地铁线路纵断面设计探讨

李 睿，李晓飞，欧阳全裕

(天津市市政工程设计研究院，天津 300051)

地下铁道属市政公交系统的城市轨道交通客运专线性质，它有别于客货混运常规铁路，也不同于城际间的高(快)速铁路客运专线，针对地铁的自身特点，仅就其线路纵断面设计进行论述，着重对最大坡度的设置，以及现行《地铁设计规范》(GB50157—2003)中对相邻坡度差最大值限值尚无明确规定等问题进行较深入研讨，并指出因此往往导致设计者尤其是新手拉坡的随意性大，容易出现设计违规问题，为此提出设计应注意事项及检算方法，并对坡度差限值提出建议性意见。

1 地下线路埋置深度

地下线路埋置深度指线路纵断面设计轨顶高程与相应处的地面自然高程的高程差数，车站地段与区间线路由于施工方法不同，埋置深度对工程造价影响甚大，应遵循不同的设计原则，简述如下。

1.1 车站地段埋深

地下车站结构复杂，施工难度大，目前国内基本上多采用明挖法施工，为节省工程投资，原则上应尽可能浅埋，车站段线路设计轨顶高程应根据站台高度、站台层净高、结构中隔板厚度、站厅层净高、结构顶板厚度、覆土厚度等要求计算确定，其中覆土厚度除应满足冻土厚度(寒冷地区)外，还应考虑该车站地段地下现存及规划各类市政管线埋深及拟定的改移或保留等处理方案确定覆土厚度。

1.2 区间线路埋深

地下线采用明挖法施工时，为减少土方开挖量，区间线路埋深越浅越节省工程投资。当采用暗挖法施工时，一般应选择较深的好地层，工程投资相对增大。

具体覆土厚度应根据地面不同因素，必要时与相关专业或城市有关部门共同协商确定。

区间地下线路当前通常采用盾构法施工，现行《地铁设计规范》(GB50157—2003)(以下简称《设规》)规定，“盾构法施工的区间隧道覆土厚度不宜小于隧道外轮廓直径，确有技术依据时，允许在局部地段适当减少。”盾构法施工的线路埋深对工程造价影响相对较小，当遇到不良地质条件如淤泥质及流沙地层，应尽量考虑躲避。

线路穿越河流时，要了解河道的现有河底高程和规划河底高程，然后根据采用的隧道结构及工法确定结构顶与河底的安全距离。

当线路必须在建筑物桩基下穿过时，要探明桩基类型和深度，以确定施工方法和结构顶至桩底的安全距离，必要时采取加固防护措施，确保工程安全，合理设计线路埋深。

2 线路纵坡设计

2.1 地铁正线纵坡设计一般规定［1］

正线的最大坡度不宜大于30‰，困难地段可采用35‰;

正线最小坡度在隧道和路堑地段不宜小于3‰，困难地段在确保排水条件下可采用小于3‰的坡度，地面和高架桥上在采取了排水措施后不受限制;

车站地段正线坡度:为防止停站车辆溜动和隧道内排水需要，地下车站站台计算长度段线路坡度宜采用2‰，在困难条件下可设在不大于3‰的坡道上;地面和高架桥上的车站宜设在平道上，在困难地段也可设在不大于3‰的坡道上。

两相邻坡段的坡度代数差等于或大于2‰时，应设圆曲线型的竖曲线连接，其半径在区间一般情况5 000 m，困难情况3 000 m，车站端部一般情况3 000 m，困难情况2 000 m。

对上述地下车站正线坡度问题，近年来有业内人士提出，为方便站台层设备安装，地面装修，车站段正线纵坡拟设平坡，利用轨道整体道床排水沟自站中心向两端设人字坡排水，或将车站段结构地板做成一面坡解决排水问题。目前国内已建或在建的绝大多数地铁工程地下车站段正线坡度设计仍按现行地铁设计规范执行。

2.2 车站两端节能型纵坡设计

《设规》规定，“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”。车站设在线路纵断面的高处，两端大下坡，称为节能破。列车从车站启动后，借助下坡的势能增加列车加速度，缩短列车牵引时间，从而达到节能的目的。列车进站停车可借助坡度阻力，降低列车速度，缩短制动时间，减少制动发热，节约环控能量消耗［3］。

节能型坡道应尽量靠近车站，竖曲线头宜贴近站台端部，以发挥最大节能效果。节能坡道长度一般宜在200～300 m。坡度值视左右线隧道结构而异，当左右线分为两单线隧道时，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，进站方向的坡度值减小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减小 5‰左右［3］。

车站主体结构采用明挖法施工，区间隧道结构采用盾构法施工，则有条件实行节能型的纵断面设计。若区间结构也是采用明挖法施工，节能型纵断面将加大区间线路埋深，增加工程投资，纵断面一般不设计成节能型。

