市域(郊)鐵路盾構隧道斷面優(yōu)化設計建議

潘正義,衛(wèi)佳鶯,郭 娜,喻 濤,許俊超,吳秉其

(1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063；2.無錫地鐵建設有限責任公司,江蘇無錫 214024；3.武漢新業(yè)人力資源服務有限公司,武漢 430063)

1 市域(郊)鐵路發(fā)展現(xiàn)狀

隨著國家一系列政策的出臺，市域(郊)鐵路逐漸成為行業(yè)關注的焦點和熱點，各地區(qū)和團體也發(fā)布了標準規(guī)范，如表1所示。

表1 市域(郊)鐵路部分相關技術標準

從目前各城市市域(郊)鐵路的規(guī)劃實踐情況看，應用于指導設計的規(guī)范存在明顯滯后，往往是研究探討較多，真正普適性的規(guī)范較少。市域(郊)鐵路設計標準存在認識模糊、不統(tǒng)一的情況，這對市域(郊)鐵路功能合理性及工程投資極為不利[1-7]。

其中，考慮到市域(郊)鐵路的特點，盾構斷面普遍較大，對于工程投資大幅度提升，統(tǒng)計了部分市域(郊)鐵路盾構直徑信息，如表2所示。由表2可知，目前市域線盾構外徑尺寸較多，統(tǒng)一性較差。以8.8 m與8.5 m為例，每延米單洞造價差異約2萬元，整條線路增加的投資非常可觀，所以應充分研究盾構隧道斷面，開展優(yōu)化設計。

表2 部分市域(郊)鐵路盾構直徑信息統(tǒng)計

盾構隧道內(nèi)輪廓設計既要經(jīng)濟合理，同時還要考慮設備的可持續(xù)利用及功能需求。本次重點從影響盾構隧道內(nèi)輪廓的軌道結(jié)構、互聯(lián)互通兩方面進行論述。

2 軌道結(jié)構設計建議

根據(jù)TB10624—2020《市域(郊)鐵路設計規(guī)范》中9.1.2規(guī)定，高架線、隧道及U形結(jié)構地段宜采用無砟軌道?；顒訑鄬?、嚴重地面沉降、深厚軟土等變形不易控制的路基地段宜采用有砟軌道。結(jié)合已有市域線的做法，正線、配線采用雙塊式無砟軌道整體道床；出入線地下段、敞開段采用雙塊式無砟軌道整體道床；對于減振段，部分市域線采用預制板整體道床。本次主要從軌道做法、超高形式兩方面開展討論。

2.1 軌道高度及排水溝設計

以錫宜城際鐵路為例，高等減振地段采用雙塊式軌枕減振墊浮置板整體道床(現(xiàn)澆道床)，軌道結(jié)構高度為1 100 mm(整體道床800 mm+仰拱回填300 mm)，如圖1所示。

圖1 現(xiàn)澆道床斷面U形排水溝(單位：mm)

根據(jù)通線[2011]2351-Ⅳ《高速鐵路CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道 隧道地段》，為保證雙塊式軌枕鋼桁架外側(cè)鋼筋保護層厚度要求，雙塊式無砟軌道道床寬度需為2.8 m，水溝內(nèi)壁距線路中心1.5 m(水溝內(nèi)壁寬度為100 mm)。為防止減振墊內(nèi)積水引起道床病害及減振效果降低，線路水溝頂需低于減振墊層[8-9]。

部分市域線高等減振地段采用預制板減振墊浮置板道床，受運輸?shù)跹b、鋪設調(diào)平難度等因素控制，水溝內(nèi)壁距線路中心1.35 m，為L形排水溝。以北京大興機場線為例，軌道結(jié)構高度為1 000 mm(較錫宜城際降低100 mm)，如圖2所示。

圖2 現(xiàn)澆道床斷面L形排水溝(單位：mm)

采用L形水溝，施工方便，可降低水溝深度。但道床廢水會隨著道床與盾構管片邊緣密封材料的老化，由離縫進入道床與盾構管片之間，在列車高速通過動荷載作用下引起道床脫空甚至剝離，威脅行車安全。

考慮到排水溝滲漏對道床造成的腐蝕等影響，軌道下排水溝均建議采用更加安全的U形排水溝。

2.2 超高形式的選擇

超高設置一般采用均衡超高法，即設置超高后使曲線產(chǎn)生的離心加速度與列車由此產(chǎn)生的向心加速度剛好相平衡，超高道床斷面如圖3所示。

圖3 超高道床斷面(單位：mm)

