地鐵線路縱斷面設(shè)計探討

李 睿，李曉飛，歐陽全裕

(天津市市政工程設(shè)計研究院，天津 300051)

地下鐵道屬市政公交系統(tǒng)的城市軌道交通客運專線性質(zhì)，它有別于客貨混運常規(guī)鐵路，也不同于城際間的高(快)速鐵路客運專線，針對地鐵的自身特點，僅就其線路縱斷面設(shè)計進行論述，著重對最大坡度的設(shè)置，以及現(xiàn)行《地鐵設(shè)計規(guī)范》(GB50157—2003)中對相鄰坡度差最大值限值尚無明確規(guī)定等問題進行較深入研討，并指出因此往往導(dǎo)致設(shè)計者尤其是新手拉坡的隨意性大，容易出現(xiàn)設(shè)計違規(guī)問題，為此提出設(shè)計應(yīng)注意事項及檢算方法，并對坡度差限值提出建議性意見。

1 地下線路埋置深度

地下線路埋置深度指線路縱斷面設(shè)計軌頂高程與相應(yīng)處的地面自然高程的高程差數(shù)，車站地段與區(qū)間線路由于施工方法不同，埋置深度對工程造價影響甚大，應(yīng)遵循不同的設(shè)計原則，簡述如下。

1.1 車站地段埋深

地下車站結(jié)構(gòu)復(fù)雜，施工難度大，目前國內(nèi)基本上多采用明挖法施工，為節(jié)省工程投資，原則上應(yīng)盡可能淺埋，車站段線路設(shè)計軌頂高程應(yīng)根據(jù)站臺高度、站臺層凈高、結(jié)構(gòu)中隔板厚度、站廳層凈高、結(jié)構(gòu)頂板厚度、覆土厚度等要求計算確定，其中覆土厚度除應(yīng)滿足凍土厚度(寒冷地區(qū))外，還應(yīng)考慮該車站地段地下現(xiàn)存及規(guī)劃各類市政管線埋深及擬定的改移或保留等處理方案確定覆土厚度。

1.2 區(qū)間線路埋深

地下線采用明挖法施工時，為減少土方開挖量，區(qū)間線路埋深越淺越節(jié)省工程投資。當(dāng)采用暗挖法施工時，一般應(yīng)選擇較深的好地層，工程投資相對增大。

具體覆土厚度應(yīng)根據(jù)地面不同因素，必要時與相關(guān)專業(yè)或城市有關(guān)部門共同協(xié)商確定。

區(qū)間地下線路當(dāng)前通常采用盾構(gòu)法施工，現(xiàn)行《地鐵設(shè)計規(guī)范》(GB50157—2003)(以下簡稱《設(shè)規(guī)》)規(guī)定，“盾構(gòu)法施工的區(qū)間隧道覆土厚度不宜小于隧道外輪廓直徑，確有技術(shù)依據(jù)時，允許在局部地段適當(dāng)減少?！倍軜?gòu)法施工的線路埋深對工程造價影響相對較小，當(dāng)遇到不良地質(zhì)條件如淤泥質(zhì)及流沙地層，應(yīng)盡量考慮躲避。

線路穿越河流時，要了解河道的現(xiàn)有河底高程和規(guī)劃河底高程，然后根據(jù)采用的隧道結(jié)構(gòu)及工法確定結(jié)構(gòu)頂與河底的安全距離。

當(dāng)線路必須在建筑物樁基下穿過時，要探明樁基類型和深度，以確定施工方法和結(jié)構(gòu)頂至樁底的安全距離，必要時采取加固防護措施，確保工程安全，合理設(shè)計線路埋深。

2 線路縱坡設(shè)計

2.1 地鐵正線縱坡設(shè)計一般規(guī)定［1］

正線的最大坡度不宜大于30‰，困難地段可采用35‰;

正線最小坡度在隧道和路塹地段不宜小于3‰，困難地段在確保排水條件下可采用小于3‰的坡度，地面和高架橋上在采取了排水措施后不受限制;

車站地段正線坡度:為防止停站車輛溜動和隧道內(nèi)排水需要，地下車站站臺計算長度段線路坡度宜采用2‰，在困難條件下可設(shè)在不大于3‰的坡道上;地面和高架橋上的車站宜設(shè)在平道上，在困難地段也可設(shè)在不大于3‰的坡道上。

兩相鄰坡段的坡度代數(shù)差等于或大于2‰時，應(yīng)設(shè)圓曲線型的豎曲線連接，其半徑在區(qū)間一般情況5 000 m，困難情況3 000 m，車站端部一般情況3 000 m，困難情況2 000 m。

