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摘要：近年来，我国城市轨道交通迎来黄金发展期。随着内陆城市地铁建设规划的相继批复，地铁线路纵坡受地形影响需设置长大坡的情况相应增加，本文就线路长大坡的定义、线路设计、行车及运营等方面，结合西安地铁4号线工程及贵阳地铁1号线工程实例提出设计思路。
关键词：城市轨道交通；长大坡；线路设计；
中图分类号：U213文献标识码： A
1 前言
城市轨道交通纵断面设计内部接口主要受系统选型、行车配线、车站标高、区间泵房等控制，外部条件主要受线路敷设方式、地形地貌、和沿线建构筑物控制。线路设计者在获得上述输入条件下进行线路纵断面设计，线路设计者需统筹考虑各因素进行平面展线比选和纵断面坡段优化设计，同时尚需结合配线设计，优化行车组织，减少长大坡运营的安全隐患。
2 长大坡定义
根据城市《轨道交通工程项目建设标准（建标104-2008）》，当正线线路坡度或连续提升高度大于表1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[1]。
表1 正线线路长大陡坡数值表
正线线路 钢轮／钢轨系统车辆 跨座式单轨车辆
旋转电机车辆 直线电机车辆
线路坡度（‰） 30 50 50
连续提升高度（ｍ） 16 20 24
由上表可以得出线路纵坡坡度大于限定值或连续提升高度大于限定值都视为长大陡坡，其定义比较模糊，例如：某坡段坡度达到30‰，而坡长只有200m，提升高度6m也能被认定为长大陡坡，同样某坡段坡度仅10‰，而坡长超过1.6km,则连续提升高度超过16m，同样也被认定为长大陡坡。这种模糊的定义常给设计人员带来困扰。
2014年新版地铁设计规划《地铁设计规范 GB50157-2013》发布实施，其中第6.3.4条明确指出正线坡度大于24‰，连续高差达16m以上的长大陡坡地段，应根据线路平纵断面和气候条件，核查车辆的编组及其牵引和制动的动力性能，以及故障运行能力。长大坡段不宜与平面小半径曲线重叠；同时应对道床排水沟断面进行校核[2]。
新规范中对于长大陡坡的定义兼顾线路纵坡了陡和长两个特性，定义较为明确合理，可作为线路纵断面设计长大陡坡判断的准则。
3 地铁长大陡坡的线路设计：
3.1 线路平面设计
线路平面设计可以通过增加线路长度来达到减小纵坡坡度的目的，即展线，展线是在山岭地带，由于地面自然纵坡大于线路设计容许最大纵坡，线路通过顺应地形、延伸长度沿山坡逐渐盘绕到达路线终点的线路平面设计方式。当线路位于市郊，线路纵坡受自然标高控制且具有展线空间的情况下，线路通过增加长度和投资来减少纵断面设计坡度的一种方案。
展线方案应综合考虑线路长度、工程投资、行车时间、环境影响等变化，取得合适的展线坡度设计方案。例如贵阳地铁1号线，针对贵阳北至扁井区间地势高差较大的特点，研究了28‰及34‰两种展线方案。其中28‰展线方案线路最小半径设计为350m，34‰展线方案线路最小半径设计为350m[3]。可见坡度大小与平面半径成反比，而展线方案中小半径曲线一般较长，因此建议尽量控制圆曲线半径大小，避免由此带来的轮轨磨耗增大。
其次，当线路纵向受建构筑控制时，长大陡坡设计应结合结构方案综合考虑。如西安地铁四号线工程，尚新路至北客站区间需下穿明光路与西宝高铁明光路涵洞CFG桩，该桩长12米埋深约为23.9米，高铁对不均匀沉降要求较为严格，4号线考虑避让高铁涵洞CFG桩基，对线路埋深制约较大[4]。区间通过盾构机内超前注浆加固措施，隧道顶与高铁桩基径距减少至2m左右，线路纵坡设计为26‰，较正常一倍盾径6m，大大降低了线路纵坡坡度。
3.2 线路纵断面设计
长大陡坡段线路纵断面应进行坡段组合设计研究，常见的长大陡坡区间根据地形和建筑物纵向控制点等因素不同，存在“单向坡”、“V字坡”和“人字坡”三种坡段形式。根据笔者经验，各种坡段设计要点如下：
1、“单向坡”长大陡坡主要受控因素为地形标高，如：西安地铁四号线金滹沱站至雁南四路站区间区间，自然高差37.86m，站间距1.8km，自然顺坡需要坡度21‰,区间只宜设计为单向坡。通过对该段纵坡进行坡段组合设计可减少牵引能耗，同时减少长大陡坡影响[4]。
