西安地鐵四號(hào)線長大坡度設(shè)計(jì)研究

鄭 翔

(廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東廣州 510010)

隨著新世紀(jì)我國城市化進(jìn)程的加快，國內(nèi)較多城市遇到城市發(fā)展空間不足的難題和矛盾，為解決城市發(fā)展困難，多數(shù)城市積極修編總體規(guī)劃，以調(diào)整城市布局，而軌道交通項(xiàng)目規(guī)劃和建設(shè)在城市規(guī)劃和發(fā)展中，發(fā)揮了重要的交通骨干功能和作用。部分城市的地鐵建設(shè)，在突破城市中心區(qū)向新城區(qū)及衛(wèi)星城擴(kuò)張的過程中，受山嶺江河、城市內(nèi)部建(構(gòu))筑物［1-2］及管線設(shè)置的影響，線路設(shè)計(jì)中遇到長大坡度的難題，本文基于西安地鐵四號(hào)線工程的設(shè)計(jì)，探討了地鐵長大坡度設(shè)計(jì)中需要關(guān)注研究的相關(guān)問題。

1 工程概況

西安地鐵四號(hào)線是西安市軌道交通線網(wǎng)中南北方向的主骨架線，南起航天產(chǎn)業(yè)基地，北至草灘，線路全長35.2 km，共設(shè)29座車站。線路先后通過了雁塔區(qū)、碑林區(qū)、新城區(qū)以及未央?yún)^(qū)等4個(gè)行政區(qū)，連通航天產(chǎn)業(yè)基地、曲江新區(qū)及經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)等3個(gè)開發(fā)區(qū)。四號(hào)線的建設(shè)將對西安市的城市發(fā)展發(fā)揮重要的導(dǎo)向作用，以充分發(fā)揮西安市作為區(qū)域中心城市的強(qiáng)大輻射功能。

2 長大坡度的產(chǎn)生原因

西安市地鐵四號(hào)線長大坡度的產(chǎn)生，主要受地形和建(構(gòu))筑物兩方面的因素控制。一方面西安市地鐵四號(hào)線南臨秦嶺東臨白鹿原，地勢呈南高北低，東高西低分布，為保證區(qū)間覆土，防止區(qū)間冒頂，部分區(qū)間高差大因而必須設(shè)計(jì)為長大坡度。另一方面部分區(qū)間為了避讓建(構(gòu))筑物樁基、埋深較深的管線，或者與其他地鐵線路、出入場線等立交，需要加大埋深，同時(shí)存在其他控制因素需要抬高軌面，因此導(dǎo)致長大坡度線路的出現(xiàn)。

根據(jù)《城市軌道交通工程項(xiàng)目建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》(建標(biāo)104—2008)［3］，當(dāng)正線線路坡度或連續(xù)提升高度大于表1的規(guī)定值時(shí)，根據(jù)列車動(dòng)力配置、線路具體條件和環(huán)境條件，均應(yīng)對列車各種運(yùn)行狀態(tài)下的安全性，以及運(yùn)行速度進(jìn)行全面分析評(píng)價(jià)。

表1 正線線路長大陡坡數(shù)值

3 長大坡度線路方案設(shè)計(jì)

西安市地鐵四號(hào)線采用旋轉(zhuǎn)機(jī)電車輛，從表1可見當(dāng)線路連續(xù)提升高度≥16 m時(shí)可認(rèn)為是長大坡度，需要對其進(jìn)行全面分析評(píng)價(jià)。統(tǒng)計(jì)西安四號(hào)線全線縱斷面，表2中列舉的7個(gè)區(qū)間，連續(xù)提升高差＞16 m，需重點(diǎn)研究。

航航區(qū)間:由于正線需與出入段線交叉且規(guī)劃路路面標(biāo)高較高，區(qū)間線路過出入段線后要盡量抬升以減少航天新城站覆土，縱坡設(shè)計(jì)方案為坡度－24.5‰，坡長226 m接坡度－17.1‰，坡長625 m。

航神區(qū)間:由于受既有道路設(shè)計(jì)標(biāo)高控制，縱坡設(shè)計(jì)方案為坡度－28‰，坡長910 m。

神航區(qū)間:受地面高差大因素控制，縱坡設(shè)計(jì)方案為坡度－28‰，坡長1 235 m。

航金區(qū)間:受兩站間自然高差大和規(guī)劃道路標(biāo)高影響，縱坡設(shè)計(jì)方案為坡度－23.2‰，坡長856 m。

表2 西安地鐵四號(hào)線長大坡度區(qū)間縱斷面設(shè)計(jì)