對上述地下車站正線坡度問題，近年來有業(yè)內(nèi)人士提出，為方便站臺層設(shè)備安裝，地面裝修，車站段正線縱坡擬設(shè)平坡，利用軌道整體道床排水溝自站中心向兩端設(shè)人字坡排水，或?qū)④囌径谓Y(jié)構(gòu)地板做成一面坡解決排水問題。目前國內(nèi)已建或在建的絕大多數(shù)地鐵工程地下車站段正線坡度設(shè)計仍按現(xiàn)行地鐵設(shè)計規(guī)范執(zhí)行。

2.2 車站兩端節(jié)能型縱坡設(shè)計

《設(shè)規(guī)》規(guī)定，“有條件時車站宜布置在縱斷面的凸型部位上，并設(shè)置合理的進出站坡度”。車站設(shè)在線路縱斷面的高處，兩端大下坡，稱為節(jié)能破。列車從車站啟動后，借助下坡的勢能增加列車加速度，縮短列車牽引時間，從而達到節(jié)能的目的。列車進站停車可借助坡度阻力，降低列車速度，縮短制動時間，減少制動發(fā)熱，節(jié)約環(huán)控能量消耗［3］。

節(jié)能型坡道應(yīng)盡量靠近車站，豎曲線頭宜貼近站臺端部，以發(fā)揮最大節(jié)能效果。節(jié)能坡道長度一般宜在200～300 m。坡度值視左右線隧道結(jié)構(gòu)而異，當(dāng)左右線分為兩單線隧道時，兩線在區(qū)間可以不等高，列車出站方向的坡度值可用足最大坡度，進站方向的坡度值減小5‰左右;當(dāng)左右線并行共用一個隧道結(jié)構(gòu)時，因左、右線要求等高，進出站的坡度均宜較最大坡度減小 5‰左右［3］。

車站主體結(jié)構(gòu)采用明挖法施工，區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)采用盾構(gòu)法施工，則有條件實行節(jié)能型的縱斷面設(shè)計。若區(qū)間結(jié)構(gòu)也是采用明挖法施工，節(jié)能型縱斷面將加大區(qū)間線路埋深，增加工程投資，縱斷面一般不設(shè)計成節(jié)能型。

2.3 區(qū)間線路縱坡設(shè)計

2.3.1 最大坡度的設(shè)置

除車站兩端的節(jié)能坡道外，區(qū)間一般宜用緩坡，避免列車交替使用制動又給電牽引，有利于減少能耗和運營成本，提高列車行車平穩(wěn)性和乘客舒適度，但有局部地段工程為盡快爭取高程需要，必須采用較大的甚至最大坡度，例如隧道至高架橋(或相反)的過渡段，穿越河流及下穿建筑物樁基地段、地面高架線跨越城市橋梁地段等。對橋隧過渡敞口地段大坡度，在寒冷地區(qū)還要適當(dāng)考慮降雪軌面結(jié)冰影響動車牽引的不利因素，例如天津地鐵1號線土城站后隧橋過渡敞口段［8］，有車輛專家提出宜用26‰坡度，設(shè)計加蓋雨棚實際采用27‰坡度，運營6年多來狀況良好［12］。穿越河流和下穿建筑物樁基地段的坡度值可采用《設(shè)規(guī)》規(guī)定的最大坡度30‰，實際設(shè)計中有條件時一般也考慮適當(dāng)放緩。該地段往往是反向大坡段，為避免過大坡度差，中間宜用緩坡段相連接。例如天津地鐵6號線有2處困難地段設(shè)計了2個反向大下坡直接相連，坡度差達50‰以上，工程可行性研究報告審查會上專家對此提出了修改意見［10］。

2.3.2 最小坡段長度

(1)站坪坡段最小長度:《設(shè)規(guī)》規(guī)定:“車站站臺計算長度內(nèi)不得設(shè)置豎曲線”，以保證站臺平整和乘客安全，并便于車站設(shè)計施工。設(shè)站坪坡度2‰，車站兩端節(jié)能坡25‰，則兩端相鄰坡度差分別為27‰和23‰，按半徑3 000 m計算豎曲線切線長分別為40.5 m和34.5 m，以當(dāng)前國內(nèi)地鐵常采用的國產(chǎn)B型車6節(jié)編組為例，列車計算長度取整為120 m，則站坪坡段最小長度為40.5+120+34.5=195 m，取整為200 m。為便于車站布置留有余地，通?？稍O(shè)計為250 m。當(dāng)采用其他較長車型或列車編組較多時，則站坪坡段最小長度應(yīng)相應(yīng)加長。帶有配線的車站應(yīng)根據(jù)岔線布置要求設(shè)計站坪坡段長度。

