地鐵既有線區間增設車站及其配線縱向坡度設計研究

李 明

（北京市軌道交通設計研究院有限公司；北京市軌道交通工程技術研究中心，北京 100068）

1 問題的提出

我國地鐵經過50 余年的發展，形成了一部應用廣泛的地鐵設計國家標準《地鐵設計規范》，該規范自頒布以來已經修訂了兩次，目前正在施行的版本是2013年版。該規范的施行，對于我國地鐵工程的設計工作起到了很好的指導作用，極大地規范了我國各城市的地鐵設計工作，保證了地鐵設計的綜合質量。值得注意的是，該規范在具體使用的過程中也面臨著一些問題，亟須進行一些修訂完善工作。例如該規范適用于地鐵新建工程的設計，而對于既有線增設車站的情況，該規范條文就并未涉及。

《地鐵設計規范》(GB 50157—2013)要求“……區間隧道的線路最小坡度宜采用3‰；困難條件下可采用2‰；區間地面線和高架線，當具有有效排水措施時，可采用平坡。……車站站臺范圍內的線路應設在一個坡道上，坡度宜采用2‰。當具有有效排水措施或與相鄰建筑物合建時，可采用平坡……”[1]。單看地下線的設計要求，區間的最小坡度為3‰，而車站范圍內的坡度宜為2‰，如果當初在新建某地鐵隧道工程時，區間隧道縱坡沒有采用困難值(2‰)，則該區間隧道肯定不能滿足未來增設車站的縱坡要求。

城市的發展存在一定變數，在規劃某地鐵線路時，該處沒有設置車站的必要，但不排除隨著時間的推移，城市規劃有了新的安排，城市建設用地進行了局部調整，原本未規劃設置地鐵站的位置有了增設車站的需求，而地鐵既有線已經建成，如何在地鐵既有線區間增設車站，以及確定區間縱向坡度的可選取范圍，是值得研究的新課題。

經查詢，國內外還沒有相關文獻針對地鐵既有線增設車站的坡度問題進行研究，《城市道路公共交通站、場、廠工程設計規范》[2](CJJ/T 15—2011)只是對公交首末站的夜間停車坪的坡度提了要求，“遠離停車場、保養場或有較大早班客運需求的首末站應建供夜間停車的停車坪，……停車坪的坡度宜為0.3%～0.5%”，主要是為了便于雨水排放，不造成積水，保障停車安全。考慮城市公交為膠輪系統，其走行部的摩擦系數與鋼輪鋼軌系統差異很大，并不具備參考性。因此本文將針對地鐵既有線增設車站及配線縱向坡度問題進行探討。

2 影響地鐵車站縱向坡度要求的因素

本文主要從列車停止平穩性、列車啟動和制動、車站縱向排水、車站建筑及無障礙設計、車站站臺門安裝、車站設置配線等幾個方面分析對車站縱向坡度的要求。

2.1 列車停止平穩性對坡度的要求

為了保證車輛停止狀態下的平穩性，車站的坡度應該做到盡量平緩，這樣可以最大限度地防止車輛溜逸，也就是說車站坡度最好采用平坡。但是設置成平坡有時候是做不到的，因此有必要分析一下車輛不溜逸前提下的最大車站坡度。

1) 未采取制動措施時。從理論上分析，車輛單位坡道阻力i(相當于下坡方向的單位分力)小于車輛開始溜逸時的單位啟動阻力ω，車輛才不至于溜逸。ω可能隨著很多因素而變化，例如車輛質量、氣候條件等都有很大關系，根據規范條文說明[3]，單位啟動阻力ω、單位坡度阻力i和平面曲線半徑R之間存在以下大致關系

假設列車停在直線上，而且假設坡度值為零，那么可以得到ω=2‰。因此，當停車線的坡度i≤ω時，車輛就不會溜逸。

以上分析可以看作是地鐵車輛停止平穩性要求的理論計算。由于地下線較少受到外界環境的干擾，因此可以認為地下線車站的坡度i≤2‰時，車輛就不會溜逸；但是當車輛停在地面或高架車站時，可能會受到較多的外界影響，例如風力、振動等，因此需要再額外考慮一定的安全系數，根據北京地鐵的運營經驗，當位于高架橋上的停車線坡度i≤1.5‰時，沒有發現溜逸現象，因此可以認為高架或地面車站的坡度i≤1.5‰時，車輛不會溜逸。

