城市軌道交通線路長(zhǎng)大陡坡設(shè)計(jì)的探討

王春森

(廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣州 510010)

0 引言

隨著城市的不斷發(fā)展以及“退二進(jìn)三”的策略，大多城市實(shí)施了新的發(fā)展戰(zhàn)略，對(duì)調(diào)整、優(yōu)化、提升城區(qū)建設(shè)提出了新的要求?；诖?，城市軌道交通建設(shè)也逐漸突破城市中心區(qū)，向城市外圍區(qū)、城市拓展區(qū)、衛(wèi)星城或新城延伸。在一些地勢(shì)變化大的城市，如重慶地鐵1號(hào)線、深圳地鐵4號(hào)線、南寧地鐵2號(hào)線和長(zhǎng)沙地鐵4號(hào)線等，面臨由于本身城市形態(tài)帶來(lái)的特殊地形，地鐵線路和常規(guī)市區(qū)內(nèi)的不同，在線路設(shè)計(jì)時(shí)都遇到了長(zhǎng)大陡坡問(wèn)題。文獻(xiàn)［1］通過(guò)對(duì)工程中長(zhǎng)大陡坡的設(shè)計(jì)實(shí)例及深圳4號(hào)線的測(cè)試和驗(yàn)證，提出了列車(chē)在正常運(yùn)營(yíng)情況下，只要列車(chē)的性能滿足長(zhǎng)大坡度的要求即可;文獻(xiàn)［2］以清連一級(jí)公路升級(jí)改造工程為例，對(duì)解決長(zhǎng)大陡坡路段存在的有關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了探討;文獻(xiàn)［3］結(jié)合包家山特長(zhǎng)隧道3號(hào)長(zhǎng)大陡坡有軌斜井快速施工正洞的工程實(shí)踐，著重介紹長(zhǎng)大有軌斜井隧道的現(xiàn)場(chǎng)施工組織;文獻(xiàn)［4］結(jié)合烏鞘嶺特長(zhǎng)隧道4號(hào)長(zhǎng)大陡坡有軌斜井快速施工左線平導(dǎo)的工程實(shí)踐，介紹適合長(zhǎng)大有軌斜井施工的斜井提升、運(yùn)輸設(shè)備配套技術(shù)及平導(dǎo)快速掘進(jìn)技術(shù);文獻(xiàn)［5］介紹旅客列車(chē)在長(zhǎng)大下坡道上平穩(wěn)操縱方法，給出具體實(shí)例和相關(guān)數(shù)據(jù)，測(cè)試結(jié)果證明該方法可使旅客列車(chē)在長(zhǎng)大下坡道上安全、平穩(wěn)地運(yùn)行;文獻(xiàn)［6］介紹了太原西山特長(zhǎng)隧道1號(hào)大陡坡斜井施工的設(shè)備選型及其軌道布設(shè)。而上述研究未涉及長(zhǎng)大陡坡設(shè)計(jì)車(chē)輛的制動(dòng)及電機(jī)溫升的相關(guān)問(wèn)題，本文就此展開(kāi)探討。

1 概述

根據(jù)建標(biāo)104—2008《城市軌道交通工程項(xiàng)目建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》，“線路長(zhǎng)大坡度地段”是指列車(chē)運(yùn)行在連續(xù)上坡時(shí)，可能導(dǎo)致列車(chē)不能正常牽引運(yùn)行而造成運(yùn)行速度下降至過(guò)低，或在故障條件下發(fā)生列車(chē)停車(chē)再啟動(dòng)的困難。在該坡道下坡運(yùn)行時(shí)，可能需要控制速度運(yùn)行，以免制動(dòng)力不足而失控，為此應(yīng)檢查列車(chē)下坡時(shí)是否具有充分的制動(dòng)力，其電阻制動(dòng)力與空氣制動(dòng)力之和應(yīng)大于下滑力，此外還要考慮電機(jī)溫升的安全問(wèn)題。上述問(wèn)題隨車(chē)輛性能和環(huán)境條件的差異而不同，尤其應(yīng)注意在高架線路或受氣候條件影響時(shí)，輪軌粘著條件有較大差異。對(duì)于“線路長(zhǎng)大陡坡地段”在城市軌道交通的有關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有確切的定義和規(guī)定，選線設(shè)計(jì)人員難以定性判斷，為此根據(jù)近年來(lái)各城市有關(guān)人士的研究，初步提出表1作為一般條件下長(zhǎng)大坡道的控制值。當(dāng)線路設(shè)計(jì)參數(shù)大于表1規(guī)定值時(shí)，需作安全驗(yàn)算。

