雙邊控制法在地鐵調(diào)坡設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

劉延晨

（廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東廣州 510010）

雙邊控制法在地鐵調(diào)坡設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

劉延晨

（廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東廣州 510010）

在線路調(diào)線調(diào)坡階段，由于缺乏簡單實(shí)用的軟件，設(shè)計(jì)人員主要依靠手工計(jì)算的方式進(jìn)行線路調(diào)坡設(shè)計(jì)，但該方法會(huì)影響地鐵設(shè)計(jì)質(zhì)量和工程進(jìn)度。針對此問題提出雙邊控制法，結(jié)合測量、地鐵限界和橋梁資料，系統(tǒng)地介紹了地鐵高架線、隧道線的雙邊控制線的確定方案，并將地鐵線路設(shè)計(jì)軟件應(yīng)用到地鐵調(diào)坡設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)了地鐵調(diào)坡設(shè)計(jì)自動(dòng)化、可視化，進(jìn)一步提高了工作效率。該方法已成功應(yīng)用于南京地鐵機(jī)場線調(diào)坡設(shè)計(jì)中，也可為類似工程線路調(diào)坡設(shè)計(jì)提供參考。

雙邊控制法；地鐵調(diào)坡設(shè)計(jì)；限界；地鐵隧道；地鐵高架橋

0 引言

線路調(diào)線調(diào)坡是在城市軌道交通土建工程完成之后鋪軌工程尚未開始時(shí)的一項(xiàng)重要工作［1］，線路調(diào)坡設(shè)計(jì)是調(diào)線調(diào)坡階段重要組成部分之一，必須引起重視［2］。地鐵調(diào)坡設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)是實(shí)測限界是否滿足設(shè)計(jì)限界，若不滿足，則需根據(jù)侵限值的大小進(jìn)行調(diào)坡設(shè)計(jì)［3－6］。線路調(diào)坡設(shè)計(jì)主要是對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，即大量的實(shí)測限界與設(shè)計(jì)限界的比較。國內(nèi)常用的數(shù)據(jù)處理方式有2種：一種是手工計(jì)算，即采用Excel辦公軟件批處理后進(jìn)行調(diào)坡設(shè)計(jì)，但這種方式效率低、可視化效果差；另一種是通過自編程序的方式進(jìn)行調(diào)坡設(shè)計(jì)［7］，這種方式效率高，但需要重新自編程序或購買軟件等，讓很多設(shè)計(jì)人員望而卻步。

為了更好地開展地鐵調(diào)坡設(shè)計(jì)工作，本文提出雙邊控制法，借助既有地鐵線路平縱設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行調(diào)坡設(shè)計(jì)，可避免手工計(jì)算、自編程序或購買新軟件；在線路縱斷設(shè)計(jì)軟件界面中引入雙邊控制線的概念，限定軌面允許調(diào)整范圍，以實(shí)現(xiàn)調(diào)坡設(shè)計(jì)可視化；同時(shí)利用既有軟件自帶的設(shè)計(jì)工具，實(shí)現(xiàn)調(diào)坡設(shè)計(jì)自動(dòng)化。

1 地鐵線路設(shè)計(jì)CAD軟件

國內(nèi)常用的地鐵線路設(shè)計(jì)CAD軟件主要有科寶華地鐵平縱斷面CAD系統(tǒng)、中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司和北京城建設(shè)計(jì)研究院各自編寫的平縱斷面設(shè)計(jì)軟件等，其共同特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了線路設(shè)計(jì)自動(dòng)化，且平縱斷面設(shè)計(jì)界面可視化效果好。但由于缺乏簡單實(shí)用的理論支撐，既有線路設(shè)計(jì)軟件在調(diào)線調(diào)坡階段適用性不強(qiáng)。如果能通過簡單實(shí)用的理論方法將地鐵線路設(shè)計(jì)軟件應(yīng)用到地鐵調(diào)坡設(shè)計(jì)中，則可實(shí)現(xiàn)地鐵調(diào)坡設(shè)計(jì)自動(dòng)化、可視化和提高工作效率的目的。

