地铁线路纵断面设计优化探讨

王 楚 骄

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，广东 深圳　518000)



地铁线路纵断面设计优化探讨

王 楚 骄

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，广东 深圳518000)

结合列车的运行状态，提出了基于节能以及优化相关工程条件的地铁线路纵断面设计方案，经分析表明：在牵引状态下，列车宜采用大坡度下坡以增加列车加速度，减少牵引距离及牵引能耗，同时使列车重力势能转换为列车动能；在制动状态下，宜采用大坡度上坡以增加列车制动力，减少制动能耗以及制动距离，同时使列车动能转换为重力势能。

线路纵断面，节能，牵引计算，区间风井，列车运行状态

在地铁纵断面设计中，地铁设计规范对线路纵断面在不同条件下的坡长、坡率等有较为明确的规定，但是规范规定的坡长坡率范围较为宽泛，仅仅依据《地铁设计规范》设计出来的纵断面明显不能满足节能以及工程经济最优等要求。地铁纵断面往往受平面线形、地形、地质条件、施工工法、地下建(构)筑物、工程经济等方面的限制，各种因素之间也相互影响，但纵断面的设计同时也具备一定的灵活性。选择合理的纵断面对减少工程投资、工程风险以及降低运营能耗具有非常重要的意义。

1　列车运行状态分析

列车运行状态可分为加牵引状态、惰性状态、制动状态三种形态，不同的坡段上上述三种形态的组合形式存在一定的差异。以深圳地铁6A编组(4动2拖)、速度目标值为80 km/h为例，在列车启动加速出站时，不同坡段上的启动加速距离存在较大差别，坡度越小，列车启动加速距离越小，达到速度目标值的时间越短(见表1)。

表1　启动加速距离与坡率的关系

列车在区间运行时，当列车的重力能克服列车阻力做功时(坡率小于-5‰)，列车会一直处于惰性运行状态。当列车的重力无法克服阻力做功时(坡段为上坡或大于-5‰)时，列车会反复经历惰性运行与牵引加速两种状态(见图1)；在坡率一定时该种运行形态具备一定的周期性，坡率越小惰行距离越大，牵引距离越小，周期内列车运行距离与坡率呈二次函数关系，在坡率为15‰ 左右时列车的运行周期最短。

当列车减速进站时，坡率越大，列车阻力越大，制动距离越短，能耗越小。

综合上述分析可知，在牵引状态下，列车宜采用大坡度下坡以增加列车加速度，减少牵引距离及牵引能耗，同时使列车重力势能转换为列车动能；在制动状态下，宜采用大坡度上坡以增加列车制动力，减少制动能耗以及制动距离，同时使列车动能转换为重力势能；在惰性状态下，宜采用-4‰～-7‰ 之间的缓坡，使列车在惰性状态下避免速度迅速下降或者速度持续上升从而导致列车运行过程中需要多次制动调速增加制动能耗。

2　基于节能以及优化相关工程条件的线路纵断面方案

车站在有条件的情况下应布置于凸形断面上，有利于列车进站减速以及出站加速。梁广深等从对节能线路的专题研究中得出以下结论：设计时速为80 km/h的出站加速坡宜采用坡率25‰ 左右、坡长为250 m的坡道，对于设计时速为100 km/h及120 km/h或者更高速度的列车制式，其节能原理是一致的，但具体的坡长坡率须经牵引计算才能确定。设置加速坡固然有利于节能，但是在具体的工程中并非所有情况都适合设置加速坡，下面针对几种常见的情况进行分析。

1)区间单向平均坡度小于10‰，且区间长度不大于2.4 km。由于线路区间长度不大于2.4 km，因此不考虑设置通风竖井、不考虑地下建构筑物及地质的情况下，线路有条件设置加速坡。根据《地铁设计规范》，每隔600 m需设置联络通道，区间排水泵房应与联络通道合建以减少工程投资。因此，区间单向平均坡度小于10‰ 时，线路纵断面应采取如下方案：区间两端设置加速坡(列车出站加速)，中间采用缓坡连接，区间最低点位置的排水泵房应与联络通道合建。

2)区间单向平均坡度小于10‰，且区间长度大于2.4 km。当区间长度大于2.4 km时，线路必须考虑设置区间风井与排水泵房，纵断面方案应以优先满足相关工程条件为最优。以深圳地铁20号线机场北站至重庆路站为例进行研究：线路位于填海区，地势平坦，区间总长3.9 km，车站高差约0.7 m，制式采用6A编组，速度目标值为80 km/h。根据《地铁设计规范》，区间应每隔1.8 km左右设置区间风井，区间风井埋置深度宜浅不宜深，设置位置应使气流顺畅，因此该区间应至少设置1座区间风井；单向坡长度超过1.5 km以及区段最低点应设置排水泵房，并尽可能减少泵房的设置。根据之前的列车运行状态分析可知，列车出站加速地段宜设置加速坡，达到速度目标值后至列车制动减速前的区间坡度应采用4‰～7‰。

综合上述分析，本文提出两种纵断面方案，方案一采用W形坡，方案二采用V形坡(见图2)。经检算，两方案的牵引计算结果基本一致。但是工程上方案一较方案二有较大的优势，方案一的区间风井埋置深度较方案二浅14 m，虽然多设1座排水泵房，但是与联络通道合建，工程投资仅需少量增加。

