李 睿，李曉飛，歐陽(yáng)全裕

(天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院，天津 300051)

地下鐵道屬市政公交系統(tǒng)的城市軌道交通客運(yùn)專(zhuān)線性質(zhì)，它有別于客貨混運(yùn)常規(guī)鐵路，也不同于城際間的高(快)速鐵路客運(yùn)專(zhuān)線，針對(duì)地鐵的自身特點(diǎn)，僅就其線路縱斷面設(shè)計(jì)進(jìn)行論述，著重對(duì)最大坡度的設(shè)置，以及現(xiàn)行《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50157—2003)中對(duì)相鄰坡度差最大值限值尚無(wú)明確規(guī)定等問(wèn)題進(jìn)行較深入研討，并指出因此往往導(dǎo)致設(shè)計(jì)者尤其是新手拉坡的隨意性大，容易出現(xiàn)設(shè)計(jì)違規(guī)問(wèn)題，為此提出設(shè)計(jì)應(yīng)注意事項(xiàng)及檢算方法，并對(duì)坡度差限值提出建議性意見(jiàn)。

1 地下線路埋置深度

地下線路埋置深度指線路縱斷面設(shè)計(jì)軌頂高程與相應(yīng)處的地面自然高程的高程差數(shù)，車(chē)站地段與區(qū)間線路由于施工方法不同，埋置深度對(duì)工程造價(jià)影響甚大，應(yīng)遵循不同的設(shè)計(jì)原則，簡(jiǎn)述如下。

1.1 車(chē)站地段埋深

地下車(chē)站結(jié)構(gòu)復(fù)雜，施工難度大，目前國(guó)內(nèi)基本上多采用明挖法施工，為節(jié)省工程投資，原則上應(yīng)盡可能淺埋，車(chē)站段線路設(shè)計(jì)軌頂高程應(yīng)根據(jù)站臺(tái)高度、站臺(tái)層凈高、結(jié)構(gòu)中隔板厚度、站廳層凈高、結(jié)構(gòu)頂板厚度、覆土厚度等要求計(jì)算確定，其中覆土厚度除應(yīng)滿足凍土厚度(寒冷地區(qū))外，還應(yīng)考慮該車(chē)站地段地下現(xiàn)存及規(guī)劃各類(lèi)市政管線埋深及擬定的改移或保留等處理方案確定覆土厚度。

1.2 區(qū)間線路埋深

地下線采用明挖法施工時(shí)，為減少土方開(kāi)挖量，區(qū)間線路埋深越淺越節(jié)省工程投資。當(dāng)采用暗挖法施工時(shí)，一般應(yīng)選擇較深的好地層，工程投資相對(duì)增大。

具體覆土厚度應(yīng)根據(jù)地面不同因素，必要時(shí)與相關(guān)專(zhuān)業(yè)或城市有關(guān)部門(mén)共同協(xié)商確定。

區(qū)間地下線路當(dāng)前通常采用盾構(gòu)法施工，現(xiàn)行《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50157—2003)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《設(shè)規(guī)》)規(guī)定，“盾構(gòu)法施工的區(qū)間隧道覆土厚度不宜小于隧道外輪廓直徑，確有技術(shù)依據(jù)時(shí)，允許在局部地段適當(dāng)減少。”盾構(gòu)法施工的線路埋深對(duì)工程造價(jià)影響相對(duì)較小，當(dāng)遇到不良地質(zhì)條件如淤泥質(zhì)及流沙地層，應(yīng)盡量考慮躲避。

線路穿越河流時(shí)，要了解河道的現(xiàn)有河底高程和規(guī)劃河底高程，然后根據(jù)采用的隧道結(jié)構(gòu)及工法確定結(jié)構(gòu)頂與河底的安全距離。

當(dāng)線路必須在建筑物樁基下穿過(guò)時(shí)，要探明樁基類(lèi)型和深度，以確定施工方法和結(jié)構(gòu)頂至樁底的安全距離，必要時(shí)采取加固防護(hù)措施，確保工程安全，合理設(shè)計(jì)線路埋深。

2 線路縱坡設(shè)計(jì)

2.1 地鐵正線縱坡設(shè)計(jì)一般規(guī)定［1］

正線的最大坡度不宜大于30‰，困難地段可采用35‰;

正線最小坡度在隧道和路塹地段不宜小于3‰，困難地段在確保排水條件下可采用小于3‰的坡度，地面和高架橋上在采取了排水措施后不受限制;