2 雙邊控制法原理

2.1 基本原理

雙邊控制法是指軌面方案線的確定，受到與其相關(guān)的上、下2條控制線的影響和制約，而這2條控制線是由一系列的離散點(diǎn)繪制而成。雙邊控制線一旦穩(wěn)定，2條線之間的區(qū)域即為地鐵線路調(diào)坡設(shè)計(jì)軌面上下移動(dòng)的范圍，如圖1所示。按照此方法進(jìn)行線路調(diào)坡設(shè)計(jì)，必須先繪制出限定線路軌面上、下調(diào)整的控制線，上、下控制線之間的范圍即為線路軌面滿足豎向限界的范圍，對于超出此范圍的，可通過改變線路縱斷面坡長、坡度等，使之位于雙邊控制線之間，即可滿足調(diào)坡要求。

圖1 雙邊控制法示意圖Fig.1 Sketch of double side control method

2.2 土建結(jié)構(gòu)斷面測量

城市軌道交通土建基礎(chǔ)完成后，測量單位依據(jù)設(shè)計(jì)單位要求，間隔5～10 m需測量一組土建結(jié)構(gòu)內(nèi)斷面［8］。每個(gè)斷面豎向測量中，國內(nèi)各設(shè)計(jì)院提出的設(shè)計(jì)要求基本一致，測量線路中心線正下方底板和正上方頂板（高架橋除外）的高程，且測量高程數(shù)據(jù)與線路里程對應(yīng)。

國內(nèi)大部分地鐵線路長度均在20 km以上，以南京地鐵機(jī)場線為例，線路全長約35.8 km，如果間隔5～10 m測量一組數(shù)據(jù)，則需測量3 580～7 160組數(shù)據(jù)（不考慮局部加密測量數(shù)據(jù)的情況），數(shù)據(jù)量之大可想而知，設(shè)計(jì)人員處理大量的數(shù)據(jù)也會(huì)感到很枯燥。

2.3 限界

限界是限定車輛運(yùn)行及軌道周圍構(gòu)筑物超越的輪廓線，分為車輛限界、設(shè)備限界和建筑限界3種，是工程建設(shè)、管線和設(shè)備安裝位置等必須遵守的依據(jù)［9］。因此，施工圖設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)人員為保證土建結(jié)構(gòu)不侵限，會(huì)在建筑限界的基礎(chǔ)上預(yù)留5～15 cm作為施工誤差。

建筑限界分為矩形隧道建筑限界、馬蹄形隧道建筑限界、圓形隧道建筑限界、高架線及地面線建筑限界和車輛段車場線建筑限界。建筑限界是雙邊控制線與底板線（或頂板線）互算的重要依據(jù)之一。

2.4 橋梁

橋梁主要承受橋梁自重、道床及車輛動(dòng)荷載等。橋梁一旦建成，其最大承載力就很難再加大，因此，施工圖設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)人員都會(huì)在滿足承受橋梁自重、道床及車輛動(dòng)荷載的條件下，留有一定的富余量。而調(diào)坡設(shè)計(jì)時(shí)需與橋梁專業(yè)人員進(jìn)行溝通，把橋梁富余量換算為道床高度。

根據(jù)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》，高架標(biāo)準(zhǔn)段橋梁整體道床厚道在500～520 mm，道床存在最小的施工厚度為500 mm。

2.5 底板線和頂板線

得到土建斷面測量數(shù)據(jù)后，根據(jù)線路里程將每個(gè)斷面的底板高程輸入到地鐵線路設(shè)計(jì)CAD軟件縱斷面界面中（可根據(jù)不同設(shè)計(jì)軟件批處理輸入，如科寶華有繪制地面線功能等），可在軌面線下方出現(xiàn)一系列離散點(diǎn)，將這些離散點(diǎn)依次連接得到底板線，同樣方法也可得到頂板線。底板線或頂板線是確定雙邊控制線的基礎(chǔ)。

2.6 雙邊控制線

城市軌道交通常見的土建基礎(chǔ)可分為地下隧道、高架橋梁和路基3類，根據(jù)不同土建形式介紹其雙邊控制線的確定方法。

2.6.1 地下隧道

地下隧道施工工法可分為盾構(gòu)法、礦山法、明挖法等。本文以國內(nèi)常見單線單洞盾構(gòu)為例來介紹雙邊控制線的確定方法，其他工法隧道可通過類比得到。