综上所述，当线路单向平均坡度小于10‰、区间长度大于2.4 km时，线路宜采用连续V形坡，单个坡的长度不宜大于1.5 km，坡率不宜大于7‰，坡顶位置的选择应根据区间通风竖井的位置确定。

3)区间单向平均坡度大于10‰。当区间单向平均坡度大于10‰ 时，区间高程低的一端设置加速坡将导致后续区间坡度很大，反而不利于行车。因此在这种条件下，区间纵断面应当设置成单向坡。

单向坡的设置有单面坡及多段坡两种形式。单面坡在通风等方面较多段坡有一定的优势，但是在节能方面还需经牵引计算才能确定。同时，多段坡有多种组合方式，不同的组合方式对牵引能耗是否存在影响尚无定论。结合前述列车运行状态分析可知，列车启动加速地段坡度应采用小坡，制动减速地段应采用大坡；列车达到速度目标值后至制动减速前的区间纵断面选择上暂无法判断。基于疑问，对平均坡率大于10‰ 的区间提出以下四种纵断面方案(以深圳地铁10号线梅林东—创新园区间为例，梅林东—创新园区间长约4 km，车站高差约76 m，平均坡度约19‰)(见图3)。

方案一2 12519 40002 125方案二2 1255 50020.692 325025 2502 125方案三2 1255 1200 25 28002 125方案四2 1255 50025 6305 20025 6305 20025 6205 15025 6705 15025 2502 125

图3梅林东—创新园区间各纵断面方案

方案一：单面坡方案。线路自出站后至进站前采用19‰ 的坡度。方案二：出站缓坡+单面坡+进站陡坡方案。线路自出梅林东站后采用500 m，5‰ 的缓坡，进创新园站前采用250 m，25‰的加速坡，中间采用单一坡度。方案三：陡坡+缓坡方案。线路自出梅林东站后采用1.5 km，5‰ 的缓坡，之后接2 500 m，25‰ 的陡坡接入创新园站。方案四：陡坡与缓坡相互交叉使用方案。线路出梅林东站后采用500 m，5‰ 的缓坡，之后接25‰ 陡坡(单个坡段爬升高度不大于16 m)，再接5‰ 缓坡，依次如前，至梅林东站前采用250 m，25‰ 陡坡。

表2　梅林东—创新园各纵断面方案牵引计算表

如表2所示，方案一(单面坡形式)较其他方案耗能多，因此单面坡在能耗方面不具有优势。方案二较方案三、方案四能耗多，表明列车达到速度目标值后至制动减速前的区间纵断面方案对能耗存在影响，且陡坡与缓坡组合对于节能降耗具有一定的优势。方案三与方案四的各项牵引数据基本一致，对比其纵断面可以发现，方案三与方案四5‰ 的坡段总长及25‰ 的坡段总长一致，这表明当区间各坡率的对应总长确定时，区间能耗就已确定，各坡率的排列方式对能耗不产生影响。结合工程实际，区间长度超过2.4 km时，根据隧道通风要求应设置区间风井，且风井的埋置深度不宜过大，线路应在达到速度目标值后立即爬升，在区间后半段采用缓坡(如图4中方案A所示)。

综述，对于平均坡率大于10‰ 的区间，纵断面方案应采用如下模式：出站后的启动加速地段采用缓坡，达到速度目标值至制动减速段采用陡坡+缓坡形式，且陡坡应相对集中于区间的前半段以减少区间风井的埋置深度，在进站前的制动减速地段应采用陡坡。

3　结语

线路纵断面设计所需考虑的专业非常多，在设计过程中，在大多数情况下纵断面设计存在很大的灵活性。本文的研究成果对优化灵活性较大的纵断面具有一定的帮助，但是由于影响纵断面的因素较多，研究成果的适用范围也存在一定的局限性。因此希望有更多的同行一同深入研究，以期降低地铁的运营成本，实现较高的经济效益。

[1]庞渊.线路节能坡设计方案对地铁能耗的影响[J].铁路工程造价管理,2008(1)：19-20.

[2]GB 50157—2003，地铁设计规范[S].

[3]梁广深.地铁节能线路纵断面设计研究[J].都市快轨交通,2009(8)：71-73.

On optimization of longitudinal section design on subway routes

Wang Chujiao

(TheThirdRailwaySurveyandDesignInstituteGroupCo.,Ltd,Shenzhen518000,China)

Combining with the operation status of trains, the paper points out the design scheme for the longitudinal sections of subway routes based on the energy-saving and optimal engineering conditions, proves by the analysis that the large gradient slope can be adopted on trains under the traction so as to reduce the traction distance and energy consumption and replace the train’s gravitational potential energy into train’s kinetic energy, and indicates the large gradient ascent can be adopted under the braking status to increase the train’s braking force, so as to reduce the braking energy consumption and braking distance, so as to replace the kinetic energy into the gravitational potential energy.

route longitudinal section, energy-saving, traction calculation, internal wind well, train’s operation status

1009-6825(2016)08-0175-02

2016-01-07

王楚骄(1989- )，男，助理工程师

U212.34

A