2) 采取制動措施時。根據我國相關規范的要求，沒有特殊規定的情況下，正線的最大坡度不宜大于30‰，困難地段可采用35‰，聯絡線、出入線的最大坡度不宜大于40‰，這個最大坡度其實與列車的動拖比有直接關系，動車配置越多，列車的動力就越強勁，爬坡能力就越大，規范中規定的坡度值只是一個在常規動拖比配置下的坡度要求。同時，規范[4]也對列車的停放制動做出了規定，要求地鐵列車都應設有停放制動裝置，保證在線路最大坡度、最大載荷的情況下施加停放制動的列車不會發生溜逸，且它的制動力應僅通過機械方式產生并傳遞。

根據以上兩種工況的分析，如果未采取制動措施，為了保證列車停止時不溜逸，地下區段的縱向坡度不宜大于2‰，高架和地面區段的縱向坡度不宜大于1.5‰，但如果采取了相應的制動措施，根據相關規范的要求，地鐵列車應具備在最大坡度(正線為30‰，困難情況下35‰)情況下依然不會溜逸的能力，可以看出這兩種工況下的縱向坡度跨度非常大，這與我國的車輛停放制動技術性能很高有很大的關系，它賦予了列車在某種極端情況下依然不會溜逸的能力。在地鐵既有線的區間增設車站本身就是一種非常規的情況，不必規定停車時不能采取制動措施，因此不必以1.5‰或2‰的坡度來對列車停止的平穩性做出要求，但是縱向坡度的上限不該放大到正線的允許最大縱坡，因為縱向坡度越大，停止制動裝置失效的可能性就越高，在實際運營過程中如果發生列車停止狀態下溜逸的最大風險是乘客上下列車時被擠壓而發生人員傷亡事故，這是必須進行防范的，這是地鐵建設單位、設計單位以及運營單位都應重點考慮的問題。

2.2 列車啟動和制動對坡度的要求

我國相關規范同樣也對列車的故障運行及救援的能力做出了強制規定，要求在超員載荷工況下，當列車喪失1/4 動力時，依然能夠維持運行到終點車站；要求在超員載荷工況下，當列車喪失1/2 動力時，依然應該具有在正線最大坡道上(30‰，困難情況下35‰)啟動和運行到最近車站的能力；同時也要求一列空載列車應具有在正線最大坡道上(30‰，困難情況下35‰)推送(拖拽)一列相同編組無動力的超員載荷工況的列車啟動并運行至最近車站的能力[1,5]。從上述規定可以看出，我國對于地鐵列車在極端狀況下的故障運行及救援能力要求很高，我國的地鐵車輛裝備供應商在列車出廠時必須滿足國家對其故障運行及救援的能力要求，否則它就不能出廠。基于這個前提條件，只要線路區間沒有超過正線最大坡度，地鐵列車在增設的車站進行啟動和制動的能力應該是有保障的，因此車站縱向坡度實際上對列車的啟動和制動并不制約，但是從列車啟動和制動本身的難易程度而言，縱向坡度越小越有利。

2.3 車站縱向排水對坡度的要求

從理論上來說，車站縱向坡度越大，車站的縱向排水就會越順暢。我國鐵路建設的經驗顯示由于站場的石渣碎屑物較多，且車站的工作人員走行也比較頻繁，因此排水設施內容易掉入泥沙或其他雜物，為避免排水設施的淤塞，一般情況下水流的平均速度不應小于0.5 m/s，為了滿足這個要求，排水設施的縱向坡度不應小于2‰，而且最好是能達到3‰～5‰。如果因為采用2‰的縱向坡度將引起大量的工程時，縱向排水設施的坡度也可以減少到1‰。因此《鐵路車站及樞紐設計規范》(TB10099—2017)要求站場范圍內縱向排水設施的坡度不應小于2‰，困難條件下也不應小于1‰[6]。我國地鐵正線的軌道一般采用整體道床的形式，少有用碎石道床的，因此排水設施不易掉入泥沙或其他雜物，但我國的地鐵相關設計規范也對車站范圍的縱向排水提出了要求，且無一例外地要求地下車站站臺范圍內坡度宜采用2‰，具有有效排水措施時可采用平坡，對于高架或地面車站規范要求站臺范圍內的縱向坡度宜采用平坡[1,7,8]。通過以上的分析可以看出，與列車停止平穩性以及列車啟動和制動都要求車站的縱向坡度盡量小不同，過小的坡度不利于車站的縱向排水，考慮本文主要探討的是在地鐵既有線區間增設車站的問題，地下既有線區間的縱向坡度一般都不會小于3‰，排水是沒有問題的，即便是高架或地面既有線區間可能采用了平坡，但也都會設置好相應的有效縱向排水設施，因此地鐵既有線區間的縱向坡度不是構成車站縱向排水的關鍵問題。

