轨道交通线路纵断面节能坡设置研究
摘 要：该文通过对城市轨道交通节能坡的节能原理和不同工况的分析研究，提出节能坡的合理设置位置，坡段长度，坡度值等建议，有效地降低轨道交通牵引能耗。
关键词：城市轨道交通；纵断面；节能坡；设置位置；坡段长度；坡度值
1 研究背景
城市轨道交通属节能型交通，百公里人均能耗仅为小汽车的 5%、公共汽车的 60%，但庞大的轨道交通网络，在能耗总量上还是个“用电大户”。数据显示，2008 年仅上海轨道交通 1 号线就“吞下”了 1.8 亿 kW·h，2 号线“吃掉”了 1.3 亿kW·h。城市轨道交通面临的一大问题就是能源消耗总量过大。其中，电能费用占城市轨道交通运营费的 50％左右，车辆牵引用电又占城市轨道交通用电的 50％以上。
城市轨道交通电动车组普遍采用“再生制动+ 电阻制动 + 机械制动”的制动方式，制动能量可达到牵引能量的 30％以上，部分再生制动的能量可以被线路上相邻车辆吸收，不能被吸收部分则转换为电阻或空气制动，制动能量被白白消耗，初步估算该部分消耗的电能占制动能量的 40％左右。
按照目前我国城市轨道交通的发展速度，城市轨道交通的能耗将达到相当的规模。尽快找到降低轨道交通运行能耗的方法，已成为保持城市轨道交通高速度可持续发展必须解决的重要问题之一。
《地铁设计规范》（GB50157-2003）中第 5.3.6 条：
车站站台计算长度段线路应设在一个坡道上。有条件时车站宜布置在纵断面的凸型部位上，并设置合理的进、出站坡度[1]。
即进站上坡、出站下坡，有利于节省列车启动和制动时的能耗。
但是具体的节能坡的坡段如何合理设置，才能有效地降低轨道交通的牵引能耗，本文就节能坡的设置位置，坡段长度，坡度值结合不同工况作一些探讨。
2 节能坡研究
2.1 节能坡概念
所谓节能坡就是符合列车运行规律的节能坡道。即遵循“高站位、低区间”的设计原则。车站一般位于纵坡面的高处，区间位于纵坡面的底处。
列车从车站起动后，借助下坡的动力将势能转化为列车动能，以缩短列车牵引时间快速起步，从而达到节约牵引能耗的目的。
列车进站停车前，则借助上坡的坡度阻力，将动能转化为列车势能储存，以缩短制动时间，减少制动发热，节约环控能量消耗。
2.2 能量转换分析
一切运动的物体都具有动能。物体的运动速度、质量越大，动能也就越大；被举高的物体具有势能，物体的位置越高、质量越大，势能也就越大。而动能和势能之间又是可以相互转换的。
如图 1 所示。设进站前的坡长为 L，站台高度为 h，重力加速度为 g，列车的质量为 m，进站列车到达坡下 A 处时的速度为 V1，假设此时切断牵引电机的电源。则车辆在上坡过程中，若只受重力和轨道的支持力，车辆借助惯性，“冲”到站台上 B处的速度 V2。
根据能量守恒定律，在只有重力做功的条件下，物体的动能和重力势能相互转化，但机械能的总量保持不变。可以得出以下等式：
mv12/2=mv22/2+mgh
式中：v———速度，m/s；
h———高度，m；
g———重力加速度，9.8 m/s2；
m———为列车质量，kg。
从该式，可以看出与质量无关。
即：v12/2=v22/2+gh进站列车到达坡下 A 处时的速度为 V1，根据牵引计算图，进站制动初速一般为 40km/s，即 40km/h=11.11m/s。
车辆“冲”到站台上 B 处的速度 V2，一般可设定为 7 km/h，即 7 km/h=1.94 m/s。
得出站台高度 h 为 6.11 m。
实际上列车上坡时，还受到其它阻力作用，所以站台高度一般可以设置为 5 m 较为合适。
2.3 节能坡设置