車(chē)站地段正線坡度:為防止停站車(chē)輛溜動(dòng)和隧道內(nèi)排水需要，地下車(chē)站站臺(tái)計(jì)算長(zhǎng)度段線路坡度宜采用2‰，在困難條件下可設(shè)在不大于3‰的坡道上;地面和高架橋上的車(chē)站宜設(shè)在平道上，在困難地段也可設(shè)在不大于3‰的坡道上。

兩相鄰坡段的坡度代數(shù)差等于或大于2‰時(shí)，應(yīng)設(shè)圓曲線型的豎曲線連接，其半徑在區(qū)間一般情況5 000 m，困難情況3 000 m，車(chē)站端部一般情況3 000 m，困難情況2 000 m。

對(duì)上述地下車(chē)站正線坡度問(wèn)題，近年來(lái)有業(yè)內(nèi)人士提出，為方便站臺(tái)層設(shè)備安裝，地面裝修，車(chē)站段正線縱坡擬設(shè)平坡，利用軌道整體道床排水溝自站中心向兩端設(shè)人字坡排水，或?qū)④?chē)站段結(jié)構(gòu)地板做成一面坡解決排水問(wèn)題。目前國(guó)內(nèi)已建或在建的絕大多數(shù)地鐵工程地下車(chē)站段正線坡度設(shè)計(jì)仍按現(xiàn)行地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范執(zhí)行。

2.2 車(chē)站兩端節(jié)能型縱坡設(shè)計(jì)

《設(shè)規(guī)》規(guī)定，“有條件時(shí)車(chē)站宜布置在縱斷面的凸型部位上，并設(shè)置合理的進(jìn)出站坡度”。車(chē)站設(shè)在線路縱斷面的高處，兩端大下坡，稱(chēng)為節(jié)能破。列車(chē)從車(chē)站啟動(dòng)后，借助下坡的勢(shì)能增加列車(chē)加速度，縮短列車(chē)牽引時(shí)間，從而達(dá)到節(jié)能的目的。列車(chē)進(jìn)站停車(chē)可借助坡度阻力，降低列車(chē)速度，縮短制動(dòng)時(shí)間，減少制動(dòng)發(fā)熱，節(jié)約環(huán)控能量消耗［3］。

節(jié)能型坡道應(yīng)盡量靠近車(chē)站，豎曲線頭宜貼近站臺(tái)端部，以發(fā)揮最大節(jié)能效果。節(jié)能坡道長(zhǎng)度一般宜在200～300 m。坡度值視左右線隧道結(jié)構(gòu)而異，當(dāng)左右線分為兩單線隧道時(shí)，兩線在區(qū)間可以不等高，列車(chē)出站方向的坡度值可用足最大坡度，進(jìn)站方向的坡度值減小5‰左右;當(dāng)左右線并行共用一個(gè)隧道結(jié)構(gòu)時(shí)，因左、右線要求等高，進(jìn)出站的坡度均宜較最大坡度減小 5‰左右［3］。

車(chē)站主體結(jié)構(gòu)采用明挖法施工，區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)采用盾構(gòu)法施工，則有條件實(shí)行節(jié)能型的縱斷面設(shè)計(jì)。若區(qū)間結(jié)構(gòu)也是采用明挖法施工，節(jié)能型縱斷面將加大區(qū)間線路埋深，增加工程投資，縱斷面一般不設(shè)計(jì)成節(jié)能型。

2.3 區(qū)間線路縱坡設(shè)計(jì)

2.3.1 最大坡度的設(shè)置

除車(chē)站兩端的節(jié)能坡道外，區(qū)間一般宜用緩坡，避免列車(chē)交替使用制動(dòng)又給電牽引，有利于減少能耗和運(yùn)營(yíng)成本，提高列車(chē)行車(chē)平穩(wěn)性和乘客舒適度，但有局部地段工程為盡快爭(zhēng)取高程需要，必須采用較大的甚至最大坡度，例如隧道至高架橋(或相反)的過(guò)渡段，穿越河流及下穿建筑物樁基地段、地面高架線跨越城市橋梁地段等。對(duì)橋隧過(guò)渡敞口地段大坡度，在寒冷地區(qū)還要適當(dāng)考慮降雪軌面結(jié)冰影響動(dòng)車(chē)牽引的不利因素，例如天津地鐵1號(hào)線土城站后隧橋過(guò)渡敞口段［8］，有車(chē)輛專(zhuān)家提出宜用26‰坡度，設(shè)計(jì)加蓋雨棚實(shí)際采用27‰坡度，運(yùn)營(yíng)6年多來(lái)狀況良好［12］。穿越河流和下穿建筑物樁基地段的坡度值可采用《設(shè)規(guī)》規(guī)定的最大坡度30‰，實(shí)際設(shè)計(jì)中有條件時(shí)一般也考慮適當(dāng)放緩。該地段往往是反向大坡段，為避免過(guò)大坡度差，中間宜用緩坡段相連接。例如天津地鐵6號(hào)線有2處困難地段設(shè)計(jì)了2個(gè)反向大下坡直接相連，坡度差達(dá)50‰以上，工程可行性研究報(bào)告審查會(huì)上專(zhuān)家對(duì)此提出了修改意見(jiàn)［10］。