國內(nèi)常用的單線單洞盾構(gòu)內(nèi)徑主要有5.5 m（如上海、南京等東南地區(qū)）和5.4 m（如廣州、深圳等華南地區(qū)）2種，與之適應(yīng)的限界均為直徑5.2 m的圓形隧道建筑限界［10］，即在限界圓上、下空間各預(yù)留0.15 m 或0.1 m的施工富余量，這個(gè)富余量也是調(diào)坡優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)可上下移動(dòng)的量。

根據(jù)圓形隧道建筑限界，只要軌面距頂板或底板的距離大于限界所需距離（如圖2所示），即可滿足限界要求。

得到盾構(gòu)斷面測量數(shù)據(jù)后，在地鐵線路設(shè)計(jì)CAD軟件縱斷面界面中繪制底板線和頂板線。根據(jù)盾構(gòu)建筑限界資料，把底板線向上偏移H值，即可得到雙邊控制線的下線；同樣把頂板線向下偏移D值，即可得到雙邊控制線的上線。雙邊控制上、下線之間的區(qū)域即為軌面線調(diào)整范圍，如圖3所示。

圖2 盾構(gòu)隧道限界圖Fig.2 Demarcation of shield-bored tunnel

圖3 盾構(gòu)隧道雙邊控制線示意圖Fig.3 Double side control lines of shield-bored tunnel

2.6.2 高架橋梁

根據(jù)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》，高架橋梁整體道床厚道在500～520 mm，道床施工存在的最小厚度是確定雙邊控制線下線的依據(jù)。同時(shí)橋梁設(shè)計(jì)過程中，其最大承載力在滿足橋梁自重、車輛荷載和道床荷載的條件下，需留有一定富余量。因此，在橋梁滿足自重、車輛荷載不變的條件下，其承載的富余量可通過計(jì)算轉(zhuǎn)化為道床高度，從而得到雙邊控制線的上線。

得到高架橋斷面測量數(shù)據(jù)后，在地鐵線路設(shè)計(jì)CAD軟件縱斷面界面中繪制底板線。根據(jù)軌道資料和橋梁資料，把底板線向上偏移h值，即可得到雙邊控制線的下線；把底板線向上偏移d值，即可得到雙邊控制線的上線。雙邊控制上、下線之間區(qū)域即為軌面線優(yōu)化調(diào)整范圍，如圖4所示。

2.6.3 路基段

路基段調(diào)坡設(shè)計(jì)相對容易，路基段道床放置在加固后的路基之上，道床厚度無上限約束，因此不存在雙邊控制線的上線（或上限），而雙邊控制線的下線與道床形式密切相關(guān)。若是整體道床，軌面與底板的距離不小于道床施工的最小厚度；對于碎石道床，由于可通過削減或加高路基高度來滿足鋪軌要求，不存在雙邊控制線的下線（或下限）。

圖4 高架線雙邊控制線示意圖Fig.4 Double side control lines of elevated bridge

3 實(shí)例分析

南京機(jī)場線是連接高鐵南京南站和祿口機(jī)場的南北快線，途經(jīng)祿口新城、東善橋－秣陵片區(qū)、東山副城西側(cè)，止于南京南站。線路正線全長約35.8 km，其中高架段長約16.9 km，過渡段長約0.7 km，地下段長約18.2 km。2012年11月份中旬開始進(jìn)行線路調(diào)線調(diào)坡設(shè)計(jì)，2013年12底完成全線的調(diào)線調(diào)坡工作。本文以南京機(jī)場線為例，利用雙邊控制法進(jìn)行調(diào)坡優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)合調(diào)線調(diào)坡過程具體實(shí)例說明其特點(diǎn)。

3.1 可視化效果好

軌面線、底板線或頂板線在同一個(gè)界面中，且里程一一對應(yīng)，因此軌面與底板或頂板相對位置一目了然。

以勝太路站及其南側(cè)（小里程）盾構(gòu)區(qū)間為例，雙邊控制線分別由隧道頂板線和隧道底板線偏移得到，如圖5所示。

圖5 勝太路站及其南側(cè)盾構(gòu)隧道Fig.5 Double side control lines of Shengtailu station and shieldbored tunnel

3.1.1 快速判別突變數(shù)據(jù)

