地鐵線路縱斷面調(diào)坡上下限線法及其應(yīng)用

任碧能

(廣州地鐵設(shè)計研究院有限公司, 廣東 廣州　510010)

0　引言

在地鐵盾構(gòu)掘進施工中，經(jīng)常由于地質(zhì)上下軟硬不均，導(dǎo)致盾構(gòu)上下受力不均偏離設(shè)計線路,出現(xiàn)盾構(gòu)打偏的情況，此時需要對地鐵線路縱斷面調(diào)坡，擬合上盾構(gòu)打偏路徑，以便滿足限界要求。傳統(tǒng)的地鐵線路縱斷面調(diào)坡方法主要有調(diào)整線路坡長、調(diào)整線路坡度和調(diào)整豎曲線半徑等方法[1]。

國內(nèi)許多學者對縱斷面調(diào)坡進行了研究。杜昊璇[2]在分析調(diào)線調(diào)坡設(shè)計時，以哈爾濱1號線黑龍江大學站為例，將車站軌面上方凈空最小值調(diào)整為4 490 mm，調(diào)整后基本消除了軌面上方凈空侵限。李建斌[3]在分析圓形隧道調(diào)線調(diào)坡設(shè)計時，以深圳地鐵5號線翻身站—靈芝站區(qū)間右線為例，通過采用增加變坡點和調(diào)整豎曲線半徑等方法來調(diào)整線路縱斷面。陳菊[4]總結(jié)了縱斷面調(diào)坡的一般方法。李洪強[5]提出了線路縱斷面調(diào)整主要包括坡長、坡度的調(diào)整，以及兩者疊加以調(diào)整坡度為主的調(diào)整方法，調(diào)整以后需對調(diào)整后線路侵限的情況重新校核。趙強[6]在武漢地鐵2號線調(diào)坡中，通過調(diào)整坡長、坡度等進行多次試算，滿足了軌道結(jié)構(gòu)高度的安裝要求。郭俊義[7]指出縱斷面調(diào)坡設(shè)計就是在滿足規(guī)范的前提下，對坡度線進行調(diào)整，調(diào)整后再次提交線路設(shè)計數(shù)據(jù)給軌道和限界專業(yè)人員進行復(fù)核，反復(fù)幾次直到滿足要求為止。

以上調(diào)坡方法均需要根據(jù)橫斷面測量方法[8]對測量單位提供的海量的測量數(shù)據(jù)進行表格檢核，判斷是否侵限，校核方法不夠直觀，對侵限區(qū)段需要進行多次調(diào)坡反復(fù)驗算，未建立起一種快速判斷是否侵限以及快速確定調(diào)坡方案的方法。為此，本文提出上下限線法,通過對海量橫斷面測量數(shù)據(jù)的提取，建立隧道內(nèi)壁頂線和底線； 通過對軌道結(jié)構(gòu)最小高度和接觸網(wǎng)最小安裝高度的分析研究，建立起軌面線允許上下浮動的上下限線范圍; 通過分析軌面線是否在上下限線范圍，可以快速判斷出隧道是否侵限，對侵限段通過調(diào)整變坡點及豎曲線半徑，使軌面線位于上下限線范圍內(nèi)，從而快速確定調(diào)坡方案。

1　上下限線法

1.1　主要特點

豎曲線要素如圖1所示，主要參數(shù)有變坡點C、豎曲線半徑R、外矢距E、切線長T和坡度i等。常規(guī)的坡段調(diào)坡方法是通過移動或增設(shè)變坡點以及調(diào)整豎曲線半徑，進行多次調(diào)坡反復(fù)驗算，來確定調(diào)坡方案是否滿足隧道豎向限界要求。上下限線法相對于常規(guī)的坡段調(diào)坡方法，可以快速判斷隧道是否豎向侵限，對于侵限段可以快速確定調(diào)坡方案，避免進行多次調(diào)坡反復(fù)驗算，同時可以避免對已實施段隧道的調(diào)坡侵限。

圖1　豎曲線要素示意圖

1.2　設(shè)計原理

上下限線法的設(shè)計原理是通過對盾構(gòu)橫截面限界[9]、軌道結(jié)構(gòu)最小高度和接觸網(wǎng)安裝最小高度的研究分析，得出盾構(gòu)隧道相對于軌面線的豎向允許最大偏移量，反算出軌面線相對于盾構(gòu)隧道的上下浮動范圍，從而確定出上下限線。

