城市軌道交通長(zhǎng)大陡坡地段設(shè)計(jì)研究

張旭東

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300142)

在地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范中，將“坡度大于24‰，連續(xù)高差達(dá)16 m以上的坡段”定義為長(zhǎng)大陡坡[1]。隨著城市軌道交通線路逐漸向城市外圍區(qū)域延伸，線路經(jīng)由的自然地形條件較城市地區(qū)變得復(fù)雜。為適應(yīng)地形條件，軌道交通線路設(shè)計(jì)中出現(xiàn)長(zhǎng)大陡坡地段在所難免[2]。目前，國(guó)內(nèi)城市軌道交通線路長(zhǎng)大陡坡地段的設(shè)計(jì)案例較少，以杭州地區(qū)“杭州至富陽城際鐵路工程”為依托，對(duì)該工程“中村站至文創(chuàng)園站區(qū)間”長(zhǎng)大陡坡地段設(shè)計(jì)進(jìn)行深入研究，重點(diǎn)對(duì)線路平縱斷面設(shè)計(jì)進(jìn)行分析比選。

1 項(xiàng)目概況

杭州至富陽城際鐵路工程始于杭州市西湖區(qū)轉(zhuǎn)塘鎮(zhèn)南側(cè)，在杭新路與美院南路路口處設(shè)美院象山站，并與6號(hào)線實(shí)現(xiàn)貫通運(yùn)營(yíng)，隨后線路向西經(jīng)之江度假區(qū)、富陽銀湖街道、富陽富春街道，終于富陽富春街道的桂花路站并預(yù)留向南延伸條件。

杭富線線路全長(zhǎng)23.15 km(其中高架線12.55 km、地下線9.18 km、敞開過渡段1.42 km)，共設(shè)車站11座(高架站5座、地下站6座)，于富陽高橋設(shè)宋家塘車輛基地1座。本線采用B型車，設(shè)計(jì)最高運(yùn)行速度為100 km/h，列車編組初、近、遠(yuǎn)期均為6輛[3，4]。

杭富線長(zhǎng)大坡陡坡地段位于西湖區(qū)之江片區(qū)與富陽銀湖街道的交界處(中村站至文創(chuàng)園站區(qū)間，以下簡(jiǎn)稱中文區(qū)間，如圖1所示)，該區(qū)段線路沿G320國(guó)道翻越金家?guī)X地勢(shì)起伏地段，最大高差約65 m，最大自然起伏坡度約3%，區(qū)段內(nèi)國(guó)道最大設(shè)計(jì)縱坡為3%。

2 長(zhǎng)大陡坡地段線路平縱斷面設(shè)計(jì)研究

城市軌道交通線路走向選擇應(yīng)與沿線交通走廊相結(jié)合，盡可能減少地塊分割，利于集約土地，避免對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生不利影響。線路經(jīng)由點(diǎn)的選擇需結(jié)合既有及規(guī)劃設(shè)施、建(構(gòu))筑物、工程條件等綜合考慮。線路敷設(shè)方式需結(jié)合安全、車站設(shè)置、控制高程、技術(shù)經(jīng)濟(jì)等條件進(jìn)行綜合分析比選[5，6]。

杭富線中文區(qū)間長(zhǎng)大陡坡地段形成原因：

①周邊自然環(huán)境及道路交通條件因素

杭富線中文區(qū)間位于西湖區(qū)與富陽區(qū)的交界地段，G320國(guó)道是連接兩區(qū)的主要交通干道，沿線地塊規(guī)劃開發(fā)主要沿國(guó)道兩側(cè)呈帶狀分布。因此，杭富線中文區(qū)間線路走向宜沿國(guó)道走行穿越金家?guī)X區(qū)域，受地形自然條件影響，易產(chǎn)生長(zhǎng)大陡坡地段。

②線路設(shè)計(jì)規(guī)范因素

依據(jù)地鐵規(guī)范中對(duì)于長(zhǎng)大陡坡的定義，中文區(qū)間線路縱坡平均坡度約25.2‰，超過長(zhǎng)大陡坡24‰的坡度界限。中村站與文創(chuàng)園站的軌面高差約86.8 m，遠(yuǎn)超過長(zhǎng)大陡坡16 m的連續(xù)高差界限。因此，該區(qū)段易產(chǎn)生長(zhǎng)大陡坡地段。