處理數(shù)據(jù)過程中，常常會(huì)出現(xiàn)一些突變數(shù)據(jù)（如圖5中表現(xiàn)為突變點(diǎn)），傳統(tǒng)判別方法需要計(jì)算測量點(diǎn)的軌面高程，通過換算得到理論的底板和頂板高程，再對照比較判別突變數(shù)據(jù)是測量錯(cuò)誤還是由設(shè)計(jì)引起的，這種方法不僅耗工耗時(shí)，且判別準(zhǔn)確性不高。而雙邊控制法具有可視化效果好，能快速判別這些突變數(shù)據(jù)的特點(diǎn)。如圖5所示，A1點(diǎn)為底板測量數(shù)據(jù)，是由測量錯(cuò)誤引起的，應(yīng)提請測量單位復(fù)測；A2突變點(diǎn)為靠近車站端頭的底板數(shù)據(jù)，應(yīng)為盾構(gòu)始發(fā)井底板加深位置，是由設(shè)計(jì)引起的；B2點(diǎn)為靠近車站頂板數(shù)據(jù)，應(yīng)為盾構(gòu)始發(fā)井加高位置，也是由設(shè)計(jì)引起的。

3.1.2 快速判定侵限點(diǎn)

雙邊控制法的上、下線是由隧道頂板線和底板線根據(jù)限界要求偏移得到的，若雙邊控制線與軌面線存在交點(diǎn)，則說明不滿足限界要求。如圖5所示，b1點(diǎn)為明挖與盾構(gòu)分界點(diǎn)，常常出現(xiàn)侵限現(xiàn)象，只需對該點(diǎn)及其前后進(jìn)行調(diào)坡優(yōu)化設(shè)計(jì)即可。

3.2 調(diào)坡設(shè)計(jì)自動(dòng)化

雙邊控制法將地鐵線路設(shè)計(jì)CAD軟件推廣到線路調(diào)坡設(shè)計(jì)中，線路調(diào)線調(diào)坡前的成果可繼續(xù)使用，避免將數(shù)據(jù)重新輸入平縱斷面。還可充分發(fā)揮線路設(shè)計(jì)軟件自身優(yōu)勢，軌面線上增加或刪除變坡點(diǎn)、改變坡長和坡度均可以自動(dòng)生成，且坡度和坡長取整相對容易，利于軌道施工。以南京機(jī)場線為例，線路調(diào)線調(diào)坡之前階段平縱設(shè)計(jì)均采用科寶華地鐵平縱斷面CAD系統(tǒng)，因此調(diào)坡前可利用之前的成果，軌面線調(diào)整可自動(dòng)生成，實(shí)現(xiàn)了調(diào)坡設(shè)計(jì)的自動(dòng)化。

3.3 工作效率高

長期以來，設(shè)計(jì)人員一直以手工計(jì)算的方式進(jìn)行調(diào)坡設(shè)計(jì)，該方法可視化差、需循序漸進(jìn)且要試坡。由于事前無法判斷侵限位置，只能按照里程由小到大（或由大到小）的順序，反復(fù)調(diào)整坡長、坡度來試算，直至縱坡滿足要求為止，因此，耗時(shí)長，人為因素大，且效率低。而南京機(jī)場線采用雙邊控制法，可迅速判斷侵限位置，并針對性調(diào)坡，且調(diào)坡成果自動(dòng)生成，大大提高了工作效率。

4 結(jié)論與討論

利用雙邊控制法將既有地鐵線路設(shè)計(jì)CAD軟件推廣至調(diào)坡階段，使調(diào)坡設(shè)計(jì)可視化，實(shí)現(xiàn)了針對性調(diào)坡（對地鐵侵限段而言）；利用地鐵線路設(shè)計(jì)CAD軟件實(shí)現(xiàn)調(diào)坡設(shè)計(jì)自動(dòng)化，調(diào)坡設(shè)計(jì)時(shí)坡度、坡長易于取整，利于軌道施工，提高了工作效率。但需注意的是：雙邊控制法只是一種快速調(diào)坡使之滿足豎向限界要求的方法，所得結(jié)果不一定為最優(yōu)解，需要結(jié)合線路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、道床類型等因素進(jìn)行綜合考慮。因此，希望通過此方法，能為今后軌道交通調(diào)坡設(shè)計(jì)提供借鑒和參考。

（References）：

［1］ 李連生.地鐵既有線改擴(kuò)建工程中線路調(diào)線調(diào)坡測量技術(shù)的研究與應(yīng)用［J］.城市軌道交通研究，2013，16（3）：107－111.（LI Liansheng.Survey technology in adjusting route alignment and gradient in the improvement of existing subway lines［J］.Urban Mass Transit，2013，16（3）：107－111.（in Chinese））

