城市軌道交通下穿高速鐵路線站位方案研究

任星辰

(軌道交通工程信息化國家重點實驗室(中鐵一院),西安 710043)

引言

城市軌道交通具有方便快捷、載客量大、人均耗能低等優(yōu)勢,在服務(wù)社會、拉動內(nèi)需和支撐城市發(fā)展方面作出了重大貢獻,與此同時,我國已經(jīng)擁有了全世界最高運營速度及最大規(guī)模的高速鐵路網(wǎng)。城市軌道交通和高速鐵路的大規(guī)模建設(shè)必然會使兩者的線路在特定的空間上產(chǎn)生交叉[1-2]。城市軌道交通穿越既有高速鐵路的方式包含下穿和上跨既有線兩種形式。為減小對既有交通和土地占用的影響,同時降低對周圍環(huán)境和工程建設(shè)成本的影響,目前主要形式為城市軌道交通下穿既有高速鐵路線路[3]。對于城市軌道交通區(qū)間下穿高速鐵路,首先應(yīng)確定合理的線站位方案,而實現(xiàn)合理的線站位不僅要考慮高鐵站周邊的現(xiàn)狀和規(guī)劃條件,更重要的是不可忽略“下穿高鐵”這項十分重要的邊界條件[4-5]。合理的線站位可能會發(fā)揮事半功倍的效果,在兼顧現(xiàn)狀和規(guī)劃的同時,能夠降低對鐵路工程的影響、降低與鐵路部門的協(xié)調(diào)難度[6]。

1 擬建工程概述

西安地鐵1號線貫穿西安、西咸、咸陽三地,形成都市區(qū)線網(wǎng)規(guī)劃的東西向主骨架線路,是推動西咸一體化發(fā)展的交通紐帶。徐蘭高鐵是我國“四縱四橫”高速鐵路網(wǎng)中橫向高鐵干線,咸陽秦都站位于陜西省咸陽市秦都區(qū)玉泉西路,于2013年底實現(xiàn)通車運營。1號線三期工程的重要功能之一是銜接咸陽秦都高鐵站,提升區(qū)域性交通樞紐配套能力,基于銜接秦都高鐵站的功能,線路下穿徐蘭高鐵是勢在必行,無法避免。下穿鐵路段為秦都站—寶泉路站,地鐵區(qū)間隧道與高鐵線路基本形成垂直交叉。

徐蘭高鐵秦都站兩側(cè)為路基段,路基段外側(cè)為高架段,結(jié)合周邊的市政道路,彩虹二路與徐蘭高鐵相交處為路基段,彩虹二路西側(cè)、東側(cè)的咸平路、咸通路與徐蘭高鐵段為高架段,線路從橋梁段下穿可降低下穿風(fēng)險,提高施工安全性。秦都高鐵站、咸平路、彩虹二路、咸通路周邊基本為城市建成區(qū),布置有居住高層小區(qū)、辦公樓等,部分區(qū)域為中低層建筑。秦都站—秦皇南路站段,結(jié)合沿線周邊環(huán)境、下穿高鐵、用地規(guī)劃及客流分布,有多條路由可供選擇,因此,需要重點研究比選[7]。

2 秦都站—秦皇南路站段走向研究

西安地鐵1號線三期工程沿彩虹二路敷設(shè)并下穿徐蘭高鐵,考慮距彩虹二路西側(cè)1.47 km的咸平路、東側(cè)2.08 km的咸通路為鐵路橋梁段落,線路從橋梁段下穿可降低下穿風(fēng)險,提高施工安全性。為此,根據(jù)道路現(xiàn)狀、周邊用地性質(zhì)及未來規(guī)劃條件研究了3個行走路徑方案[8],如圖1所示。

圖1 西安地鐵1號線秦都站—秦皇南路站段線路走向方案比選

2.1 彩虹二路方案

線路沿彩虹二路—世紀(jì)大道敷設(shè),比選范圍內(nèi)線路正線長6.52 km,出入線長1.28 km,設(shè)車站5座,其中換乘站3座,如圖2所示。

圖2 線路沿彩虹二路通道線站位方案示意

方案優(yōu)點:沿線規(guī)劃以居住、商業(yè)、教育用地為主,且基本已實現(xiàn)規(guī)劃,客流吸引條件好;對咸陽市主城區(qū)及渭河南岸片區(qū)客流服務(wù)較好;線路較為順直,僅采用1處400 m小半徑曲線;僅下穿1處地塊,且預(yù)留下穿廊道;未下穿既有建筑物。