1.2.1盾構(gòu)隧道橫斷面限界

在盾構(gòu)施工中，盾構(gòu)內(nèi)徑大于建筑限界圓內(nèi)徑，留有一定的限界富余量，以便于滿足施工誤差以及為調(diào)線調(diào)坡留有一定的余量。例如： 如圖2所示，當盾構(gòu)內(nèi)徑Dd采用為5 400 mm，限界圓直徑Dx采用為5 200 mm，則限界富余量Hf為100 mm。

圖2　盾構(gòu)隧道橫斷面限界示意圖

1.2.2盾構(gòu)隧道豎向允許最大偏移量

1.2.2.1盾構(gòu)隧道豎直向上允許最大偏移量

如表1所示，軌道結(jié)構(gòu)高度Hg在不同的地段取值不一樣。由于一般地段采用普通整體道床，軌道結(jié)構(gòu)厚度要求在明挖段和盾構(gòu)段不一樣，本文僅考慮盾構(gòu)區(qū)間的一般地段。減振地段可分為一般減振、中等減振、高等減振和特殊減振，各情況要求的最小軌道結(jié)構(gòu)厚度也不一樣，本文僅考慮采用GJ-3減振道床的減振地段。

表1　軌道結(jié)構(gòu)高度取值

在一般地段盾構(gòu)區(qū)間，軌道結(jié)構(gòu)高度要求為780 mm，最小高度要求為740 mm，壓縮到最小高度后較一般情況可增加用于調(diào)坡的富余高度Hg差=40 mm，再加上限界富余量Hf=100 mm，則在一般地段隧道豎直向上允許的最大偏移量Q上=Hg差+Hf=140 mm。

在減振地段采用GJ-3減振段道床，軌道結(jié)構(gòu)高度要求為820 mm，最小高度要求為740 mm，最小道床高度減振段與普通段最小高度一致，壓縮到最小高度后，較一般情況可增加用于調(diào)坡的富余高度Hg差=80 mm，再加上限界富余量Hf=100 mm，在減振地段隧道豎直向上允許的最大偏移量Q上=Hg差+Hf=180 mm。

1.2.2.2盾構(gòu)隧道豎直向下允許最大偏移量

隧道豎直向下偏將影響供電接觸網(wǎng)。軌面至車輛頂距離Hc最小距離要求為4 020 mm(見圖1)，車輛頂至絕緣子垂向距離Hj1為200 mm，絕緣子距離隧道結(jié)構(gòu)頂垂向距離Hj2最小要求為150 mm，因此接觸網(wǎng)安裝高度Hj的最小值為：Hj1+Hj2=350 mm(見圖3)。由于隧道內(nèi)徑Dd為5 400 mm，限界富余量Hf為100 mm(見圖2)，在減振地段道床結(jié)構(gòu)高度Hg為820 mm，在一般地段道床結(jié)構(gòu)高度Hg為780 mm(見表1)，因此可以計算出減振地段隧道豎直向下允許的最大偏移量Q下=Dd-Hf-Hg-Hc-Hj=110 mm，一般地段隧道豎直向下允許的最大偏移量Q下=Dd-Hf-Hg-Hc-Hj=150 mm。

圖3　接觸網(wǎng)最小高度示意圖

1.2.2.3盾構(gòu)隧道豎直允許最大偏移量

綜上所述，根據(jù)對軌道結(jié)構(gòu)最小高度和接觸網(wǎng)安裝最小高度的分析，得出盾構(gòu)隧道豎直允許的最大偏移量，如表2所示。

表2　盾構(gòu)隧道豎向允許最大偏移量

1.2.3上下限線

根據(jù)盾構(gòu)隧道相對于軌面線豎向向下允許的最大偏移量，可以反算出軌面線相對于盾構(gòu)隧道允許的上調(diào)凈距，或者通過接觸網(wǎng)按照高度Hj的最小值和軌面至車輛頂高度Hc的最小值確定軌面線上調(diào)距離隧道內(nèi)頂最小凈距Ht上=Hc+Hj(見表3)，從而可以根據(jù)內(nèi)壁頂和Ht上值確定出上限線位置(見圖4)。