2.4 車站建筑及無障礙設計對坡度的要求

目前我國地鐵列車的編組以6B、6A 或8B、8A為主流，列車長度從120～185 m 不等，通常在車站設計時會將車站的站務用房以及設備系統用房設置在車站的兩端，因此一個地鐵車站的整體長度大概在200～300 m。通常我國地鐵設計規范要求的是在車站站臺范圍內的線路應設在一個坡道上，坡度一般取2‰[1]，因此正常情況下的有效站臺范圍內站臺一端與另一端本身就存在一個高度差，如果是120 m 長的站臺，高度差為120×2‰=0.24 m，如果是185 m 長的站臺，高度差為185×2‰=0.37 m，這種車站站臺范圍內不到0.5 m 的高度差不足以對車站的建筑設計以及乘客的使用造成較大的影響。假設車站站臺范圍內的縱向坡度達到了10‰，120～185 m 長的站臺一端與另一端的高度差將會達到1.2～1.85 m，這是一個不小的高差，地鐵車站的設置與設計應聚焦于便民使用上，應能較好地平衡高度差與便民設施之間的關系，充分考慮常規的通勤乘客、攜帶大件行李的乘客、出行不便的殘障人士等不同類型乘客的出行需求，加強站內無障礙設施的設計。《無障礙設計規范》(GB 50763—2012)[9]考慮輪椅的通行便利，對輪椅坡道的最大高度和水平長度做了規定，可以看出輪椅坡道的坡度從1:20～1:8 不等，即50‰～125‰，10‰左右的坡度并不會給輪椅的通行帶來不便(見表1)。

表1 輪椅坡道的最大高度和水平長度Table 1 The maximum height and horizontal length of wheelchair ramps m

2.5 車站站臺門安裝對坡度的要求

國內外目前尚未對地鐵車站站臺門安裝縱向坡度要求進行研究，其中《地鐵設計規范》(GB 50157—2013)要求“對于呈坡度的站臺，站臺門應同坡度垂直于站臺面設置。安裝站臺門的地面在站臺全長上的平整度誤差不應大于15 mm”[1]，《城市軌道交通工程設計規范》(DB11/995—2013)要求“以站臺同坡度垂直于站臺面平整安裝，安裝站臺門的地面在站臺全長上的平整度誤差不宜大于10 mm”[7]。可以看出無論國標還是北京地標，均要求站臺門與站臺同坡度安裝，而非鉛垂安裝，同時都對站臺全長的平整度提出了要求，但并未對車站站臺的縱向坡度給出要求。據了解目前國內地鐵站臺門安裝的最大坡度達到3‰，未見在更大縱坡上的安裝實例，且沒有開展相關試驗工作，從理論上來說通過加大站臺門的門機功率，站臺門的安裝縱坡是能夠提高的，后續應開展相關方面的試驗，以論證站臺坡度提高的限值。

