一種適用于遠期拆解的線路與站型設(shè)計方法

任碧能

(廣州地鐵設(shè)計研究院股份有限公司,510010,廣州∥高級工程師)

隨著地鐵線網(wǎng)建設(shè)規(guī)劃的發(fā)展,規(guī)劃及客流等會發(fā)生較大變化,需要對已建的地鐵線路進行拆解,以便滿足未來地鐵線網(wǎng)及其他地鐵線路發(fā)展的需要,可見,當城市地鐵線網(wǎng)建設(shè)發(fā)展到一定階段時,地鐵線路拆解是需要攻克的重要課題和技術(shù)難點。

我國學者已對我國有關(guān)城市的地鐵線路拆解項目進行過研究和總結(jié)。這些拆解方法形式豐富且具有實用性,但又各有不足。本文深入分析眾多拆解案例的優(yōu)點及不足,提出了一種適用于遠期拆解的地鐵線路與站型設(shè)計方法,對于如何實現(xiàn)該地鐵線路設(shè)計拆解方法進行了詳細的論述,以便于讀者能夠掌握該地鐵線路拆解方法,應(yīng)用到地鐵線路拆解領(lǐng)域,創(chuàng)造更好的社會、經(jīng)濟及技術(shù)效益。

1 既有的拆解項目

目前,我國眾多拆解項目存在諸多不足。

廣州地鐵2號線與8號線的拆解工程[1-2]、廣佛線與佛山6號線的拆解工程[3-4]、廈門地鐵6號線與9號線的拆解工程[5]等項目:均為地下拆解;均提前進行線網(wǎng)規(guī)劃預(yù)留,在車站端部預(yù)留了道岔分向條件;與延伸線路相沖突的一個既有區(qū)間土建結(jié)構(gòu)需要廢除,產(chǎn)生廢棄工程,另一個既有區(qū)間變成聯(lián)絡(luò)線使用;拆解的2條地鐵線還需要延伸一站一區(qū)間,新增1座換乘站實現(xiàn)換乘,增加了工程投資。

南通市地鐵1號線拆解工程[6]項目:為地下拆解,提前進行了規(guī)劃預(yù)留;既有的1段區(qū)間結(jié)構(gòu)可以拆解后轉(zhuǎn)換為2條聯(lián)絡(luò)線,不會產(chǎn)生廢棄工程;需要在區(qū)間中部增設(shè)道岔井進行明挖施工,增加了工程費用。

廣州地鐵3號線支線拆解工程項目[7]:為地下拆解;沒有提前進行線網(wǎng)規(guī)劃預(yù)留,也沒有預(yù)留設(shè)置道岔分向;需要對既有區(qū)間結(jié)構(gòu)進行鑿除,施工風險和難度都很大;需要停運很長時間,對運營和社會影響大。

寧奉(寧波—奉化)城際鐵路拆解工程項目[8]:為高架拆解;在高架區(qū)間提前規(guī)劃預(yù)留了高架拆解條件;拆解后可以實現(xiàn)2條獨立運營的線路;近期實施條件好、投資小,遠期車站換乘通道長、換乘不便捷;拆解后無聯(lián)絡(luò)線,無法實現(xiàn)線網(wǎng)資源共享,運營組織靈活性差。

天津6號線和8號線拆解工程項目[9]:為地下拆解;雙島四線方案沒有充分利用土建結(jié)構(gòu)已建空間來豐富配線形式組合,不利于運營組織、調(diào)度和線網(wǎng)資源共享;疊島四線方案,需采用地下三層,增加了車站埋深;僅有單渡線,無法在該站運營靈活調(diào)度;區(qū)間需要疊線立交,增加運營能耗,不利于區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道設(shè)置。

2 地鐵線路與站型設(shè)計方法

基于對既有拆解項目的分析,本文提出一種適用于遠期拆解的地鐵線路與站型設(shè)計方法。

2.1 設(shè)計思路

該地鐵線路與站型設(shè)計方法的設(shè)計思路是根據(jù)地鐵設(shè)計規(guī)范[10]要求,通過線路平縱設(shè)計軟件進行數(shù)字化線路平縱設(shè)計,設(shè)計2條線路匯交處具備站臺平行換乘條件,設(shè)置四線雙島站臺,在站臺前后配置豐富靈活的配線組合,預(yù)留好近遠期施工延伸條件,利用道岔分向功能進行拆解,從而實現(xiàn)地鐵線路設(shè)計的拆解、互聯(lián)互通及線網(wǎng)資源共享。適用于遠期拆解的地鐵線路與站型設(shè)計思路如圖1所示。

