城市軌道交通線路長大陡坡設計的探討

王春森

(廣州地鐵設計研究院有限公司，廣州 510010)

0 引言

隨著城市的不斷發展以及“退二進三”的策略，大多城市實施了新的發展戰略，對調整、優化、提升城區建設提出了新的要求。基于此，城市軌道交通建設也逐漸突破城市中心區，向城市外圍區、城市拓展區、衛星城或新城延伸。在一些地勢變化大的城市，如重慶地鐵1號線、深圳地鐵4號線、南寧地鐵2號線和長沙地鐵4號線等，面臨由于本身城市形態帶來的特殊地形，地鐵線路和常規市區內的不同，在線路設計時都遇到了長大陡坡問題。文獻［1］通過對工程中長大陡坡的設計實例及深圳4號線的測試和驗證，提出了列車在正常運營情況下，只要列車的性能滿足長大坡度的要求即可;文獻［2］以清連一級公路升級改造工程為例，對解決長大陡坡路段存在的有關問題進行了探討;文獻［3］結合包家山特長隧道3號長大陡坡有軌斜井快速施工正洞的工程實踐，著重介紹長大有軌斜井隧道的現場施工組織;文獻［4］結合烏鞘嶺特長隧道4號長大陡坡有軌斜井快速施工左線平導的工程實踐，介紹適合長大有軌斜井施工的斜井提升、運輸設備配套技術及平導快速掘進技術;文獻［5］介紹旅客列車在長大下坡道上平穩操縱方法，給出具體實例和相關數據，測試結果證明該方法可使旅客列車在長大下坡道上安全、平穩地運行;文獻［6］介紹了太原西山特長隧道1號大陡坡斜井施工的設備選型及其軌道布設。而上述研究未涉及長大陡坡設計車輛的制動及電機溫升的相關問題，本文就此展開探討。

1 概述

根據建標104—2008《城市軌道交通工程項目建設標準》，“線路長大坡度地段”是指列車運行在連續上坡時，可能導致列車不能正常牽引運行而造成運行速度下降至過低，或在故障條件下發生列車停車再啟動的困難。在該坡道下坡運行時，可能需要控制速度運行，以免制動力不足而失控，為此應檢查列車下坡時是否具有充分的制動力，其電阻制動力與空氣制動力之和應大于下滑力，此外還要考慮電機溫升的安全問題。上述問題隨車輛性能和環境條件的差異而不同，尤其應注意在高架線路或受氣候條件影響時，輪軌粘著條件有較大差異。對于“線路長大陡坡地段”在城市軌道交通的有關規范和標準中沒有確切的定義和規定，選線設計人員難以定性判斷，為此根據近年來各城市有關人士的研究，初步提出表1作為一般條件下長大坡道的控制值。當線路設計參數大于表1規定值時，需作安全驗算。

表1 正線線路長大陡坡規定值Table 1 Values specified for long steep slope section of main line

2 研究意義

修建地鐵工程的目的是為安全、快速、大批量地運送旅客，實現這一目標要通過列車的快速、高效、安全的運行來完成，地鐵建設應該首先保證地鐵列車安全有效地運行。在地鐵建設中，各種設施的設計應無條件保證列車正常運行，并最終受到列車運行的檢驗。由此可以看出，要想達到地鐵工程總系統的優化設計和地鐵各子系統相互呼應，其協調配合的關鍵是列車運行。因此，在設計過程中，應將地鐵列車的運行融入到各子系統的設計中去，使各子系統的設計得到優化控制和協調配合。本文著重就線路長大坡度設計與列車運行的制動影響以及制動對踏面升溫的影響等方面進行分析，運用仿真模擬方法論述長大陡坡線路設計可行性，為軌道交通線路的合理設計提出可行性建議。