金雁區(qū)間:受區(qū)間地形標(biāo)高影響，縱坡設(shè)計(jì)方案為坡度－28‰，坡長943 m，接坡度 －22‰，坡長334 m，接坡度－13‰，坡長287 m。

大大區(qū)間:該區(qū)間是四號(hào)線全線站間距最大的區(qū)間，加上大雁塔站作為換乘站設(shè)計(jì)為地下三層站，該段線路采用連續(xù)多坡段下坡的縱坡形式，縱坡設(shè)計(jì)方案為坡度 －25‰，坡長 200 m，接坡度 －17‰，坡長812 m，接坡度－7‰，坡長497 m。

尚北區(qū)間:由于線路下穿高鐵段，且北客站為地下一層站，過高鐵段要加大埋深，之后以最大坡度抬升才能滿足車站標(biāo)高，縱坡設(shè)計(jì)方案為坡度－27.8‰，坡長462 m，接坡度28‰，坡長1 106 m。

4 車輛選型及適應(yīng)性研究

4.1 車輛選型

根據(jù)客流預(yù)測，四號(hào)線遠(yuǎn)期客流屬于大運(yùn)量等級(jí)，同時(shí)結(jié)合線網(wǎng)資源共享，主要包括人力、土地、運(yùn)營設(shè)備與設(shè)施、檢修設(shè)備與設(shè)施、施工機(jī)具及設(shè)施等方面的需求，四號(hào)線車輛選型為B型車，初、近、遠(yuǎn)期采用6輛編組的方案，并采用4動(dòng)2拖方案，而該選型方案的車輛加速性能好，可以提高對線路的縱斷面適應(yīng)性。

4.2 車輛對長大坡度線路的適應(yīng)性

坡道對車輛牽引制動(dòng)的影響主要表現(xiàn)在4個(gè)方面，即故障運(yùn)行能力、救援能力、制動(dòng)距離和閘瓦熱容量［4-6］。

1)故障運(yùn)行能力

目前推薦的4動(dòng)2拖是列車編組形式，損失1/2動(dòng)力的列車爬坡能力為39.667‰(黏著系數(shù)0.18)。以四號(hào)線目前的長大坡度線路條件，車輛性能可滿足故障工況要求。

2)救援能力

首先應(yīng)考慮的一列空載列車救援一列額定載重的列車，在28‰坡道上的起動(dòng)能力。目前推薦的4動(dòng)2拖是列車編組形式，一列空載列車救援一列額定載重列車的爬坡能力為34.574‰(黏著系數(shù)0.18)。以四號(hào)線目前的長大坡度線路條件，車輛性能可滿足救援工況要求。

還應(yīng)考慮的是制動(dòng)距離。從能量的角度分析，制動(dòng)初速的影響要遠(yuǎn)大于坡度的影響，救援工況制動(dòng)能量不是問題。一列空載列車救援一列額定載重的列車，在28‰的坡道上為保證制動(dòng)距離，建議限速設(shè)為25 km/h。

3)制動(dòng)距離

從制動(dòng)距離方面來說，在下坡時(shí)制動(dòng)距離將延長。通常，B型車緊急制動(dòng)平均加速度設(shè)計(jì)為－1.2 m/s2，最大常用制動(dòng)平均加速度為 －1.0 m/s2。初速為80 km/h時(shí)，平直道緊急制動(dòng)距離為206 m。初速80 km/h，30‰的下坡道，緊急制動(dòng)距離約為277 m。

4)閘瓦熱容量

正常情況下，常用制動(dòng)優(yōu)先采用電制動(dòng)，常用制動(dòng)時(shí)空氣制動(dòng)幾乎不參與，不存在摩擦制動(dòng)熱量累積問題，線路條件幾乎對摩擦制動(dòng)沒有影響。

電制動(dòng)失效時(shí)，采用踏面制動(dòng)，純空氣制動(dòng)一般能以55～65 km/h速度運(yùn)營一個(gè)往返。純空氣制動(dòng)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(jì)算。

在車輪輪徑840 mm、列車軸重按AW3載荷軸重計(jì)算、列車帶閘運(yùn)行速度80 km/h、列車采用純空氣制動(dòng)、環(huán)境溫度40℃、28‰的坡道、踏面初始溫度200℃的條件下進(jìn)行仿真分析，列車進(jìn)入坡道制動(dòng)階段，在坡道持續(xù)制動(dòng)100 s時(shí)踏面溫度達(dá)到350℃，則列車可運(yùn)行1.5～2.2 km，四號(hào)線28‰的下坡道最長約為1.2 km，閘瓦可以滿足運(yùn)營需求。