2.3.1 节能坡的坡度
关于节能坡的坡度的合理数值，针对某个车站，比较 -3‰、-6‰、-8‰、-10‰、-12‰、-14‰、-16‰、-18‰、-20‰、-22‰、-24‰、-26‰等 12种线路纵断面方案。其计算结果见表 1 所列。
可见，随着节能坡坡度的增大，列车的启动加速时间逐渐缩短，其牵引用电量也逐渐减小。说明在车站两端设置节能坡，可以降低列车牵引能耗。
方案还表明，节能坡的坡度在 -22‰~-26‰时，节能效率可达 20%~25%[2]。
2.3.2 节能坡的坡段长度
节能坡的作用是进站时借助上坡的坡度阻力，将动能转化为列车势能储存，并缩短制动时间；出站时借助下坡的动力将势能转化为列车动能，缩短列车牵引时间快速起步，降低牵引电能消耗。
节能坡的坡段长度以满足列车加速要求为限。过长的坡段长度，导致列车因超速而制动反而对列车运行有害。另外，节能坡的坡度较大，坡段越长，则区间排水站埋深越大，后半段区间的反向上坡随之也越大。列车惰行进入较大的上坡道时车速迅速下降，运行效果不好。
以国内地铁最高运行速度 80 km/h 的列车为研究对象，根据上述理念，在 12 种线路纵断面方案中，分别设计了长度为 250 m、200 m 和 150 m三种节能坡坡段长度进行比较。
通过比较，在节能坡坡度相同条件下，250 m长的节能坡方案比其他方案多节能 3%~5%[2]，故推荐 80 km/h 的列车采用 250 m 长的节能坡坡段长度。
从上述的节能坡的坡度 22‰~26‰和节能坡坡段长度 250 m，也基本吻合能量转换分析得出的站台高度 5 m 的数值。
2.3.3 节能坡的设置位置
节能坡应尽量符合列车运行规律，为避免列车交替使用牵引工况和制动工况，节能坡应尽量靠近车站两端设置，竖曲线头宜贴近乘降站台端部，以发挥最大节能效果。
3 节能坡应用
3.1 地下线的应用
地下线区间均在地下穿行，坡度不受地形的控制，只受到沿线河床、地下建筑、桩基、地下管线等因素的控制，地下线纵断面是最有条件设计成符合列车运行规律的节能坡道的。车站主体结构采用明挖法施工，区间隧道采用盾构法或其它暗挖法施工。
关于地下线设置车站位置的线路宜尽量接近地面设置，其好处是：
（1）工程量小。地铁车站的造价与其埋深有关，尤其浅埋明挖车站体现得更为突出。
（2）方便乘客进、出车站。因地铁车站是乘客大量进出的地方，埋深大乘客会感到不方便。
上述地下线的特点与节能坡设计也是吻合的。
盾构法施工在国内地铁建设中已成为地下线首选的施工方法。该工法不但对环境影响小，还能有效地躲避市政管线，节省了管线改移的麻烦和投入。此外，由于盾构施工的隧道埋深在一定程度上对造价和难度影响不大，因此线路在纵断面上可设计成较理想的“高站位、低区间”的节能坡。
地下线的节能坡坡段长度一般宜为200m~300m，坡段值视左右线隧道结构而异。当左右线分为两个单线隧道时，两线在区间可以不等高，列车出站方向的坡度值可用足最大坡度，进站方向的坡度值宜减少 5‰左右。当左右线并行共用一个隧道结构时，因左右线要求等高，进出站的坡度均宜较最大坡度值减少 5‰左右。两段节能坡之间用缓坡连接，但缓坡不小于 3‰，以利于地下线路排水。一般在区间中部最低处设置旁通道及泵站。
上海、广州和深圳地铁，就是此类节能型纵坡。北京地铁一期，车站和区间隧道均为明挖法施工，如按节能型纵坡设计，势必加大明挖区间隧道的埋深，增加投资，在这种情况下，纵断面一般不设计成节能型纵坡。
因此，节能型纵坡要根据施工方法等因素综合考虑。
所以，上海市工程建设规范《城市轨道交通设计规范》（DGJ08-109-2004 J10325-2004）4.3 节线路纵断面中第 4.3.1 条指出：
