雙邊控制法在地鐵調坡設計中的應用研究

劉延晨

（廣州地鐵設計研究院有限公司，廣東廣州 510010）

雙邊控制法在地鐵調坡設計中的應用研究

劉延晨

（廣州地鐵設計研究院有限公司，廣東廣州 510010）

在線路調線調坡階段，由于缺乏簡單實用的軟件，設計人員主要依靠手工計算的方式進行線路調坡設計，但該方法會影響地鐵設計質量和工程進度。針對此問題提出雙邊控制法，結合測量、地鐵限界和橋梁資料，系統地介紹了地鐵高架線、隧道線的雙邊控制線的確定方案，并將地鐵線路設計軟件應用到地鐵調坡設計中，實現了地鐵調坡設計自動化、可視化，進一步提高了工作效率。該方法已成功應用于南京地鐵機場線調坡設計中，也可為類似工程線路調坡設計提供參考。

雙邊控制法；地鐵調坡設計；限界；地鐵隧道；地鐵高架橋

0 引言

線路調線調坡是在城市軌道交通土建工程完成之后鋪軌工程尚未開始時的一項重要工作［1］，線路調坡設計是調線調坡階段重要組成部分之一，必須引起重視［2］。地鐵調坡設計理論基礎是實測限界是否滿足設計限界，若不滿足，則需根據侵限值的大小進行調坡設計［3－6］。線路調坡設計主要是對數據進行處理，即大量的實測限界與設計限界的比較。國內常用的數據處理方式有2種：一種是手工計算，即采用Excel辦公軟件批處理后進行調坡設計，但這種方式效率低、可視化效果差；另一種是通過自編程序的方式進行調坡設計［7］，這種方式效率高，但需要重新自編程序或購買軟件等，讓很多設計人員望而卻步。

為了更好地開展地鐵調坡設計工作，本文提出雙邊控制法，借助既有地鐵線路平縱設計軟件進行調坡設計，可避免手工計算、自編程序或購買新軟件；在線路縱斷設計軟件界面中引入雙邊控制線的概念，限定軌面允許調整范圍，以實現調坡設計可視化；同時利用既有軟件自帶的設計工具，實現調坡設計自動化。

1 地鐵線路設計CAD軟件

國內常用的地鐵線路設計CAD軟件主要有科寶華地鐵平縱斷面CAD系統、中鐵二院工程集團有限責任公司和北京城建設計研究院各自編寫的平縱斷面設計軟件等，其共同特點是實現了線路設計自動化，且平縱斷面設計界面可視化效果好。但由于缺乏簡單實用的理論支撐，既有線路設計軟件在調線調坡階段適用性不強。如果能通過簡單實用的理論方法將地鐵線路設計軟件應用到地鐵調坡設計中，則可實現地鐵調坡設計自動化、可視化和提高工作效率的目的。

2 雙邊控制法原理

2.1 基本原理

雙邊控制法是指軌面方案線的確定，受到與其相關的上、下2條控制線的影響和制約，而這2條控制線是由一系列的離散點繪制而成。雙邊控制線一旦穩定，2條線之間的區域即為地鐵線路調坡設計軌面上下移動的范圍，如圖1所示。按照此方法進行線路調坡設計，必須先繪制出限定線路軌面上、下調整的控制線，上、下控制線之間的范圍即為線路軌面滿足豎向限界的范圍，對于超出此范圍的，可通過改變線路縱斷面坡長、坡度等，使之位于雙邊控制線之間，即可滿足調坡要求。

圖1 雙邊控制法示意圖Fig.1 Sketch of double side control method

2.2 土建結構斷面測量

城市軌道交通土建基礎完成后，測量單位依據設計單位要求，間隔5～10 m需測量一組土建結構內斷面［8］。每個斷面豎向測量中，國內各設計院提出的設計要求基本一致，測量線路中心線正下方底板和正上方頂板（高架橋除外）的高程，且測量高程數據與線路里程對應。

國內大部分地鐵線路長度均在20 km以上，以南京地鐵機場線為例，線路全長約35.8 km，如果間隔5～10 m測量一組數據，則需測量3 580～7 160組數據（不考慮局部加密測量數據的情況），數據量之大可想而知，設計人員處理大量的數據也會感到很枯燥。

2.3 限界

限界是限定車輛運行及軌道周圍構筑物超越的輪廓線，分為車輛限界、設備限界和建筑限界3種，是工程建設、管線和設備安裝位置等必須遵守的依據［9］。因此，施工圖設計階段，設計人員為保證土建結構不侵限，會在建筑限界的基礎上預留5～15 cm作為施工誤差。

