西安地铁四号线长大坡度设计研究

郑 翔

(广州地铁设计研究院有限公司，广东广州 510010)

随着新世纪我国城市化进程的加快，国内较多城市遇到城市发展空间不足的难题和矛盾，为解决城市发展困难，多数城市积极修编总体规划，以调整城市布局，而轨道交通项目规划和建设在城市规划和发展中，发挥了重要的交通骨干功能和作用。部分城市的地铁建设，在突破城市中心区向新城区及卫星城扩张的过程中，受山岭江河、城市内部建(构)筑物［1-2］及管线设置的影响，线路设计中遇到长大坡度的难题，本文基于西安地铁四号线工程的设计，探讨了地铁长大坡度设计中需要关注研究的相关问题。

1 工程概况

西安地铁四号线是西安市轨道交通线网中南北方向的主骨架线，南起航天产业基地，北至草滩，线路全长35.2 km，共设29座车站。线路先后通过了雁塔区、碑林区、新城区以及未央区等4个行政区，连通航天产业基地、曲江新区及经济技术开发区等3个开发区。四号线的建设将对西安市的城市发展发挥重要的导向作用，以充分发挥西安市作为区域中心城市的强大辐射功能。

2 长大坡度的产生原因

西安市地铁四号线长大坡度的产生，主要受地形和建(构)筑物两方面的因素控制。一方面西安市地铁四号线南临秦岭东临白鹿原，地势呈南高北低，东高西低分布，为保证区间覆土，防止区间冒顶，部分区间高差大因而必须设计为长大坡度。另一方面部分区间为了避让建(构)筑物桩基、埋深较深的管线，或者与其他地铁线路、出入场线等立交，需要加大埋深，同时存在其他控制因素需要抬高轨面，因此导致长大坡度线路的出现。

根据《城市轨道交通工程项目建设标准》(建标104—2008)［3］，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。

表1 正线线路长大陡坡数值

3 长大坡度线路方案设计

西安市地铁四号线采用旋转机电车辆，从表1可见当线路连续提升高度≥16 m时可认为是长大坡度，需要对其进行全面分析评价。统计西安四号线全线纵断面，表2中列举的7个区间，连续提升高差＞16 m，需重点研究。

航航区间:由于正线需与出入段线交叉且规划路路面标高较高，区间线路过出入段线后要尽量抬升以减少航天新城站覆土，纵坡设计方案为坡度－24.5‰，坡长226 m接坡度－17.1‰，坡长625 m。

航神区间:由于受既有道路设计标高控制，纵坡设计方案为坡度－28‰，坡长910 m。

神航区间:受地面高差大因素控制，纵坡设计方案为坡度－28‰，坡长1 235 m。

航金区间:受两站间自然高差大和规划道路标高影响，纵坡设计方案为坡度－23.2‰，坡长856 m。

表2 西安地铁四号线长大坡度区间纵断面设计

金雁区间:受区间地形标高影响，纵坡设计方案为坡度－28‰，坡长943 m，接坡度 －22‰，坡长334 m，接坡度－13‰，坡长287 m。

大大区间:该区间是四号线全线站间距最大的区间，加上大雁塔站作为换乘站设计为地下三层站，该段线路采用连续多坡段下坡的纵坡形式，纵坡设计方案为坡度 －25‰，坡长 200 m，接坡度 －17‰，坡长812 m，接坡度－7‰，坡长497 m。

尚北区间:由于线路下穿高铁段，且北客站为地下一层站，过高铁段要加大埋深，之后以最大坡度抬升才能满足车站标高，纵坡设计方案为坡度－27.8‰，坡长462 m，接坡度28‰，坡长1 106 m。

4 车辆选型及适应性研究

4.1 车辆选型

根据客流预测，四号线远期客流属于大运量等级，同时结合线网资源共享，主要包括人力、土地、运营设备与设施、检修设备与设施、施工机具及设施等方面的需求，四号线车辆选型为B型车，初、近、远期采用6辆编组的方案，并采用4动2拖方案，而该选型方案的车辆加速性能好，可以提高对线路的纵断面适应性。