方案缺點:區(qū)間下穿徐蘭高鐵路基段,沉降控制要求較高;為安全穿越徐蘭高鐵路基段,秦都站、寶泉路站需調(diào)整為地下三層站。

2.2 咸平路方案

線路沿玉泉西路—咸平路—渭陽西路—彩虹二路—世紀(jì)大道敷設(shè),比選范圍內(nèi)線路正線長9.02 km,出入線長1.36 km,設(shè)車站5座,其中換乘站3座,如圖3所示。

方案優(yōu)點:區(qū)間下穿徐蘭高鐵橋梁段,對軌道沉降控制較為有利;對咸陽市主城區(qū)及渭河南岸片區(qū)客流服務(wù)較好。

方案缺點:咸平路位于咸陽市西部邊緣,西側(cè)規(guī)劃為工業(yè)用地,偏離主客流走廊,對客流服務(wù)較差;采用3處R=350 m、1處R=400 m小半徑曲線,運營條件較差;線路繞行,正線長度增加2.5 km,大于公共交通線路非直線系數(shù)1.4;正線切割4處地塊,其中咸平路轉(zhuǎn)向渭陽西路曲線下穿10棟樓房(6層)、渭陽西路轉(zhuǎn)向彩虹二路曲線下穿7棟樓房(3棟18層、3棟6層,1棟2層);出入線切割1處地塊,玉泉西路轉(zhuǎn)向經(jīng)電北路曲線下穿市場監(jiān)督管理局(12層);下穿樓房處,地鐵運營振動對居民影響較大。

2.3 咸通路方案

線路沿玉泉西路—咸通路—世紀(jì)大道敷設(shè),比選范圍內(nèi)線路正線長5.99 km,出入線長2.55 km,設(shè)車站5座,其中換乘站3座,如圖4所示。

圖4 線路沿咸通路通道線站位方案示意

方案優(yōu)點:區(qū)間下穿徐蘭高鐵橋梁段,對軌道沉降控制較為有利。

方案缺點:渭河南岸世紀(jì)大道段(西咸核心區(qū))客流覆蓋效果差;與18號線客流吸引范圍高度重疊;對咸通路以西咸陽市主城區(qū)的大片區(qū)域客流覆蓋服務(wù)較差;采用2處R=350 m小半徑曲線,運營條件相對較差,且限速段落較長;出入線長度增加1.27 km;正線切割2處地塊,其中玉泉西路轉(zhuǎn)向咸通路曲線下穿9棟樓房(1棟24層,8棟6層)、咸通路轉(zhuǎn)向世紀(jì)大道曲線下穿2棟樓房(29層);出入線切割1處地塊,玉泉西路轉(zhuǎn)向浴康路曲線下穿1棟樓房(33層);下穿樓房處,地鐵運營振動對居民影響較大。

3個線路走向方案的比選見表1。

表1 西安地鐵1號線秦都站—秦皇南路站段線路走向方案比選

綜合比選分析,沿彩虹二路方案規(guī)劃符合性好;線網(wǎng)均衡性好,車站選址合理,客流吸引條件好;線路較為順直,僅采用1處R=400 m小半徑曲線;僅下穿1處地塊,且對穿越廊道進行了預(yù)留;基本可繞避沿線既有建筑物,因此,推薦采用沿彩虹二路方案[9-11]。

3 推薦通道方案(彩虹二路方案)深化研究

3.1 線路下穿高鐵路基方案

西安地鐵1號線三期秦都站設(shè)置于彩虹二路與玉泉西路路口,為地下三層島式站臺車站,線路出秦都站后向南沿彩虹二路下穿徐蘭高鐵路基段,后于寶泉路路口設(shè)寶泉路站,寶泉路站為地下三層島式車站[12-14]。

(1)線路條件

秦都站—寶泉路站區(qū)間線路順直,無需限速運行,且輪軌磨耗小。

(2)運營條件

①配線型式滿足系統(tǒng)能力要求,并留有一定富余量。

②站前、站后雙折返進路,運營組織較為靈活,故障應(yīng)對能力強。秦都站配線方案示意如圖5所示。

圖5 秦都站配線方案示意

(3)車站建筑

①秦都站:秦都站位于玉泉西路與彩虹二路十字交叉口,為地下三層14 m島式站臺車站,框架結(jié)構(gòu),地下一層為物業(yè)層,地下二層為站廳層,地下三層為站臺層。秦都站總平面如圖6所示[15-16]。

圖6 秦都站總平面

優(yōu)點:a.車站位于玉泉西路和彩虹二路路口處,更有利于大比例的客流服務(wù)(高鐵站乘降客流僅5 500人/d);b.車站埋深較淺,使用功能較好;c.車站采用明挖法施工,實施難度較小。