圖1 杭州至富陽城際鐵路工程平面示意

2.1 線路平面設(shè)計(jì)

綜合考慮富陽區(qū)與主城區(qū)之間的規(guī)劃銜接、區(qū)域內(nèi)交通聯(lián)絡(luò)及周邊地形特征，中文區(qū)間線路走向及經(jīng)由首選沿G320國(guó)道向西走行。但從沿線現(xiàn)狀、規(guī)劃及道路交通情況綜合分析，線路平面敷設(shè)位置的不同仍會(huì)對(duì)區(qū)間兩端車站軌面高差及區(qū)間線路長(zhǎng)度產(chǎn)生較大影響。因此，平面設(shè)計(jì)時(shí)，分別研究了路中方案、路側(cè)方案及展線方案[7-9]。

(1)平面設(shè)計(jì)方案

①方案一：路中方案

該方案線路平面沿國(guó)道路中布設(shè)，中村站為地下二層島式站，文創(chuàng)園站為高架二層側(cè)式站，如圖2所示。

圖2 方案一線路平面示意

②方案二：路側(cè)方案

該方案線路平面沿國(guó)道南側(cè)綠化帶布設(shè)，中村站為地下一層島式站，文創(chuàng)園站為高架二層側(cè)式站，如圖3所示。

③方案三：展線方案

該方案線路平面沿國(guó)道南側(cè)山腳展線，中村站為地下二層島式站，文創(chuàng)園站為高架二層側(cè)式站，如圖4所示。

圖3 方案二線路平面示意

圖4 方案三線路平面示意

(2)綜合比選

綜合比選如表1所示。

表1 方案比選

(3)平面設(shè)計(jì)方案綜合分析

由表1可知，路側(cè)和展線方案并未有效緩解長(zhǎng)大陡坡問題且對(duì)周邊地塊及沿線既有建構(gòu)筑物影響較大，工程可實(shí)施性差。因此，杭富線中文區(qū)間線路平面采用路中方案。

2.2 線路縱斷面設(shè)計(jì)

杭富線中文區(qū)間兩端車站的軌面高差超過80 m且區(qū)間線路縱坡平均坡度超過24‰。結(jié)合線路平面方案比選結(jié)論，重點(diǎn)對(duì)線路縱斷面設(shè)計(jì)中的縱坡坡度和坡長(zhǎng)以及縱坡的組合形式進(jìn)行分析比選[10，11]。

(1)縱坡坡度和坡長(zhǎng)的選擇

從改善運(yùn)行條件考慮，應(yīng)盡量避免長(zhǎng)大陡坡地段。但地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范中并非禁止使用長(zhǎng)大陡坡，而是在其使用過程中，需要進(jìn)行必要的檢算。因此，在對(duì)縱坡坡度和坡長(zhǎng)進(jìn)行選擇時(shí)，原則上應(yīng)避免出現(xiàn)長(zhǎng)大陡坡，但特殊情況下，經(jīng)過必要的檢算仍可使用。

(2)縱坡的組合形式

根據(jù)縱坡坡度和坡長(zhǎng)的選擇原則，縱坡的組合形式主要有以下三種。

①方案一：連續(xù)使用長(zhǎng)大陡坡，即長(zhǎng)大陡坡之間不設(shè)緩和坡段。線路縱坡組合為從中村站至文創(chuàng)園站僅設(shè)置一個(gè)坡段25.221‰/3391.5 m，如圖5所示。

②方案二：不使用長(zhǎng)大陡坡，以長(zhǎng)大陡坡的定義為界限，線路最大縱坡坡度和坡長(zhǎng)采用28‰/550 m并在其間設(shè)置緩和坡段。線路縱坡組合為15‰/200 m—28‰/550 m—20‰/200 m—28‰/550 m—20‰/200 m—28‰/550 m—20‰/200 m—28‰/550 m—22.828‰/391.5 m，如圖6所示。

③方案三：使用長(zhǎng)大陡坡但在其間設(shè)置緩和坡段。線路縱坡組合為15‰/200 m—28‰/1 000 m—12‰/200 m—28‰/1 000 m—12‰/200 m—27.464‰/791.5 m，如圖7所示。

