城市軌道交通相交線路豎向位置關(guān)系研究

王海鑫，羅 旭，桑曉光，黃定貴

（1. 廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，廣東廣州 510010；2. 中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300308）

隨著軌道交通在各大城市迅速發(fā)展，中心城區(qū)線網(wǎng)越來越密集。線網(wǎng)總里程不斷攀升，城市軌道交通的覆蓋從單一站點(diǎn)逐漸向多點(diǎn)多線演變。隨之而來的是線路之間的平面交叉點(diǎn)大幅增加，如何處理好相交線路之間的豎向關(guān)系，成為線路設(shè)計(jì)過程中無法回避的重要課題。

1 豎向關(guān)系確定原則

1.1 城市規(guī)劃

各層次的城市規(guī)劃特別是控制性詳細(xì)規(guī)劃、修建性詳細(xì)規(guī)劃中均對片區(qū)和地塊的空間布局形態(tài)有一定要求，地下空間是空間結(jié)構(gòu)形態(tài)的一部分，應(yīng)結(jié)合規(guī)劃要求，充分考慮其他重要基礎(chǔ)設(shè)施及公共服務(wù)設(shè)施布局，合理選擇城市軌道交通的縱向位置。

1.2 建設(shè)時(shí)序

由于不同線路在線網(wǎng)中承擔(dān)的功能存在差異，一般在充分考慮必要性和迫切性后對線路進(jìn)行分階段實(shí)施。因此，當(dāng)相交線路的建設(shè)存在先后順序時(shí)，宜優(yōu)先滿足先期建設(shè)線路的功能，同時(shí)預(yù)留后期建設(shè)線路的通過條件，特別是相交并換乘的線路，應(yīng)在先期線路的車站實(shí)施時(shí)預(yù)留換乘節(jié)點(diǎn)，保證換乘功能，降低后續(xù)實(shí)施難度。

1.3 車站規(guī)模

對于相交并換乘的線路，在換乘站的設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮土建規(guī)模及工程投資，地下?lián)Q乘站原則上將規(guī)模大的車站放在上層，規(guī)模小的車站放在下層。特別是帶配線的車站，應(yīng)優(yōu)先設(shè)計(jì)在上層。

1.4 前后區(qū)段實(shí)施條件

2 豎向關(guān)系分類

城市軌道交通線路相交可按照相交位置的不同分為區(qū)間相交和車站相交，但不應(yīng)忽視一種特殊的相交關(guān)系，即雙島四線平行換乘車站（在車站站臺處兩線標(biāo)高相同，在車站前后區(qū)間進(jìn)行豎向分離）。

2.1 區(qū)間相交

兩線在區(qū)間處相交，由于區(qū)間基本以盾構(gòu)施工為主，需滿足隧道之間的結(jié)構(gòu)凈距，一般按1倍洞徑控制，地質(zhì)條件較差的區(qū)域應(yīng)增大隧道凈距或進(jìn)行加固處理。

2.2 車站相交

兩線在車站處相交，設(shè)置換乘車站。根據(jù)相交處兩線站臺位置關(guān)系可分為十字換乘、T型換乘和L型換乘。

十字換乘指2條線路呈“十”字或字母“Ⅹ”形布局，可利用站臺中部節(jié)點(diǎn)樓扶梯進(jìn)行換乘，換乘距離短，通過站臺兩端進(jìn)出站，進(jìn)出站客流與換乘客流流線明確。T型換乘指2條線路呈字母“T”形布局，其中一條線路的車站有效站臺端部與另一條線路的車站有效站臺中部相交，換乘較便捷，但換乘節(jié)點(diǎn)易成為瓶頸。L型換乘指2條線路呈字母“L”形布局，兩線線路在有效站臺端部相交，換乘流線較明確，但其中一部分乘客換乘路線較長，換乘節(jié)點(diǎn)也容易成為瓶頸。