缺點:與高鐵站換乘距離較遠(yuǎn)。

②寶泉路站:距離路口較近,客流吸引較好;換乘距離短,換乘方式便捷。

寶泉路站總平面如圖7所示。

圖7 寶泉路站總平面

(4)秦都站—寶泉路區(qū)間

區(qū)間總長約672 m(雙延米),隧道與徐蘭高鐵交角約為93°,下穿段落位于咸陽秦都站站場西側(cè)。秦寶區(qū)間下穿鐵路總平面如圖8所示。

圖8 秦寶區(qū)間下穿鐵路總平面

隧道兩端秦都站與寶泉路站均為地下三層站,下穿徐蘭高鐵處拱頂距離CFG樁底約3.235 m。區(qū)間采用盾構(gòu)法下穿,隧道結(jié)構(gòu)頂部距離水泥土墊層13.0～13.8 m,隧道穿越地層主要為粉質(zhì)黏土,地下水位位于拱頂以上約6 m。本方案基本未產(chǎn)生拆遷量,區(qū)間工程本體投資約為7 392萬元。秦寶區(qū)間下穿鐵路剖面如圖9所示。

圖9 秦寶區(qū)間下穿鐵路剖面

優(yōu)點:平面上線形平直,與徐蘭高鐵基本正交,有利于盾構(gòu)施工姿態(tài)控制,盾構(gòu)區(qū)間無需切割高鐵CFG樁,對高鐵的變形控制較好;線路沿彩虹二路敷設(shè)未下穿既有建筑物。

缺點:車站埋深相對較深,規(guī)模相對較大[17]。

(5)出入線及停車場

①出入線方案:停車場出入線于秦都站小里程端接軌后沿彩虹二路向北敷設(shè),出入線總長1 277.195 m,采用暗挖法+明挖法施工。

②停車場方案:珠泉路停車場場坪高程定為405.5 m,為地上停車場。工程實施難度相對較小,工程投資相對較少[18]。

3.2 下穿高鐵路基方案沉降控制

為確保推薦的線站位方案合理性和可行性,采用Midas GTS-NX三維有限元軟件,動態(tài)模擬了盾構(gòu)下穿高鐵站場路基段對高鐵路基的影響。計算工況采用了下穿徐蘭高鐵段的計算斷面,分析施工各階段盾構(gòu)掘進對徐蘭高鐵道床和隴海線道床的影響[19]。針對該工況的地質(zhì)條件,建立盾構(gòu)與地層開挖模型,研究盾構(gòu)機掘進過程地層損失和機械力引起的道床變形和地層變形。選取推薦方案進行數(shù)值模擬分析,盾構(gòu)隧道與CFG樁底凈距為3.235 m。盾構(gòu)施工完成后高鐵沉降、道床位移和CFG樁沉降分別如圖10～圖13所示[20]。

圖10 盾構(gòu)施工完成后高鐵道床沉降云圖

圖11 盾構(gòu)施工完成后高鐵道床縱向位移云圖

圖12 盾構(gòu)施工完成后高鐵道床橫向位移云圖

圖13 盾構(gòu)施工完成后CFG樁沉降云圖

由以上等值線圖可以看出,區(qū)間隧道盾構(gòu)穿越施工完成后,高鐵道床的豎向位移表現(xiàn)為隧道上方一定區(qū)域出現(xiàn)了沉降,沉降最大值8.68 mm。水平位移方面,道床縱向位移最大值僅為0.20 mm,橫向位移最大值僅為0.44 mm。高鐵道床沉降小于10 mm,滿足沉降控制要求。綜上,推薦的線站位方案滿足高鐵沉降要求,技術(shù)可行。

4 結(jié)語

鐵路客運樞紐站通常引入多條城市軌道交通線路打造綜合立體交通中心,但由于城市規(guī)劃的不斷完善和建設(shè)時序差異,軌道交通線路不可避免會下穿運營的高速鐵路。下穿高鐵具有工作內(nèi)容多、技術(shù)要求高、研究難度大、協(xié)調(diào)部門多等特點,而合理選擇線站位是研究的基礎(chǔ)工作。

通過西安地鐵1號線下穿徐蘭高鐵路段的研究,對比線路沿彩虹二路、咸平路、咸通路3個通道方案,考慮各種線站位影響因素后,推薦沿彩虹二路方案?；诠こ探ㄔO(shè)和運營條件對高鐵影響的考慮,深化研究了1號線彩虹二路方案的平縱斷面詳細(xì)設(shè)計、站位埋深及與相關(guān)建(構(gòu))筑物的位置關(guān)系,利用模擬軟件詳細(xì)推演了1號線下穿高鐵段在施工和運營過程中,引起高鐵的豎向沉降、道床縱向位移、道床橫向位移等,經(jīng)驗證可控制在高速鐵路規(guī)范要求的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)。本文研究成果可為城市軌道交通線路下穿運營高速鐵路的線站位選擇提供借鑒。