注:L1、L2分別為2條線路從車站道岔端部到遠期區(qū)間立交段端部的距離。

2.1.1 線路匯交處應(yīng)具備站臺平行換乘條件

對于在線路規(guī)劃階段和設(shè)計階段就考慮線路進行遠期拆解的線路,在線網(wǎng)規(guī)劃、建設(shè)規(guī)劃、工可階段及初步設(shè)計等階段,可應(yīng)用線路平縱設(shè)計軟件進行數(shù)字化線路平面設(shè)計:一條線路沿直線敷設(shè)走向不變;對于另一條線路,通過在站臺前后分別設(shè)置交點JD、圓曲線半徑R、前緩和曲線長度Lq、后緩和曲線長度Lh等平面交點曲線要素,來實現(xiàn)線路站臺前后區(qū)間線路的平面轉(zhuǎn)彎,進而確保2條線路交匯處具備站臺平行換乘條件。線路平面交點曲線要素如圖2所示。

圖2 線路平面交點曲線要素示意圖

2.1.2 設(shè)置四線雙島站臺

在2條線路匯交處具備站臺平行換乘條件后,設(shè)置四線雙島站臺。兩站臺內(nèi)側(cè)中間的兩線為一條地鐵線路的上下行線,兩站臺外側(cè)兩線為另一條地鐵線路的上下行線,從而實現(xiàn)每個站臺兩側(cè)不同線路之間的同站臺換乘。同站臺換乘時,乘客從一條地鐵線路的站臺一側(cè)下車以后,可以馬上到站臺的另一側(cè)等待另一條地鐵線路上車,換乘十分便捷。四線雙島站臺建筑信息模型橫截面如圖3所示。

圖3 四線雙島站臺建筑信息模型橫截面示意圖

2.1.3 配置豐富靈活的配線組合

如圖1所示:在站臺的一端,內(nèi)側(cè)的地鐵線路設(shè)置單渡線;在站臺的另外一端,內(nèi)側(cè)的地鐵線路設(shè)置交叉渡線及臨時車擋,并在內(nèi)外側(cè)地鐵線路之間分別設(shè)置第一聯(lián)絡(luò)線及第二聯(lián)絡(luò)線。列車通過2條聯(lián)絡(luò)線,可以實現(xiàn)互聯(lián)互通。利用單渡線和交叉渡線,可以實現(xiàn)折返調(diào)度。利用臨時車擋,可以實現(xiàn)臨時停車或存在。上述配線組合可實現(xiàn)線網(wǎng)資源共享、互聯(lián)互通及列車折返,從而實現(xiàn)運營組織的豐富靈活調(diào)度。

2.1.4 預(yù)留好近遠期施工延伸條件

在應(yīng)用線路平縱設(shè)計軟件進行數(shù)字化平縱設(shè)計時,應(yīng)考慮并預(yù)留好近遠期施工延伸條件。

如圖1所示,數(shù)字化平面設(shè)計需在車站兩端設(shè)置盾構(gòu)井或預(yù)留盾構(gòu)井位置。平面線間距應(yīng)滿足盾構(gòu)施工的安全平面凈距,平面線間距結(jié)合地質(zhì)條件宜大于1.5D(D為盾構(gòu)井直徑)。此外,L1及L2須大于距離最小限值Lmin,才能確保立交段縱向凈距滿足交叉施工安全凈距要求。

在數(shù)字化縱斷面設(shè)計時,通過設(shè)置變坡點(C)的里程和標高、豎曲線半徑R1及變坡點前后坡度(i1及i2)來實現(xiàn)線路縱斷面設(shè)計軌面標高的標高漸變(升高或降低),從而拉開立交段兩線路的軌面高差。線路縱斷面變坡點豎曲線要素如圖4所示。

注:T—豎曲線切線長。

由圖4,有:

T=R|i1-i2|/2

(1)