2.3 区间线路纵坡设计

2.3.1 最大坡度的设置

除车站两端的节能坡道外，区间一般宜用缓坡，避免列车交替使用制动又给电牵引，有利于减少能耗和运营成本，提高列车行车平稳性和乘客舒适度，但有局部地段工程为尽快争取高程需要，必须采用较大的甚至最大坡度，例如隧道至高架桥(或相反)的过渡段，穿越河流及下穿建筑物桩基地段、地面高架线跨越城市桥梁地段等。对桥隧过渡敞口地段大坡度，在寒冷地区还要适当考虑降雪轨面结冰影响动车牵引的不利因素，例如天津地铁1号线土城站后隧桥过渡敞口段［8］，有车辆专家提出宜用26‰坡度，设计加盖雨棚实际采用27‰坡度，运营6年多来状况良好［12］。穿越河流和下穿建筑物桩基地段的坡度值可采用《设规》规定的最大坡度30‰，实际设计中有条件时一般也考虑适当放缓。该地段往往是反向大坡段，为避免过大坡度差，中间宜用缓坡段相连接。例如天津地铁6号线有2处困难地段设计了2个反向大下坡直接相连，坡度差达50‰以上，工程可行性研究报告审查会上专家对此提出了修改意见［10］。

2.3.2 最小坡段长度

(1)站坪坡段最小长度:《设规》规定:“车站站台计算长度内不得设置竖曲线”，以保证站台平整和乘客安全，并便于车站设计施工。设站坪坡度2‰，车站两端节能坡25‰，则两端相邻坡度差分别为27‰和23‰，按半径3 000 m计算竖曲线切线长分别为40.5 m和34.5 m，以当前国内地铁常采用的国产B型车6节编组为例，列车计算长度取整为120 m，则站坪坡段最小长度为40.5+120+34.5=195 m，取整为200 m。为便于车站布置留有余地，通常可设计为250 m。当采用其他较长车型或列车编组较多时，则站坪坡段最小长度应相应加长。带有配线的车站应根据岔线布置要求设计站坪坡段长度。

(2)区间线路最小坡段长度:《设规》规定:“线路坡段长度不宜小于远期列车计算长度”，使一列列车范围内只有一个变坡点，避免变坡点附加力的叠加影响和附加力的频繁变化，以保证行车的平稳。还规定应满足相邻竖曲线间夹直线长度不宜小于50 m，使竖曲线既不相互重叠，又相隔一定距离，有利于列车运行和线路维修养护。区间线路较站端行车速度较高，为提高行车平顺性和乘客舒适度，竖曲线需采用较大半径，一般情况为5 000 m。相邻两变坡点的坡度差设定均为最大30‰，则其竖曲线切线长均为75 m，仍以上述列车长度120 m为例，则最小坡段长度为:(75+50+75)m=200 m＞120 m，可见当两相邻变坡点坡度差均控制在30‰以内时，则区间线路坡段最小长度可设计为200 m。

当相邻两变坡点坡度差大于30‰时，则最小坡段长度应相应加长。由于现行《设规》对变坡点坡度差最大值没有明确规定，加之竖曲线和缓和曲线重叠也不受限制(因地铁多采用混凝土整体道床)，因而线路拉坡时随意性大，往往将相邻两反向大坡度直接相连产生很大的坡度差，又疏忽了检算，容易发生竖曲线间夹直线长度不满足要求的设计违规问题，对此设计者尤其是新手应引起足够重视。

2.3.3 最大坡度差限值研讨

相邻坡段坡度差，不同类别的铁路都有明确的限制规定，以客货混运的常规铁路为例，20世纪70、80年代的《线规》规定，坡度差不应大于重车方向的限制坡度值［11］。现行《铁路线路设计规范》(GB50090—2006)对坡度差值作出了更详细的规定，根据列车通过变坡点时产生的纵向力不大于车钩强度和不同列车牵引定数这两个因素分为4档，一般为8‰、10‰、12‰、15‰，困难情况为 10‰、12‰、15‰、18‰［2］。地铁不同于常规客货混运常规铁路，地铁是客运专线，没有货运，列车种类、牵引质量单一，其动车组牵引力充裕，但因地铁是城市轨道交通客运专线，故对其行车平稳性和乘客舒适度应是重点考虑的因素，坡度差过大，对此影响较大，同时对设计施工、运营养护也带来不利影响，因此，对地铁坡度差最大值宜有所限制，论述如下。

(1)行车平稳性和乘客舒适度

列车通过变坡点时要产生附加力和附加加速度，引起车辆振动和局部加速度增大，变坡点采用竖曲线连接可得到有效缓解。但当列车通过竖曲线时，产生的竖向离心加速度未被平衡部分仍将影响乘客舒适度。当变坡点坡度差过大，即相邻两反向大坡道，列车交替降速加速，影响行车平稳性，因而也降低了乘客舒适度。