對于在車站處相交的線路，先期實(shí)施的車站前期建設(shè)投資較大，預(yù)留換乘節(jié)點(diǎn)對后期實(shí)施線路的車站位置有一定制約。

2.3 平行換乘車站

平行換乘車站指雙島四線同臺換乘，換乘客流在同一個(gè)站臺即可完成不同線路之間的換乘。平行換乘車站對線路局部走向要求較高，需要有足夠的重合段，才能在車站前后區(qū)間處立交。因此要求兩條線路建設(shè)時(shí)期相同或相近，同步建設(shè)車站，前后區(qū)間也應(yīng)同步設(shè)計(jì)，充分預(yù)留立交條件。

相交線路中平行換乘車站的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，不再是以“點(diǎn)”相交，而是以“線”的形式相交。因此，要處理好兩線豎向位置關(guān)系，除了保證兩線本身能在共線段從同一標(biāo)高達(dá)到豎向分離之外，還受制于線路走廊的控制條件，以及由此帶來的相關(guān)工程變化。下文以廣州地鐵13號線為例，重點(diǎn)對平行換乘車站及相關(guān)區(qū)間兩線豎向位置關(guān)系進(jìn)行研究。

式（6）中，x3為系統(tǒng)的總和擾動(dòng).為提高擺桿的穩(wěn)定控制精度，需要設(shè)計(jì)擴(kuò)張狀態(tài)觀測器對系統(tǒng)的總和擾動(dòng)進(jìn)行估計(jì).擴(kuò)張狀態(tài)觀測器設(shè)計(jì)為

3 工程概況

廣州地鐵13號線首期工程已于2017年底開通運(yùn)營，二期工程線路長33.6 km，共設(shè)置23座車站，主要沿槎神大道、增槎路、東風(fēng)路、黃埔大道、中山大道等東西向交通動(dòng)脈布設(shè)，沿線交通流量大、控制因素多。彩虹橋—紀(jì)念堂段位于13號線二期線路中部，沿東風(fēng)路東西向敷設(shè)，長約1.7 km。線路在彩虹橋站與8號線、11號線換乘，其中與11號線為雙島四線平行換乘、與8號線為T型換乘，在紀(jì)念堂站與2號線L型換乘。根據(jù)行車組織要求，彩虹橋站東側(cè)設(shè)置交叉渡線，如圖 1所示。

該段線路位于城市建成區(qū)，沿線控制點(diǎn)較多，主要有11號線區(qū)間、綠化大廈、園林公司大樓、流花湖隧道、人民路高架、盤福立交、9號地下工程等，如圖2所示。

4 彩虹橋—紀(jì)念堂段設(shè)計(jì)方案

4.1 方案 1

4.1.1 線路平面

彩虹橋站設(shè)置于東風(fēng)路北側(cè)、流花湖范圍內(nèi)，為雙島四線車站，外側(cè)為11號線，內(nèi)側(cè)為13號線，站臺東側(cè)13號線左右線之間設(shè)置交叉渡線。出站后采用1 200 m半徑左轉(zhuǎn)曲線下穿綠化大廈、流花湖隧道及園林公司大樓，之后與11號線左線交叉，上穿11號線左線隧道后，采用1 000 m半徑左轉(zhuǎn)曲線進(jìn)入東風(fēng)路道路，平面避讓人民路高架橋樁。線路繼續(xù)向東，由于盤福立交在東風(fēng)路東西向道路上均設(shè)置匝道橋，道路空間緊張，13號線左線從南北兩側(cè)引橋之間穿過，平面避讓橋樁，右線位于南側(cè)引橋以南，從南側(cè)引橋與南側(cè)建筑之間穿過，局部下穿立交橋樁。線路在此處采用2 500 m半徑右轉(zhuǎn)曲線接入紀(jì)念堂站，右線曲線端部距離有效站臺22.5 m。線路平面方案如圖3所示。

