南京地鐵機場線高架U梁段同心圓設計

劉延晨 劉國祥

（廣州地鐵設計研究院有限公司,510010,廣州∥第一作者,工程師）

南京地鐵機場線高架U梁段同心圓設計

劉延晨 劉國祥

（廣州地鐵設計研究院有限公司,510010,廣州∥第一作者,工程師）

目前,U形梁在國內軌道交通工程中已有較多應用,但尚未有成熟、系統的同心圓設計經驗可供借鑒。結合南京地鐵機場線工程,對高架U形梁段的同心圓設計進行詳細闡述,從U梁施工工法角度,合理選取曲線加寬量,減少預制模具的種類,壓縮模具及配套投入資金,利于“U”形梁規模化生產,也為以后類似工程提供參考。

地鐵線路設計；高架U型梁；曲線加寬；預制模具；同心圓設計

First-author'saddressGuangzhou Metro Design&Research Instiute Co.,Ltd.,510010,Guangzhou,China

南京地鐵機場線為連接高鐵南京南站和祿口機場的南北快線,串聯祿口新城、東善橋秣陵片區、東山副城等重點發展區域。線路全長約35.8 km,其中高架段長約16.9 km（約占全線47.2%）,過渡段長約0.7 km（約占全線2.0%）,地下段長約18.2 km（約占全線的51.8%）。對于機場線高架段,除車站外,其余均采用U形梁（見圖1）,因此高架U梁段同心圓設計是線路和橋梁設計施工的重點。

圖1 高架U梁段照片

1 U形梁

U形梁是一種下承式梁,不同于傳統的上承式梁（如箱梁、T形梁等）,線路左右線分別位于2個平行盆梁內,可大幅降低線路標高和車站高度,靈活適應線路條件,減少工程量和節約投資等［1］；同時,U形梁結構本身形成一個良好的防噪體系,噪聲在U形梁腹板內多次反射后能量衰減,可有效地降低噪聲［2］。

2007年上海軌道交通8號線投入運營后,標志著U形梁在國內使用的正式開始［3］；2012年南京地鐵機場線高架段再次采用U梁,是U形梁使用的進一步推廣。

由于線路的左右線位于2個盆梁中,其直線段線間距較傳統上承式梁寬。南京地鐵機場線高架段直線最小線間距為4.7m,其中在兩盆之間預留140mm的富裕量,以便于橋梁施工（見圖2）。

圖2 U型梁斷面示意圖

預制簡支U形梁具有可采用整跨預制、整跨吊裝、安裝速度可達一洞一跨、整體施工進度快的特點［4］。因此,機場線高架段除跨越大型路口時采用現澆U型連續梁（長約1.4 km）外,其余均采用預制簡支U梁（長約15.5 km）。

2 同心圓設計原理

對于地鐵高架線的左右線,盡量采用同心圓設計或類同心圓設計,以便盡量保證圓曲線范圍內任意一點的線間距相等。這有利于使橋的橫斷面尺寸保持一致,便于設計施工和養護維修,并可最大限度地節約占地［5］。機場線U形梁同心圓設計可以參考傳統同心圓設計原理。