建筑限界分為矩形隧道建筑限界、馬蹄形隧道建筑限界、圓形隧道建筑限界、高架線及地面線建筑限界和車輛段車場線建筑限界。建筑限界是雙邊控制線與底板線（或頂板線）互算的重要依據之一。

2.4 橋梁

橋梁主要承受橋梁自重、道床及車輛動荷載等。橋梁一旦建成，其最大承載力就很難再加大，因此，施工圖設計階段，設計人員都會在滿足承受橋梁自重、道床及車輛動荷載的條件下，留有一定的富余量。而調坡設計時需與橋梁專業人員進行溝通，把橋梁富余量換算為道床高度。

根據《地鐵設計規范》，高架標準段橋梁整體道床厚道在500～520 mm，道床存在最小的施工厚度為500 mm。

2.5 底板線和頂板線

得到土建斷面測量數據后，根據線路里程將每個斷面的底板高程輸入到地鐵線路設計CAD軟件縱斷面界面中（可根據不同設計軟件批處理輸入，如科寶華有繪制地面線功能等），可在軌面線下方出現一系列離散點，將這些離散點依次連接得到底板線，同樣方法也可得到頂板線。底板線或頂板線是確定雙邊控制線的基礎。

2.6 雙邊控制線

城市軌道交通常見的土建基礎可分為地下隧道、高架橋梁和路基3類，根據不同土建形式介紹其雙邊控制線的確定方法。

2.6.1 地下隧道

地下隧道施工工法可分為盾構法、礦山法、明挖法等。本文以國內常見單線單洞盾構為例來介紹雙邊控制線的確定方法，其他工法隧道可通過類比得到。

國內常用的單線單洞盾構內徑主要有5.5 m（如上海、南京等東南地區）和5.4 m（如廣州、深圳等華南地區）2種，與之適應的限界均為直徑5.2 m的圓形隧道建筑限界［10］，即在限界圓上、下空間各預留0.15 m 或0.1 m的施工富余量，這個富余量也是調坡優化設計時可上下移動的量。

根據圓形隧道建筑限界，只要軌面距頂板或底板的距離大于限界所需距離（如圖2所示），即可滿足限界要求。

得到盾構斷面測量數據后，在地鐵線路設計CAD軟件縱斷面界面中繪制底板線和頂板線。根據盾構建筑限界資料，把底板線向上偏移H值，即可得到雙邊控制線的下線；同樣把頂板線向下偏移D值，即可得到雙邊控制線的上線。雙邊控制上、下線之間的區域即為軌面線調整范圍，如圖3所示。

圖2 盾構隧道限界圖Fig.2 Demarcation of shield-bored tunnel

圖3 盾構隧道雙邊控制線示意圖Fig.3 Double side control lines of shield-bored tunnel

2.6.2 高架橋梁

根據《地鐵設計規范》，高架橋梁整體道床厚道在500～520 mm，道床施工存在的最小厚度是確定雙邊控制線下線的依據。同時橋梁設計過程中，其最大承載力在滿足橋梁自重、車輛荷載和道床荷載的條件下，需留有一定富余量。因此，在橋梁滿足自重、車輛荷載不變的條件下，其承載的富余量可通過計算轉化為道床高度，從而得到雙邊控制線的上線。

得到高架橋斷面測量數據后，在地鐵線路設計CAD軟件縱斷面界面中繪制底板線。根據軌道資料和橋梁資料，把底板線向上偏移h值，即可得到雙邊控制線的下線；把底板線向上偏移d值，即可得到雙邊控制線的上線。雙邊控制上、下線之間區域即為軌面線優化調整范圍，如圖4所示。

2.6.3 路基段

路基段調坡設計相對容易，路基段道床放置在加固后的路基之上，道床厚度無上限約束，因此不存在雙邊控制線的上線（或上限），而雙邊控制線的下線與道床形式密切相關。若是整體道床，軌面與底板的距離不小于道床施工的最小厚度；對于碎石道床，由于可通過削減或加高路基高度來滿足鋪軌要求，不存在雙邊控制線的下線（或下限）。

圖4 高架線雙邊控制線示意圖Fig.4 Double side control lines of elevated bridge

3 實例分析

南京機場線是連接高鐵南京南站和祿口機場的南北快線，途經祿口新城、東善橋－秣陵片區、東山副城西側，止于南京南站。線路正線全長約35.8 km，其中高架段長約16.9 km，過渡段長約0.7 km，地下段長約18.2 km。2012年11月份中旬開始進行線路調線調坡設計，2013年12底完成全線的調線調坡工作。本文以南京機場線為例，利用雙邊控制法進行調坡優化設計，結合調線調坡過程具體實例說明其特點。