4.1.2 線路縱斷面

彩虹橋—紀(jì)念堂段主要穿越黏土層及全、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。線路在彩虹橋站采用2‰的下坡，由于在東側(cè)與11號線左線隧道交叉，出彩虹橋站后11號線采用28‰的下坡，13號線維持2‰的坡度不變，下穿綠化大廈，同時(shí)與流花湖隧道十字交叉，之后下穿園林公司大樓，在綠化大廈東側(cè)95 m處與11號線平面相交，豎向避讓，11號線左線在下，13號線隧道在上，最小凈距1.48 m。之后13號采用300 m長16.447‰和340 m長5‰的下坡到達(dá)區(qū)間最低點(diǎn)。由于紀(jì)念堂站西側(cè)區(qū)間需同時(shí)避讓9號地下工程與盤福立交樁基，線路從最低點(diǎn)附近的變坡點(diǎn)采用210 m長22‰的上坡和220 m長6‰的下坡接入紀(jì)念堂站，在6‰的下坡段下穿盤福立交，同時(shí)豎向避讓9號地下工程，從9號地下工程上方穿過，凈距約1.17 m。線路接入紀(jì)念堂站采用2‰的下坡?？v斷面方案如圖4所示。

4.1.3 主要實(shí)施難點(diǎn)

13號線下穿綠化大廈及流花湖隧道，流花湖隧道托換樁、綠化大廈原樁基均侵入到隧道洞身，侵入長度約3.1 m，13號線隧道施工時(shí)需對綠化大廈原樁基及托換樁基進(jìn)行托換，托換樁基數(shù)量22根。11號線區(qū)間左右線隧道分布在綠化大廈兩側(cè)，平面避讓綠化大廈，下穿流花湖隧道。11號線左線下穿流花湖隧道暗挖段，地鐵隧道與流花湖隧道凈距約為7.98 m，右線下穿流花湖隧道明挖段，地鐵隧道與流花湖隧道圍護(hù)結(jié)構(gòu)凈距約為1.48 m，與流花湖隧道主體結(jié)構(gòu)凈距約6.08 m。位置關(guān)系如圖5所示。

13號線區(qū)間下穿綠化大廈與流花湖隧道后，下穿緊鄰的園林公司大樓，樁基礎(chǔ)長約10～22 m。該棟建筑物樁基共26根侵入到13號線地鐵隧道，與園林公司大樓位置關(guān)系如圖6所示。

4.2 方案 2

由于13號線在下穿綠化大廈及園林公司大樓時(shí)，埋深相對較淺，需托換大量建筑物樁基，且需要對因建設(shè)流花湖隧道而托換過的綠化大廈樁基礎(chǔ)進(jìn)行二次托換，實(shí)施難度大。而11號線位于外側(cè)，與綠化大廈及園林公司大樓均平面避讓。因此，考慮研究在彩虹橋站東側(cè)出站后13號線與11號線縱向位置互換的方案。

4.2.1 線路平面

若在相交處調(diào)整兩線縱向位置，11號線在上方，13號線在下方，則需要13號線出彩虹橋站后立即采用大坡度向下，才能保證相交處兩線隧道的縱向安全距離。而彩虹橋站東側(cè)存在交叉渡線，根據(jù)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》，道岔宜設(shè)在不大于5‰的坡道上，由于渡線緊鄰有效站臺，只能采用與車站相同的2‰坡度，過交叉渡線之后再采用大坡度向下，在兩線相交處無法拉開縱向間距。為確保該方案可行，需要取消彩虹橋站東側(cè)的交叉渡線，使得13號線出站后能立即下坡，滿足與11號線左線隧道的縱向間距。