表1 正線線路長(zhǎng)大陡坡規(guī)定值Table 1 Values specified for long steep slope section of main line

2 研究意義

修建地鐵工程的目的是為安全、快速、大批量地運(yùn)送旅客，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)要通過(guò)列車(chē)的快速、高效、安全的運(yùn)行來(lái)完成，地鐵建設(shè)應(yīng)該首先保證地鐵列車(chē)安全有效地運(yùn)行。在地鐵建設(shè)中，各種設(shè)施的設(shè)計(jì)應(yīng)無(wú)條件保證列車(chē)正常運(yùn)行，并最終受到列車(chē)運(yùn)行的檢驗(yàn)。由此可以看出，要想達(dá)到地鐵工程總系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和地鐵各子系統(tǒng)相互呼應(yīng)，其協(xié)調(diào)配合的關(guān)鍵是列車(chē)運(yùn)行。因此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)將地鐵列車(chē)的運(yùn)行融入到各子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中去，使各子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)得到優(yōu)化控制和協(xié)調(diào)配合。本文著重就線路長(zhǎng)大坡度設(shè)計(jì)與列車(chē)運(yùn)行的制動(dòng)影響以及制動(dòng)對(duì)踏面升溫的影響等方面進(jìn)行分析，運(yùn)用仿真模擬方法論述長(zhǎng)大陡坡線路設(shè)計(jì)可行性，為軌道交通線路的合理設(shè)計(jì)提出可行性建議。

3 制動(dòng)影響分析

陡坡對(duì)制動(dòng)的影響主要表現(xiàn)在制動(dòng)距離延長(zhǎng)和制動(dòng)能量增加2個(gè)方面。從制動(dòng)距離方面來(lái)說(shuō)，在下坡時(shí)制動(dòng)距離將延長(zhǎng)。通常，B型車(chē)緊急制動(dòng)平均減速度設(shè)計(jì)為1.2m/s，最大常用制動(dòng)平均減速度為1.0m/s;初速為80 km/h時(shí)，平直道緊急制動(dòng)距離為206 m，初速80 km/h，30‰的下坡道，緊急制動(dòng)距離約為277 m。從制動(dòng)能量角度來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)地鐵一般采用平直道連續(xù)三次緊急制動(dòng)校核熱負(fù)荷能力。下坡道制動(dòng)能量包括列車(chē)動(dòng)能和列車(chē)勢(shì)能，以最大軸質(zhì)量16 t計(jì)算，單軸一次緊急制動(dòng)動(dòng)能約為4MJ，勢(shì)能約為1.3MJ，坡道附加產(chǎn)生的勢(shì)能僅為動(dòng)能的1/3。具體到30‰的坡道，連續(xù)提升16 m，意味著坡道長(zhǎng)度約為533 m，針對(duì)該坡道，即便是進(jìn)入坡道立即緊急停車(chē)，然后加速到80 km/h(在30‰下坡道從0開(kāi)始加速到80 km/h，加速距離也不低于200 m)，僅可能產(chǎn)生一次在坡道上的緊急制動(dòng)，即便按連續(xù)兩次緊急制動(dòng)，也不會(huì)比平直道連續(xù)三次緊急制動(dòng)情況惡劣。因此，單一的30‰的坡道，連續(xù)提升16 m，可以解決緊急制動(dòng)問(wèn)題。

在正常情況下，常用制動(dòng)優(yōu)先采用電制動(dòng)，以西門(mén)子為代表的歐系牽引系統(tǒng)及南車(chē)時(shí)代公司牽引系統(tǒng)電制動(dòng)能力很強(qiáng)，常用制動(dòng)時(shí)空氣制動(dòng)幾乎不參與，不存在摩擦制動(dòng)熱量累積問(wèn)題，線路條件幾乎對(duì)摩擦制動(dòng)沒(méi)有影響。電制動(dòng)失效時(shí)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，國(guó)內(nèi)B型地鐵，采用踏面制動(dòng)，純空氣制動(dòng)一般能以55～65 km/h速度運(yùn)營(yíng)一個(gè)往返;而采用盤(pán)式制動(dòng)，純空氣制動(dòng)一般能以90 km/h運(yùn)營(yíng)一個(gè)往返。純空氣制動(dòng)的熱負(fù)荷能力與線路條件密切相關(guān)(如線路坡道、站間距、停站間隔等)，需針對(duì)線路條件做專(zhuān)門(mén)的熱負(fù)荷仿真計(jì)算。

