地铁线路纵断面区间单向坡设计探析

摘 要：地铁线路纵断设计经常面临单向坡道问题，是采用单个坡段还是采用多坡段组合设计问题，一直都存在争议。针对单向坡度设计问题，本文根据工程实例，通过多方案比选研究，结合运营模拟检算，提出了单向坡度设计应与列车运营相结合的设计理念，进而分析出地铁线路纵断面单向坡度设计的一些原则，以供地铁线路纵断面设计借鉴和参考。

关键词：地铁 线路纵断面 单向坡设计

中图分类号：TU7 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2012）12（c）-0053-03

地铁线路纵断面一般设计为高站位、低区间的凹型节能坡度，但在线路纵断面设计中经常遇到单向坡度设计的情况，如昆明地铁3号线大树营站至东部客运站段由于地形起伏较大，此四站三区间线路纵断面就面临单向坡度设计问题。经统计，3号线单向坡度约占本工程线路总长的35%。如何合理地设计好地铁单向坡度问题，笔者根据地铁设计工作实际，通过列车模拟计算和多方案研究，提出地铁线路纵断面单向坡度设计的一些原则和体会。

1 线路纵断面设计存在的问题

所谓线路纵断面单向坡是指车站与车站之间采用同一方向的坡度。单向坡度设计应结合不同的地形、地质和水文条件、线路敷设方式与埋深要求、隧道施工方法、地上地下建筑物与基础情况，以及线路平面条件等因素进行合理设计，当单向平均坡度小于10‰时，区间一般可设计为凹型节能坡度，当区间单向平均坡度大于10‰时，就很难设计为凹型节能坡度，此时就宜考虑设计为单向坡度。单向坡度采用一面坡或多段坡道组合设计问题存在两种普遍看法：一种看法为单向坡度采用一面坡道设计较为合理，可以提高列车运营的舒适性，方便运营维护，节能效果也较好；另一种看法认为采用多段坡度（缓坡+陡坡）组合才能达到节能效果，也较符合列车运行规律。以上两种观点都是定性看法，均无定量分析，存在感性层面认识。对于高站位、低区间的凹型节能坡度设计，众多同仁进行了较为成熟的研究，但对单向坡度的线路纵断面设计问题，相关研究和分析的成果较少。

2 研究单向坡度目的

地铁工程是为了安全、快速、大批量地运送旅客，土建工程是永久工程，线路纵断面直接影响列车的运行效果，并对长期运营成本产生较大影响。据统计，地铁能源消耗的费用一般要占运营支出的20%～30%。较好的线路纵断面设计方案能够大大降低列车牵引能耗，因此，线路纵断面设计最终目的是为运营服务，提高运营环境舒适性，降低能源消耗。

3 单向坡设计研究的优点

在满足地铁线路合理选线的基础上，对单向坡度设计采用列车模拟仿真软件，通过对多个方案进行时间、能耗等指标计算，从而确定出相对科学合理的线路优化方案。其优点如以下几点。

（1）将地铁工程在设计阶段就置于系统工程的控制之下，从工程设计开始就考虑了综合运营目标的相互协调，使整个工程尽可能优化。

（2）由于线路纵断面是在列车运行仿真模拟的条件下设计出来的，这样可以最大限度地接近运营列车的实际运行情况，能够更好地达到地铁系统远期的功能目标。

（3）能耗是一个长期的运营支出问题，地铁的能耗费用一般在运营支出中占较大比重，因此，合理的纵断面设计，能够在很大程度上降低运营成本，符合国家节能减排的政策。

（4）由于在地铁建设初期就考虑了列车运行要求，不仅增加了安全可靠性，也更符合建设为运营服务的宗旨。

4 单向坡度方案设计及模拟计算

列车运行过程中减小加减速时间和列车牵引时间，才能达到节能和提高旅行速度目的。笔者结合昆明地铁3号线工程某区间，通过在理想状态下进行多方案研究和模拟计算，从而归纳分析出单向坡坡度设计的方法。

线路纵断面方案设计和列车运营模拟计算采用地铁A型车、6辆编组，列车重量337 t，架空接触网1500 V牵引供电；列车最高运行速度为80 km/h，不限速运营模式。线路坡度的设计应符合《地铁设计规范》的相关要求，正线最大坡度不宜超过30‰，困难地段可采用35‰。目前业内在线路纵断面设计时，通常情况下坡度设计值不超过28‰，且采用超过24‰以上的大坡度，坡段提升高度不宜超过16 m，否则应检查列车编组及其牵引、制动力性能，以及满足各种故障情况下列车的运行能力要求。