《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，正線應(yīng)每隔5～6座車站或8～10 km設(shè)置停車線，其間每相隔2～3座車站或3～5 km應(yīng)加設(shè)渡線。彩虹橋站距離小里程方向最近的帶停車線的車站松溪站約3.6 km，間隔2座車站，距離大里程方向最近的帶停車線的車站農(nóng)林下路站約5.1 km，間隔3座車站。結(jié)合《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，考慮前后配線間距，宜將彩虹橋站渡線東移至紀(jì)念堂站，配線東移后，距離小里程方向停車線約5.3 km，間隔3座車站，距離大里程方向停車線約3.4 km，間隔2座車站。由于線路在紀(jì)念堂站東側(cè)下穿既有地鐵2號線，為減小施工風(fēng)險(xiǎn)，新增渡線設(shè)置于紀(jì)念堂站西側(cè)。移動(dòng)后彩虹橋—紀(jì)念堂段配線如圖7所示。

13號線線路自彩虹橋出站后下穿綠化大廈、流花湖隧道及園林公司大樓，之后與11號線左線交叉，下穿11號線左線隧道后，采用700 m半徑左轉(zhuǎn)曲線進(jìn)入東風(fēng)路道路，平面避讓人民路高架橋樁。線路繼續(xù)向東，由于方案1紀(jì)念堂西側(cè)2 500 m半徑曲線距離有效站臺較近，無法設(shè)置渡線，需將曲線西移，增加直線段長度。方案2將該曲線調(diào)整為2 000 m半徑右轉(zhuǎn)曲線，設(shè)置于盤福立交處，調(diào)整后右線曲線端部距離有效站臺148.5 m，在該直線段增加單渡線，線路平面方案如圖8所示。

4.2.2 線路縱斷面

11號線與13號線在彩虹橋站東側(cè)縱向位置關(guān)系互換，出彩虹橋站后11號線區(qū)間采用3‰的下坡，13號線則采用27.515‰的大坡向下，縱向避讓綠化大廈與流花湖隧道，下穿園林公司大樓后與11號線左線交叉，11號線在上，13號線隧道在下，最小凈距0.82 m。之后采用350 m長6‰的下坡到達(dá)區(qū)間最低點(diǎn)，再采用340 m長5‰和250 m長21.28‰的上坡，下穿盤福立交，在單渡線前設(shè)置變坡點(diǎn)，采用2‰的下坡接入紀(jì)念堂站。線路豎向避讓9號地下工程，凈距約0.35 m?？v斷面方案如圖9所示。

該方案13號線出站后埋深較大，能縱向避讓綠化大廈樁基群，區(qū)間隧道距離流花湖隧道托換樁及綠化大廈圍護(hù)樁約2.17 m，距離流花湖隧道結(jié)構(gòu)底板凈距約6.86 m。同時(shí)，園林公司大樓大部分樁基也可避開，僅需托換1根樁基。但11號線埋深減小后，右線4次下穿流花湖隧道圍護(hù)樁，流花湖隧道圍護(hù)樁侵入11號線隧道長度約3 m，需進(jìn)行截樁處理，截樁數(shù)量24根。地鐵區(qū)間與綠化大廈及流花湖隧道關(guān)系如圖10所示。

5 方案綜合比選

將上述2個(gè)線路設(shè)計(jì)方案從行車功能、運(yùn)營能耗、對彩虹橋站影響、區(qū)間實(shí)施難度、紀(jì)念堂站實(shí)施難度、投資估算等6個(gè)方面進(jìn)行比選研究。

5.1 行車功能

預(yù)測彩虹橋站遠(yuǎn)期全日換乘量約30萬人次，其中與13號線相關(guān)的換乘量約20.2萬人次（與8號線相關(guān)的換乘量為10.9萬人次，與11號線相關(guān)的換乘量為9.3 萬人次）。遠(yuǎn)期全日換乘客流量如表1所示。

表1 遠(yuǎn)期彩虹橋站全日換乘客流方向分布 人次

渡線的作用為臨時(shí)折返，運(yùn)營時(shí)段主要考慮在故障情況下或突發(fā)大客流時(shí)加開交路，繼續(xù)維持或加強(qiáng)客運(yùn)功能，減少對其他交通方式的沖擊。