對(duì)于救援工況，首先應(yīng)考慮的是制動(dòng)距離。從能量的角度分析，制動(dòng)初速的影響要遠(yuǎn)大于坡度的影響，救援工況制動(dòng)能量可以達(dá)到。一列空載列車(chē)救援一列重載列車(chē)，在30‰的坡道上為保證制動(dòng)距離，一般限速設(shè)為25 km/h，如果坡道提高，救援限速還要降低;如果正線坡道超過(guò)40‰時(shí)，救援時(shí)制動(dòng)力將趨于與下滑力平衡，一列空載列車(chē)將可能無(wú)法救援一列重載列車(chē)。

4 仿真模擬分析

針對(duì)地鐵制動(dòng)踏面溫度的升高，以地鐵A型車(chē)輛30‰坡道純空氣帶閘運(yùn)行踏面溫度仿真模擬計(jì)算。圖1，2，3 分別為踏面初始溫度40，150，200℃時(shí)列車(chē)進(jìn)行坡道制動(dòng)時(shí)的踏面溫度變化曲線。

1)仿真條件。車(chē)輪輪徑840 mm;列車(chē)軸質(zhì)量按廣州地鐵1號(hào)線車(chē)輛動(dòng)車(chē)AW3載荷軸重計(jì)算;列車(chē)帶閘運(yùn)行速度80km/h;列車(chē)采用純空氣制動(dòng);環(huán)境溫度40℃;坡道參數(shù)為30‰;制動(dòng)過(guò)程中車(chē)輪踏面允許的極限溫度為400℃，但實(shí)際運(yùn)行中不建議超過(guò)350℃。

2)踏面初始溫度40℃。在圖1中，列車(chē)在坡道持續(xù)制動(dòng)450s后車(chē)輪溫度達(dá)到350℃，但實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中由于列車(chē)需要頻繁制動(dòng)，車(chē)輪踏面溫度遠(yuǎn)高于40℃;因此不建議按此作為坡道設(shè)計(jì)的依據(jù)。

圖1 踏面初始溫度40℃坡道制動(dòng)踏面溫度變化曲線Fig.1 Variation of brake tread temperature in slope braking when original temporary of brake tread is 40℃

3)踏面初始溫度150℃。圖2曲線顯示的是踏面初始溫度為150℃時(shí)列車(chē)進(jìn)入坡道制動(dòng)階段，在坡道持續(xù)制動(dòng)200 s時(shí)踏面溫度達(dá)到350℃，370 s時(shí)達(dá)到400℃。

圖2 踏面初始溫度150℃坡道制動(dòng)踏面溫度變化曲線Fig.2 Variation of brake tread temperature in slope braking when original temporary of brake tread is 150℃

4)踏面初始溫度200℃。圖3曲線顯示的是踏面初始溫度為200℃時(shí)列車(chē)進(jìn)入坡道制動(dòng)階段，在坡道持續(xù)制動(dòng)100 s時(shí)踏面溫度達(dá)到350℃，235 s時(shí)達(dá)到400℃。

圖3 踏面初始溫度200℃坡道制動(dòng)踏面溫度變化曲線Fig.3 Variation of brake tread temperature in slope braking when original temporary of brake tread is 200℃

