城市快速軌道交通線路縱斷面節能坡研究

周 錟 楊文昕

(1.西南交通大學土木工程學院 成都 610031； 2.高速鐵路線路工程教育部重點實驗室 成都 610031)

城市快速軌道交通作為各大城市外圍郊區地帶交通發展的重點，其快速、大運量、準點等特點可以很好地作用于市區與郊區和郊區間的相互聯系，但同時其能源消耗總量也是驚人的。統計數據顯示，對于長約20 km的普通軌道交通線路，年用電量為6 000萬～1億kW·h。據此推算，若建成300 km的軌道交通線網，年用電量將達到9億～15億kW·h，而城市快速軌道交通的能耗將會更為巨大。在目前能源緊缺的大環境下，降低軌道交通運營能耗已然非常迫切。在軌道交通各部分能耗中，列車運營占據了很大一部分，為20%～30%。在線路縱斷面設計中引入節能坡設計，可以降低列車牽引制動能耗，延長車輛加減速系統使用壽命，實現城市快速軌道交通的可持續發展[1]。

1 節能坡

1.1 節能坡概念

所謂節能坡，就是指能夠降低牽引制動能耗的坡道。節能坡一般設計成凹型縱斷面以達到節能的目的。車輛在出地鐵站后通過區間下坡迅速地將重力勢能轉化為動能,在盡可能少耗費牽引電能的情況下,獲得列車運行所需要的加速度和目標速度。列車加速一定時間和距離后達到目標速度，進入區間勻速坡,以最高速度或接近最高速度勻速運行,這樣可以基本不需要耗費牽引電能;車輛進入下一個地鐵站之前通過站前上坡將車輛動能轉化為勢能,加速列車的制動,從而節省列車制動所需要的電能耗費[2]。節能坡是一個相對概念，即節能坡設計下，列車的牽引制動能耗小于只考慮工程施工條件的坡道設計的相關能耗，反之則為不節能坡。目前節能坡常用的有V字形和W字形。W字形主要使用于長距離區間。常用較優的節能坡坡段示意見圖1所示[3]。

圖1 常用較優的節能坡坡段示意圖

1.2 節能坡設計要求

1) 保證列車安全平穩的運行環境，不能存在“有害坡”——列車沿陡長下坡道惰行時，因受速度限制而需施行制動的坡道。

2) 保證列車的加速性能，有效提高列車商業旅行速度。

3) 具有最佳的工程造價和運行效果。

1.3 節能坡應用場景

目前城市軌道交通敷設方式有3種：地面線路、高架線路和地下線路。地下線路多用于城市中心區域，地面線路和高架線路多用于城市外圍區域。這樣布置主要是考慮到城市中心區域建筑物密集，地面線路對城市的切割作用太強，影響地面交通和居民正常生活，而高架線路噪聲振動太大影響居民區居民生活，同時地面和高架線路占用土地資源較多，拆遷成本也較大，因而多采用地下線路。而城市外圍區域建筑物稀疏，空間開闊，土地資源豐富，采用地面和高架線路較為經濟。節能坡設計采用“高站位、低區間”的縱斷面形式，針對節能坡的設計特點，這3種敷設方式在設計施工等方面差別很大。

地面線路在經過處理的路基上直接鋪設軌道，線路縱斷面一般貼近地形。若采用節能坡的設計，會大大增加土石方工程量，破壞城市景觀。高架線路是將軌道架設于高架橋上，線位一般位于道路兩側或中央。若要采用節能坡設計，高架橋會高低起伏，增加高橋長度，既增加橋梁造價，也不利于城市景觀美化，同時高站位也會增加旅客進出站時間和距離。因此，地面線路和高架線路只有在線路適應地形時才會使用節能坡設計。

地下線路將除車站出入口和個別電力通風設施以外的設施設備全部建造于地面以下，節約了土地資源。為了方便旅客進出站，地下線路的車站一般設置于距地表很近的地方。若采用節能坡的設計，其高站位的設計很符合地下線路車站的設計理念，而低區間的設計只需要采用盾構暗挖即可，工程施工上差別不大，因此，節能坡設計很適合地下線路。