(2)區(qū)間線路最小坡段長度:《設(shè)規(guī)》規(guī)定:“線路坡段長度不宜小于遠期列車計算長度”，使一列列車范圍內(nèi)只有一個變坡點，避免變坡點附加力的疊加影響和附加力的頻繁變化，以保證行車的平穩(wěn)。還規(guī)定應(yīng)滿足相鄰豎曲線間夾直線長度不宜小于50 m，使豎曲線既不相互重疊，又相隔一定距離，有利于列車運行和線路維修養(yǎng)護。區(qū)間線路較站端行車速度較高，為提高行車平順性和乘客舒適度，豎曲線需采用較大半徑，一般情況為5 000 m。相鄰兩變坡點的坡度差設(shè)定均為最大30‰，則其豎曲線切線長均為75 m，仍以上述列車長度120 m為例，則最小坡段長度為:(75+50+75)m=200 m＞120 m，可見當(dāng)兩相鄰變坡點坡度差均控制在30‰以內(nèi)時，則區(qū)間線路坡段最小長度可設(shè)計為200 m。

當(dāng)相鄰兩變坡點坡度差大于30‰時，則最小坡段長度應(yīng)相應(yīng)加長。由于現(xiàn)行《設(shè)規(guī)》對變坡點坡度差最大值沒有明確規(guī)定，加之豎曲線和緩和曲線重疊也不受限制(因地鐵多采用混凝土整體道床)，因而線路拉坡時隨意性大，往往將相鄰兩反向大坡度直接相連產(chǎn)生很大的坡度差，又疏忽了檢算，容易發(fā)生豎曲線間夾直線長度不滿足要求的設(shè)計違規(guī)問題，對此設(shè)計者尤其是新手應(yīng)引起足夠重視。

2.3.3 最大坡度差限值研討

相鄰坡段坡度差，不同類別的鐵路都有明確的限制規(guī)定，以客貨混運的常規(guī)鐵路為例，20世紀(jì)70、80年代的《線規(guī)》規(guī)定，坡度差不應(yīng)大于重車方向的限制坡度值［11］?，F(xiàn)行《鐵路線路設(shè)計規(guī)范》(GB50090—2006)對坡度差值作出了更詳細的規(guī)定，根據(jù)列車通過變坡點時產(chǎn)生的縱向力不大于車鉤強度和不同列車牽引定數(shù)這兩個因素分為4檔，一般為8‰、10‰、12‰、15‰，困難情況為 10‰、12‰、15‰、18‰［2］。地鐵不同于常規(guī)客貨混運常規(guī)鐵路，地鐵是客運專線，沒有貨運，列車種類、牽引質(zhì)量單一，其動車組牽引力充裕，但因地鐵是城市軌道交通客運專線，故對其行車平穩(wěn)性和乘客舒適度應(yīng)是重點考慮的因素，坡度差過大，對此影響較大，同時對設(shè)計施工、運營養(yǎng)護也帶來不利影響，因此，對地鐵坡度差最大值宜有所限制，論述如下。

(1)行車平穩(wěn)性和乘客舒適度

列車通過變坡點時要產(chǎn)生附加力和附加加速度，引起車輛振動和局部加速度增大，變坡點采用豎曲線連接可得到有效緩解。但當(dāng)列車通過豎曲線時，產(chǎn)生的豎向離心加速度未被平衡部分仍將影響乘客舒適度。當(dāng)變坡點坡度差過大，即相鄰兩反向大坡道，列車交替降速加速，影響行車平穩(wěn)性，因而也降低了乘客舒適度。

(2)方便設(shè)計

由于地鐵站間距離短，市區(qū)一般1 km左右，扣除站坪及站端坡段，區(qū)間線路縱坡往往只能設(shè)計成短坡段，通常多采用200 m。如前所述，當(dāng)相鄰坡段坡度差控制在30‰以內(nèi)時，設(shè)計最小坡段200 m無須檢算即可滿足豎曲線間夾直線長度規(guī)定，從而可避免坡度差過大容易發(fā)生的設(shè)計違規(guī)問題。

(3)有利施工［12］

變坡點豎曲線地段線路高程需要調(diào)整，當(dāng)調(diào)整量大于整體道床厚度允許調(diào)整量時，需通過調(diào)整結(jié)構(gòu)高程來實現(xiàn)。如地下線框構(gòu)施工需要通過結(jié)構(gòu)變截面降低底板(凸形變坡點)或抬高頂板(凹形變坡點)來滿足調(diào)整量。而盾構(gòu)施工時，豎曲線地段線路高程調(diào)整量只能在盾構(gòu)推進中進行調(diào)控實現(xiàn)，給施工帶來難度，坡度差越大，調(diào)整量越大，調(diào)整地段越長，如坡度差為30‰時，高程調(diào)整量最大處563 mm，調(diào)整地段長度達150 m，若坡度差再大，則盾構(gòu)推進調(diào)控難度更大，對此施工部門反映強烈。