同心圓的設計是一種近似的設計［6］,即外圓曲線半徑與內圓曲線半徑差值為直線地段線間距與曲線加寬量之和,通過內外圓的偏移量差實現曲線加寬［7-8］（如圖3所示）。

圖3 加設緩和曲線后圓曲線的幾何形位

根據加設緩和曲線后內、外側曲線的幾何形位（圖3）,為滿足同心圓要求,需滿足以下關系：

具體同心圓設計公式如式（1）、（2）、（3）和（4）所示。

式中：

Pn——內圓偏移量；

Pw——外圓偏移量；

Rn——內側曲線半徑長度（曲線為左偏時,為左線曲線半徑,反之為右線曲線半徑）；

Rw——外側曲線半徑長度（曲線為左偏時,為右線曲線半徑,反之為左線曲線半徑）；

ln——內側曲線緩和曲線長度；

lw——外側曲線緩和曲線長度；

D——曲線兩段直線段線間距；

W——曲線加寬量。

當內圓半徑一定時,通過式（2）和式（4）得出,外圓半徑和內圓緩和曲線長度均與W值密切相關,因此W是同心圓設計的關鍵。

3 曲線加寬

U形梁曲線加寬量不同于傳統上承式梁,其曲線加寬量由限界加寬和工法加寬兩個部分組成。

3.1 限界加寬

高架雙線并行區間曲線地段線間距應在其兩端的直線地段最小線間距基數上予以加寬,以滿足車輛、設備、建筑限界要求,保障列車會車的安全要求,如圖4所示。

限界加寬與曲線段的半徑、超高有關：半徑越小,超高越大,則限界加寬也就越大；反之限界加寬越小。

圖4 限界加寬示意圖

3.2 工法加寬

橋梁區間工法主要有預制簡支梁體系和現澆連續梁體系2種工法［9］。預制模塊化施工具有對現場交通、環境影響小,綜合造價低,施工周期短的優點。對于機場線高架段,線路較長,且大多是標準區間,又穿越城市重要道路,因此除跨越大型路口采用現澆U梁外,其余段均采用預制簡支U梁。

高架現澆U梁可根據線路走向做成直線梁或曲線梁。曲線段預制梁雖可以滿足限界加寬要求,但不利于規模化生產。

為了利于簡支U梁的規模化施工生產,曲線段預制梁采用以“直”代“曲”方式進行預制,如圖5所示。南京機場線高架段預制簡支U梁段采用整跨預制,整跨吊裝,共有18 m、22 m、25 m、26 m、28 m、30 m 6種跨度。因此曲線位置在滿足限界加寬的基礎上,還要考慮由于U梁跨徑大而引起的工法加寬（如圖6所示）。

圖5 高架預制梁段拼裝示意圖

圖6 工法加寬示意圖

工法加寬量

式中：

L——預制U梁長度；

R——曲線半徑。

根據式（5）所示,工法加寬量與區間半徑密切相關：半徑越大,工法加寬量越小；反之工法加寬量越大。

3.3 機場線曲線加寬

南京機場線高架段長約16.9 km,共有8種曲線半徑。由于跨徑18 m、22 m、25 m、26 m、28 m的預制U梁均可由跨徑30 m U梁模具預制,因此以跨徑30 m U梁為加寬的基礎。各曲線半徑所對應的限界加寬、工法加寬、曲線加寬如表1所示。

表1中南京機場線高架段存在21種加寬量（包含直線段,加寬量為0）,曲線半徑相等時,由于超高不同（列車通過速度不同引起的超高差異）,其加寬量也略有差別,且相鄰間半徑加寬量也相差不大。

4 U梁預制模具

預制簡支U梁表面要求為清水混凝土,因此模具采用全鋼結構整體式設計。整套模具由底模、外模、內模、內模支撐、內外模移動系統和端模6大部分組成,另外包括外模斜撐、內模斜撐及液壓系統等附件（如圖7所示）。模具整體造價比較高。

表1 機場線高架段曲線加寬匯總表

圖7 預制U梁模具

曲線段預制U梁以“直”代“曲”,預制模具的橫向尺寸與曲線加寬量密切相關。若U梁曲線加寬量無規律地變化,給模具的設計、制造和施工均帶來較大麻煩,使模具及配套投入資金增加,不利于U梁的大規模生產。因此,為適應U梁大規模生產的需要,提高預制模具的使用次數,在設計過程中宜盡量減少U梁的種類。

受地形、地貌影響,南京機場線高架U梁段采用6種跨徑（或長度尺寸）,由于跨徑18 m、22 m、25 m、26 m、28 m的預制U梁均可由跨徑30 m U梁模具預制,因此需要從橫向尺寸壓縮模具種類。根據表1所示：曲線半徑在500～1 000 m之間的曲線加寬相差不大,約318 mm；曲線半徑在1 500～3 600 m之間的曲線加寬量相差不大,約134 mm,因此從減少模具種類角度考慮,把半徑在550～1000m的區間加寬梁合并為第一檔,線間距采用半徑500m的曲線加寬量550mm；把半徑在1 500～3 600 m的區間加寬合并為第二檔,線間距采用半徑1 500 m的曲線加寬量265 mm；直線段為第三擋,線間距為4.7 m。這樣,模具寬度尺寸只需3種即可滿足要求,可減少18種模具尺寸,大大壓縮模具及配套投入資金。同時土建工程量與合并前相差不大,約642 m2（相當于兩跨梁的造價）。

5 同心圓設計

同心圓設計通常做法為：內圓半徑不變,加大外圓半徑,如式（4）所示,這樣不會降低線形標準；外圓緩和曲線滿足線路技術標準最小值即可；通過改變內圓緩和曲線長度實現曲線加寬,如式（2）所示。

