西安市轨道交通集团运营分公司 西安 710016
摘要：随着我国经济在快速发展，社会在不断进步，我国城市建设在不断加快，通过阐述城市轨道交通长大陡坡的含义、特点和设计过程中的要点，研究了城市轨道交通长大坡段线路敷设路由、线路设计平面和纵断面设计方案。结合工程实例，从线路平面敷设路由、纵断面坡长坡度选择及组合方式、工程可实施性等方面进行分析，减少工程风险，保障城市轨道交通列车安全运营，为城市轨道交通长大陡坡的线路设计提供参考。
关键词：城市轨道交通，长大坡道，线路设计
引言
随着城市的不断发展以及“退二进三”的策略，大多城市实施了新的发展战略，对调整、优化、提升城区建设提出了新的要求。基于此，城市轨道交通建设也逐渐突破城市中心区，向城市外围区、城市拓展区、卫星城或新城延伸。
1城市轨道交通的定义及分类
1)城市市郊快速铁道城市市郊快速铁道是由电气或内燃牵引、轮轨导向、车辆编组运行在城市中心与市郊、市郊与市郊、市郊与新建城镇间，以地面专用线路为主的大运量快速轨道交通系统。2)地下铁道地下铁道采用大载客量车厢，单向高峰时每小时的客流量为3.0}-6.0万人次。大载客量的地铁车厢，一般的额定载客量为310人/辆，编组采用每列6辆。地铁在许多城市交通中己担负起主要的客运任务。根据资料分析，为了降低工程费用，地铁系统中地面和高架线路所占的比重越来越大。在世界范围内，地下铁道的地下部分约占70，地面和高架部分约占30，有些城市的地铁系统甚至全部采用高架形式，只有部分城市的地铁系统是完全在地下的。3)轻轨交通轻轨交通是由轨道电车发展而来，是一种载客量小于地铁而大于有轨电车的中等运量的交通系统。’其输送能力为1.5^-3.0万人次/小时。轻轨交通的机车重量和载客量都较小，一般的额定载客量是202人/辆，使用的钢轨质量也较小，每米只有50公斤，而一般钢轨每米的质量为60公斤。轻轨可以根据城市的特点和具体情况，采用地下、地面及高架相结合的形式进行建设，具有很大的灵活性和适应性。轻轨交通还可以根据客流的需要采用不同车型，如采用单车和铰接车组成不同的编组方式。4)单轨交通单轨交通是指通过单一轨道粱支撑车厢并提供导引作用而运行的轨道交通系统，其最大特点是车体比承载轨道要宽。根据支撑方式的不同，单轨一般分为跨座式单轨和悬挂式单轨两种类型，车辆重心在运行轨面之上的称为跨座式单轨，在运行轨面之下的称为悬挂式单轨。单轨的轨道梁比较窄，仅为85cm。单轨交通具有噪声低、振动小、对城市的景观及日照等影响较小、通过小半径曲线能力和爬坡能力强等优点。但是，单轨交通运能小、速度低、能耗大、存在粉尘污染。该系统适宜于在市区较窄的街道上建造高架线路。5)新交通系统所谓新交通系统，目前还没有统一和严密的定义。从广义来讲，凡是适应地区多样化的交通需求，使线路和车辆提供最高的运输效率和良好的服务质量的公共运输系统和设备都是新交通系统，是与现有运输模式不同的各种新交通方式的总称。狭义的新交通系统则定义为，由电气牵引、具有特殊导向、操纵和转折方式的胶轮车辆，单辆或数辆车编组运行在专用轨道梁上的中运量轨道运输系统。这种轨道运输系统多数设置在道路及公共建筑物的上部空间，具有中等运量，能自动行驶。
2城市轨道交通长大坡道线路设计
2.1制动影响分析
陡坡对制动的影响主要表现在制动距离延长和制动能量增加2个方面。从制动距离方面来说，在下坡时制动距离将延长。通常，B型车紧急制动平均减速度设计为1．2m/s，最大常用制动平均减速度为1．0m/s;初速为80km/h时，平直道紧急制动距离为206m，初速80km/h，30‰的下坡道，紧急制动距离约为277m。从制动能量角度来说，国内地铁一般采用平直道连续三次紧急制动校核热负荷能力。