2.6 車站設置配線對坡度的要求

為了便于對道岔進行養護和維修，道岔應該鋪設在盡可能緩的坡道上。根據我國鐵路方面的相關規定，高速鐵路及城際鐵路車站咽喉區的正線坡度在困難條件下始發站不宜大于2.5‰，中間站不宜大于6‰；而對于客貨共線鐵路以及重載鐵路，車站咽喉區的正線坡度在特殊困難條件下區段站、客運站不應大于2.5‰，中間站、會讓站、越行站不應大于10‰，咽喉區外的個別道岔和渡線的坡度不應大于限制坡度[10]。道岔設置在坡道上的最大問題是尖軌可能發生爬行，進而會影響使用安全，而且根據相關資料當道岔設置在線路縱向坡度大于10‰的區段時，更容易出現這樣的問題。因此在我國的地鐵設計規范中，普遍都要求道岔設置在不大于5‰的坡道上，困難情況下，當采用無砟道床，尖軌后端為固定接頭的道岔時，道岔是可以設置在不大于10‰的坡道上的[1,7,8]。隨著我國道岔技術的不斷提高，當前正線道岔基本上都采用了曲線尖軌和固定接頭，而且道床形式也基本上都采用無砟道床，基本上消除了上述可能存在的缺陷，因此將道岔設置在10‰的坡道上問題不大。那么，對應到本文探討的需要在地鐵既有線增設車站后，有必要在車站一端設置道岔時，從未來對道岔進行養護和維修更加有利的角度來看，10‰的縱向坡度上限是不宜突破的。

3 既有線區間增設車站的縱向坡度設計要求建議

通過以上對影響地鐵車站縱向坡度的多方面因素進行分析，本文對地鐵既有線增設車站及其配線縱向坡度選取提出一些建議。

1) 地鐵列車停放制動以及列車啟動和制動的技術性能是否可靠，是決定在既有線區間增設車站的縱向坡度是否可適度放大的關鍵，因此必須對其技術性能進行必要和足夠的校驗，才能支持縱向坡度可適度放大的結論。

2) 對于既有地下線來說，從車站縱向排水的角度考慮，車站的縱向坡度越大，排水越順暢，但這與列車停止平穩性以及列車的啟動和制動的要求是相悖的，從列車停止平穩性及列車啟動和制動角度來看，車站的縱向坡度越小越有利，但采用2‰的坡度勢必會引起既有線巨大的改造工程量，而且這種改造可行性較低，因此不必苛求車站站臺范圍內的縱向坡度必須采用2‰，而應該適當地放大，從車站建筑設計的角度考慮，建議車站的縱向坡度不宜超過10‰，對于乘客的使用、便民設施的設置更為有利，且10‰的坡度對于輪椅通行來說是可接受的。

3) 對于高架以及地面線來說，縱向排水相對地下線而言更為簡單方便，排水本身問題不大，從列車停止平穩性以及列車啟動和制動的角度進行分析，由于工程位于地上，線路也會更易受到風力或振動等外界因素的影響，站臺范圍內盡可能采用平坡會更加有利，雖然既有地鐵高架線或地面線采用平坡的概率相對較大，但是依然不排除在需要增設車站的區段縱向坡度不是平坡，因此不必要求在既有高架及地面線區間增設車站的縱向坡度必須是平坡，應該適當地給予放大，綜合考慮外界環境的影響，建議車站的縱向坡度值相較于地下線的10‰宜略小一些。

4) 站臺門的安裝也是車站縱向坡度的一個限制因素，但限于目前對更大坡度的站臺門安裝及開閉的研究以及試驗都不夠充分，建議國內站臺門的生產安裝及檢修廠家開展相關的試驗，為縱坡值的確定提供建議。

5) 對于有設置配線需求的車站，建議允許設置道岔的縱向坡度不宜超過現有規范10‰的規定，這樣對于道岔的養護和維修較為有利。

綜合來看，本文根據以上分析建議地鐵既有線區間增設車站及配線縱向坡度上限值取10‰，可以在某些有需求的既有線改造工程中進行試驗，待運營經驗成熟后再形成相關的規范條文，供行業使用。

4 結語

本文對于在地鐵既有線增設車站及其配線的縱向坡度設計問題進行了探討，從幾個角度對縱向坡度的要求進行了初步分析，并提出了一些建議，供同行參考。但這種初步的分析并不足以作為實際工程設計中的依據，對于本文所探討的類似問題，還需要行業主管部門、社會團體組織、同業相關單位等多方努力，總結更多實踐經驗，經充分試驗以后形成相關規范條文，才能有效地解決實際工作中遇到的問題。