杭長客運專線錢塘江隧道橫斷面優化設計

韓向陽

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063)

1 工程概況

杭(州)-長(沙)是國家新時期建設的“三縱四橫”高速鐵路網滬(上海)至昆(明)客運專線的一部分,其全長980 km,設計速度目標值350 km/h。

杭長客運專線錢塘江隧道是杭長客運專線杭州樞紐的一部分,隧址距離上游錢江四橋1.1 km,距離下游錢江三橋2.8 km。連接既有杭州城站和蕭山站,主要承擔杭州城站南向發車任務,建成后擬替代既有錢江一橋(已到設計壽命,系重要文物)。由于受到線路條件及兩端車站的限速要求,本隧道的設計速度目標值為120 km/h,根據杭州城站及蕭山站在杭州樞紐中的功能定位,隧道內僅按通行旅客列車設計(包括動車組和普速列車)。錢塘江隧道平面線位見圖1。

隧道自江北的杭州城站南端咽喉引出,在杭州機務段內入地,然后沿姚江路下穿錢塘江,在濱江區的江虹路上岸,線路東折,沿北塘河至濱興路東側出地,隧道建筑長度6 230 m,其中隧道長度5 130 m,盾構段長4 332 m,明挖暗埋段752 m,敞開段1 100 m,工作井2座。

圖1 錢塘江隧道平面線位

2 問題的引出

本隧道設計速度目標值為120 km/h,通行的僅為旅客列車,相對于我國目前的客運專線建設標準,可以稱的上是低速客運專線。而我國目前尚無速度設計目標值為120 km/h的低速客運專線的規范或規定。根據目前的規范情況,僅有160 km/h以下客貨共線鐵路的建設標準可以參照。但是該標準的隧道建筑限界兼顧的是客貨混運,特別是超限超重貨車的運營。因此,參照此標準建設一條客運線路,會造成巨大浪費。研究和優化120 km/h低速客運專線隧道橫斷面成為整個工程設計的重中之重。

3 設計現狀及存在的問題

3.1 設計背景

本工程的初步設計對本隧道的建設方案進行了綜合比選。目前該隧道可以采用的斷面形式主要有雙線雙洞、雙線單洞、雙線單洞+隔墻3種方案,其中雙線單洞+隔墻方案斷面較大(直徑14.3 m),造價高,并且軌面到結構頂面尺寸較大,不滿足隧道埋設要求(300年一遇沖刷線)。而雙線雙洞方案占地寬,對通道寬度要求高,本通道在建設橋附近僅有18 m寬,雙洞方案不能安全展開,故而采用雙線單洞方案。

3.2 根據現有規范的設計

根據現有的規范,采用隧限2B,建筑限界高度6 550 mm,最大寬度4 880 mm,根據線路曲線半徑,本工程最大線間距4 220 mm。考慮到本隧道的長度規模、穿越錢塘江的復雜性、旅客運輸的重要性等,在線路兩側設置救援通道和圓形隧道的下層空間設置疏散通道,參考相關規范,具體的尺寸標準不得小于1 250 mm×2 200 mm(寬×高)。在此基礎上,考慮結構變形和施工誤差150 mm,并在曲線地段按要求進行加寬驗算之后擬定的隧道內輪廓(φ11.5 m)如圖2所示。

圖2 隧道內輪廓(單位：mm)

3.3 隧道橫斷面優化的切入點

上述的設計存在以下問題。

(1)采用了客貨共線鐵路的限界,造成了隧道橫斷面的巨大浪費。

(2)由于本設計斷面在下層空間設計了疏散通道,相比較而言,下層的疏散通道可以通過防火門與上部空間隔絕,并安設了風機、電話、錄像等設備,逃生條件較好,上部的救援通道寬度可以進一步優化,并且目前設計速度目標200 km/h的廣深港益田路隧道也采用了1 000 mm寬的救援通道,國內地鐵隧道的救援通道寬度也普遍都在600 mm左右。因此本隧道救援通道寬度存在優化的空間。