圖5 方案一線路縱斷面示意

圖6 方案二線路縱斷面示意

圖7 方案三線路縱斷面示意

以上三個(gè)方案是長(zhǎng)大陡坡地段縱斷面設(shè)計(jì)的常用類型，各方案之間的差異主要集中于長(zhǎng)大陡坡的使用方式。使用時(shí)需對(duì)不同運(yùn)行工況進(jìn)行檢算。以杭富線中文區(qū)間縱斷面設(shè)計(jì)實(shí)例為基礎(chǔ)，檢算車輛故障工況下，在大坡道上車輛的編組和動(dòng)力性能，以及列車的制動(dòng)停車、再啟動(dòng)能力和互救能力等，以此來驗(yàn)證縱斷面設(shè)計(jì)方案的合理性。通過分析車輛正常運(yùn)行工況下，在長(zhǎng)大陡坡地段車輛的旅行速度、能耗等，確定方案的適應(yīng)性。

2.3 縱斷面設(shè)計(jì)方案的合理性分析

根據(jù)地鐵規(guī)范要求，車輛的編組和動(dòng)力性能，在定員工況下，應(yīng)滿足在長(zhǎng)大陡坡地段的正常安全運(yùn)行，并應(yīng)符合下列故障情況時(shí)運(yùn)行的原則要求[12]：

①列車喪失1/4或1/3動(dòng)力時(shí)仍能維持運(yùn)行至線路終點(diǎn)。

②列車喪失1/2動(dòng)力時(shí)仍能在正線最大坡道上啟動(dòng)并行使至就近車站，列車清客后返回車輛基地。

③列車喪失全部動(dòng)力時(shí)，在黏著允許的范圍內(nèi)，應(yīng)能由另一列相同空載列車在正線最大坡道上牽引(或推送)至鄰近車站，列車清客后被牽引(或推送)至就近車站的停車線臨時(shí)停放或返回車輛基地。

上述②、③是長(zhǎng)大陡坡檢算的基本條件，縱斷面設(shè)計(jì)方案中如使用長(zhǎng)大陡坡，都需進(jìn)行故障運(yùn)行能力檢算，驗(yàn)證其合理性。

(1)檢算方法

上述縱斷面設(shè)計(jì)方案中最大坡度為28‰，最大坡長(zhǎng)為3 391.5 m。假設(shè)中文區(qū)間存在最不利縱斷面設(shè)計(jì)方案，即28‰/3 391.5 m。若該方案檢算能夠通過，則上述縱斷面設(shè)計(jì)方案也能滿足要求。(檢算參數(shù)：速度目標(biāo)值100 km/h；B型車6輛編組(4動(dòng)2拖)；Rmin=1 060 m)。

(2)檢算結(jié)果

①正常工況下

經(jīng)檢算，列車在正常運(yùn)行時(shí)可以通過大坡段并保障運(yùn)行到終點(diǎn)，滿足正常運(yùn)行的要求。

②故障工況下

列車在超員載荷和喪失1/4動(dòng)力的工況時(shí)，能維持運(yùn)行到終點(diǎn)。

列車在超員和喪失1/2動(dòng)力的工況時(shí)，具有在正線最大坡道上起動(dòng)和運(yùn)行到最近車站的能力。

一列空載列車應(yīng)具有在正線線路最大坡道上牽引另一列超員載荷的無動(dòng)力列車運(yùn)行到下一車站的能力(根據(jù)地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范，故障情況下按照25km/h至30 km/h的速度進(jìn)行推送)。

以最不利縱斷面設(shè)計(jì)方案進(jìn)行檢算分析，仍可滿足正常運(yùn)行、故障運(yùn)行和故障救援三種工況的要求。從而驗(yàn)證了上述三種縱斷面設(shè)計(jì)方案中長(zhǎng)大陡坡使用的合理性。

2.4 縱斷面設(shè)計(jì)方案的適應(yīng)性分析

在驗(yàn)證了上述縱斷面設(shè)計(jì)方案的合理性后，仍需對(duì)各方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理性進(jìn)行分析比選，以確定最適宜的縱斷面設(shè)計(jì)方案(見表2)。

由表2分析可知：

①正常運(yùn)行時(shí)，方案一縱坡坡度不變，車輛處于穩(wěn)定的牽引爬升過程，速度波動(dòng)小、平均旅速高；方案二、方案三均設(shè)有緩和坡段，車輛牽引爬升過程中通過緩和坡段時(shí)速度會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)。