2.3.2 最小坡段長(zhǎng)度

(1)站坪坡段最小長(zhǎng)度:《設(shè)規(guī)》規(guī)定:“車(chē)站站臺(tái)計(jì)算長(zhǎng)度內(nèi)不得設(shè)置豎曲線”，以保證站臺(tái)平整和乘客安全，并便于車(chē)站設(shè)計(jì)施工。設(shè)站坪坡度2‰，車(chē)站兩端節(jié)能坡25‰，則兩端相鄰坡度差分別為27‰和23‰，按半徑3 000 m計(jì)算豎曲線切線長(zhǎng)分別為40.5 m和34.5 m，以當(dāng)前國(guó)內(nèi)地鐵常采用的國(guó)產(chǎn)B型車(chē)6節(jié)編組為例，列車(chē)計(jì)算長(zhǎng)度取整為120 m，則站坪坡段最小長(zhǎng)度為40.5+120+34.5=195 m，取整為200 m。為便于車(chē)站布置留有余地，通?？稍O(shè)計(jì)為250 m。當(dāng)采用其他較長(zhǎng)車(chē)型或列車(chē)編組較多時(shí)，則站坪坡段最小長(zhǎng)度應(yīng)相應(yīng)加長(zhǎng)。帶有配線的車(chē)站應(yīng)根據(jù)岔線布置要求設(shè)計(jì)站坪坡段長(zhǎng)度。

(2)區(qū)間線路最小坡段長(zhǎng)度:《設(shè)規(guī)》規(guī)定:“線路坡段長(zhǎng)度不宜小于遠(yuǎn)期列車(chē)計(jì)算長(zhǎng)度”，使一列列車(chē)范圍內(nèi)只有一個(gè)變坡點(diǎn)，避免變坡點(diǎn)附加力的疊加影響和附加力的頻繁變化，以保證行車(chē)的平穩(wěn)。還規(guī)定應(yīng)滿足相鄰豎曲線間夾直線長(zhǎng)度不宜小于50 m，使豎曲線既不相互重疊，又相隔一定距離，有利于列車(chē)運(yùn)行和線路維修養(yǎng)護(hù)。區(qū)間線路較站端行車(chē)速度較高，為提高行車(chē)平順性和乘客舒適度，豎曲線需采用較大半徑，一般情況為5 000 m。相鄰兩變坡點(diǎn)的坡度差設(shè)定均為最大30‰，則其豎曲線切線長(zhǎng)均為75 m，仍以上述列車(chē)長(zhǎng)度120 m為例，則最小坡段長(zhǎng)度為:(75+50+75)m=200 m＞120 m，可見(jiàn)當(dāng)兩相鄰變坡點(diǎn)坡度差均控制在30‰以?xún)?nèi)時(shí)，則區(qū)間線路坡段最小長(zhǎng)度可設(shè)計(jì)為200 m。

當(dāng)相鄰兩變坡點(diǎn)坡度差大于30‰時(shí)，則最小坡段長(zhǎng)度應(yīng)相應(yīng)加長(zhǎng)。由于現(xiàn)行《設(shè)規(guī)》對(duì)變坡點(diǎn)坡度差最大值沒(méi)有明確規(guī)定，加之豎曲線和緩和曲線重疊也不受限制(因地鐵多采用混凝土整體道床)，因而線路拉坡時(shí)隨意性大，往往將相鄰兩反向大坡度直接相連產(chǎn)生很大的坡度差，又疏忽了檢算，容易發(fā)生豎曲線間夾直線長(zhǎng)度不滿足要求的設(shè)計(jì)違規(guī)問(wèn)題，對(duì)此設(shè)計(jì)者尤其是新手應(yīng)引起足夠重視。