根據(jù)地鐵設(shè)計規(guī)范要求,i1、i2應(yīng)小于30‰,R1取5 000 m。

在區(qū)間段,對于一般立交段,2條線路軌面高差H1及H2的最小值Hmin為:

Hmin=h+D

(2)

進而可計算:

Lmin=Hmin/(2i)+T+LF,i<30‰

(3)

式中:

h——施工縱向安全凈距;一般地質(zhì)條件下,h>0.33D;

LF——附加安全距離,根據(jù)《地鐵設(shè)計規(guī)范》要求取5 m;

i——坡度。

為確保盾構(gòu)施工安全,減少盾構(gòu)施工過程中對已建成地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)的影響,最好是遠期延伸段區(qū)間上跨近期建成段區(qū)間。推薦的地鐵線路拆解方法縱斷面設(shè)計示意圖如圖5所示。2條線路在站臺(包括第一站臺、第二站臺)及配線(包括單渡線、交叉渡線、第一聯(lián)絡(luò)線、第二聯(lián)絡(luò)線等)范圍的縱斷面設(shè)計設(shè)置在相同坡向的2‰的坡度上,保證軌面標高一致,出來配線范圍后,在兩端2條線路縱斷面設(shè)計分別設(shè)置反向變坡點,從而實現(xiàn)在立交段拉開2條線路的軌面高差(H1、H2)。

圖5 推薦地鐵線路拆解方法縱斷面設(shè)計示意圖

2.1.5 利用道岔的分向功能實現(xiàn)拆解

完成站臺前后的配線組合設(shè)置以后,利用2條聯(lián)絡(luò)線兩端的道岔分向功能即可實現(xiàn)拆解。

線路拆解前,利用2條聯(lián)絡(luò)線連接2條地鐵線,利用2條聯(lián)絡(luò)線兩端道岔的分向功能,通過道岔側(cè)向過岔,實現(xiàn)2條地鐵線和聯(lián)絡(luò)線的貫通運營;拆解后,利用2條聯(lián)絡(luò)線兩端的道岔正向過岔,實現(xiàn)2條線路的拆解,2條線獨立運營,不再經(jīng)過聯(lián)絡(luò)線貫通運營,利用2條聯(lián)絡(luò)線可以實現(xiàn)互聯(lián)互通運營和線網(wǎng)資源共享,中間那條地鐵線路上的臨時車擋被取消,單渡線和交叉渡線作為折返調(diào)度使用。

2.1.6 設(shè)計的關(guān)鍵性控制點

本文所提地鐵線路與站型設(shè)計方法的關(guān)鍵性控制點主要為:

1) 2條線路交匯處的選擇,需要選在具備平行條件,滿足長度和寬度要求的規(guī)劃或現(xiàn)狀道路路段,且要兼顧四段區(qū)間路由延伸輻射的可行性,盡量繞避建構(gòu)筑物,避免或減少征地拆遷。

2) 2條拆解線分別設(shè)于2個平行站臺的內(nèi)側(cè)或外側(cè),在兩站臺端部2條拆解線之間設(shè)置對稱的聯(lián)絡(luò)線。2條聯(lián)絡(luò)線的設(shè)置方向,要和2條拆解線近期和遠期的延伸拆解方向,順接匹配上。

3) 要考慮預(yù)留好遠期拆解延伸線路平面預(yù)留盾構(gòu)井位置的施工安全平面凈距和縱斷面立交段縱向施工安全的縱向凈距。

2.2 拆解過程

明確了地鐵線路與站型設(shè)計思路后,地鐵線路的拆解過程如下:

1) 近期建設(shè)。先完成近期建成段車站、近期建成段A線區(qū)間及近期建成段B線區(qū)間的施工,其中近期建成段車站采用明挖施工,在車站兩端設(shè)置盾構(gòu)井,采用盾構(gòu)法施工完成近期建成段A線區(qū)間和近期建成段B線區(qū)間,同時在車站兩段考慮設(shè)置預(yù)留盾構(gòu)井位置,為遠期延伸段區(qū)間預(yù)留好施工延伸條件(如圖1所示)。另外,應(yīng)用線路平縱設(shè)計軟件,進行2條線路的平面設(shè)計和縱斷面設(shè)計,在盾構(gòu)井、預(yù)留盾構(gòu)井位置設(shè)置好滿足盾構(gòu)施工條件的安全平面凈距,在近期建成段和遠期延伸段的立交段設(shè)計預(yù)留好滿足盾構(gòu)立交的安全縱向凈距(如圖1及圖5所示)。