3.1 可視化效果好

軌面線、底板線或頂板線在同一個界面中，且里程一一對應，因此軌面與底板或頂板相對位置一目了然。

以勝太路站及其南側（小里程）盾構區間為例，雙邊控制線分別由隧道頂板線和隧道底板線偏移得到，如圖5所示。

圖5 勝太路站及其南側盾構隧道Fig.5 Double side control lines of Shengtailu station and shieldbored tunnel

3.1.1 快速判別突變數據

處理數據過程中，常常會出現一些突變數據（如圖5中表現為突變點），傳統判別方法需要計算測量點的軌面高程，通過換算得到理論的底板和頂板高程，再對照比較判別突變數據是測量錯誤還是由設計引起的，這種方法不僅耗工耗時，且判別準確性不高。而雙邊控制法具有可視化效果好，能快速判別這些突變數據的特點。如圖5所示，A1點為底板測量數據，是由測量錯誤引起的，應提請測量單位復測；A2突變點為靠近車站端頭的底板數據，應為盾構始發井底板加深位置，是由設計引起的；B2點為靠近車站頂板數據，應為盾構始發井加高位置，也是由設計引起的。

3.1.2 快速判定侵限點

雙邊控制法的上、下線是由隧道頂板線和底板線根據限界要求偏移得到的，若雙邊控制線與軌面線存在交點，則說明不滿足限界要求。如圖5所示，b1點為明挖與盾構分界點，常常出現侵限現象，只需對該點及其前后進行調坡優化設計即可。

3.2 調坡設計自動化

雙邊控制法將地鐵線路設計CAD軟件推廣到線路調坡設計中，線路調線調坡前的成果可繼續使用，避免將數據重新輸入平縱斷面。還可充分發揮線路設計軟件自身優勢，軌面線上增加或刪除變坡點、改變坡長和坡度均可以自動生成，且坡度和坡長取整相對容易，利于軌道施工。以南京機場線為例，線路調線調坡之前階段平縱設計均采用科寶華地鐵平縱斷面CAD系統，因此調坡前可利用之前的成果，軌面線調整可自動生成，實現了調坡設計的自動化。

3.3 工作效率高

長期以來，設計人員一直以手工計算的方式進行調坡設計，該方法可視化差、需循序漸進且要試坡。由于事前無法判斷侵限位置，只能按照里程由小到大（或由大到小）的順序，反復調整坡長、坡度來試算，直至縱坡滿足要求為止，因此，耗時長，人為因素大，且效率低。而南京機場線采用雙邊控制法，可迅速判斷侵限位置，并針對性調坡，且調坡成果自動生成，大大提高了工作效率。

4 結論與討論

利用雙邊控制法將既有地鐵線路設計CAD軟件推廣至調坡階段，使調坡設計可視化，實現了針對性調坡（對地鐵侵限段而言）；利用地鐵線路設計CAD軟件實現調坡設計自動化，調坡設計時坡度、坡長易于取整，利于軌道施工，提高了工作效率。但需注意的是：雙邊控制法只是一種快速調坡使之滿足豎向限界要求的方法，所得結果不一定為最優解，需要結合線路技術標準、道床類型等因素進行綜合考慮。因此，希望通過此方法，能為今后軌道交通調坡設計提供借鑒和參考。

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Application of Double Side Control Method in Fine-tuning Design of Line Slope of Metro Works

LIU Yanchen
（Guangzhou Metro Design＆Research Institute Co.，Ltd.，Guangzhou 510010，Guangdong，China）

The Metro design quality and the construction schedule would be affected due to the lack of simple and practical software on fine-tuning design of the line slope of Metro works.As a result，double side control method is proposed.The determination of the double side control lines of the elevated bridges and tunnels of Metro works is systematically presented on basis of the survey data，the Metro demarcation data and the bridge data.The Metro line design software is applied in the fine-tuning of the line slope of Metro works，which achieves automatic and visual finetuning design of line slope of Metro works and improves the working efficiency.The method has been successfully used in the fine-tuning design of the slope of the airport line of Nanjing Metro.The paper can provide reference for the finetuning design of similar works in the future.

double side control method；fine-tuning of line slope；demarcation；tunnel；elevated bridge

10.3973/j.issn.1672－741X.2014.04.008

U 45

A

1672－741X（2014）04－0339－04

2014－01－15；

2014－02－20

劉延晨（1983—），男，陜西延安人，2008年畢業于哈爾濱工業大學交通學院，道路與鐵道工程專業，碩士，工程師，現從事地鐵、輕軌線路設計工作。