4.2 车辆对长大坡度线路的适应性

坡道对车辆牵引制动的影响主要表现在4个方面，即故障运行能力、救援能力、制动距离和闸瓦热容量［4-6］。

1)故障运行能力

目前推荐的4动2拖是列车编组形式，损失1/2动力的列车爬坡能力为39.667‰(黏着系数0.18)。以四号线目前的长大坡度线路条件，车辆性能可满足故障工况要求。

2)救援能力

首先应考虑的一列空载列车救援一列额定载重的列车，在28‰坡道上的起动能力。目前推荐的4动2拖是列车编组形式，一列空载列车救援一列额定载重列车的爬坡能力为34.574‰(黏着系数0.18)。以四号线目前的长大坡度线路条件，车辆性能可满足救援工况要求。

还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，救援工况制动能量不是问题。一列空载列车救援一列额定载重的列车，在28‰的坡道上为保证制动距离，建议限速设为25 km/h。

3)制动距离

从制动距离方面来说，在下坡时制动距离将延长。通常，B型车紧急制动平均加速度设计为－1.2 m/s2，最大常用制动平均加速度为 －1.0 m/s2。初速为80 km/h时，平直道紧急制动距离为206 m。初速80 km/h，30‰的下坡道，紧急制动距离约为277 m。

4)闸瓦热容量

正常情况下，常用制动优先采用电制动，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，采用踏面制动，纯空气制动一般能以55～65 km/h速度运营一个往返。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。

在车轮轮径840 mm、列车轴重按AW3载荷轴重计算、列车带闸运行速度80 km/h、列车采用纯空气制动、环境温度40℃、28‰的坡道、踏面初始温度200℃的条件下进行仿真分析，列车进入坡道制动阶段，在坡道持续制动100 s时踏面温度达到350℃，则列车可运行1.5～2.2 km，四号线28‰的下坡道最长约为1.2 km，闸瓦可以满足运营需求。

5 风险分析及运营安全保障要求

5.1 风险分析［7-9］

1)当列车长时间处于连续长大上坡情况下，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)当列车长时间处于连续长大下坡情况下，有可能出现列车制动失灵的故障，需要设置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 长大坡度段配线设置

为保证长大坡度上列车的运营安全，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，车站的接车进路指向安全线，如果长大坡度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，以避免失控列车驶入安全线，防止与正线列车冲突。

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，并对列车影响较小的情况下才能停下。

5.3 车辆运营安全保障

1)限制长大坡度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)尽力缩短长大坡度段的区间设站间距，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。

4)应根据车挡占用线路长度、撞击力、撞击加速度等参数，并结合车辆选型、线路条件及信号等因素确定，合理设置安全线挡车器。

6 结语

地铁运营的安全性是实现地铁快捷、便利、畅达服务的根本。随着我国地铁事业的发展，越来越多的城市地铁建设将受到地形、地貌、建(构)筑物桩基、地下空间条件等因素的影响，纵断面设计中势必出现长大坡度，应综合各城市的建设、运营条件，确定合理的线路、车辆、行车等方案，以保障地铁运营的安全。

［1］付迎春.云南路主线隧道通过高层建筑段施工方案设计［J］.铁道建筑，2011(3):47-50.

［2］李松，杨小平，刘庭金.广州地铁盾构下穿对近接高架桥桩基的影响分析［J］.铁道建筑，2012(7):74-78.

［3］中华人民共和国建设部.建标104—2008 城市轨道交通工程项目建设标准［S］.北京:中国计划出版社，2008.

［4］中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB 50157—2013 地铁设计规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2013.

［5］中华人民共和国建设部.GB 50090—2006 铁路线路设计规范［S］.北京:中国计划出版社，2006.

［6］李睿，李晓飞，欧阳全裕.地铁线路纵断面设计探讨［J］.铁道标准设计，2013(1):42-46，56.

［7］广州地铁设计研究院有限公司.西安地铁四号线工程可行性研究报告［R］.广州:广州地铁设计研究院有限公司，2013.

［8］广州地铁设计研究院有限公司.西安地铁四号线工程总体设计文件线路篇［Z］.广州:广州地铁设计研究院有限公司，2013.

［9］广州地铁设计研究院有限公司.西安地铁四号线工程初步设计文件线路篇［Z］.广州:广州地铁设计研究院有限公司，2013.