(3)隧道限界的高度主要受接觸網導線點高度和接觸網安裝空間的影響。合理采用接觸網安裝方式即可有效地降低隧道限界高度,從而優化其橫斷面。

4 優化方法

針對以上3個方案對本隧道的橫斷面進行優化。

(1)低速客運專線(120 km/h)的限界研究

主要方法是采用動力學模擬方法,通過對車輛運行時受外界因素如軌道不平順、曲線離心力或側風風壓等激擾而產生的振動過程進行模擬,確定車體在特定運營條件下的最大偏移程度及偏移范圍,從而勾勒出列車的動態包絡線(包括受電弓),然后在動態包絡線的基礎上預留150～200 mm的安全空間。

根據目前國家列車制造標準,選擇CRH2和機車的車輛輪廓線進行研究,根據目前在國內其他鐵路線上的限界研究成果和測試結果,計算并勾勒的列車動態包絡線如圖3、圖4所示。

圖3 直線段車輛動態包絡線(單位：mm)

圖4 R-1 000,h-145曲線段動態包絡線(單位：mm)

研究表明,曲線地段的動態包絡線控制整個橫斷面內輪廓的擬定。

(2)接觸網選型優化

目前,國內鐵路上主要采用的懸掛方式有剛性懸掛和鏈型懸掛,其中鏈型懸掛又有三角形腕臂和弓形腕臂形式。

①三角形腕臂鏈型懸掛系統

三角形腕臂鏈型懸掛造價經濟、耐磨受用,在目前修建的高速客運專線中,在隧道有效凈空面積控制隧道橫斷面的條件下,使用三角形腕臂鏈型懸掛系統(圖5)不會增加隧道的斷面面積,因而被廣泛采用,是目前使用最廣的懸掛系統。

但是對于本隧道而言,三角形腕臂鏈型懸掛需要的安裝高度為1 400 mm,并且隧道需要采用下錨補償裝置,不利于節約隧道空間。120 km/h的客運專線速度低,空氣動力學效應小,凈空面積不控制隧道斷面,采用此懸掛造成斷面浪費。

圖5 三角形腕臂鏈型懸掛系統(單位：mm)

②剛性接觸懸掛系統

剛性接觸懸掛(圖6)采用彈簧補償,節約了斷面面積,懸掛系統的安裝高度壓縮到了700 mm,非常適合低速鐵路隧道內采用。但是剛性懸掛造價高,對車輛的受電弓和接觸網導線的磨損大。

圖6 剛性接觸懸掛(單位：mm)

③弓形腕臂鏈型懸掛系統

弓形腕臂鏈型懸掛(圖7)是在三角形腕臂鏈型懸掛的基礎上進行優化的懸掛方式,采用彈簧補償,懸掛系統的安裝高度壓縮到了700 mm,節約了斷面面積,非常適合低速鐵路隧道內采用。

圖7 弓形腕臂鏈型懸掛系統(單位：mm)

綜合分析,最終推薦采用對列車受電弓和接觸網導線磨損小的弓形腕臂鏈型懸掛系統。

(3)救援通道寬度的優化

救援通道的優化主要思路是采用隧道下方的疏散通道為主的救災疏散形式。因此,優化的思路以下方的疏散通道控制整個橫斷面,上層的救援通道寬度僅考慮在空余空間內設置,優化的結果為800 mm寬,要比地鐵隧道的救援通道的救援通道寬。

5 優化結果

根據以上的優化原則,并考慮結構變形和施工誤差150 mm,并在曲線地段按要求進行加寬驗算之后擬定的隧道內輪廓為φ10.6 m。經驗算,在曲線地段列車旋轉運行后,距離隧道結構尚有200 mm以上的安全距離(圖8)。

圖8 優化后的隧道內輪廓(單位：mm)

6 研究結論

經過本次研究,將錢塘江隧道的橫斷面內輪廓由11.5 m優化到10.6 m,工程投資節約了15%,避免了工程浪費,其優化的橫斷面也是合理、可行的,為同類型其他工程的設計施工起到了借鑒及參考作用。

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