(4)軌道養(yǎng)護維修

如前所述，列車通過變坡點要產(chǎn)生附加力和附加加速度對軌道產(chǎn)生沖擊，故變坡點處豎曲線地段和線路平面曲線地段一樣，都是線路的薄弱環(huán)節(jié)，是軌道養(yǎng)護維修的重點地段，坡度差越大，豎曲線越長，例如坡度差30‰，則豎曲線已長達150 m，若坡度差再大，豎曲線更長，勢必增加運營期間的軌道養(yǎng)護維修工作量和費用。

綜上所述，從提高乘客舒適度，方便設(shè)計施工，減少養(yǎng)護維修和運營費用等多方面考慮，認為對坡度差最大值應(yīng)有所限制為宜。據(jù)了解，在工程實踐中，地鐵線路縱坡設(shè)計對坡度差值實際上有所控制，例如北京地鐵一期工程線路設(shè)計中，規(guī)定兩相反方向的坡段連接時，其中一個方向的坡度不應(yīng)大于5‰，在二期工程中放寬至10‰。根據(jù)以上分析，并考慮便于設(shè)計操作，建議對地鐵線路相鄰坡段坡度代數(shù)差最大值取《設(shè)規(guī)》規(guī)定的最大坡度值30‰，困難地段35‰。

3 地下線路縱斷面與排水泵站的配合

地下線不同于一般鐵路隧道，地下車站和區(qū)間為排出結(jié)構(gòu)滲漏水及消防、沖洗廢水，必須設(shè)置排水泵站，通過設(shè)在線路上的軌道排水溝，水自流集中到線路坡道最低點處的排水泵站集水池，然后提升排入地面城市排水系統(tǒng)。雙線并行地段為節(jié)省工程投資，一般共用一個排水泵站。地鐵縱斷面設(shè)計以右線為準(zhǔn)，當(dāng)左右線隧道結(jié)構(gòu)采用單洞單線時，要求左線縱斷面設(shè)計最低點位置，處于右線最低點同一斷面處，錯動量不宜大于20 m。最低點高程宜相等，可允許有30 cm以內(nèi)高差。左右線之間若有連接通道，左右線高程宜相同，允許有50 cm以內(nèi)高差［3］。

4 結(jié)語

針對地鐵不同于常規(guī)鐵路的自身特點，結(jié)合多年工程實踐經(jīng)驗，論述了地鐵縱斷面設(shè)計及注意事項，最小坡段長度200 m與兩端坡度差的關(guān)系及檢算方法，并重點對最大坡度的設(shè)置及現(xiàn)行《設(shè)規(guī)》中尚無明確規(guī)定的相鄰坡度差最大值問題進行較詳細研討，并提出了建議性意見:相鄰坡度差限值取《設(shè)規(guī)》規(guī)定的最大坡度值30‰，困難地段35‰?！皰伌u引玉”，愿與同行們共同探討。

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［2］中華人民共和國鐵道部.GB50090—2006 鐵路線路設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國計劃出版社，2006.

［3］施仲衡.地下鐵道設(shè)計與施工［M］.西安:陜西科學(xué)技術(shù)出版社，1997.

［4］中華人民共和國建設(shè)部.建標(biāo)104—108 城市軌道交通工程項目建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京:中國計劃出版社，2008.

［5］鐵道第二勘察設(shè)計院.TB10003—2005 J449—2005 鐵路隧道設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［6］鐵道部經(jīng)濟規(guī)劃研究院.TB10082—2005 J448—2005 鐵路軌道設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［7］上海申通軌道交通研究咨詢有限公司，上海市隧道工程軌道交通設(shè)計研究院.STB/ZH—000001—2010 上海城市軌道交通工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(暫行)［S］.上海:上海申通軌道交通研究咨詢有限公司，上海市隧道工程軌道交通設(shè)計研究院，2010.

［8］鐵道第三勘察設(shè)計院.天津地鐵1號線施工圖設(shè)計文件線路篇［Z］.天津:鐵道第三勘察設(shè)計院，2002.

［9］鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司.天津地鐵3號線施工圖設(shè)計文件線路篇［Z］.天津:鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司，2009.

［10］天津市市政工程設(shè)計研究院.天津地鐵6號線工程可行性研究報告［R］.天津:天津市市政工程設(shè)計研究院，2011.

［11］郝瀛.鐵道工程［M］.北京:中國鐵道出版社，2000.

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