2) 近期貫通運營。近期建成段車站、A線區(qū)間、B線區(qū)間建成以后,A線和B線通過第一聯(lián)絡(luò)線、第二聯(lián)絡(luò)線相連,通過第一聯(lián)絡(luò)線、第二聯(lián)絡(luò)線兩端的道岔側(cè)向過岔,實現(xiàn)A線和B線的近期貫通運營。臨時車擋可以用于列車臨時停車,單渡線和交叉渡線的設(shè)置可以用于靈活折返和調(diào)度(如圖1所示)。

3) 遠期拆解。根據(jù)近期建成段車站兩端預(yù)留好的預(yù)留盾構(gòu)井,采用盾構(gòu)法完成遠期延伸段A線區(qū)間、B線區(qū)間的建設(shè),為既有結(jié)構(gòu)的延伸,不會與既有結(jié)構(gòu)沖突,不會產(chǎn)生廢棄工程。通過第一聯(lián)絡(luò)線、第二聯(lián)絡(luò)線兩端的道岔正向過岔,實現(xiàn)A線和B線的遠期拆解。B線上的臨時車擋被取消,單渡線和交叉渡線可以作為B線的折返功能,也可以結(jié)合2條聯(lián)絡(luò)線,實現(xiàn)和A線的互聯(lián)互通及線網(wǎng)資源共享(如圖1所示)。

2.3 主要特點

本文提出的地鐵線路與站型設(shè)計方法具有如下特點:①換乘不用延伸線路增設(shè)站點,節(jié)省工程投資;②實現(xiàn)雙島四線同站臺換乘,換乘便捷;③配線組合形式豐富,運營組織調(diào)度靈活,可以實現(xiàn)互聯(lián)互通及線網(wǎng)資源共享;④利用道岔的分向功能及地鐵限界標準要求,預(yù)留車站端部土建結(jié)構(gòu)施工延伸條件,不破壞既有結(jié)構(gòu),不產(chǎn)生廢棄工程;⑤應(yīng)用線路平縱設(shè)計軟件進行數(shù)字化線路平縱設(shè)計,預(yù)留近遠期線路平面間距和縱斷面立交凈距滿足施工安全要求,從而降低施工風險和難度,確保施工安全。

2.4 適用條件

本文所提的地鐵線路與站型設(shè)計方法不僅適用于地下拆解,也適用于地面拆解和高架拆解。若是地面拆解或是高架拆解,則車站兩端不需預(yù)留盾構(gòu)井,而需預(yù)留好遠期施工延伸條件,并在兩線延伸立交段預(yù)留遠期延伸段線路上跨或者下穿立交段的施工條件。此外,車站站臺及配線若考慮近遠期分建,即兩站臺內(nèi)側(cè)及配線近期建成,需預(yù)留兩站臺外側(cè)及配線遠期建設(shè)條件,則需考慮設(shè)置好兩站臺及配線近遠期接口條件。

本地鐵線路與站型設(shè)計方法是利用道岔的分向功能,通過線路平縱設(shè)計軟件進行數(shù)字化線路平面設(shè)計和縱斷面設(shè)計預(yù)留了設(shè)置道岔條件,只要在規(guī)劃、設(shè)計階段區(qū)間提前考慮預(yù)留了道岔分向設(shè)置條件,也可以適用于區(qū)間拆解工程。

本文所提的地鐵線路與站型設(shè)計方法,只適用于在規(guī)劃階段和設(shè)計階段就考慮預(yù)留遠期拆解條件的情況,并且只適用于設(shè)置2條線路匯交處具備站臺平行換乘和縱向立交條件的情況。對于只能線路站臺交叉進行拆解的情況,或者沒有提前設(shè)計預(yù)留的情況,不適應(yīng)本方法。