3 制動影響分析

陡坡對制動的影響主要表現在制動距離延長和制動能量增加2個方面。從制動距離方面來說，在下坡時制動距離將延長。通常，B型車緊急制動平均減速度設計為1.2m/s，最大常用制動平均減速度為1.0m/s;初速為80 km/h時，平直道緊急制動距離為206 m，初速80 km/h，30‰的下坡道，緊急制動距離約為277 m。從制動能量角度來說，國內地鐵一般采用平直道連續三次緊急制動校核熱負荷能力。下坡道制動能量包括列車動能和列車勢能，以最大軸質量16 t計算，單軸一次緊急制動動能約為4MJ，勢能約為1.3MJ，坡道附加產生的勢能僅為動能的1/3。具體到30‰的坡道，連續提升16 m，意味著坡道長度約為533 m，針對該坡道，即便是進入坡道立即緊急停車，然后加速到80 km/h(在30‰下坡道從0開始加速到80 km/h，加速距離也不低于200 m)，僅可能產生一次在坡道上的緊急制動，即便按連續兩次緊急制動，也不會比平直道連續三次緊急制動情況惡劣。因此，單一的30‰的坡道，連續提升16 m，可以解決緊急制動問題。

在正常情況下，常用制動優先采用電制動，以西門子為代表的歐系牽引系統及南車時代公司牽引系統電制動能力很強，常用制動時空氣制動幾乎不參與，不存在摩擦制動熱量累積問題，線路條件幾乎對摩擦制動沒有影響。電制動失效時，根據經驗，國內B型地鐵，采用踏面制動，純空氣制動一般能以55～65 km/h速度運營一個往返;而采用盤式制動，純空氣制動一般能以90 km/h運營一個往返。純空氣制動的熱負荷能力與線路條件密切相關(如線路坡道、站間距、停站間隔等)，需針對線路條件做專門的熱負荷仿真計算。

對于救援工況，首先應考慮的是制動距離。從能量的角度分析，制動初速的影響要遠大于坡度的影響，救援工況制動能量可以達到。一列空載列車救援一列重載列車，在30‰的坡道上為保證制動距離，一般限速設為25 km/h，如果坡道提高，救援限速還要降低;如果正線坡道超過40‰時，救援時制動力將趨于與下滑力平衡，一列空載列車將可能無法救援一列重載列車。

4 仿真模擬分析

針對地鐵制動踏面溫度的升高，以地鐵A型車輛30‰坡道純空氣帶閘運行踏面溫度仿真模擬計算。圖1，2，3 分別為踏面初始溫度40，150，200℃時列車進行坡道制動時的踏面溫度變化曲線。

1)仿真條件。車輪輪徑840 mm;列車軸質量按廣州地鐵1號線車輛動車AW3載荷軸重計算;列車帶閘運行速度80km/h;列車采用純空氣制動;環境溫度40℃;坡道參數為30‰;制動過程中車輪踏面允許的極限溫度為400℃，但實際運行中不建議超過350℃。

2)踏面初始溫度40℃。在圖1中，列車在坡道持續制動450s后車輪溫度達到350℃，但實際運行過程中由于列車需要頻繁制動，車輪踏面溫度遠高于40℃;因此不建議按此作為坡道設計的依據。

圖1 踏面初始溫度40℃坡道制動踏面溫度變化曲線Fig.1 Variation of brake tread temperature in slope braking when original temporary of brake tread is 40℃

3)踏面初始溫度150℃。圖2曲線顯示的是踏面初始溫度為150℃時列車進入坡道制動階段，在坡道持續制動200 s時踏面溫度達到350℃，370 s時達到400℃。

圖2 踏面初始溫度150℃坡道制動踏面溫度變化曲線Fig.2 Variation of brake tread temperature in slope braking when original temporary of brake tread is 150℃

4)踏面初始溫度200℃。圖3曲線顯示的是踏面初始溫度為200℃時列車進入坡道制動階段，在坡道持續制動100 s時踏面溫度達到350℃，235 s時達到400℃。

圖3 踏面初始溫度200℃坡道制動踏面溫度變化曲線Fig.3 Variation of brake tread temperature in slope braking when original temporary of brake tread is 200℃