方案1在彩虹橋站設(shè)置交叉渡線，故障情況下臨時(shí)交路起點(diǎn)可以設(shè)置于彩虹橋站，最高開行對數(shù)為30對/h，單向斷面運(yùn)輸能力為6.43萬人次/h，可承載遠(yuǎn)期高峰小時(shí)最大斷面客流5.89萬人次/h。同時(shí)，臨時(shí)交路可以覆蓋11號、8號線的換乘車站，若13號線彩虹橋站以東線路出現(xiàn)故障，則西側(cè)臨時(shí)交路終點(diǎn)設(shè)置于彩虹橋站，可以疏解彩虹橋站來自11號、8號線換乘向西的客流5.8萬人次/天；若彩虹橋站以西線路出現(xiàn)故障，則東側(cè)臨時(shí)交路起點(diǎn)設(shè)置于彩虹橋站，可以疏解彩虹橋站來自11號、8號線換乘向東的客流4.0萬人次/天，對乘客出行影響較小。

方案2在紀(jì)念堂站設(shè)置渡線，故障情況下臨時(shí)交路起點(diǎn)可以設(shè)置于紀(jì)念堂站，最高開行對數(shù)為20對/h，單向斷面運(yùn)輸能力為4.29萬人次/h，只能承載初期高峰小時(shí)最大斷面客流3.99萬人次/h，無法滿足近遠(yuǎn)期客流需求。同時(shí)，臨時(shí)交路無法覆蓋11號、8號線的換乘車站，若13號線紀(jì)念堂站以東線路出現(xiàn)故障，則西側(cè)臨時(shí)交路終點(diǎn)設(shè)置于紀(jì)念堂站，可以疏解彩虹橋站來自11 號、8號線換乘向西的客流5.8萬人次/天；若紀(jì)念堂站以西線路出現(xiàn)故障，則東側(cè)臨時(shí)交路起點(diǎn)設(shè)置于紀(jì)念堂站，但無法疏解彩虹橋站來自11號、8號線的換乘客流，需通過線網(wǎng)繞行實(shí)現(xiàn)，對乘客出行有一定影響。

5.2 運(yùn)營能耗

通過對彩虹橋—紀(jì)念堂段進(jìn)行模擬行車牽引計(jì)算，對比2個(gè)方案的運(yùn)營能耗如表2所示。

表2 區(qū)間能耗對比表 度/對

相較于方案1，方案2中13號線運(yùn)營能耗降低約 14.1度/對，降幅較大；11號線運(yùn)營能耗增加約2.22度/對，與方案1相差不大?？傮w而言，方案2在節(jié)能方面更具優(yōu)勢。

5.3 對彩虹橋站影響

彩虹橋站是8號、11號及13號線的三線換乘車站，由于8號線和11號線均為上一輪規(guī)劃線路，8號線車站已基本實(shí)施完成，11號線和13號線同臺換乘車站已部分實(shí)施。方案2站臺東側(cè)11號線和13號線線路標(biāo)高發(fā)生變化，需調(diào)整車站基底標(biāo)高，站端11號線線路上抬約1.842 m，13號線下壓約2.179 m。站端玻璃纖維筋位置連續(xù)墻已施工，車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)嵌固深度尚能滿足要求，但后期盾構(gòu)始發(fā)需要破除部分鋼筋地連墻。部分抗拔樁已施工完成，受影響的鉆孔樁約24根。