2 節能坡縱斷面參數研究

本次試驗主要面向城市快速軌道交通V字形節能坡進行參數研究。針對節能坡3個影響因素：坡段長度、坡度和區間長度，分別設計對應的坡段組合。坡段長度、坡度和區間長度的取值均在《地鐵設計規范》規定范圍之內。考慮到節能坡適合地下線路，以地下線為例，采用城市列車運行計算系統，統計不同影響因素控制下的坡段組合設計的運營能耗并進行統計分析。

2.1 試驗參數

2.1.1試驗車型

深圳地鐵11號線采用A型車，8輛編組(6M2T/1C2M)，車速120 km/h。

2.1.2線路數據

本文研究對象為車速120 km/h的城市軌道交通，目前一般將區間長度設計為2.5 km左右。本文重點考慮2 000～4 000 m的線路區間。為了簡化設計，采用對稱坡段設計：加速與減速節能坡，中間后續緩坡的坡段長度與坡度均相同。

1) 車站坡度設置為0.2%。

2) 根據列車的相關參數確定，列車運行允許的最大坡度為3%。因而加減速節能坡坡度的可取范圍為0.2%～3%。

3) 考慮到后續坡一般設置為較緩的坡段以便列車做高速運行，同時也考慮到排水需求和后續改進的需要，本文中的后續緩坡坡度設置為0.6%。

2.2 針對不同影響因素的坡段設計和模擬計算

以地下線為例，結合城市列車運行計算系統，對節能坡各相關參數取值進行分析研究。假設2個車站A站、B站高程相同，均為-10.00 m，2車站區間長度可調。

2.2.1節能坡坡度

考慮區間長度、節能坡長度相同，對節能坡的坡度大小這一因素進行分析研究。考慮到后續緩坡坡度值為0.6%，以及《地鐵設計規范》中正線最大坡度不宜超過3%[4]，將試驗坡度區間坡度定為1%～3%。為了簡化試驗，選取坡度值1.0%，1.5%，2.0%，2.5%，3.0%，同時設定區間長度為2 000～3 500 m，進行模擬計算和分析。

其中針對坡段長度這一影響因素，在初步模擬中選取不同區間長度，并改變坡段長度，計算后未得到較為普遍的取值范圍，因此考慮采用坡段長度占區間長度的比值a來定量分析坡段長度和區間長度對節能坡能耗的影響。假設坡段長度與區間長度的比值為a，考慮到坡段長度不能小于遠期列車長度(195 m)且區間長度范圍為2 000～4 000 m，a的取值下限為0.1,上限為0.35。本次坡段組合設計中，a的取值為0.1，1/9，1/8，1/7，0.15，1/6，0.2，0.25，0.3，1/3，0.35。

限于篇幅，現僅將2 800 m區間長度下，列車在節能坡上運營時的節能效率散點圖列出，見圖2。

圖2 2 800 m區間各節能坡坡度下的節能效率圖

通過分析2 000～3 500 m散點圖可知，節能坡的節能效率隨著節能坡坡度的增大而增大。當節能坡坡度采用規范限制的最大值3%時，在各個節能坡長度下，節能效率理論上均達到最大值，節能效率比采用1.0%節能坡時高4%～19.5%,但實際工程設計中較少采用極限坡度。同時由圖2可知，當節能坡采用2.5%坡度時比1.0%緩坡節能效率提高了6%～13.6%。結合軌道交通設計經驗值及上述圖表能耗變化趨勢，同時考慮為線路調線調坡階段留有一定余量，取節能坡坡度為2.5%～2.8%，節能坡的節能效果會非常明顯。

2.2.2區間長度與節能坡坡段長度

根據軌道交通設計經驗，120 km/h的城市軌道交通線路區間長度一般設計為2.5 km左右，為了探索普遍規律，本次試驗將區間長度范圍設定為2 000～4 000 m，取值間隔100 m，節能坡坡度設定為2.5%。針對不同區間長度L與節能坡坡段長度占區間長度的比值a，將設計區間縱斷面進行組合。為了簡化運算，采用對稱設計，得到節能坡的坡段組合形式見圖3。

圖3 采用節能坡的坡段組合

不采用節能坡的坡段組合形式見圖4。

圖4 不采用節能坡的坡段組合

整理歸納2 000～4 000 m的能耗數據及散點折線圖，將20組數據分為下述5組。由于篇幅限制，僅列出2 300～4 000 m區間的部分數據,節能效率以符號e表示，具體計算方法如下。