3 工程實例

以某城市某2條地鐵線路與站型設(shè)計為例,如圖6所示,往北和東方向線路為先期建成段,往西和南方向線路為遠期延伸段。在拆解背景方面,由于近期建成段A線和近期建成段B線,位于現(xiàn)狀客流密集區(qū),需要盡快建設(shè)的迫切性更強;遠期延伸段A線和遠期延伸段B線位于遠期規(guī)劃發(fā)展區(qū),近期建設(shè)迫切性不強。因此在施工時序上,近期需要把近期建成段A線和近期建成段B線建成貫通運營,遠期拆解再分別與遠期延伸段A線和遠期延伸段B線接駁。從而很好的實現(xiàn)了工程近遠期建設(shè)影響與現(xiàn)狀、規(guī)劃相匹配。應(yīng)用地鐵線路與站型設(shè)計方法的設(shè)計思路,設(shè)置2條線路匯交處具備站臺平行換乘條件,設(shè)置四線雙島站臺,設(shè)置豐富靈活的配線組合,預(yù)留好近遠期施工延伸條件,最后利用道岔的分向功能,實現(xiàn)拆解。上述方法,是應(yīng)用線路平縱設(shè)計軟件進行2條線路的數(shù)字化平面設(shè)計和縱斷面設(shè)計完成,并考慮了繞避建構(gòu)筑物,2條線路分別沿道路紅線或綠地敷設(shè),拆遷量少。該工程施工盾構(gòu)直徑為6.2 m;縱斷面設(shè)計中,立交段2條線路i均為28‰,站臺坡度取2‰,R1取5 000 m。根據(jù)式(1)計算可得,T=75 m,根據(jù)式(1)—式(3)計算可得,Lmin=191 m,實際設(shè)計中L1=403 m、L2=243 m,均大于平面延伸最小距離191 m。由此可見,遠期立交段仍可以滿足縱向施工安全凈距要求。

圖6 推薦地鐵線路拆解方法工程實例示意圖

該案例中:原線路走向為由北轉(zhuǎn)向東;拆解后,變?yōu)?條線路,1條是南北走向,1條為東西走向。遠期延伸段線路是沿道路紅線敷設(shè)的,不會產(chǎn)生額外的拆遷和切割道路紅線,并且遠期延伸段的線路建設(shè)從先期建成段的預(yù)留盾構(gòu)井位置進行施工,不會對既有結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞,也不會產(chǎn)生廢棄工程。先期建成段預(yù)留好的、豐富靈活的配線形式組合為拆解后實現(xiàn)線網(wǎng)資源共享、互聯(lián)互通、運營靈活調(diào)度等功能提供了條件。拆解后,站臺為雙島四線換乘,從一條地鐵線路下車,通過同站臺就可以換乘到另外一條地鐵線路,換乘便捷,不需要再延伸增設(shè)換乘站,節(jié)省了工程投資。對該工程應(yīng)用,本文所提適用于遠期拆解的地鐵線路與站型設(shè)計方法產(chǎn)生的社會、經(jīng)濟和技術(shù)效益分析如表1所示。

表1 社會、經(jīng)濟、技術(shù)效益分析表

4 結(jié)語

通過對我國既有的豐富的地鐵線路拆解項目案例的調(diào)研,充分吸收和分析了眾多拆解方法的優(yōu)點和不足,本文提出了一種適用于遠期拆解的地鐵線路與站型設(shè)計方法,并通過實際的工程案例應(yīng)用表明,該地鐵線路與站型設(shè)計方法,不會對既有結(jié)構(gòu)造成破壞,不會產(chǎn)生廢棄工程,施工風險和難度低,工程費用低,換乘便捷,運營組織豐富靈活,具備互聯(lián)互通和線網(wǎng)資源共享功能,能產(chǎn)生很好的社會、經(jīng)濟和技術(shù)效益。

在應(yīng)用線路平縱設(shè)計軟件,進行數(shù)字化線路平面設(shè)計和縱斷面設(shè)計,預(yù)留2條拆解線路的盾構(gòu)施工平面安全間距條件,立交段縱向預(yù)留滿足盾構(gòu)施工的安全凈距要求,是確保近遠期施工延伸安全、可行的關(guān)鍵。結(jié)合目前行業(yè)BIM設(shè)計和數(shù)字化發(fā)展的趨勢,建議后續(xù)可以研究運用BIM及數(shù)字化技術(shù),進行線路平縱三維快速建模設(shè)計,實現(xiàn)盾構(gòu)平面和縱斷面立交施工安全凈距碰撞檢查。