5)模擬演算結論。通過仿真模擬分析，初始溫度為150℃時，其持續制動時間為200 s，踏面溫度達到350℃。按照地鐵80 km/h速度，30‰坡道純空氣帶閘運行踏面溫度仿真模擬，并通過行車牽引計算，站間距可達到3.5 km，連續抬升約100 m。當初始溫度為200℃時，其持續制動時間為100 s，踏面溫度達到350℃。按照地鐵80 km/h速度，30‰坡道純空氣帶閘運行踏面溫度仿真模擬，并通過行車牽引計算，站間可達到1.3 km，連續抬升約39 m。對于城市軌道交通站間距一般為1.2～2.0 km，從模擬分析均能滿足要求;但對于郊區及外延伸線路存在長大站間距線路，站間距多為2.0～3.5km，有條件對其連續長大坡度進行優化設計，并在其陡坡區間增設緩坡條件來避開連續帶閘運行的情況。

5 設計案例

1)長沙地鐵4號線。長沙地鐵4號線一期工程中阜埠河路站—南湖新城站—赤黃路站三站兩區間，站間距分別為2.2 km和1.9 km。阜埠河路站—南湖新城站區間下穿湘江且避讓南湖新城過江隧道，南湖新城站埋深達28 m;南湖新城站—赤黃路站區間受本身地勢高差影響，兩站軌面高差約37 m。軌面標高須由11.6 m 抬升到48.4 m，其縱斷面見圖4。

圖4 南湖新城至赤黃路段縱斷面圖Fig.4 Longitudinal profile of Nanhuxincheng-Chihuanglu section

通過多方案比選，該區間采取了如下方法來解決長大陡坡的問題:①合理確定兩端車站的埋深，有利于坡度的改善。南湖新城站在滿足過湘江的情況下盡量抬高軌面標高，這是由于赤黃路站受電纜管線控制軌面標高不能壓低。②在2個大坡度之間增加了長300 m的14‰緩坡，這樣可以降低持續帶閘制動使踏面溫度升高，起到緩解過度的作用。③對于站端上坡設置了長300 m的14‰緩坡再接28‰大坡度，使車站出站后在最短時間內達到最大速度，降低長時間牽引電機的過熱。

2)深圳地鐵4號線。深圳地鐵4號線二期工程中康站至梅林檢查站，站間距約2.9 km，中間隧道穿越大腦殼山，該山海拔385.4 m，兩站的軌面標高只差約77 m。其中，大腦殼山南端到梅林檢查站，軌面標高須由39 m抬高至90 m。在設計中通過多方案比選，該區間采取了相關措施解決了長大坡度的問題，經過4號線開通至今的運營情況看，證明了長大陡坡的設計所采取的一些措施是有效的、科學的。

6 結論與討論

隨著城市軌道交通建設從城市中心區轉向外圍區，長大陡坡地鐵案例逐漸增多。本文通過列車制動影響分析、熱負荷仿真模擬計算和工程案例測試，驗證了長大陡坡設計在采取一些措施和優化設計后列車連續帶閘制動運行的有效性和科學性。在我國，長大陡坡案例還處在研究和設計討論階段，是一門比較新的課題，還需要作專題深入研究和工程案例實踐證明(如長大陡坡的耦合激勵、長大陡坡度的定量定義、長大陡坡的危害、長大陡坡的預案、長大徒坡的平穩操縱方法等)。

［1］ 張學軍.地鐵長大坡道設計相關問題的探討［J］.都市快軌交通，2005(5):63－65.(ZHANG Xuejun.A discussion on the long steep grade design in Metro and its problems［J］.Urban Rapid Rail Transit，2005(5):63 － 65.(in Chinese))

［2］ 楊海，林宣財，吳善根，等.長大陡坡路段改造工程總體方案研究［J］.公路，2008(7):35－37.

［3］ 馬智品.長大陡坡有軌斜井輔助正洞施工組織［J］.公路隧道，2009(4):38－42.

［4］ 王占龍，李庚許，陳梅初.長大陡坡斜井快速施工平導的設備配套技術［J］.鐵道標準設計，2005(6):95－98.

［5］ 張夢華.對旅客列車在長大下坡道上平穩操縱方法的探討［J］.機車電傳，2002(3):59－61.

［6］ 姜杰.特長公路隧道大坡度斜井提升施工技術［J］.公路交通科技:應用技術版，2010(6):209－211.