根據(jù)GB50157—2013《地鐵設計規(guī)范》要求：“隧道內(nèi)及U形結(jié)構的無砟道床地段曲線超高，宜采用外軌抬高超高值的1/2、內(nèi)軌降低超高值的1/2設置；高架線、地面線的軌道曲線超高，宜采取外軌抬高超高值設置”。市域、城際、高鐵等軌道均按外軌抬高全超高值的方法設置，不同規(guī)范對超高要求如表3所示。

表3 規(guī)范中全超高與半超高比較

全超高和半超高作為超高的兩種設置方式，主要根據(jù)建筑限界、軌道類型等因素確定，可根據(jù)線路實際情況選擇合適的超高設置方式，全超高與半超高技術優(yōu)缺點比較如表4所示。

表4 全超高與半超高技術優(yōu)缺點比較

根據(jù)目前相關設計規(guī)范及已開通線路，全超高和半超高均能保證行車平穩(wěn)和安全。半超高在隧道內(nèi)可不增加隧道凈空，節(jié)省結(jié)構投資，還能減小超高順坡段的坡度。因此，在地下線隧道內(nèi)徑緊湊的情況下建議考慮采用外軌抬高超高值一半，內(nèi)軌降低超高值一半的方法設置超高(半超高方式)。在盾構隧道空間較大的地下線，采用全超高有利于保證曲線內(nèi)側(cè)的結(jié)構厚度，且利于排水，推薦在隧道內(nèi)徑較大的地下線采用全超高設置方式。

3 國鐵上線優(yōu)化建議

市域(郊)鐵路立足于既有鐵路系統(tǒng)服務的延伸，既要考慮國鐵上線與鐵路標準的匹配性，又要考慮乘客服務、運營組織相關的技術標準與城市軌道交通標準的一致性，設計期間需考慮國鐵上線條件下標準的統(tǒng)一性。以錫宜城際鐵路為例，討論不同條件下隧道建筑限界的需求。

錫宜城際鐵路采用160 km/h市域C型車，全線預留通蘇嘉甬高速鐵路動車組上線運行條件?？紤]預留國鐵上線條件，疏散平臺面寬度應符合《城際鐵路設計規(guī)范》的相關規(guī)定，采用1 000 mm。單線盾構采用現(xiàn)澆電纜槽蓋板作為疏散平臺，疏散平臺面距離軌道面的距離為250 mm，疏散平臺面寬度1 000 mm[10-16]。

主要從以下兩個方面開展論述。

(1)按照滿足160 km/h車輛實際運行限界要求考慮，滿足160 km/h的動車組運行條件，建筑限界設計應符合《城際鐵路設計規(guī)范》相關規(guī)定。

(2)按照滿足160 km/h車輛實際運行限界要求考慮，滿足200 km/h的動車組運行條件，建筑限界設計應符合《城際鐵路設計規(guī)范》相關規(guī)定。

3.1 160 km/h市域運行條件

3.1.1 采用柔性接觸網(wǎng)

單洞單線建筑限界受軌道和柔性接觸網(wǎng)控制，軌面以下高度為1 100 mm，軌面以上高度為6 550 mm，故建筑限界直徑取值為7 650 mm，如圖4所示。

圖4 柔性接觸網(wǎng)直線段建筑限界(單位：mm)

在超高為150 mm工況下，線路中心線相對隧道中心線偏移270 mm，排水溝尺寸為200 mm×150 mm，排水溝結(jié)構緊貼建筑限界邊緣(距離建筑限界邊緣約271 mm)，7 650 mm高的建筑限界仍可滿足軌道布置要求，如圖5所示。

圖5 柔性接觸網(wǎng)曲線段建筑限界(取全150 mm超高)(單位：mm)

柔性接觸網(wǎng)條件下，根據(jù)《市域(郊)鐵路設計規(guī)范條文說明》12.1.3要求，設計行車速度為160 km/h的市域C型車，單線隧道軌面以上最小凈空面積為39 m2。建筑限界直徑取值為7 650 mm時，軌面以上凈空面積約為42.1 m2，可滿足規(guī)范要求。

3.1.2 采用剛性接觸網(wǎng)

單洞單線建筑限界受軌道和最小凈空面積控制，軌面以下高度為1 100 mm，軌面以上高度為6 300 mm，故建筑限界直徑取值為7 400 mm，如圖6所示。

圖6 剛性接觸網(wǎng)直線段建筑限界(單位：mm)

