地铁线路纵断面设计分析梁奥

地铁线路纵断面设计分析梁奥

梁奥

哈尔滨市地铁集团有限公司运营分公司黑龙江省哈尔滨市150000

摘要：本文与列车的运行状态进行结合，提出了一些能够节能和优化相关工程条件的地铁线路纵断面设计方案，通过分析发现：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。

关键词：线路纵断面；节能；牵引计算；区间风井；列车运行状态

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80km／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）。

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地铁线路纵断面的设计

2.1工程概况

某地铁是华东某市轨道交通7号线工程的北延伸段，线路起自7号线起点锦秋路站，终于美兰湖的美兰湖站；全线设站5座，其中3座地下站，2座高架站；线路全长约10km。本工程线路虽短，但包含高架线、过渡段、地下线几乎所有的城市轨道交通敷设方式，因此，纵断面设计具有代表性（图2）

图2过渡段示意图

2.2地下线路埋置深度

地下线路埋置深度指线路纵断面设计轨顶高程与相应处的地面自然高程的高程差数，车站地段与区间线路由于施工方法不同，埋置深度对工程造价影响甚大，应遵循不同的设计原则，简述如下。

2.3车站地段埋深

地下车站结构复杂，施工难度大，目前国内基本上多采用明挖法施工，为节省工程投资，原则上应尽可能浅埋，车站段线路设计轨顶高程应根据站台高度、站台层净高、结构中隔板厚度、站厅层净高、结构顶板厚度、覆土厚度等要求计算确定，其中覆土厚度除应满足冻土厚度（寒冷地区）外，还应考虑该车站地段地下现存及规划各类市政管线埋深及拟定的改移或保留等处理方案确定覆土厚度。

2.4地下区间

本工程涉及的地下区间有明挖区间和盾构区间2种。根据不同的施工工法，对覆土厚度的要求也不尽相同。对于明挖区间，宜尽量接近地面，以减少土方工程量，简化施工条件；同时，又要使隧道内不受地面温度变化的影响，有足够厚度的土壤层来隔热。通常明挖区间隧道衬砌顶部至地面距离不小于2m，但局部也可以做到更小。对于盾构隧道，通常位于比较稳定的地层内，根据工程经验，其顶部以上的地层厚度一般不小于1.0D（D为盾构外径，D=6.2m），局部地段可以采取特殊措施减小埋深。线路从A站转到B站区间时，下穿一条城市主干道，为了在隧道上面预留足够的空间来设置城市地下管道线，采用盾构工法后，线路转为高架线敷设，为了满足过净空要求，浅埋段设在越靠近路越有利，因此过了路后30m即设盾构井，盾构井覆土厚度4.0m。根据地铁设计规范（GB50157-2003）规定，盾构法施工的区间隧道覆土厚度一般不小于1.0D。考虑到此处地质条件良好，仅30m范围不满足隧道覆土要求，因此，采取措施在施工期间人工覆土。采用上述措施后，实现了安全施工。全线仅盾构井—洞口150m范围采用浅埋明挖隧道，覆土从1.2～4.0m；其余地下区间均采用盾构法施工，平均覆土厚度13.6m。

2.5加速坡的长度比选

地铁列车的启动加速距离与其要达到的目标速度有关，目标速度越高，要求的加速距离越长（见表2）。

表2启动加速距离与运行目标速度的关系

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，过长过大的加速坡反而会对列车运行有害。因为加速坡的坡度越大，坡段越长，区间排水站埋深越大，后半段区间的反向上坡也越大。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。以国内地铁最高运行速度80km/h的列车为研究对象，在12种线路纵断面方案中，分别设计了长度为250、200、150m的3种加速坡。通过比较发现，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%，故推荐最高运行速度80km/h的列车采用250m长的加速坡。

2.6节能坡设计

节能坡设计一般应用到地下线，高架线和地面线有条件的可以考虑，它是采用“高车站，低区间”的原则，车站两端采用陡坡段，利用重力势能便于出站加速、进站减速，降低能耗；两个大陡坡间采用缓坡连接。本工程7.16km地下线，2.54km高架线，0.3km过渡段，在有条件的区段均按节能坡设计。

地下线在车站两端设置坡长200～300m、坡度2.0%～2.5%的坡度，中间以0.4%左右能解决排水的缓坡。通过这种方式处理，车站位于线路凸型纵断面顶部，两端采用大下坡，便于进站减速、出站加速的节能坡设计，节省运营成本。

结束语

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。

参考文献：

[1]中华人民共和国国家标准.地铁设计规范（GB50157-2003）[S].北京：中国计划出版社，2003.

[2]中国建设部，中国计划发展委员会.城市轨道交通工程项目建设标准（建标104-2008）[S].2008

[3]陈祥.罗店中心镇公共交通配套工程线路初步设计[R].上海：上海市城市建设设计研究院，2006.