5 風(fēng)險(xiǎn)分析及運(yùn)營安全保障要求

5.1 風(fēng)險(xiǎn)分析［7-9］

1)當(dāng)列車長時(shí)間處于連續(xù)長大上坡情況下，有可能出現(xiàn)列車牽引失效的故障，需要列車退回到車站重新啟動(dòng)或退出正線運(yùn)營待避檢修。

2)當(dāng)列車長時(shí)間處于連續(xù)長大下坡情況下，有可能出現(xiàn)列車制動(dòng)失靈的故障，需要設(shè)置停車線作為制動(dòng)失靈列車的緊急制動(dòng)待避線。

3)當(dāng)列車出現(xiàn)輕微制動(dòng)失靈的情況時(shí)，有可能會(huì)發(fā)生與前行列車追尾的情況，需在列車控制間隔上采取一定措施，盡量避免長大下坡區(qū)間兩車追蹤運(yùn)行的情況發(fā)生。

5.2 長大坡度段配線設(shè)置

為保證長大坡度上列車的運(yùn)營安全，同時(shí)考慮到上、下行兩個(gè)方向均能使用，結(jié)合工程實(shí)施條件，在全線坡道最大的末端站有條件的情況下，在正線之間設(shè)置安全線。設(shè)置安全線的功能及要求主要體現(xiàn)為:

1)在下行方向，當(dāng)車站接車時(shí)，車站的接車進(jìn)路指向安全線，如果長大坡度上的列車出現(xiàn)制動(dòng)故障，故障列車駛?cè)胪＼嚲€，以避免對正線列車的影響。

2)停車站尾端不設(shè)置渡線與正線聯(lián)通，以避免失控列車駛?cè)氚踩€，防止與正線列車沖突。

3)安全線的長度應(yīng)長于一般停車線的距離，從而保證失控列車在一定的距離內(nèi)，并對列車影響較小的情況下才能停下。

5.3 車輛運(yùn)營安全保障

1)限制長大坡度上的列車最高運(yùn)行速度。其目的是盡力使列車處于電制動(dòng)和空氣制動(dòng)均能有效控制的范圍內(nèi)，避免高速運(yùn)行列車失控的發(fā)生。

2)盡力縮短長大坡度段的區(qū)間設(shè)站間距，使列車最小間隔能保持在站間閉塞的控制范圍，有效防范列車追尾的可能性。

3)重視工程車的安全措施，建議工程車增設(shè)ATP裝置。

4)應(yīng)根據(jù)車擋占用線路長度、撞擊力、撞擊加速度等參數(shù)，并結(jié)合車輛選型、線路條件及信號(hào)等因素確定，合理設(shè)置安全線擋車器。

6 結(jié)語

地鐵運(yùn)營的安全性是實(shí)現(xiàn)地鐵快捷、便利、暢達(dá)服務(wù)的根本。隨著我國地鐵事業(yè)的發(fā)展，越來越多的城市地鐵建設(shè)將受到地形、地貌、建(構(gòu))筑物樁基、地下空間條件等因素的影響，縱斷面設(shè)計(jì)中勢必出現(xiàn)長大坡度，應(yīng)綜合各城市的建設(shè)、運(yùn)營條件，確定合理的線路、車輛、行車等方案，以保障地鐵運(yùn)營的安全。

［1］付迎春.云南路主線隧道通過高層建筑段施工方案設(shè)計(jì)［J］.鐵道建筑，2011(3):47-50.

［2］李松，楊小平，劉庭金.廣州地鐵盾構(gòu)下穿對近接高架橋樁基的影響分析［J］.鐵道建筑，2012(7):74-78.

［3］中華人民共和國建設(shè)部.建標(biāo)104—2008 城市軌道交通工程項(xiàng)目建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京:中國計(jì)劃出版社，2008.

［4］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB 50157—2013 地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2013.

［5］中華人民共和國建設(shè)部.GB 50090—2006 鐵路線路設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國計(jì)劃出版社，2006.

［6］李睿，李曉飛，歐陽全裕.地鐵線路縱斷面設(shè)計(jì)探討［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2013(1):42-46，56.

［7］廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司.西安地鐵四號(hào)線工程可行性研究報(bào)告［R］.廣州:廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司，2013.

［8］廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司.西安地鐵四號(hào)線工程總體設(shè)計(jì)文件線路篇［Z］.廣州:廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司，2013.

［9］廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司.西安地鐵四號(hào)線工程初步設(shè)計(jì)文件線路篇［Z］.廣州:廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司，2013.