地铁线路设计中的纵断面设计

地铁线路设计中的纵断面设计
摘要：本文介绍了线路纵断面的设计方法，重点说明了节能坡的坡度、坡长设置及长大陡坡和连续下坡的设计及运营安全采用的相应措施进行了分析。

文章认为车站两端设置22‰-26‰的加速坡、250m的坡长是运行速度80km/h 的列车比较合理的节能坡度和坡长。

长大陡坡和连续下坡的线路可以采用文章中提到的主动安全措施和被动安全措施来保障列车运营的安全。

关键词：节能坡设计；加速坡；主动安全措施；被动安全措施中图分类号：u231+.2文献标识码：a文章编号：
引言：
地铁线路设计是一项涉及多专业、多部门集体协调、研究的系列工作。

其具有牵涉面广、复杂性强、劳动强度大、责任重大等特点。

地铁线路设计工作质量的好坏直接关系到整个地铁设计质量及工程造价的高低，因此，必须在熟悉掌握各方面的规范、细则的同时，以负责的态度认真对待线路设计。

线路方案设计时，要反复比较、认真优化，才能做出一份优秀的设计成果，并被其他专业所认同和支持。

笔者参与了武汉6、7号线投标、郑州4、5号线投标、乌鲁木齐1号线投标、郑州4号线龙湖段市政配套工程初步设计、施工图设计等线路设计工作，工作中学习总结了前辈对地铁线路设计的经验和研究成果，并结合每个工程项目的特点，总结了线路纵断面设计思路和方法。

1、概述
线路纵断面设计首先要了解工程项目的地质、水文、地下障碍物情况、车辆性能、运营特点和施工方法等。

纵断面设计的好坏直接关系到工程的实施难度和造价，以及日后列车运营的能量消耗及成本支出。

纵断面设计时要综合考虑近期投资和后期运营成本，对有条件设置节能坡的区间要按照节能坡的要求设置，这样虽然增加了废水泵房的投资，但是相对长期运营所减少的能耗和成本的降低来说，近期投资增加是经济合理的。

对于长度较短的区间很难发挥节能坡的作用，可不考虑设置节能坡。

节能坡的设置在地面高程变化较大的地区很难实施，有些线路是沿着地势的上坡或者下坡敷设，这时线路纵断面设计受地形控制会采用一些长大陡坡或者连续下坡等。

本次就节能坡的设置和长大陡坡及连续下坡的设计及运营安全采用的相应措施进行分析。

2、节能坡设计
地铁运营中列车进站需要减速，出站则需要加速，因此纵断面设计为车站高，区间低的凸形纵断面，在车站两端设置合理的加速坡道，使列车出站时处于下坡道上、列车进站时处于上坡道上，这样可有效地降低列车牵引电能消耗。

但如何设置比较合理的加减速坡还值得研究：
2.1加速坡度的设置
加速坡度的设置，直接影响列车的节能效率，因此采用合理的
坡度是关键：随着加速坡坡度的增大，列车的加速时间逐渐缩短，其牵引用电量也相应减小。

说明在车站两端设置加速坡，可以降低列车牵引能耗。

通过模拟牵引计算：加坡度的坡度在12‰以下时，其节能效率在9％以下，加速坡的坡度在22‰-26‰时，节能效率可达20%-25%，因此加速坡度选择22‰-26‰是合理的坡度。

2.2加速坡长的设置
加速坡长与列车要达到的目标速度有关系，目标速度越高，要求的加速坡长越长。

加速坡的作用是提高列车的启动加速度，降低牵引电能消耗，其长度以满足列车加速要求为限，加速坡长不要过长，因为坡度越长区间废水泵房埋深越大，区间进后一站的减速坡越大，列车惰行进入较大的上坡道时车速迅速下降，运行效果不好。

目前国内地铁采用最多的是运行速度80km/h 的列车。

为选择合适的加速坡长，分别设计了长度为250m、200m和150m三种加速坡。

通过牵引计算比较，在加速坡坡度相同条件下，250m长的加速坡方案比其他方案多节能3-5%，因此80km/h的列车采用250m长的加速坡，是比较合适的。

对于100km/h、120km/h设计时速的列车，我们有待于研究其节能坡的设置。

2.3节能坡度的组合及泵房、联络通道位置考虑
由于加速坡较短，加速坡后面与之相连接的坡道是列车断电惰行区域，我们还需要研究加速坡后面的接续坡度对列车运行状态的影响：运行实践表明，出站列车经过加速坡以后，达到了最高运行
速度。