5)模擬演算結(jié)論。通過(guò)仿真模擬分析，初始溫度為150℃時(shí)，其持續(xù)制動(dòng)時(shí)間為200 s，踏面溫度達(dá)到350℃。按照地鐵80 km/h速度，30‰坡道純空氣帶閘運(yùn)行踏面溫度仿真模擬，并通過(guò)行車(chē)牽引計(jì)算，站間距可達(dá)到3.5 km，連續(xù)抬升約100 m。當(dāng)初始溫度為200℃時(shí)，其持續(xù)制動(dòng)時(shí)間為100 s，踏面溫度達(dá)到350℃。按照地鐵80 km/h速度，30‰坡道純空氣帶閘運(yùn)行踏面溫度仿真模擬，并通過(guò)行車(chē)牽引計(jì)算，站間可達(dá)到1.3 km，連續(xù)抬升約39 m。對(duì)于城市軌道交通站間距一般為1.2～2.0 km，從模擬分析均能滿足要求;但對(duì)于郊區(qū)及外延伸線路存在長(zhǎng)大站間距線路，站間距多為2.0～3.5km，有條件對(duì)其連續(xù)長(zhǎng)大坡度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并在其陡坡區(qū)間增設(shè)緩坡條件來(lái)避開(kāi)連續(xù)帶閘運(yùn)行的情況。

5 設(shè)計(jì)案例

1)長(zhǎng)沙地鐵4號(hào)線。長(zhǎng)沙地鐵4號(hào)線一期工程中阜埠河路站—南湖新城站—赤黃路站三站兩區(qū)間，站間距分別為2.2 km和1.9 km。阜埠河路站—南湖新城站區(qū)間下穿湘江且避讓南湖新城過(guò)江隧道，南湖新城站埋深達(dá)28 m;南湖新城站—赤黃路站區(qū)間受本身地勢(shì)高差影響，兩站軌面高差約37 m。軌面標(biāo)高須由11.6 m 抬升到48.4 m，其縱斷面見(jiàn)圖4。

圖4 南湖新城至赤黃路段縱斷面圖Fig.4 Longitudinal profile of Nanhuxincheng-Chihuanglu section

通過(guò)多方案比選，該區(qū)間采取了如下方法來(lái)解決長(zhǎng)大陡坡的問(wèn)題:①合理確定兩端車(chē)站的埋深，有利于坡度的改善。南湖新城站在滿足過(guò)湘江的情況下盡量抬高軌面標(biāo)高，這是由于赤黃路站受電纜管線控制軌面標(biāo)高不能壓低。②在2個(gè)大坡度之間增加了長(zhǎng)300 m的14‰緩坡，這樣可以降低持續(xù)帶閘制動(dòng)使踏面溫度升高，起到緩解過(guò)度的作用。③對(duì)于站端上坡設(shè)置了長(zhǎng)300 m的14‰緩坡再接28‰大坡度，使車(chē)站出站后在最短時(shí)間內(nèi)達(dá)到最大速度，降低長(zhǎng)時(shí)間牽引電機(jī)的過(guò)熱。

2)深圳地鐵4號(hào)線。深圳地鐵4號(hào)線二期工程中康站至梅林檢查站，站間距約2.9 km，中間隧道穿越大腦殼山，該山海拔385.4 m，兩站的軌面標(biāo)高只差約77 m。其中，大腦殼山南端到梅林檢查站，軌面標(biāo)高須由39 m抬高至90 m。在設(shè)計(jì)中通過(guò)多方案比選，該區(qū)間采取了相關(guān)措施解決了長(zhǎng)大坡度的問(wèn)題，經(jīng)過(guò)4號(hào)線開(kāi)通至今的運(yùn)營(yíng)情況看，證明了長(zhǎng)大陡坡的設(shè)計(jì)所采取的一些措施是有效的、科學(xué)的。

6 結(jié)論與討論

隨著城市軌道交通建設(shè)從城市中心區(qū)轉(zhuǎn)向外圍區(qū)，長(zhǎng)大陡坡地鐵案例逐漸增多。本文通過(guò)列車(chē)制動(dòng)影響分析、熱負(fù)荷仿真模擬計(jì)算和工程案例測(cè)試，驗(yàn)證了長(zhǎng)大陡坡設(shè)計(jì)在采取一些措施和優(yōu)化設(shè)計(jì)后列車(chē)連續(xù)帶閘制動(dòng)運(yùn)行的有效性和科學(xué)性。在我國(guó)，長(zhǎng)大陡坡案例還處在研究和設(shè)計(jì)討論階段，是一門(mén)比較新的課題，還需要作專(zhuān)題深入研究和工程案例實(shí)踐證明(如長(zhǎng)大陡坡的耦合激勵(lì)、長(zhǎng)大陡坡度的定量定義、長(zhǎng)大陡坡的危害、長(zhǎng)大陡坡的預(yù)案、長(zhǎng)大徒坡的平穩(wěn)操縱方法等)。

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