昆明地铁3号线工程太平村站（A站）至虹桥村站（B站）站间距约1.5 km，两站之间由于地形起伏原因，必须采用单向坡设计，区间单向坡平均坡度值为16‰。

同时对采用27‰、25‰、23‰陡坡+缓坡的四个可能性方案进行研究，通过对上、下行列车进行运营模拟计算，对每个方案的综合运营时间和能耗进行了研究分析，得出较为科学合理的坡度设计方案。本段工程设计也得到了相关部门和专家审查组的一致认可，取得了较好的工程效果。下面笔者就其中平均坡度16‰的单向坡为例，在采用单面坡和缓坡+陡坡组合的情况下，通过列车运营模拟计算，进行较为详细的比选。

（1）平均坡度为16‰的单向坡方案设计和模拟计算。

对于两站间平均坡度为16‰的单向坡度，研究比选了四个方案。方案一区间采用16‰/1300 m一面坡设计；方案二区间采用6.929‰/700 m+27‰/590 m坡度设计；方案三区间采用7.354‰/650 m+25‰/640 m坡度设计；方案四区间采用8.183‰/600 m+23‰/690 m坡度设计，计算纵断面设计方案示意图1所示，通过列车运行模拟软件对各方案进行计算，模拟计算过程见图2、图3所示，计算结果见表1所示。

从上表可以看出，相对于16‰的单向一面坡，采用27‰、25‰、23‰陡坡+缓坡组合坡度设计，能耗分别节约6.2%，4.5%、3.7%，运行时间分别减少3 s、3 s、2 s。

（2）其它单向坡度方案设计和模拟计算

在上面方案基础上，笔者理论研究了单向坡平均坡度12‰、14‰、18‰、20‰四个坡度情况，进行了方案比选及模拟计算，方案特征和计算结果如下表2、表3、表4、表5所示。

两车站间平均坡度为12‰的单向坡。

采用27‰、25‰、23‰陡坡+缓坡组合坡度设计方案比采用单面坡设计方案，能耗分别节约11.4%，10.1%、11.2%，运行时间分别减少3 s、4 s、3 s。

两车站间平均坡度为14‰的单向坡。

采用27‰陡坡+缓坡、25‰陡坡+缓坡、23‰陡坡+缓坡的两段坡度设计方案比采用一面坡设计方案，能耗分别节约10.2%，7.2%、7.5%，运行时间分别减少5 s、4 s、5 s。

两车站间平均坡度为18‰的单向坡。

采用27‰、25‰、23‰陡坡+缓坡组合坡度设计方案比采用单面坡设计方案，能耗分别节约5.8%，4.5%、3.1%，运行时间分别减少2 s、2 s、1 s。

分析可见，当两车站间平均坡度值为20‰时，采用各种陡坡+缓坡组合坡度设计方案与采用单面坡设计方案，列车能耗和运行时间基本相当。

综上研究分析，在线路纵断面单向坡度设计过程中，当两车站间平均坡度值在12‰～20‰时，随着单向坡平均坡度值的增加，采用陡坡+缓坡组合坡度方案比采用单面坡设计方案，节能效果从11.4‰降至0.4‰，节能效果逐渐降低；当平均坡度为20‰时，节能效果不明显。

以昆明地铁3号线为例，当采用14‰的平均坡度时，根据列车开行计划，初、近、远期全天列车开行计划对数分别为180对、240对、298对，以电价0.8元/度计算，昆明地铁3号线A车站至B车站区间范围，采用27‰、25‰、23‰陡坡+缓坡组合坡度设计方案初、近、远期全年电费分别为337万元、503万元、625万元。如能耗可以降低10%，则每年可节约的用电费用为33.7万元、50.3万元、62.5万元。若按远期后运营50年计算（通车后72年，不计电价上涨因素），A车站至B车站区间总共可省电费约4350万元。

5 结论

地铁线路纵断面优化设计是一个牵涉多专业的综合性题目，它与列车最高运行速度、列车运行特性、施工工法、车站埋深、地质情况、地面地下建构筑物等因素有密切关系，在这些因素基本确定后，进行地铁纵断面设计时，采用有利于列车运营和降低运行能耗的合理纵断面是非常有必要的。笔者通过上述工程实例，对各纵断面设计方案进行比选并进行运营模拟计算，研究分析后认为。

（1）当单向坡区间平均坡度值小于10‰时，尽可能设计为凹型的节能坡度。

（2）当单向坡区间平均坡度值10‰～18‰时，采用缓坡+陡坡设计能达到较好的节能效果。

（3）当单向坡区间平均坡度值大于18‰时，节能效果已不明显，应结合工程情况考虑，一般采用单面坡坡度设计，提高列车运营舒适性和减小运营维护费用。

就地铁区间单向坡度设计问题，本文从节能效果方面仅仅对固定站间距约1.5 km区间进行了分析总结，结论可作为一般工程参考，但可能并不全面，因为具体工程中不同站间距、不同高差大小进行多种坡段组合类型很多，结果有可能会有差异。因此对于具体工程，应考虑各种因素后有针对性进行研究，以期达到线路纵断面设计和运营效果最紧密的结合。

参考文献

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