2.3.3 最大坡度差限值研討

相鄰坡段坡度差，不同類(lèi)別的鐵路都有明確的限制規(guī)定，以客貨混運(yùn)的常規(guī)鐵路為例，20世紀(jì)70、80年代的《線規(guī)》規(guī)定，坡度差不應(yīng)大于重車(chē)方向的限制坡度值［11］?，F(xiàn)行《鐵路線路設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50090—2006)對(duì)坡度差值作出了更詳細(xì)的規(guī)定，根據(jù)列車(chē)通過(guò)變坡點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生的縱向力不大于車(chē)鉤強(qiáng)度和不同列車(chē)牽引定數(shù)這兩個(gè)因素分為4檔，一般為8‰、10‰、12‰、15‰，困難情況為 10‰、12‰、15‰、18‰［2］。地鐵不同于常規(guī)客貨混運(yùn)常規(guī)鐵路，地鐵是客運(yùn)專(zhuān)線，沒(méi)有貨運(yùn)，列車(chē)種類(lèi)、牽引質(zhì)量單一，其動(dòng)車(chē)組牽引力充裕，但因地鐵是城市軌道交通客運(yùn)專(zhuān)線，故對(duì)其行車(chē)平穩(wěn)性和乘客舒適度應(yīng)是重點(diǎn)考慮的因素，坡度差過(guò)大，對(duì)此影響較大，同時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)施工、運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)也帶來(lái)不利影響，因此，對(duì)地鐵坡度差最大值宜有所限制，論述如下。

(1)行車(chē)平穩(wěn)性和乘客舒適度

列車(chē)通過(guò)變坡點(diǎn)時(shí)要產(chǎn)生附加力和附加加速度，引起車(chē)輛振動(dòng)和局部加速度增大，變坡點(diǎn)采用豎曲線連接可得到有效緩解。但當(dāng)列車(chē)通過(guò)豎曲線時(shí)，產(chǎn)生的豎向離心加速度未被平衡部分仍將影響乘客舒適度。當(dāng)變坡點(diǎn)坡度差過(guò)大，即相鄰兩反向大坡道，列車(chē)交替降速加速，影響行車(chē)平穩(wěn)性，因而也降低了乘客舒適度。

(2)方便設(shè)計(jì)

由于地鐵站間距離短，市區(qū)一般1 km左右，扣除站坪及站端坡段，區(qū)間線路縱坡往往只能設(shè)計(jì)成短坡段，通常多采用200 m。如前所述，當(dāng)相鄰坡段坡度差控制在30‰以?xún)?nèi)時(shí)，設(shè)計(jì)最小坡段200 m無(wú)須檢算即可滿足豎曲線間夾直線長(zhǎng)度規(guī)定，從而可避免坡度差過(guò)大容易發(fā)生的設(shè)計(jì)違規(guī)問(wèn)題。

(3)有利施工［12］

變坡點(diǎn)豎曲線地段線路高程需要調(diào)整，當(dāng)調(diào)整量大于整體道床厚度允許調(diào)整量時(shí)，需通過(guò)調(diào)整結(jié)構(gòu)高程來(lái)實(shí)現(xiàn)。如地下線框構(gòu)施工需要通過(guò)結(jié)構(gòu)變截面降低底板(凸形變坡點(diǎn))或抬高頂板(凹形變坡點(diǎn))來(lái)滿足調(diào)整量。而盾構(gòu)施工時(shí)，豎曲線地段線路高程調(diào)整量只能在盾構(gòu)推進(jìn)中進(jìn)行調(diào)控實(shí)現(xiàn)，給施工帶來(lái)難度，坡度差越大，調(diào)整量越大，調(diào)整地段越長(zhǎng)，如坡度差為30‰時(shí)，高程調(diào)整量最大處563 mm，調(diào)整地段長(zhǎng)度達(dá)150 m，若坡度差再大，則盾構(gòu)推進(jìn)調(diào)控難度更大，對(duì)此施工部門(mén)反映強(qiáng)烈。

(4)軌道養(yǎng)護(hù)維修

如前所述，列車(chē)通過(guò)變坡點(diǎn)要產(chǎn)生附加力和附加加速度對(duì)軌道產(chǎn)生沖擊，故變坡點(diǎn)處豎曲線地段和線路平面曲線地段一樣，都是線路的薄弱環(huán)節(jié)，是軌道養(yǎng)護(hù)維修的重點(diǎn)地段，坡度差越大，豎曲線越長(zhǎng)，例如坡度差30‰，則豎曲線已長(zhǎng)達(dá)150 m，若坡度差再大，豎曲線更長(zhǎng)，勢(shì)必增加運(yùn)營(yíng)期間的軌道養(yǎng)護(hù)維修工作量和費(fèi)用。