下坡道制动能量包括列车动能和列车势能，以最大轴质量16t计算，单轴一次紧急制动动能约为4MJ，势能约为1．3MJ，坡道附加产生的势能仅为动能的1/3。具体到30‰的坡道，连续提升16m，意味着坡道长度约为533m，针对该坡道，即便是进入坡道立即紧急停车，然后加速到80km/h(在30‰下坡道从0开始加速到80km/h，加速距离也不低于200m)，仅可能产生一次在坡道上的紧急制动，即便按连续两次紧急制动，也不会比平直道连续三次紧急制动情况恶劣。因此，单一的30‰的坡道，连续提升16m，可以解决紧急制动问题。在正常情况下，常用制动优先采用电制动，以西门子为代表的欧系牵引系统及南车时代公司牵引系统电制动能力很强，常用制动时空气制动几乎不参与，不存在摩擦制动热量累积问题，线路条件几乎对摩擦制动没有影响。电制动失效时，根据经验，国内B型地铁，采用踏面制动，纯空气制动一般能以55～65km/h速度运营一个往返;而采用盘式制动，纯空气制动一般能以90km/h运营一个往返。纯空气制动的热负荷能力与线路条件密切相关(如线路坡道、站间距、停站间隔等)，需针对线路条件做专门的热负荷仿真计算。对于救援工况，首先应考虑的是制动距离。从能量的角度分析，制动初速的影响要远大于坡度的影响，救援工况制动能量可以达到。一列空载列车救援一列重载列车，在30‰的坡道上为保证制动距离，一般限速设为25km/h，如果坡道提高，救援限速还要降低;如果正线坡道超过40‰时，救援时制动力将趋于与下滑力平衡，一列空载列车将可能无法救援一列重载列车。
2.2车辆适应性研究
众所周知，长大坡道对列车安全运行不利，在设计时需对不同运行状态进行研究，以达到地铁列车的实际运行性能指标要求。研究主要包括两方面：①列车故障时，对列车在长大坡道上的牵引和制动、制动停车和再启动以及列车救援性能的研究；②在正常情况下，对列车在上坡运行时速度发挥效率和旅行速度、下坡运行时速度的限制和有效制动安全性能的研究。
2.3风险分析及运营安全保障
1)当车辆长时间处于连续大上坡情况下，有可能会出现车辆牵引失效的故障，需要车辆退回到车站重新启动或退出正线运营待避检修;2)当车辆长时间处于连续大下坡情况下，有可能会出现车辆制动失灵的故障，需要设置该停车线作为制动失灵车辆的紧急制动待避线;。3)当车辆出现轻微制动失灵的情况时，有可能会发生与前行车辆追尾的情况，需在车辆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。
结语
（１）在长大坡道线路平面设计时，需要从工程难度，后期运营安全、功能、规模、成本、节能、环保等多方面因素考虑选取最佳方案，展线范围内从客流吸引、以人为本层面考虑，在满足工程可实施条件的情况下，可考虑增设车站，以改善居民出行条件、提高经济及社会效益。 （２）在长大坡道线路纵断面设计时，需要满足相关规范对不同车辆最大坡度，以及连续提升高度不超过限制值的要求。对不同平面路径方案在不同纵断面坡度条件下的车站埋深、工程投资、运营风险进行综合分析，选择最佳纵断面设计方案。（３）对于旋转电机车辆，本文提出了新的线路设计方法。线路平面根据纵断面需求进行展线；线路纵断面，提出以单个陡坡高差１６ ｍ（钢轮钢轨、旋转电机车辆）控制，中间加设小缓坡的组合式方案。通过对车辆的牵引及制动适应性分析，该种线路设计方法及理论有利于车辆安全及高效率运行，工程可实施性较好，具有较高的推广价值。
参考文献
［1］GB50157—2013，地铁设计规范［S］．
［2］张学军．地铁长大坡道设计相关问题的探讨［J］．都市快轨交通，2005，18(5):58-60．
［3］王春森，城市轨道交通线路长大陡坡设计的探讨［J］．隧道建设，2012，32(2):184-187．