地鐵線路縱斷面區間單向坡設計探析

摘 要：地鐵線路縱斷設計經常面臨單向坡道問題，是采用單個坡段還是采用多坡段組合設計問題，一直都存在爭議。針對單向坡度設計問題，本文根據工程實例，通過多方案比選研究，結合運營模擬檢算，提出了單向坡度設計應與列車運營相結合的設計理念，進而分析出地鐵線路縱斷面單向坡度設計的一些原則，以供地鐵線路縱斷面設計借鑒和參考。

關鍵詞：地鐵 線路縱斷面 單向坡設計

中圖分類號：TU7 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）12（c）-0053-03

地鐵線路縱斷面一般設計為高站位、低區間的凹型節能坡度，但在線路縱斷面設計中經常遇到單向坡度設計的情況，如昆明地鐵3號線大樹營站至東部客運站段由于地形起伏較大，此四站三區間線路縱斷面就面臨單向坡度設計問題。經統計，3號線單向坡度約占本工程線路總長的35%。如何合理地設計好地鐵單向坡度問題，筆者根據地鐵設計工作實際，通過列車模擬計算和多方案研究，提出地鐵線路縱斷面單向坡度設計的一些原則和體會。

1 線路縱斷面設計存在的問題

所謂線路縱斷面單向坡是指車站與車站之間采用同一方向的坡度。單向坡度設計應結合不同的地形、地質和水文條件、線路敷設方式與埋深要求、隧道施工方法、地上地下建筑物與基礎情況，以及線路平面條件等因素進行合理設計，當單向平均坡度小于10‰時，區間一般可設計為凹型節能坡度，當區間單向平均坡度大于10‰時，就很難設計為凹型節能坡度，此時就宜考慮設計為單向坡度。單向坡度采用一面坡或多段坡道組合設計問題存在兩種普遍看法：一種看法為單向坡度采用一面坡道設計較為合理，可以提高列車運營的舒適性，方便運營維護，節能效果也較好；另一種看法認為采用多段坡度（緩坡+陡坡）組合才能達到節能效果，也較符合列車運行規律。以上兩種觀點都是定性看法，均無定量分析，存在感性層面認識。對于高站位、低區間的凹型節能坡度設計，眾多同仁進行了較為成熟的研究，但對單向坡度的線路縱斷面設計問題，相關研究和分析的成果較少。

2 研究單向坡度目的

地鐵工程是為了安全、快速、大批量地運送旅客，土建工程是永久工程，線路縱斷面直接影響列車的運行效果，并對長期運營成本產生較大影響。據統計，地鐵能源消耗的費用一般要占運營支出的20%～30%。較好的線路縱斷面設計方案能夠大大降低列車牽引能耗，因此，線路縱斷面設計最終目的是為運營服務，提高運營環境舒適性，降低能源消耗。

3 單向坡設計研究的優點

在滿足地鐵線路合理選線的基礎上，對單向坡度設計采用列車模擬仿真軟件，通過對多個方案進行時間、能耗等指標計算，從而確定出相對科學合理的線路優化方案。其優點如以下幾點。

（1）將地鐵工程在設計階段就置于系統工程的控制之下，從工程設計開始就考慮了綜合運營目標的相互協調，使整個工程盡可能優化。

（2）由于線路縱斷面是在列車運行仿真模擬的條件下設計出來的，這樣可以最大限度地接近運營列車的實際運行情況，能夠更好地達到地鐵系統遠期的功能目標。

（3）能耗是一個長期的運營支出問題，地鐵的能耗費用一般在運營支出中占較大比重，因此，合理的縱斷面設計，能夠在很大程度上降低運營成本，符合國家節能減排的政策。

（4）由于在地鐵建設初期就考慮了列車運行要求，不僅增加了安全可靠性，也更符合建設為運營服務的宗旨。

4 單向坡度方案設計及模擬計算

列車運行過程中減小加減速時間和列車牽引時間，才能達到節能和提高旅行速度目的。筆者結合昆明地鐵3號線工程某區間，通過在理想狀態下進行多方案研究和模擬計算，從而歸納分析出單向坡坡度設計的方法。

線路縱斷面方案設計和列車運營模擬計算采用地鐵A型車、6輛編組，列車重量337 t，架空接觸網1500 V牽引供電；列車最高運行速度為80 km/h，不限速運營模式。線路坡度的設計應符合《地鐵設計規范》的相關要求，正線最大坡度不宜超過30‰，困難地段可采用35‰。目前業內在線路縱斷面設計時，通常情況下坡度設計值不超過28‰，且采用超過24‰以上的大坡度，坡段提升高度不宜超過16 m，否則應檢查列車編組及其牽引、制動力性能，以及滿足各種故障情況下列車的運行能力要求。

