城市軌道交通長大陡坡地段設計研究

張旭東

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300142)

在地鐵設計規(guī)范中，將“坡度大于24‰，連續(xù)高差達16 m以上的坡段”定義為長大陡坡[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)變得復雜。為適應地形條件，軌道交通線路設計中出現(xiàn)長大陡坡地段在所難免[2]。目前，國內(nèi)城市軌道交通線路長大陡坡地段的設計案例較少，以杭州地區(qū)“杭州至富陽城際鐵路工程”為依托，對該工程“中村站至文創(chuàng)園站區(qū)間”長大陡坡地段設計進行深入研究，重點對線路平縱斷面設計進行分析比選。

1 項目概況

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美院象山站，并與6號線實現(xiàn)貫通運營，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留向南延伸條件。

杭富線線路全長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)，共設車站11座(高架站5座、地下站6座)，于富陽高橋設宋家塘車輛基地1座。本線采用B型車，設計最高運行速度為100 km/h，列車編組初、近、遠期均為6輛[3，4]。

杭富線長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，以下簡稱中文區(qū)間，如圖1所示)，該區(qū)段線路沿G320國道翻越金家?guī)X地勢起伏地段，最大高差約65 m，最大自然起伏坡度約3%，區(qū)段內(nèi)國道最大設計縱坡為3%。

2 長大陡坡地段線路平縱斷面設計研究

城市軌道交通線路走向選擇應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，避免對周圍環(huán)境產(chǎn)生不利影響。線路經(jīng)由點的選擇需結(jié)合既有及規(guī)劃設施、建(構(gòu))筑物、工程條件等綜合考慮。線路敷設方式需結(jié)合安全、車站設置、控制高程、技術經(jīng)濟等條件進行綜合分析比選[5，6]。

杭富線中文區(qū)間長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)生長大陡坡地段。

②線路設計規(guī)范因素

依據(jù)地鐵規(guī)范中對于長大陡坡的定義，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，遠超過長大陡坡16 m的連續(xù)高差界限。因此，該區(qū)段易產(chǎn)生長大陡坡地段。

圖1 杭州至富陽城際鐵路工程平面示意

2.1 線路平面設計

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，線路平面敷設位置的不同仍會對區(qū)間兩端車站軌面高差及區(qū)間線路長度產(chǎn)生較大影響。因此，平面設計時，分別研究了路中方案、路側(cè)方案及展線方案[7-9]。

(1)平面設計方案

①方案一：路中方案

該方案線路平面沿國道路中布設，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道南側(cè)綠化帶布設，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)平面設計方案綜合分析

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

2.2 線路縱斷面設計

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，重點對線路縱斷面設計中的縱坡坡度和坡長以及縱坡的組合形式進行分析比選[10，11]。

(1)縱坡坡度和坡長的選擇

從改善運行條件考慮，應盡量避免長大陡坡地段。但地鐵設計規(guī)范中并非禁止使用長大陡坡，而是在其使用過程中，需要進行必要的檢算。因此，在對縱坡坡度和坡長進行選擇時，原則上應避免出現(xiàn)長大陡坡，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)使用長大陡坡，即長大陡坡之間不設緩和坡段。線路縱坡組合為從中村站至文創(chuàng)園站僅設置一個坡段25.221‰/3391.5 m，如圖5所示。

②方案二：不使用長大陡坡，以長大陡坡的定義為界限，線路最大縱坡坡度和坡長采用28‰/550 m并在其間設置緩和坡段。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：使用長大陡坡但在其間設置緩和坡段。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

以上三個方案是長大陡坡地段縱斷面設計的常用類型，各方案之間的差異主要集中于長大陡坡的使用方式。使用時需對不同運行工況進行檢算。以杭富線中文區(qū)間縱斷面設計實例為基礎，檢算車輛故障工況下，在大坡道上車輛的編組和動力性能，以及列車的制動停車、再啟動能力和互救能力等，以此來驗證縱斷面設計方案的合理性。通過分析車輛正常運行工況下，在長大陡坡地段車輛的旅行速度、能耗等，確定方案的適應性。

2.3 縱斷面設計方案的合理性分析

根據(jù)地鐵規(guī)范要求，車輛的編組和動力性能，在定員工況下，應滿足在長大陡坡地段的正常安全運行，并應符合下列故障情況時運行的原則要求[12]：

①列車喪失1/4或1/3動力時仍能維持運行至線路終點。

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

③列車喪失全部動力時，在黏著允許的范圍內(nèi)，應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停放或返回車輛基地。

上述②、③是長大陡坡檢算的基本條件，縱斷面設計方案中如使用長大陡坡，都需進行故障運行能力檢算，驗證其合理性。

(1)檢算方法

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

(2)檢算結(jié)果

①正常工況下

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

②故障工況下

列車在超員載荷和喪失1/4動力的工況時，能維持運行到終點。

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

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

以最不利縱斷面設計方案進行檢算分析，仍可滿足正常運行、故障運行和故障救援三種工況的要求。從而驗證了上述三種縱斷面設計方案中長大陡坡使用的合理性。

2.4 縱斷面設計方案的適應性分析

在驗證了上述縱斷面設計方案的合理性后，仍需對各方案的技術經(jīng)濟合理性進行分析比選，以確定最適宜的縱斷面設計方案(見表2)。

由表2分析可知：

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

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

表2 各種坡度方案車輛適應性比較(上坡方向)

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

表3 縱斷面設計方案適應性分析(下坡方向)

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

表4 正常運行牽引能耗分析(上下行方向)

由表4分析可知，方案一上、下坡時車輛持續(xù)牽引或制動都會加重車輛負荷，進而使能耗增加；方案二、方案三均設有緩和坡段，車輛牽引、制動負荷能耗有所緩解，緩和坡段坡度變化越大，牽引、制動能耗降低越多。

2.5 縱斷面設計方案綜合分析

結(jié)合杭富線中文區(qū)間縱斷面設計實例，在遇到類似長大陡坡地段時，線路縱斷面設計需重點分析縱坡坡度和坡長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，可避免出現(xiàn)長大陡坡。因此，縱坡的組合形式宜優(yōu)先使用單一坡段(如方案一)，其在正常運行工況下適應性更強。

②如區(qū)間縱坡平均坡度大于24‰時，縱坡坡度和坡長的選擇應首先驗證長大陡坡的合理性。宜優(yōu)先采用不出現(xiàn)長大陡坡的設計方案(如方案二)。如采用長大陡坡，宜優(yōu)先采用設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計實例為基礎，對城市軌道交通長大陡坡地段平縱斷面的設計方法進行分析研究。在線路縱斷面設計時，提出了以長大陡坡為研究對象的設計思路，重點對縱坡坡度和坡長的選擇以及縱坡的組合形式進行分析比選，總結(jié)出不同類型長大陡坡地段適宜的縱斷面設計方案，可為今后城市軌道交通長大陡坡地段線路設計提供參考。

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