［2］ 郭俊義.調(diào)線調(diào)坡設(shè)計(jì)以及對線路設(shè)計(jì)的啟示［J］.城市快軌交通，2011，24（5）：31－33.（GUO Junyi.Inspiration for line design from adjusting alignments and grades［J］.Urban Rapid Rail Transit，2011，24（5）：31－33.（in Chinese））

［3］ 趙強(qiáng).武漢2號線調(diào)線調(diào)坡設(shè)計(jì)研究［J］.鐵道工程學(xué)報(bào)，2013（10）：100－105.（ZHAO Qiang.Research on adjustments of track and gradient of line 2 of Wuhan Metro ［J］.Journal of Railway Engineering Society，2013（10）：100－105.（in Chinese））

［4］ 李洪強(qiáng).蘇州軌道交通調(diào)線調(diào)坡技術(shù)研究［J］.鐵道建筑技術(shù)，2013（11）：38－40.（LI Hongqiang.Research on line and slope adjustment technology of Suzhou rail transit［J］.Railway Construction Technology，2013（11）：38－40.（in Chinese））

［5］ 陳劍偉.淺談城市軌道交通線路設(shè)計(jì)［J］.交通科技，2013（3）：119－122.（CHEN Jianwei.Discussion on railway route design of urban rail transit［J］.Trasportation Science＆Technology，2013（3）：119－122.（in Chinese））

［6］ 劉志雄.無錫地鐵調(diào)線調(diào)坡技術(shù)研究［J］.鐵道勘測與設(shè)計(jì)，2013（3）：52－57.（LIU Zhixiong.Study on the lineslope fine-tuning design techniques for the Wuxi Metro［J］.Railway Survey and Design，2013（3）：52－57.（in Chinese））

［7］ 李家穩(wěn)，張海燕，韓寶明.地鐵調(diào)線調(diào)坡中雙邊線形約束方法的研究［J］.鐵道學(xué)報(bào)，2010，32（5）：125－129.（LI Jiawen，ZHANG Haiyang，HAN Baoming.Study on the line-slope fine-tuning design techniques for the Metro line ［J］.Journal of the China Railway Society，2010，32（5）：125－129.（in Chinese））

［8］ 蔣勇.城市軌道交通調(diào)線調(diào)坡測量中圓隧道橫斷面測量方法的探討［J］.城市勘測，2011（1）：142－144.（JIANG Yong.The methods of circle tunnels cross-section survey in the line and slope fine-tuning survey in urban rail transit ［J］.Urban Geotechnical Investigation＆Surveying，2011 （1）：142－144.（in Chinese））

［9］ GB 50157—2003地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2003.（GB 50157—2003 Code for design of Metro ［S］.Beijing：Standards Press of China，2003.（in Chinese））

［10］ CJJ 96—2003地鐵限界標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2003.（CJJ 96—2003 Standard of Metro gauges ［S］.Beijing：China Architecture＆Building Press，2003.（in Chinese））

Application of Double Side Control Method in Fine-tuning Design of Line Slope of Metro Works

LIU Yanchen
（Guangzhou Metro Design＆Research Institute Co.，Ltd.，Guangzhou 510010，Guangdong，China）

The Metro design quality and the construction schedule would be affected due to the lack of simple and practical software on fine-tuning design of the line slope of Metro works.As a result，double side control method is proposed.The determination of the double side control lines of the elevated bridges and tunnels of Metro works is systematically presented on basis of the survey data，the Metro demarcation data and the bridge data.The Metro line design software is applied in the fine-tuning of the line slope of Metro works，which achieves automatic and visual finetuning design of line slope of Metro works and improves the working efficiency.The method has been successfully used in the fine-tuning design of the slope of the airport line of Nanjing Metro.The paper can provide reference for the finetuning design of similar works in the future.

double side control method；fine-tuning of line slope；demarcation；tunnel；elevated bridge

10.3973/j.issn.1672－741X.2014.04.008

U 45

A

1672－741X（2014）04－0339－04

2014－01－15；

2014－02－20

劉延晨（1983—），男，陜西延安人，2008年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)交通學(xué)院，道路與鐵道工程專業(yè)，碩士，工程師，現(xiàn)從事地鐵、輕軌線路設(shè)計(jì)工作。