綜上所述，從提高乘客舒適度，方便設(shè)計(jì)施工，減少養(yǎng)護(hù)維修和運(yùn)營(yíng)費(fèi)用等多方面考慮，認(rèn)為對(duì)坡度差最大值應(yīng)有所限制為宜。據(jù)了解，在工程實(shí)踐中，地鐵線路縱坡設(shè)計(jì)對(duì)坡度差值實(shí)際上有所控制，例如北京地鐵一期工程線路設(shè)計(jì)中，規(guī)定兩相反方向的坡段連接時(shí)，其中一個(gè)方向的坡度不應(yīng)大于5‰，在二期工程中放寬至10‰。根據(jù)以上分析，并考慮便于設(shè)計(jì)操作，建議對(duì)地鐵線路相鄰坡段坡度代數(shù)差最大值取《設(shè)規(guī)》規(guī)定的最大坡度值30‰，困難地段35‰。

3 地下線路縱斷面與排水泵站的配合

地下線不同于一般鐵路隧道，地下車(chē)站和區(qū)間為排出結(jié)構(gòu)滲漏水及消防、沖洗廢水，必須設(shè)置排水泵站，通過(guò)設(shè)在線路上的軌道排水溝，水自流集中到線路坡道最低點(diǎn)處的排水泵站集水池，然后提升排入地面城市排水系統(tǒng)。雙線并行地段為節(jié)省工程投資，一般共用一個(gè)排水泵站。地鐵縱斷面設(shè)計(jì)以右線為準(zhǔn)，當(dāng)左右線隧道結(jié)構(gòu)采用單洞單線時(shí)，要求左線縱斷面設(shè)計(jì)最低點(diǎn)位置，處于右線最低點(diǎn)同一斷面處，錯(cuò)動(dòng)量不宜大于20 m。最低點(diǎn)高程宜相等，可允許有30 cm以?xún)?nèi)高差。左右線之間若有連接通道，左右線高程宜相同，允許有50 cm以?xún)?nèi)高差［3］。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)地鐵不同于常規(guī)鐵路的自身特點(diǎn)，結(jié)合多年工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，論述了地鐵縱斷面設(shè)計(jì)及注意事項(xiàng)，最小坡段長(zhǎng)度200 m與兩端坡度差的關(guān)系及檢算方法，并重點(diǎn)對(duì)最大坡度的設(shè)置及現(xiàn)行《設(shè)規(guī)》中尚無(wú)明確規(guī)定的相鄰坡度差最大值問(wèn)題進(jìn)行較詳細(xì)研討，并提出了建議性意見(jiàn):相鄰坡度差限值取《設(shè)規(guī)》規(guī)定的最大坡度值30‰，困難地段35‰?！皰伌u引玉”，愿與同行們共同探討。

［1］北京城建設(shè)計(jì)研究總院.GB50157—2003 地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2003.

［2］中華人民共和國(guó)鐵道部.GB50090—2006 鐵路線路設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2006.

［3］施仲衡.地下鐵道設(shè)計(jì)與施工［M］.西安:陜西科學(xué)技術(shù)出版社，1997.

［4］中華人民共和國(guó)建設(shè)部.建標(biāo)104—108 城市軌道交通工程項(xiàng)目建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2008.

［5］鐵道第二勘察設(shè)計(jì)院.TB10003—2005 J449—2005 鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2005.

［6］鐵道部經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研究院.TB10082—2005 J448—2005 鐵路軌道設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2005.

［7］上海申通軌道交通研究咨詢(xún)有限公司，上海市隧道工程軌道交通設(shè)計(jì)研究院.STB/ZH—000001—2010 上海城市軌道交通工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(暫行)［S］.上海:上海申通軌道交通研究咨詢(xún)有限公司，上海市隧道工程軌道交通設(shè)計(jì)研究院，2010.

［8］鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院.天津地鐵1號(hào)線施工圖設(shè)計(jì)文件線路篇［Z］.天津:鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院，2002.

［9］鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.天津地鐵3號(hào)線施工圖設(shè)計(jì)文件線路篇［Z］.天津:鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，2009.

［10］天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院.天津地鐵6號(hào)線工程可行性研究報(bào)告［R］.天津:天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院，2011.

［11］郝瀛.鐵道工程［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2000.

［12］歐陽(yáng)全裕.地鐵輕軌線路設(shè)計(jì)［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007.