“线路纵断面应结合地形、工程地质、水文地质、线路平面条件、敷设方式、施工方法及与相邻建（构）筑物的关系等进行设计”。
还特别针对地下线指出：“地下线宜设置“高站位、低区间”的纵断面线型”[3]。
3.2 地面线的应用
地面线是指在较空旷的地带，道路和建筑稀少，采用类似普通铁路的路基作为轨道基础的线路形式。地面线的路基高度一般要高出通过地段的最高地下水位和当地 50 a 一遇的暴雨积水水位，以免路基出现淹没、翻浆冒泥而影响运营。
地面线受到地形、地物的控制影响较大，一般无法设计成节能坡，只有在有条件的区间才可以设计成节能坡。
如果线路需要从地下线过渡到高架时，由于高差及横向道路控制标高等的关系，线路不能按节能坡的形式设计，只能按单面坡度将坡度控制在最大允许坡度之内即可。
3.3 高架线的应用
高架线一般在市区外建筑稀少及空间开阔的地段采用。其线位一般沿道路的一侧或路中布置，线路的高程一般由沿线所跨越的道路通车高度及河流的通航高度要求来确定。
有些区段设计了一体化高架结构，将城市的地面道路、轨道交通线及高架道路三者组合在一起。
高架线受到沿线地形的控制，还受到车站相对高度、沿线河流、道路及横向道路净空的控制，线路起伏不能太大，但仍需遵守“高站位、低区间”的设计原则，尽量设计成节能坡。
高架线的节能坡型式与地下线基本一致，不同的是高架桥上的线路上下行线需要等高。由于车站和区间高差的关系，节能坡坡度值不能太大，否则站位抬高导致工程造价将加大。此外，站位和区间的此起彼伏使景观受到不利影响。
4 其他
4.1 节能坡与区间排水
线路纵坡设计还应综合考虑泵站位置等设备布置，以达到优化、合理、经济、节约能源的目的。
车站高区间低，在区间中间需要设排水站，但是建一座排水站所花的投资及其运营费，与设置节能坡后列车运行节省的牵引电能相比微不足道。
4.2 列车再生制动功能
列车再生制动是一种动力制动，是把电动车组的动能通过电机转化为电能后，再使电能反馈回电网，提供给别的列车使用。
这种方式既能节约能源，又减少制动时对环境的污染，且基本上无磨耗。现代轨道交通车辆广泛采用这种再生制动技术，发出的电能供邻近的列车使用，但由于时间吻合的几率并不高，回收车辆制动能量是有限的，该部分消耗的电能占制动能量的 40％左右。
因此它只是节能方式之一，并不能代替节能坡来有效地降低牵引能耗。
4.3 节能坡设计案例
节能坡在轨道交通工程设计中应用非常广泛，尤其是在盾构(包括双圆盾构)法和暗挖法施工的地铁线路中。如：上海轨道交通 10 号线国权路站至殷高路站、上海轨道交通 13 号线华江路站至武宁路站等线路的工程设计中，就是典型的节能坡设计案例。
5 结语
通过对轨道交通节能坡的节能原理和不同工况的分析研究，认为：
（1）节能坡的设置位置应该尽量靠近车站两端设置，竖曲线头宜贴近乘降站台端部；
（2）节能坡的坡度约为 20‰；
（3）节能坡的坡段长度在最高运行速度 80 km/h的线路上约为 250 m；
（4）地下线最有条件采用节能坡设计；
（5）高架线尽量设计成节能坡；
（6）地面线只有在有条件的区间才可以设计成节能坡。
参考文献
[1]GB50157-2003 地铁设计规范[S].
[2]梁广深.地铁节能线路纵断面设计研究[J].都市快轨交通，2009（,4）.
[3]DGJ08-109-2004 J10325-2004,城市轨道交通设计规范[S].
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