昆明地鐵3號線工程太平村站（A站）至虹橋村站（B站）站間距約1.5 km，兩站之間由于地形起伏原因，必須采用單向坡設計，區間單向坡平均坡度值為16‰。

同時對采用27‰、25‰、23‰陡坡+緩坡的四個可能性方案進行研究，通過對上、下行列車進行運營模擬計算，對每個方案的綜合運營時間和能耗進行了研究分析，得出較為科學合理的坡度設計方案。本段工程設計也得到了相關部門和專家審查組的一致認可，取得了較好的工程效果。下面筆者就其中平均坡度16‰的單向坡為例，在采用單面坡和緩坡+陡坡組合的情況下，通過列車運營模擬計算，進行較為詳細的比選。

（1）平均坡度為16‰的單向坡方案設計和模擬計算。

對于兩站間平均坡度為16‰的單向坡度，研究比選了四個方案。方案一區間采用16‰/1300 m一面坡設計；方案二區間采用6.929‰/700 m+27‰/590 m坡度設計；方案三區間采用7.354‰/650 m+25‰/640 m坡度設計；方案四區間采用8.183‰/600 m+23‰/690 m坡度設計，計算縱斷面設計方案示意圖1所示，通過列車運行模擬軟件對各方案進行計算，模擬計算過程見圖2、圖3所示，計算結果見表1所示。

從上表可以看出，相對于16‰的單向一面坡，采用27‰、25‰、23‰陡坡+緩坡組合坡度設計，能耗分別節約6.2%，4.5%、3.7%，運行時間分別減少3 s、3 s、2 s。

（2）其它單向坡度方案設計和模擬計算

在上面方案基礎上，筆者理論研究了單向坡平均坡度12‰、14‰、18‰、20‰四個坡度情況，進行了方案比選及模擬計算，方案特征和計算結果如下表2、表3、表4、表5所示。

兩車站間平均坡度為12‰的單向坡。

采用27‰、25‰、23‰陡坡+緩坡組合坡度設計方案比采用單面坡設計方案，能耗分別節約11.4%，10.1%、11.2%，運行時間分別減少3 s、4 s、3 s。

兩車站間平均坡度為14‰的單向坡。

采用27‰陡坡+緩坡、25‰陡坡+緩坡、23‰陡坡+緩坡的兩段坡度設計方案比采用一面坡設計方案，能耗分別節約10.2%，7.2%、7.5%，運行時間分別減少5 s、4 s、5 s。

兩車站間平均坡度為18‰的單向坡。

采用27‰、25‰、23‰陡坡+緩坡組合坡度設計方案比采用單面坡設計方案，能耗分別節約5.8%，4.5%、3.1%，運行時間分別減少2 s、2 s、1 s。

分析可見，當兩車站間平均坡度值為20‰時，采用各種陡坡+緩坡組合坡度設計方案與采用單面坡設計方案，列車能耗和運行時間基本相當。

綜上研究分析，在線路縱斷面單向坡度設計過程中，當兩車站間平均坡度值在12‰～20‰時，隨著單向坡平均坡度值的增加，采用陡坡+緩坡組合坡度方案比采用單面坡設計方案，節能效果從11.4‰降至0.4‰，節能效果逐漸降低；當平均坡度為20‰時，節能效果不明顯。

以昆明地鐵3號線為例，當采用14‰的平均坡度時，根據列車開行計劃，初、近、遠期全天列車開行計劃對數分別為180對、240對、298對，以電價0.8元/度計算，昆明地鐵3號線A車站至B車站區間范圍，采用27‰、25‰、23‰陡坡+緩坡組合坡度設計方案初、近、遠期全年電費分別為337萬元、503萬元、625萬元。如能耗可以降低10%，則每年可節約的用電費用為33.7萬元、50.3萬元、62.5萬元。若按遠期后運營50年計算（通車后72年，不計電價上漲因素），A車站至B車站區間總共可省電費約4350萬元。

5 結論

地鐵線路縱斷面優化設計是一個牽涉多專業的綜合性題目，它與列車最高運行速度、列車運行特性、施工工法、車站埋深、地質情況、地面地下建構筑物等因素有密切關系，在這些因素基本確定后，進行地鐵縱斷面設計時，采用有利于列車運營和降低運行能耗的合理縱斷面是非常有必要的。筆者通過上述工程實例，對各縱斷面設計方案進行比選并進行運營模擬計算，研究分析后認為。

（1）當單向坡區間平均坡度值小于10‰時，盡可能設計為凹型的節能坡度。

（2）當單向坡區間平均坡度值10‰～18‰時，采用緩坡+陡坡設計能達到較好的節能效果。

（3）當單向坡區間平均坡度值大于18‰時，節能效果已不明顯，應結合工程情況考慮，一般采用單面坡坡度設計，提高列車運營舒適性和減小運營維護費用。

就地鐵區間單向坡度設計問題，本文從節能效果方面僅僅對固定站間距約1.5 km區間進行了分析總結，結論可作為一般工程參考，但可能并不全面，因為具體工程中不同站間距、不同高差大小進行多種坡段組合類型很多，結果有可能會有差異。因此對于具體工程，應考慮各種因素后有針對性進行研究，以期達到線路縱斷面設計和運營效果最緊密的結合。

參考文獻

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