方案一区间28‰坡道坡长达1000m，牵引能耗为13.09kwh，制动能耗为7.99kwh。方案二优化28‰坡道坡长为916m，牵引能耗为12.61kwh，制动能耗为7.44kwh，方案二牵引能耗较方案一牵引能耗方案减少约3.83％。
表2 金滹沱站至雁南四路路站区间纵断面能耗比较
站间距（km） 牵引能耗（kwh） 制动能耗（kwh）
方案一 1.8 13.09 7.99
方案二 1.8 12.61 7.44
图1金滹沱站至雁南四路站区间纵断面坡段组合方案一
图2金滹沱站至雁南四路站区间纵断面坡段组合方案二
4 地铁长大陡坡的配线设计：
为保证长大坡道上列车的运营安全，同时考虑到上、下行两个方向均能使用，结合工程实施条件，在全线坡道最大的末端站有条件的情况下，在正线之间设置一条安全线。设置安全线的功能及要求主要体现为：
1）在下行方向，当车站接车时，车站的接车进路是指向安全线，如果长大坡道上的列车出现制动故障，故障列车驶入停车线，以避免对正线列车的影响。
2）停车站尾端不设置渡线与正线联通，是避免失控列车驶入安全线时，防止对正线列车的冲突。
3）安全线的长度应长于一般停车线的距离，从而保证失控列车在一定的距离内、在一些措施下、对列车损失较小的情况下能够停下。
例如贵阳地铁1号线贵阳北站至雅关站区间，在雅关站站后设置安全线，当由贵阳北方向行驶来的列车运行至雅关站停车，在信号系统判断相关条件满足后，线路上行方向安全线接入道岔解锁，列车进入下一个区间的进路，否则进入安全线待避[3]。
图3 贵阳北站至雅关站区间配线设计
5 长大陡的运营保障：
5.1 风险分析
长大坡道上列车运行的分险主要如下：
1）当列车长时间处于连续大上坡情况下，有可能出现列车牵引失效的故障，需要列车退回到车站重新启动或退出正线运营待避检修。
2）當列车长时间处于连续大下坡情况下，有可能出现列车制动失灵的故障，需要设置该停车线作为制动失灵列车的紧急制动待避线。
3）当列车出现轻微制动失灵的情况时，有可能会发生与前行列车追尾的情况，需在列车控制间隔上采取一定措施，尽量避免长大下坡区间两车追踪运行的情况发生。
5.2运营安全保障
3.3.1 车辆运营安全保障
1）限制长大坡道上的列车最高运行速度。其目的是尽力使列车处于电制动和空气制动均能有效控制的范围内，避免高速运行列车失控的发生。
2）尽力缩短长大坡道段的区间设站间距，使列车最小间隔能保持在站间闭塞的控制范围，有效防范列车追尾的可能性。
3）重视工程车的安全措施。建议工程车增设ATP装置。
3.3.2安全线挡车器
长大陡坡车档的选型应根据车档占用线路长度、撞击力、撞击减加速度等参数，并结合车辆选型、线路条件及信号等因素确定。
《地铁设计规范》对挡车器提出了正线挡车器设计撞击速度15km/h的要求。长大陡坡地段安全线车档设计撞击速度可适当提高。
缓冲滑动式车档有传统缓冲滑动式车档和液压缓冲滑动式车档。传统缓冲滑动式车档在撞击瞬间，制动单元与钢轨之间由静摩擦变为动摩擦时，车档的制动力存在一定的突变，而液压缓冲滑动式车档通过在传统缓冲滑动式车档的撞击部位设置液压油缸，将撞击动能传递给液压油缸，消除了传统缓冲滑动式车档在撞击瞬间产生的峰值制动反力，具有优良制动特性，长大陡坡站后车档宜采用液压缓冲滑动式车档。
贵阳1号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，推荐采用制动能力优良的滑移式液压缓冲车档器，另外在线路的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[3]。
6 结论：
长大陡坡是地铁线路设计和运营的重难点，总体设计单位应在前期做好系统选型，就线路、行车配线、信号、轨道等专业做好前期方案设计，并在后续设计阶段中逐一落实，本文中所述主要为线路及配线设计，实际设计中针对机电系统应做好防灾救援系统的方案研究，确保运营安全。
参考文献：
[1] 建标104-2008, 轨道交通工程项目建设标准[S].
[2] GB50157-2013, 地铁设计规划[S].
[3] 何建枝. 贵阳市轨道交通1号线工程长大连续坡道段方案及运营安全研究报告[R]. 成都:中国中铁二院工程集团有限责任公司, 2011. 8-25.