②故障運(yùn)行時(shí)，車輛牽引能力下降，方案一車輛始終處于長(zhǎng)大陡坡爬升狀態(tài)，大坡度爬升時(shí)間越長(zhǎng)，車輛牽引負(fù)荷越大、平均旅速越低；方案二、方案三均設(shè)有緩和坡段，對(duì)車輛牽引力不足的狀態(tài)有一定緩解，緩和坡段越平緩，牽引負(fù)荷越小、平均旅速越高。

表2 各種坡度方案車輛適應(yīng)性比較(上坡方向)

③故障救援時(shí)，空車推送或牽引只能暫時(shí)緩解故障列車的動(dòng)力缺失問題。因此，該工況介于正常工況和故障工況之間。

表3 縱斷面設(shè)計(jì)方案適應(yīng)性分析(下坡方向)

由表3分析可知，長(zhǎng)大陡坡地段車輛下坡時(shí)，如不施加制動(dòng)力，各設(shè)計(jì)方案均會(huì)引起車輛超速，危及運(yùn)營(yíng)安全。因此，為了控制列車運(yùn)行速度，需要持續(xù)或局部增加制動(dòng)力。正常運(yùn)行時(shí)，方案一車輛始終處于長(zhǎng)大陡坡下坡加速狀態(tài)，需持續(xù)施加制動(dòng)以防止車輛超速，進(jìn)而引起能耗增加；方案二雖設(shè)緩和坡段，但緩和坡段坡度變化小，列車運(yùn)行狀態(tài)與方案一類似；方案三緩和坡段坡度變化大，制動(dòng)能耗相較于其他方案有所降低。

表4 正常運(yùn)行牽引能耗分析(上下行方向)

由表4分析可知，方案一上、下坡時(shí)車輛持續(xù)牽引或制動(dòng)都會(huì)加重車輛負(fù)荷，進(jìn)而使能耗增加；方案二、方案三均設(shè)有緩和坡段，車輛牽引、制動(dòng)負(fù)荷能耗有所緩解，緩和坡段坡度變化越大，牽引、制動(dòng)能耗降低越多。

2.5 縱斷面設(shè)計(jì)方案綜合分析

結(jié)合杭富線中文區(qū)間縱斷面設(shè)計(jì)實(shí)例，在遇到類似長(zhǎng)大陡坡地段時(shí)，線路縱斷面設(shè)計(jì)需重點(diǎn)分析縱坡坡度和坡長(zhǎng)的選擇及縱坡的組合形式。

①如區(qū)間縱坡平均坡度小于24‰，通過合理選擇縱坡坡度和坡長(zhǎng)，可避免出現(xiàn)長(zhǎng)大陡坡。因此，縱坡的組合形式宜優(yōu)先使用單一坡段(如方案一)，其在正常運(yùn)行工況下適應(yīng)性更強(qiáng)。

②如區(qū)間縱坡平均坡度大于24‰時(shí)，縱坡坡度和坡長(zhǎng)的選擇應(yīng)首先驗(yàn)證長(zhǎng)大陡坡的合理性。宜優(yōu)先采用不出現(xiàn)長(zhǎng)大陡坡的設(shè)計(jì)方案(如方案二)。如采用長(zhǎng)大陡坡，宜優(yōu)先采用設(shè)置緩和坡段的縱坡組合形式(如方案三)，盡量避免連續(xù)使用長(zhǎng)大陡坡(如方案一)。

3 結(jié)束語

以杭州至富陽城際鐵路工程設(shè)計(jì)實(shí)例為基礎(chǔ)，對(duì)城市軌道交通長(zhǎng)大陡坡地段平縱斷面的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行分析研究。在線路縱斷面設(shè)計(jì)時(shí)，提出了以長(zhǎng)大陡坡為研究對(duì)象的設(shè)計(jì)思路，重點(diǎn)對(duì)縱坡坡度和坡長(zhǎng)的選擇以及縱坡的組合形式進(jìn)行分析比選，總結(jié)出不同類型長(zhǎng)大陡坡地段適宜的縱斷面設(shè)計(jì)方案，可為今后城市軌道交通長(zhǎng)大陡坡地段線路設(shè)計(jì)提供參考。

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