根據(jù)盾構(gòu)隧道相對于軌面線豎向向上允許的最大偏移量，可以反算出軌面線相對于盾構(gòu)隧道允許的下調(diào)凈距，或者通過軌道結(jié)構(gòu)最小高度確定軌面線下調(diào)距離隧道內(nèi)底最小凈距Ht下=Hg(最小值)(見表3)，從而可以根據(jù)內(nèi)壁底和Ht下值確定出下限線位置(見圖4)。

表3上下限線位置計算

Table 3Calculation of upper and lower limit line values

mm

圖4　上下限線橫截面示意圖

1.3　調(diào)坡方法

在明確了上下限線設(shè)計原理后，可以確定調(diào)坡方法，具體如下：

1)根據(jù)測量單位提供的海量橫斷面測量數(shù)據(jù)，提取出隧道內(nèi)壁的頂點和底點標高，在線路設(shè)計縱斷面CAD圖上根據(jù)線路設(shè)計軟件輔助插件功能建立隧道內(nèi)壁頂線和隧道內(nèi)壁底線；

2)根據(jù)隧道內(nèi)壁頂線和上下限線法計算出來的Ht上值在線路設(shè)計軟件縱斷面CAD上建立上限線；

3)根據(jù)隧道內(nèi)壁底線和上下限線法計算出來的Ht下值在線路設(shè)計軟件縱斷面CAD上建立下限線；

4)根據(jù)線路設(shè)計軟件縱斷面CAD上軌面線是否在上限線下方和下限線上方范圍，可快速判斷盾構(gòu)隧道是否豎向侵限。若在上下限線范圍，則滿足限界要求，若不在上下限線范圍，則豎向侵限，需進行調(diào)坡設(shè)計；

5)對于豎向侵限段，根據(jù)上下限線范圍，可通過調(diào)整變坡點和豎曲線半徑使得軌面線位于上下限線范圍，以滿足限界要求，快速確定調(diào)坡方案，調(diào)整方案需同時滿足地鐵設(shè)計規(guī)范[10]要求。調(diào)坡后上下限線縱斷面見圖5。

2　工程實例

2.1　沿線環(huán)境

福州市軌道交通2號線金祥站—祥板站區(qū)間，線路下穿閩江，受閩江江底控制線影響，區(qū)間下穿閩江段埋深很大，最深處距離江邊地面約40 m，采用盾構(gòu)法施工，閩江寬約700 m，江底表面地層為(含泥)粗中砂，盾構(gòu)隧道下穿范圍地層為淤泥質(zhì)土、淤泥夾砂，地質(zhì)情況差。

2.2　線路方案

2.2.1原方案

原方案考慮隧道頂距離閩江江底控制線5 m覆土，采用坡度4.891‰、坡長476.603 m、豎曲線半徑5 000 m的下坡和坡度29‰、坡長500 m的上坡下穿閩江。但盾構(gòu)在施工掘進進入閩江江底后由于遇到淤泥夾砂層，盾構(gòu)受力不均，開始下沉，盾構(gòu)隧道豎向向下偏移量約為760 mm，已經(jīng)超過盾構(gòu)隧道豎向允許的最大偏移量(150 mm)，需要進行調(diào)坡設(shè)計來指導(dǎo)施工。

由于盾構(gòu)處于江底，江底地質(zhì)條件差，若盾構(gòu)停機，會存在不斷下沉的風險，所以仍需要不停掘進，緩慢糾偏。由于盾構(gòu)仍處于動態(tài)的掘進狀態(tài)，調(diào)坡設(shè)計人員無法預(yù)測掘進軌跡，從而為調(diào)坡設(shè)計帶來困難。要在盾構(gòu)掘進的動態(tài)過程中，完成調(diào)坡設(shè)計方案，這需要調(diào)坡設(shè)計人員與施工人員協(xié)同配合，一方面需要施工人員預(yù)測出盾構(gòu)擬掘進的最佳軌跡，提供給調(diào)坡設(shè)計人員參考； 另一方面需要調(diào)坡設(shè)計人員結(jié)合施工人員提供的盾構(gòu)擬掘進的最佳軌跡，擬合出最佳的調(diào)坡方案。這樣反復(fù)配合，使得調(diào)坡方案既能滿足盾構(gòu)已施工段的限界要求，又能銜接上未實施段的原線路坡段，最后還需要施工人員能按照擬合好的調(diào)坡方案精確施工，難度較大。