[4] 刘增华. 西安市地铁四号线工程可行性研究专题报告之线路长大坡度研究专题[R]. 西安:广州地铁设计研究院有限责任公司, 2014. 7-27.
关键词：城市轨道交通；长大坡；线路设计；
中图分类号：U213文献标识码： A
1 前言
城市轨道交通纵断面设计内部接口主要受系统选型、行车配线、车站标高、区间泵房等控制，外部条件主要受线路敷设方式、地形地貌、和沿线建构筑物控制。线路设计者在获得上述输入条件下进行线路纵断面设计，线路设计者需统筹考虑各因素进行平面展线比选和纵断面坡段优化设计，同时尚需结合配线设计，优化行车组织，减少长大坡运营的安全隐患。
2 长大坡定义
根据城市《轨道交通工程项目建设标准（建标104-2008）》，当正线线路坡度或连续提升高度大于表1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[1]。
表1 正线线路长大陡坡数值表
正线线路 钢轮／钢轨系统车辆 跨座式单轨车辆
旋转电机车辆 直线电机车辆
线路坡度（‰） 30 50 50
连续提升高度（ｍ） 16 20 24
由上表可以得出线路纵坡坡度大于限定值或连续提升高度大于限定值都视为长大陡坡，其定义比较模糊，例如：某坡段坡度达到30‰，而坡长只有200m，提升高度6m也能被认定为长大陡坡，同样某坡段坡度仅10‰，而坡长超过1.6km,则连续提升高度超过16m，同样也被认定为长大陡坡。这种模糊的定义常给设计人员带来困扰。
2014年新版地铁设计规划《地铁设计规范 GB50157-2013》发布实施，其中第6.3.4条明确指出正线坡度大于24‰，连续高差达16m以上的长大陡坡地段，应根据线路平纵断面和气候条件，核查车辆的编组及其牵引和制动的动力性能，以及故障运行能力。长大坡段不宜与平面小半径曲线重叠；同时应对道床排水沟断面进行校核[2]。
新规范中对于长大陡坡的定义兼顾线路纵坡了陡和长两个特性，定义较为明确合理，可作为线路纵断面设计长大陡坡判断的准则。
3 地铁长大陡坡的线路设计：
3.1 线路平面设计
线路平面设计可以通过增加线路长度来达到减小纵坡坡度的目的，即展线，展线是在山岭地带，由于地面自然纵坡大于线路设计容许最大纵坡，线路通过顺应地形、延伸长度沿山坡逐渐盘绕到达路线终点的线路平面设计方式。当线路位于市郊，线路纵坡受自然标高控制且具有展线空间的情况下，线路通过增加长度和投资来减少纵断面设计坡度的一种方案。
展线方案应综合考虑线路长度、工程投资、行车时间、环境影响等变化，取得合适的展线坡度设计方案。例如贵阳地铁1号线，针对贵阳北至扁井区间地势高差较大的特点，研究了28‰及34‰两种展线方案。其中28‰展线方案线路最小半径设计为350m，34‰展线方案线路最小半径设计为350m[3]。可见坡度大小与平面半径成反比，而展线方案中小半径曲线一般较长，因此建议尽量控制圆曲线半径大小，避免由此带来的轮轨磨耗增大。
其次，当线路纵向受建构筑控制时，长大陡坡设计应结合结构方案综合考虑。如西安地铁四号线工程，尚新路至北客站区间需下穿明光路与西宝高铁明光路涵洞CFG桩，该桩长12米埋深约为23.9米，高铁对不均匀沉降要求较为严格，4号线考虑避让高铁涵洞CFG桩基，对线路埋深制约较大[4]。区间通过盾构机内超前注浆加固措施，隧道顶与高铁桩基径距减少至2m左右，线路纵坡设计为26‰，较正常一倍盾径6m，大大降低了线路纵坡坡度。
3.2 线路纵断面设计
长大陡坡段线路纵断面应进行坡段组合设计研究，常见的长大陡坡区间根据地形和建筑物纵向控制点等因素不同，存在“单向坡”、“V字坡”和“人字坡”三种坡段形式。根据笔者经验，各种坡段设计要点如下：
1、“单向坡”长大陡坡主要受控因素为地形标高，如：西安地铁四号线金滹沱站至雁南四路站区间区间，自然高差37.86m，站间距1.8km，自然顺坡需要坡度21‰,区间只宜设计为单向坡。通过对该段纵坡进行坡段组合设计可减少牵引能耗，同时减少长大陡坡影响[4]。
方案一区间28‰坡道坡长达1000m，牵引能耗为13.09kwh，制动能耗为7.99kwh。方案二优化28‰坡道坡长为916m，牵引能耗为12.61kwh，制动能耗为7.44kwh，方案二牵引能耗较方案一牵引能耗方案减少约3.83％。