式中：EN為未采用節能坡的區間能耗；EA為采用節能坡的區間能耗。

1) 區間長度取為2 000～2 350 m，節能坡坡度取2.5%的情況下，各a值對應的能耗節省效率見圖5。

2) 區間長度取為2 350～3 150 m，節能坡坡度取2.5%的情況下，各a值對應的能耗節省效率見圖6。

圖6 2 350～3 150 m區間節能坡節能效率

3) 當區間長度取為3 150～3 350 m，節能坡坡度取2.5%的情況下，各a值對應的能耗節省效率見圖7。

圖7 3 150～3 350 m區間節能坡節能效率

4) 當區間長度取為3 350～3 750 m，節能坡坡度取2.5%的情況下，各a值對應的能耗節省效率見圖8。

圖8 3 350～3 750 m區間節能坡節能效率

5) 區間長度取為3 750～4 000 m，節能坡坡度取2.5%的情況下，各a值對應的能耗節省效率見圖9。

圖9 3 750～4 000 m區間節能坡節能效率

2.3 整理分析

通過分析各個區間內牽引、制動能耗情況及列車牽引運行圖，正常采用V字形節能坡時，在節能坡長度一致的情況下，隨著區間長度的增加，列車下坡制動能耗和上坡牽引能耗逐漸增加；在區間長度一致的情況下，隨著節能坡長度的增加，列車下坡階段牽引能耗減少并達到一定值、制動能耗增加，上坡階段牽引能耗增加、制動能耗減少。

特別地，在3 150～3 350 m區間長度下，節能效率出現2個峰值，這是由于節能坡長度較短時，下坡階段無需制動，上坡階段無需牽引，能耗節省主要取決于下坡階段的牽引能耗節省，而隨著節能坡長度增加，下坡需要制動，上坡需要牽引，這導致節能效率的下降，形成節能效率第一峰值；但同時上坡的制動能耗也在大幅降低，節能效率又逐漸上升，在a=0.25左右時，制動能耗降低量與其余能耗增加量差值達到最大，形成節能效率第二峰值。

區間長度超過3 350 m后，如果仍舊按照常規設計采用V字形節能坡，車輛出站后速度持續增加到最大速度后需采取制動措施，而上坡時需要再次牽引，下坡制動和上坡牽引能耗增加量較大，不符合節能坡設計的初衷。這一現象在城市快速軌道交通中3 350 m以上的區間長度下表現的尤為明顯，因而在這種情況下設計時宜采用W形坡。W形坡利用其間設置的上、下緩坡實現動能勢能的二次轉換，以達到減少能耗的目的[5]。

綜合上述5組數據的分析，可以得到如下結論。

針對不同區間長度，較為節能的a值的取值范圍如下。

1) 2 000～2 350 m，a取0.2～0.25；

2) 2 350～3 150 m，a取0.25～0.3；

3) 3 150～3 350 m，a取0.146～0.15或0.25～0.3；

4) 3 350 m以上區間：建議采用W字形節能坡。

3 結論

1) 鑒于節能坡的良好節能效應，在城市快速軌道交通的實際縱斷面設計中，應盡可能地采用節能坡設計。

2) 在城市軌道交通線路設計中，地面線及高架線路若地形與節能坡設計不適宜，多不采用“高站位，低區間”的節能坡形式；地下線路最適宜采用節能坡設計。

3) 節能坡的節能效率隨著坡度值的逐漸增大而增大，結合軌道交通設計經驗及上述理論研究，節能坡坡度取2.0%～2.8%時節能效果較為明顯。

4) 當節能坡采用最優參數設置時，較其他參數設置形式總能耗降低約15%～19%。

5) 對于設計車速為120 km/h的城市軌道交通工程，不同區間長度對應的較優節能坡坡段長度占區間總長度的比例a為：

2 000～2 350 m下，0.2～0.25；

2 350～3 150 m下，0.25～0.3；

3 150～3 350 m下，0.146～0.15或0.25～0.3。

6) 對于長度為3 350 m以上的長大區間，節能坡建議采用W字形坡。

在實際的工程中，采用節能坡設計應因地制宜，綜合考慮快速軌道交通能耗節省與影響實際工程造價的因素，以保證兩者的協調一致。