进入接续坡道以后开始断电惰行，这时决定列车运行状态的是加速坡后面接续坡段的坡度。

研究表明在加速坡段后面连接2‰-3‰的坡道，列车惰行的速度逐渐下降；当连接4‰-5‰的坡道时，列车惰行的速度基本保持不变。

这说明4‰-5‰下坡道加在列车上的助推力与其他几项运行阻力相平衡。

列车既不耗电，又能保持高速运行，其节能效果最好。

因此对加速坡以外的坡段，应采用4‰-5‰的坡道，尽量避免采用大的坡道。

将车站设在凸型纵断面上，形成车站高区间低的线路纵断面，在区间需要设废水泵房。

通过绘制列车牵引计算图证明：将废水泵房设在区间中间运行效果最好。

同时考虑联络通道的设置，我们应使泵房的位置设置在合适位置同时也能考虑联络通道规范的要求
的设置间距，节省联络通道的设置，以达到最佳的设置。

郑州4号线龙湖段市政配套工程就采用了这一设计理念：
图1 郑州4号线龙湖段市政配套工程纵断面设计图
3、长大陡坡的设计及运营安全措施
节能坡在地铁运营中发挥了节省牵引能耗、延长地铁车辆加减速系统的使用寿命、节约车辆维修费用、实现地铁可持续发展的重要。

但是在地势起伏较大、相邻车站高程相差较大的区间很难采用“高站位低区间”的设计。

对于“长大陡坡”在城市轨道交通的有关规范和标准中没有明确的定义和规定。

设计人员难以定性判断。

根据建标104—2008《城市轨道交通工程项目建设标准》规定：在
线路长大陡坡地段，不宜与平面小半径曲线重叠。

当正线线路坡度或连续提升高度大于表中的规定值时，根据列车动力配置、线路具体条件和环境条件，均应对列车各种运行状态下的安全性，以及运行速度进行全面分析评价。

正线线路长大陡坡规定值
本次对长大陡坡及连续下坡运营安全采用如下措施进行分析：
3.1主动安全措施：
线路纵断面设计: 1）合理确定两端车站的埋深，改善坡度设置。

2）在大坡度之间增加设缓坡，降低持续带闸制动使踏面温度升高，起到缓解过度的作用。

车辆制动系统：列车在长大下坡上下坡时，需要施加制动力来限制列车运行速度。

列车制动所产生的能量由回馈电网、制动电阻吸收和车轮闸瓦摩擦吸收3种方式。

当列车正常运行时，由3种方式分担制动产生的能量。

紧急制动时，所有的制动能量需由车轮闸瓦摩擦来吸收，将引起车轮和闸瓦的温升。

根据安全运营需要，车辆上设置制动电阻，车站预留设置能量吸收装置的条件，下阶段进一步研究在车站或区间设置能量吸收装置的必要性。

空气制动有闸瓦制动系统和轮盘制动系统两种形式，轮盘制动系统的热容量要优于闸瓦制动系统。

车辆应综合考虑制动系统的可靠性，充分发挥再生制动、电阻制动的效能，车辆基础制动系统应采用轮盘制动。

这样多管齐下，
从源头上、主动防护上把安全措施做够，基本没有发生遇车的可能性。

另外，为防止工程车溜车，也增设atp装置。

3.2被动安全措施：
设置安全线：在下坡段的末端站设置反坡向的安全线。

停车线的坡度与正线坡度反向，形成v字型坡道。

信号系统安全保障：在末端站设置安全线，正常时段1号道岔开向安全线，上个车站行驶来的列车运行至末端站停车，信号系统判断列车速度为0时，及安全停车条件满足后。

在列车停站时间内解锁道岔，办理至下个区间的进路。

这样如果有失控运行的列车就会行驶至末端站后的安全线，不会继续溜向下一个区间。

大坡道挡车器设计：《地铁设计规范》对车档器规定了正线挡车器设计撞击速度15km/h的要求。

如果正线末端为高架桥、重要建筑物或人流密集区域，则应考虑提高额定撞击速度标准，因此，本线安全线考虑在列车自动控制局部失控、在实施人工控制后列车剩余速度提高到25km/h撞击挡车器，可以采用制动能力优良的滑移式液压缓冲挡车器。

另外为进一步确保安全，可在线路终端加装与滑移式液压缓冲挡车器配套使用的固定式挡车器，确保行车安全。

4、结论与探讨
目前，我国的地铁建设进入了高速发展时期，全国有多个城市建设地铁，城市轨道交通建设从城市中心区转向外围区，长大陡坡地铁案例逐渐增多。

许多山岭城市同时也在建地铁，比如西南地区
的重庆、昆明、贵州和西北地区的兰州、乌鲁木齐等城市，这些城市的城区地面高差比较大。

在我国，长大陡坡案例还处在研究和设计讨论阶段，是一门比较新的课题，还需要作专题深入研究和工程案例实践证明。