表2 金滹沱站至雁南四路路站区间纵断面能耗比较
站间距（km） 牵引能耗（kwh） 制动能耗（kwh）
方案一 1.8 13.09 7.99
方案二 1.8 12.61 7.44
图1金滹沱站至雁南四路站区间纵断面坡段组合方案一
图2金滹沱站至雁南四路站区间纵断面坡段组合方案二
4 地铁长大陡坡的配线设计：
为保证长大坡道上列车的运营安全，同时考虑到上、下行两个方向均能使用，结合工程实施条件，在全线坡道最大的末端站有条件的情况下，在正线之间设置一条安全线。设置安全线的功能及要求主要体现为：
1）在下行方向，当车站接车时，车站的接车进路是指向安全线，如果长大坡道上的列车出现制动故障，故障列车驶入停车线，以避免对正线列车的影响。
2）停车站尾端不设置渡线与正线联通，是避免失控列车驶入安全线时，防止对正线列车的冲突。
3）安全线的长度应长于一般停车线的距离，从而保证失控列车在一定的距离内、在一些措施下、对列车损失较小的情况下能够停下。
例如贵阳地铁1号线贵阳北站至雅关站区间，在雅关站站后设置安全线，当由贵阳北方向行驶来的列车运行至雅关站停车，在信号系统判断相关条件满足后，线路上行方向安全线接入道岔解锁，列车进入下一个区间的进路，否则进入安全线待避[3]。
图3 贵阳北站至雅关站区间配线设计
5 长大陡的运营保障：
5.1 风险分析
长大坡道上列车运行的分险主要如下：
1）当列车长时间处于连续大上坡情况下，有可能出现列车牵引失效的故障，需要列车退回到车站重新启动或退出正线运营待避检修。
2）當列车长时间处于连续大下坡情况下，有可能出现列车制动失灵的故障，需要设置该停车线作为制动失灵列车的紧急制动待避线。
3）当列车出现轻微制动失灵的情况时，有可能会发生与前行列车追尾的情况，需在列车控制间隔上采取一定措施，尽量避免长大下坡区间两车追踪运行的情况发生。
5.2运营安全保障
3.3.1 车辆运营安全保障
1）限制长大坡道上的列车最高运行速度。其目的是尽力使列车处于电制动和空气制动均能有效控制的范围内，避免高速运行列车失控的发生。
2）尽力缩短长大坡道段的区间设站间距，使列车最小间隔能保持在站间闭塞的控制范围，有效防范列车追尾的可能性。
3）重视工程车的安全措施。建议工程车增设ATP装置。
3.3.2安全线挡车器
长大陡坡车档的选型应根据车档占用线路长度、撞击力、撞击减加速度等参数，并结合车辆选型、线路条件及信号等因素确定。
《地铁设计规范》对挡车器提出了正线挡车器设计撞击速度15km/h的要求。长大陡坡地段安全线车档设计撞击速度可适当提高。
缓冲滑动式车档有传统缓冲滑动式车档和液压缓冲滑动式车档。传统缓冲滑动式车档在撞击瞬间，制动单元与钢轨之间由静摩擦变为动摩擦时，车档的制动力存在一定的突变，而液压缓冲滑动式车档通过在传统缓冲滑动式车档的撞击部位设置液压油缸，将撞击动能传递给液压油缸，消除了传统缓冲滑动式车档在撞击瞬间产生的峰值制动反力，具有优良制动特性，长大陡坡站后车档宜采用液压缓冲滑动式车档。
贵阳1号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，推荐采用制动能力优良的滑移式液压缓冲车档器，另外在线路的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[3]。
6 结论：
长大陡坡是地铁线路设计和运营的重难点，总体设计单位应在前期做好系统选型，就线路、行车配线、信号、轨道等专业做好前期方案设计，并在后续设计阶段中逐一落实，本文中所述主要为线路及配线设计，实际设计中针对机电系统应做好防灾救援系统的方案研究，确保运营安全。
参考文献：
[1] 建标104-2008, 轨道交通工程项目建设标准[S].
[2] GB50157-2013, 地铁设计规划[S].
[3] 何建枝. 贵阳市轨道交通1号线工程长大连续坡道段方案及运营安全研究报告[R]. 成都:中国中铁二院工程集团有限责任公司, 2011. 8-25.
[4] 刘增华. 西安市地铁四号线工程可行性研究专题报告之线路长大坡度研究专题[R]. 西安:广州地铁设计研究院有限责任公司, 2014. 7-27.