在超高為150 mm工況下，線路中心線相對隧道中心線偏移255 mm，排水溝尺寸為200 mm×150 mm，排水溝結(jié)構緊貼建筑限界邊緣(距離建筑限界邊緣約240 mm)，7 400 mm高的建筑限界仍可滿足軌道布置要求，如圖7所示。

圖7 剛性接觸網(wǎng)曲線段建筑限界(取全150 mm超高)(單位：mm)

剛性接觸網(wǎng)條件下，根據(jù)前述《市域(郊)鐵路設計規(guī)范條文說明》12.1.3要求，建筑限界直徑取值為7 400 mm時，軌面以上凈空面積約為39.1 m2，大于最小凈空面積39 m2，可滿足規(guī)范要求。

3.2 預留200 km/h速度運行條件

如預留200 km/h速度的動車組運行條件，由于市域定位最大速度目標值為160 km/h，所以建筑限界應符合《城際鐵路設計規(guī)范》的相關規(guī)定。

單洞單線隧道建筑限界受軌道和最小凈空面積控制，軌面以下高度為1 100 mm，軌面以上高度為7 050 mm，不受剛性、柔性接觸網(wǎng)安裝高度影響，建筑限界直徑均取值為8 200 mm。當建筑限界直徑取值為8 200 mm時，軌面以上凈空面積約為48.1 m2，可滿足設計行車速度為200 km/h時，單線隧道軌面以上最小凈空面積為48 m2要求，如圖8所示。

圖8 預留200 km/h速度直線段建筑限界(單位：mm)

在超高為150 mm工況下，線路中心線相對隧道中心線偏移295 mm，排水溝尺寸為200 mm×150 mm，排水溝結(jié)構距建筑限界邊緣約320 mm，8 200 mm高的建筑限界滿足軌道布置要求，如圖9所示。

圖9 預留200 km/h速度曲線段建筑限界(取全150 mm超高)(單位：mm)

根據(jù)上述描述，對國鐵上線不同條件下的建筑限界進行梳理，如表5所示。

表5 國鐵上線條件下建筑限界梳理

160 km/h速度下接觸網(wǎng)的選擇對于建筑限界影響較大，相應對投資也會造成較大影響。剛性接觸網(wǎng)及柔性接觸網(wǎng)在市域線(速度160 km/h)內(nèi)應用均較多，其中，北京新機場線、北京地鐵22號線、廣州地鐵18號線及廣州地鐵22號線地下段接觸網(wǎng)制式均采用剛性接觸網(wǎng)，上海機場聯(lián)絡線地下段接觸網(wǎng)制式采用柔性接觸網(wǎng)。對兩種制式接觸網(wǎng)的優(yōu)缺點進一步論述，如表6所示[17-21]。

表6 剛性接觸網(wǎng)與柔性接觸網(wǎng)優(yōu)缺點對比

從使用功能上考慮，柔性接觸網(wǎng)及剛性接觸網(wǎng)均能滿足市域線運行及國鐵上線的供電要求。由于市域線經(jīng)常存在國鐵上線的情況，設計單位習慣上采用柔性接觸網(wǎng)，從而間接導致了車站及盾構的投資增加。根據(jù)上述分析，建議市域線地下部分均采用剛性接觸網(wǎng)。

4 結(jié)論

結(jié)合國內(nèi)市域(郊)鐵路盾構設計相關案例，通過對軌道設計優(yōu)化及不同國鐵上線條件兩方面展開討論，得出以下主要結(jié)論。

(1)盾構斷面應充分考慮不同設計條件下超高、排水等因素，軌道下排水溝均建議采用更加安全的U形排水溝。地下線隧道內(nèi)徑緊湊的情況下建議考慮采用外軌抬高超高值一半、內(nèi)軌降低超高值一半的方法設置半超高，在盾構隧道內(nèi)徑較大的地下線采用全超高設置方式。

(2)論述了國鐵上線條件不同時速的盾構斷面建筑限界考慮因素，并給出了合理的參考值。同時進一步比選了接觸網(wǎng)應用案例及優(yōu)缺點，建議無特殊要求下均采用剛性接觸網(wǎng)。設計期間應充分考慮互聯(lián)互通條件，避免盾構斷面過大或過小造成工程浪費和使用風險。

市域(郊)鐵路針對性規(guī)范較少，可參考規(guī)范及既有案例做法未能完全統(tǒng)一，盾構斷面設計考慮的因素較為復雜，且經(jīng)常存在與鐵路標準匹配的情況。通過對軌道高度、國鐵上線條件下盾構隧道建筑限界進行分析，提出相關建議以指導類似工程設計。