(2)方便设计

由于地铁站间距离短，市区一般1 km左右，扣除站坪及站端坡段，区间线路纵坡往往只能设计成短坡段，通常多采用200 m。如前所述，当相邻坡段坡度差控制在30‰以内时，设计最小坡段200 m无须检算即可满足竖曲线间夹直线长度规定，从而可避免坡度差过大容易发生的设计违规问题。

(3)有利施工［12］

变坡点竖曲线地段线路高程需要调整，当调整量大于整体道床厚度允许调整量时，需通过调整结构高程来实现。如地下线框构施工需要通过结构变截面降低底板(凸形变坡点)或抬高顶板(凹形变坡点)来满足调整量。而盾构施工时，竖曲线地段线路高程调整量只能在盾构推进中进行调控实现，给施工带来难度，坡度差越大，调整量越大，调整地段越长，如坡度差为30‰时，高程调整量最大处563 mm，调整地段长度达150 m，若坡度差再大，则盾构推进调控难度更大，对此施工部门反映强烈。

(4)轨道养护维修

如前所述，列车通过变坡点要产生附加力和附加加速度对轨道产生冲击，故变坡点处竖曲线地段和线路平面曲线地段一样，都是线路的薄弱环节，是轨道养护维修的重点地段，坡度差越大，竖曲线越长，例如坡度差30‰，则竖曲线已长达150 m，若坡度差再大，竖曲线更长，势必增加运营期间的轨道养护维修工作量和费用。

综上所述，从提高乘客舒适度，方便设计施工，减少养护维修和运营费用等多方面考虑，认为对坡度差最大值应有所限制为宜。据了解，在工程实践中，地铁线路纵坡设计对坡度差值实际上有所控制，例如北京地铁一期工程线路设计中，规定两相反方向的坡段连接时，其中一个方向的坡度不应大于5‰，在二期工程中放宽至10‰。根据以上分析，并考虑便于设计操作，建议对地铁线路相邻坡段坡度代数差最大值取《设规》规定的最大坡度值30‰，困难地段35‰。

3 地下线路纵断面与排水泵站的配合

地下线不同于一般铁路隧道，地下车站和区间为排出结构渗漏水及消防、冲洗废水，必须设置排水泵站，通过设在线路上的轨道排水沟，水自流集中到线路坡道最低点处的排水泵站集水池，然后提升排入地面城市排水系统。双线并行地段为节省工程投资，一般共用一个排水泵站。地铁纵断面设计以右线为准，当左右线隧道结构采用单洞单线时，要求左线纵断面设计最低点位置，处于右线最低点同一断面处，错动量不宜大于20 m。最低点高程宜相等，可允许有30 cm以内高差。左右线之间若有连接通道，左右线高程宜相同，允许有50 cm以内高差［3］。

4 结语

针对地铁不同于常规铁路的自身特点，结合多年工程实践经验，论述了地铁纵断面设计及注意事项，最小坡段长度200 m与两端坡度差的关系及检算方法，并重点对最大坡度的设置及现行《设规》中尚无明确规定的相邻坡度差最大值问题进行较详细研讨，并提出了建议性意见:相邻坡度差限值取《设规》规定的最大坡度值30‰，困难地段35‰。“抛砖引玉”，愿与同行们共同探讨。

［1］北京城建设计研究总院.GB50157—2003 地铁设计规范［S］.北京:中国计划出版社，2003.

［2］中华人民共和国铁道部.GB50090—2006 铁路线路设计规范［S］.北京:中国计划出版社，2006.

［3］施仲衡.地下铁道设计与施工［M］.西安:陕西科学技术出版社，1997.

［4］中华人民共和国建设部.建标104—108 城市轨道交通工程项目建设标准［S］.北京:中国计划出版社，2008.

［5］铁道第二勘察设计院.TB10003—2005 J449—2005 铁路隧道设计规范［S］.北京:中国铁道出版社，2005.

［6］铁道部经济规划研究院.TB10082—2005 J448—2005 铁路轨道设计规范［S］.北京:中国铁道出版社，2005.

［7］上海申通轨道交通研究咨询有限公司，上海市隧道工程轨道交通设计研究院.STB/ZH—000001—2010 上海城市轨道交通工程技术标准(暂行)［S］.上海:上海申通轨道交通研究咨询有限公司，上海市隧道工程轨道交通设计研究院，2010.

［8］铁道第三勘察设计院.天津地铁1号线施工图设计文件线路篇［Z］.天津:铁道第三勘察设计院，2002.

［9］铁道第三勘察设计院集团有限公司.天津地铁3号线施工图设计文件线路篇［Z］.天津:铁道第三勘察设计院集团有限公司，2009.

［10］天津市市政工程设计研究院.天津地铁6号线工程可行性研究报告［R］.天津:天津市市政工程设计研究院，2011.

［11］郝瀛.铁道工程［M］.北京:中国铁道出版社，2000.

［12］欧阳全裕.地铁轻轨线路设计［M］.北京:中国建筑工业出版社，2007.