)施的設(shè)計。《無障礙設(shè)計規(guī)范》(GB 50763—2012)[9]考慮輪椅的通行便利，對輪椅坡道的最大高度和水平長度做了規(guī)定，可以看出輪椅坡道的坡度從1:20～1:8 不等，即50‰～125‰，10‰左右的坡度并不會給輪椅的通行帶來不便(見表1)。

表1 輪椅坡道的最大高度和水平長度Table 1 The maximum height and horizontal length of wheelchair ramps m

2.5 車站站臺門安裝對坡度的要求

國內(nèi)外目前尚未對地鐵車站站臺門安裝縱向坡度要求進行研究，其中《地鐵設(shè)計規(guī)范》(GB 50157—2013)要求“對于呈坡度的站臺，站臺門應(yīng)同坡度垂直于站臺面設(shè)置。安裝站臺門的地面在站臺全長上的平整度誤差不應(yīng)大于15 mm”[1]，《城市軌道交通工程設(shè)計規(guī)范》(DB11/995—2013)要求“以站臺同坡度垂直于站臺面平整安裝，安裝站臺門的地面在站臺全長上的平整度誤差不宜大于10 mm”[7]?？梢钥闯鰺o論國標(biāo)還是北京地標(biāo)，均要求站臺門與站臺同坡度安裝，而非鉛垂安裝，同時都對站臺全長的平整度提出了要求，但并未對車站站臺的縱向坡度給出要求。據(jù)了解目前國內(nèi)地鐵站臺門安裝的最大坡度達到3‰，未見在更大縱坡上的安裝實例，且沒有開展相關(guān)試驗工作，從理論上來說通過加大站臺門的門機功率，站臺門的安裝縱坡是能夠提高的，后續(xù)應(yīng)開展相關(guān)方面的試驗，以論證站臺坡度提高的限值。

2.6 車站設(shè)置配線對坡度的要求

為了便于對道岔進行養(yǎng)護和維修，道岔應(yīng)該鋪設(shè)在盡可能緩的坡道上。根據(jù)我國鐵路方面的相關(guān)規(guī)定，高速鐵路及城際鐵路車站咽喉區(qū)的正線坡度在困難條件下始發(fā)站不宜大于2.5‰，中間站不宜大于6‰；而對于客貨共線鐵路以及重載鐵路，車站咽喉區(qū)的正線坡度在特殊困難條件下區(qū)段站、客運站不應(yīng)大于2.5‰，中間站、會讓站、越行站不應(yīng)大于10‰，咽喉區(qū)外的個別道岔和渡線的坡度不應(yīng)大于限制坡度[10]。道岔設(shè)置在坡道上的最大問題是尖軌可能發(fā)生爬行，進而會影響使用安全，而且根據(jù)相關(guān)資料當(dāng)?shù)啦碓O(shè)置在線路縱向坡度大于10‰的區(qū)段時，更容易出現(xiàn)這樣的問題。因此在我國的地鐵設(shè)計規(guī)范中，普遍都要求道岔設(shè)置在不大于5‰的坡道上，困難情況下，當(dāng)采用無砟道床，尖軌后端為固定接頭的道岔時，道岔是可以設(shè)置在不大于10‰的坡道上的[1,7,8]。隨著我國道岔技術(shù)的不斷提高，當(dāng)前正線道岔基本上都采用了曲線尖軌和固定接頭，而且道床形式也基本上都采用無砟道床，基本上消除了上述可能存在的缺陷，因此將道岔設(shè)置在10‰的坡道上問題不大。那么，對應(yīng)到本文探討的需要在地鐵既有線增設(shè)車站后，有必要在車站一端設(shè)置道岔時，從未來對道岔進行養(yǎng)護和維修更加有利的角度來看，10‰的縱向坡度上限是不宜突破的。

3 既有線區(qū)間增設(shè)車站的縱向坡度設(shè)計要求建議

通過以上對影響地鐵車站縱向坡度的多方面因素進行分析，本文對地鐵既有線增設(shè)車站及其配線縱向坡度選取提出一些建議。

1) 地鐵列車停放制動以及列車啟動和制動的技術(shù)性能是否可靠，是決定在既有線區(qū)間增設(shè)車站的縱向坡度是否可適度放大的關(guān)鍵，因此必須對其技術(shù)性能進行必要和足夠的校驗，才能支持縱向坡度可適度放大的結(jié)論。

2) 對于既有地下線來說，從車站縱向排水的角度考慮，車站的縱向坡度越大，排水越順暢，但這與列車停止平穩(wěn)性以及列車的啟動和制動的要求是相悖的，從列車停止平穩(wěn)性及列車啟動和制動角度來看，車站的縱向坡度越小越有利，但采用2‰的坡度勢必會引起既有線巨大的改造工程量，而且這種改造可行性較低，因此不必苛求車站站臺范圍內(nèi)的縱向坡度必須采用2‰，而應(yīng)該適當(dāng)?shù)胤糯螅瑥能囌窘ㄖO(shè)計的角度考慮，建議車站的縱向坡度不宜超過10‰，對于乘客的使用、便民設(shè)施的設(shè)置更為有利，且10‰的坡度對于輪椅通行來說是可接受的。

3) 對于高架以及地面線來說，縱向排水相對地下線而言更為簡單方便，排水本身問題不大，從列車停止平穩(wěn)性以及列車啟動和制動的角度進行分析，由于工程位于地上，線路也會更易受到風(fēng)力或振動等外界因素的影響，站臺范圍內(nèi)盡可能采用平坡會更加有利，雖然既有地鐵高架線或地面線采用平坡的概率相對較大，但是依然不排除在需要增設(shè)車站的區(qū)段縱向坡度不是平坡，因此不必要求在既有高架及地面線區(qū)間增設(shè)車站的縱向坡度必須是平坡，應(yīng)該適當(dāng)?shù)亟o予放大，綜合考慮外界環(huán)境的影響，建議車站的縱向坡度值相較于地下線的10‰宜略小一些。

4) 站臺門的安裝也是車站縱向坡度的一個限制因素，但限于目前對更大坡度的站臺門安裝及開閉的研究以及試驗都不夠充分，建議國內(nèi)站臺門的生產(chǎn)安裝及檢修廠家開展相關(guān)的試驗，為縱坡值的確定提供建議。

5) 對于有設(shè)置配線需求的車站，建議允許設(shè)置道岔的縱向坡度不宜超過現(xiàn)有規(guī)范10‰的規(guī)定，這樣對于道岔的養(yǎng)護和維修較為有利。

綜合來看，本文根據(jù)以上分析建議地鐵既有線區(qū)間增設(shè)車站及配線縱向坡度上限值取10‰，可以在某些有需求的既有線改造工程中進行試驗，待運營經(jīng)驗成熟后再形成相關(guān)的規(guī)范條文，供行業(yè)使用。

4 結(jié)語

本文對于在地鐵既有線增設(shè)車站及其配線的縱向坡度設(shè)計問題進行了探討，從幾個角度對縱向坡度的要求進行了初步分析，并提出了一些建議，供同行參考。但這種初步的分析并不足以作為實際工程設(shè)計中的依據(jù)，對于本文所探討的類似問題，還需要行業(yè)主管部門、社會團體組織、同業(yè)相關(guān)單位等多方努力，總結(jié)更多實踐經(jīng)驗，經(jīng)充分試驗以后形成相關(guān)規(guī)范條文，才能有效地解決實際工作中遇到的問題。