對于半徑在550～1 000 m之間的曲線,其加寬量為550 mm,線間距不小于5 250 mm即可；對于半徑在1 500～3 600 m之間的曲線,其加寬量為265 mm,線間距不小于4 965 mm。

同心圓曲線設計中,內圓的緩和曲線長并不是唯一的,而是按照5 m進整進行計算,可有多組解。由式（4）可知：內圓緩和曲線越長則圓曲線段線間距越大,高架段占地面積越大,與同心圓的設計目的不符,因此應取內圓緩和曲線長最短的一組解。

6 結語

南京機場線高架U梁段盡量采用同心圓設計,有利于使橋的橫斷面尺寸保持一致性,便于設計施工和養護維修,并可最大限度地節約占地。同時,根據機場線U梁施工工法,從減少模具種類角度,把21種曲線加寬量合并為3種,降低了模具資金投入。

［1］ 黎慶.南京地鐵2號線東延高架線路U型梁結構計算及試驗［J］.城市軌道交通研究,2009（8）：8.

［2］ 郭敏.廣州市地鐵高架U型梁結構設計［J］.廣東土木與建筑,2004（5）：12.

［3］ 周國河,張耀生.城市高架軌道交通新型“U”形梁預制工藝研究及應用［J］.建筑施工,2008,30（7）：575.

［4］ 范征,趙啟儒.軌道交通高架區間橋梁結構選型的探討［J］.鐵道標準設計,2006（12）：30.

［5］ 賈國裕.雙線鐵路變更線間距地段線路平面計算有關問題的探討［J］.鐵道標準設計,2006（1）：29.

［6］ 白寶英.鐵路線路參數化設計的幾點思考［J］.鐵道標準設計, 2011（3）：45.

［7］ 王雷,孟凡鐵.地鐵線路同心圓設計［J］.山西建筑,2013,39（3）：155.

［8］ 俎保峰.客運專線鐵路同心圓設計的探討［J］.鐵道工程學報, 2011（12）：21.

［9］ 王今玉.地鐵高架段選線及區間工法探討［J］.鐵道建筑技術, 2012（2）：40.

中國為何遠赴萬里修兩洋鐵路

中國為何赴萬里之遙參與修建兩洋鐵路？對此,有關專家表示,修建兩洋鐵路,一是有實際貨運需求,且有利于促進雙方經貿合作；二是中國鐵路無論在技術、施工、運營還是資金上具備充足實力。

修建連接大西洋與太平洋的兩洋鐵路并非今日才提出。拉美地區物產豐富,無論是礦產資源還是農產品,都在世界貿易中占有重要地位。同時,日益躍升的中國經濟同拉美國家之間的貿易聯系也越來越緊密。作為全球第二大經濟體,中國的外貿額約占全球貿易總量的30%。特別是近10年來,巴西、哥倫比亞、智利和秘魯等國對華出口增長了10倍,中國現已成為許多拉美國家產品的主要出口目的地。巴西的鐵礦、秘魯的銅礦,及至周邊國家如阿根廷的大豆等,都大量出口到中國。

除了現實需求外,中國鐵路在設計、施工、裝備制造以及運營方面所具備的綜合實力遠遠超越其他國家。施工周期短、平均造價低、裝備技術世界領先,且有在各種地質條件下建造鐵路的豐富經驗。在運營方面,中國鐵路運輸效率世界第一,并保持良好的安全紀錄。同濟大學鐵道與城市軌道交通研究院教授孫章表示,中國鐵路成功的范例也促使南美諸國下決心發展鐵路。目前,這些國家鐵路裝備亟需更新換代、鐵路線路需要升級拓展,中國的經驗和設計施工運營隊伍正是這些國家最理想的選擇。

（摘自2014年7月18日《新聞晨報》,新華社記者齊中熙、樊曦、郝亞琳報道）

Concentric Circle Design for Elevated U Beam on Nanjing Metro Airport Line

Liu Yanchen,Liu Guoxiang

At present,though widely used in many rail transit projects in China,there are not enough mature and systemic design experiences of concentric circles worth learning.In this paper,combined with Nanjing Airport Line,the concentric circle design of elevated U beam section is introduced in detail. From the angle of U beam construction method,the selection of reasonabe curve widening value,the reduction of prefabricated mould categories,compression mould and the matching funds,as well as the favorable condition for the scale production of U beam are discussed to provide a reference for similar projects in the future.

metro line design；elevated U beam；curve widening；precast Die；concentric circle design

U 231.1

2014-03-02）