5.4 區(qū)間實(shí)施難度

區(qū)間實(shí)施難度主要考慮與綠化大廈、流花湖隧道、園林公司大樓、盤福立交及9號地下工程的關(guān)系。

在線路下穿綠化大廈、流花湖隧道及園林公司大樓處，方案1中13號線隧道施工時(shí)需對綠化大廈原樁基及因?qū)嵤┝骰ê淼蓝袚Q過的樁基進(jìn)行托換，托換樁基數(shù)量22根；下穿園林公司大樓時(shí)需托換樁基數(shù)量26 根；11號線隧道與以上控制點(diǎn)均平面或縱向避讓。方案2中13號線隧道縱向避讓綠化大廈及流花湖隧道，園林公司大樓大部分樁基也可避開，僅需托換樁基1 根；11號線右線4次下穿流花湖隧道圍護(hù)樁，截樁數(shù)量24根?？傮w而言，方案2在該處需處理的樁基數(shù)量減少，同時(shí)避免了對部分樁基的二次托換。

在下穿盤福立交處，方案1需托換樁基1根，方案2由于線路調(diào)整，需托換樁基數(shù)量變?yōu)?根，托換數(shù)量增多。在上穿9號地下工程處，方案1隧道間凈距為1.17 m，方案2隧道間凈距為0.35 m，凈距減少較多，風(fēng)險(xiǎn)增大。

5.5 紀(jì)念堂站實(shí)施難度

紀(jì)念堂站為全暗挖雙連拱島式車站，方案1車站總長309 m，車站小里程端部至有效站臺邊緣距離為97.8 m，車站柱網(wǎng)規(guī)整，利于暗挖。方案1小里程端站臺層平面如圖11所示。

方案2在車站小里程端增加單渡線，需加長44 m，車站總長353 m，車站端至有效站臺邊緣距離為141.8 m，車站配線部分柱網(wǎng)不規(guī)整，暗挖難度較大。方案2小里程端站臺層平面如圖12所示。車站加長后，車站端頭距離盤福立交樁基約0.7 m。

5.6 投資估算

2種方案投資差異主要涉及綠化大廈、園林公司大樓、盤福立交樁基托換，彩虹橋及紀(jì)念堂站調(diào)整，流花湖隧道截樁等，投資變化對比如表3所示。

表3 投資變化對比表 萬元

方案2相對方案1在綠化大廈及園林公司大樓樁基托換方面節(jié)省投資較多，但紀(jì)念堂站增設(shè)單渡線后規(guī)模增大，導(dǎo)致總投資增加約1 981.22萬元。

5.7 比選結(jié)論

經(jīng)上述對比分析，方案1主要實(shí)施難點(diǎn)位于綠化大廈、流花湖隧道及園林公司大樓處。通過對13號、11號線縱向位置進(jìn)行互換，方案2能夠很大程度降低該處實(shí)施難度，且更加節(jié)能，但同樣也存在其他不利影響，尤其是配線調(diào)整至紀(jì)念堂站后對行車功能影響較大，增大了紀(jì)念堂站的規(guī)模，同時(shí)增加了在其他地方如盤福立交、9號地下工程處的實(shí)施難度和風(fēng)險(xiǎn)。綜合考慮，將方案1作為推薦方案。

6 結(jié)語

隨著城市軌道交通線網(wǎng)密度不斷增大，相交線路的豎向位置關(guān)系已成為設(shè)計(jì)重點(diǎn)。由于平行換乘車站的特殊關(guān)系，前后區(qū)間從相交到分離的重合段較長，必須慎重確定兩線的豎向位置關(guān)系，從而確保方案的經(jīng)濟(jì)合理。13號線彩虹橋—紀(jì)念堂段位于城市建成區(qū)，控制因素較多，區(qū)間與11號線的豎向關(guān)系對實(shí)施方案影響較大，但豎向關(guān)系的確定并不是單一因素決定的，以兩線豎向位置變化對相交處實(shí)施方案的難易程度著手，從行車功能、運(yùn)營能耗、前后車站及區(qū)間的實(shí)施難度、工程投資等多方面進(jìn)行比選研究，為其他相交線路的豎向位置關(guān)系確定提供參考。