2.2.2上下限線法優(yōu)化方案

應(yīng)用上下限線法能解決上述難題。首先，請第三方測量單位測量提供已施工段盾構(gòu)內(nèi)壁頂、底數(shù)據(jù)，建立已施工隧道的內(nèi)壁頂線和底線； 然后需要施工人員提供盾構(gòu)動態(tài)掘進中的擬糾偏路徑，建立擬掘進的虛擬盾構(gòu)內(nèi)壁頂線和底線； 最后，根據(jù)1.3節(jié)的調(diào)坡方法建立包括擬掘進盾構(gòu)糾偏路徑在內(nèi)的上限線和下限線。該工程原軌面線已經(jīng)超出了上限線范圍，需要進行調(diào)坡設(shè)計，根據(jù)上下限線范圍輔助調(diào)坡，通過調(diào)整變坡點和豎曲線半徑，采用坡度4.149‰、坡長199 m、豎曲線半徑3 500 m和坡度18.848‰、坡長198 m、豎曲線半徑4 900 m的2個下坡和坡度29‰、坡長578.603 m的上坡，使得軌面線位于上下限線范圍，滿足已施工段和動態(tài)掘進段的限界要求，同時確保軌面線能銜接上未實施段的原線路坡段，進而確定調(diào)坡方案(見圖6)。采用該調(diào)坡方案成功實現(xiàn)了盾構(gòu)在偏離設(shè)計軌跡后，完成在動態(tài)掘進過程中的計算分析、模擬預(yù)測和實操糾偏等，順利銜接回原設(shè)計軌跡，避免了盾構(gòu)停機造成的工程風險。

圖6　優(yōu)化后的調(diào)坡方案(單位： m)

3　應(yīng)用說明

本文在介紹上下限線法原理及其應(yīng)用時，選取盾構(gòu)內(nèi)徑為5 400 mm、限界圓直徑為5 200 mm、軌道結(jié)構(gòu)高度最小值為740 mm和接觸網(wǎng)最小高度為350 mm等。值得注意的是，在不同的地區(qū)以及不同的地鐵設(shè)計標準中，盾構(gòu)隧道內(nèi)徑、限界圓、軌道結(jié)構(gòu)高度最小值、接觸網(wǎng)最小高度等數(shù)值是不一樣的。因此，在應(yīng)用本文介紹的上下限線法時，可以參考其原理，采用適合當?shù)靥攸c和設(shè)計標準所對應(yīng)的數(shù)值。

本文介紹的上下限線法不僅適用于盾構(gòu)隧道，也適用于矩形隧道和馬蹄形隧道。而且，不僅適用于施工盾構(gòu)掘進打偏階段，也適用于已貫通線路調(diào)線調(diào)坡設(shè)計階段[11-12]，通過構(gòu)建上下限線，判斷軌面設(shè)計線是否在上下限線范圍，對于超限范圍段通過調(diào)整變坡點和豎曲線半徑，使得軌面線位于上下限線范圍，從而確定調(diào)坡方案，解決方法說明及例證分析與2.2.2節(jié)相似。

4　結(jié)論與建議

上下限線法在解決福州市軌道交通2號線隧道縱斷面掘進偏移事故中的成功應(yīng)用表明，上下限線法可操作性強、處理方法靈活、可視化程度高，能較好地結(jié)合既有隧道與掘進趨勢進行擬合，快速找出合理的掘進方案，以指導(dǎo)施工，避免盾構(gòu)停機造成的工程風險。與傳統(tǒng)調(diào)坡方法相比，上下限線法能夠建立軌面線允許上下浮動的上下限線范圍，通過上下限線范圍輔助可以快速判斷軌面線是否豎向侵限，對于侵限的地段可以快速確定調(diào)坡方案，避免進行多次調(diào)坡反復(fù)驗算，并且在調(diào)整相鄰區(qū)段坡段時，可以避免對已實施段盾構(gòu)的調(diào)坡侵限。

建議在基于CAD平臺的地鐵平縱輔助設(shè)計軟件中，補充上下限線法的拓展操作，實現(xiàn)調(diào)整過程中的自動化調(diào)整效果，進一步改善調(diào)坡效率。同時，建議研究以隧道全斷面掃描數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，運用BIM技術(shù)進行侵限碰撞檢查，結(jié)合上下限線法及傳統(tǒng)縱斷面調(diào)坡原理，實現(xiàn)線路縱斷面調(diào)坡的三維可視化設(shè)計。