適用于120～160 km/h的地鐵工程盾構(gòu)隧道限界分析

唐 云

(北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司， 北京 100037)

適用于120～160km/h的地鐵工程盾構(gòu)隧道限界分析

唐 云

(北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司， 北京 100037)

隨著地鐵運(yùn)營(yíng)速度的提高，乘客舒適度要求提高，目前國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)地鐵盾構(gòu)隧道斷面不再適合。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)既有工程盾構(gòu)隧道尺寸的調(diào)研，結(jié)合北京新機(jī)場(chǎng)線的最新研究成果，通過(guò)速度對(duì)設(shè)備限界的影響、隧道阻塞比對(duì)盾構(gòu)隧道斷面尺寸的影響以及供電制式對(duì)盾構(gòu)隧道斷面尺寸的影響等分析，提出了制定盾構(gòu)隧道斷面限界的方式，并在相關(guān)工程中進(jìn)行應(yīng)用。

軌道交通； 盾構(gòu)隧道限界； 120～160 km/h； 設(shè)備限界； 隧道阻塞比； 供電制式

速度不大于100 km/h的地鐵盾構(gòu)隧道限界[1]，主要由設(shè)備限界、軌道結(jié)構(gòu)高度和設(shè)備安裝等共同確定。目前國(guó)內(nèi)地鐵單洞單線盾構(gòu)隧道采用的建筑限界主要是直徑5 200 mm和5 300 mm兩種[2-3]，對(duì)應(yīng)的隧道斷面內(nèi)徑也以5 400 mm和5 500 mm兩種為主。

隨著列車(chē)運(yùn)行速度的提高，車(chē)輛限界和設(shè)備限界均有所增大，設(shè)備限界是決定斷面限界的最基本因素，需要有相應(yīng)的分析；同時(shí)，由于運(yùn)行速度的提高，列車(chē)在隧道內(nèi)高速運(yùn)行，空氣流動(dòng)受隧道及車(chē)體的限制以及空氣的可壓縮性，導(dǎo)致隧道內(nèi)空氣壓力劇烈變化，由此引發(fā)一系列工程問(wèn)題：初始?jí)嚎s波誘發(fā)的出口微壓波造成噪聲及周邊建筑物破壞，壓力波動(dòng)傳入車(chē)廂引起乘客耳膜壓痛，壓力波動(dòng)引起列車(chē)側(cè)壁、車(chē)窗玻璃以及隧道內(nèi)設(shè)施破壞等。因此，需要研究確定合適的斷面限界來(lái)克服以上壓力變化產(chǎn)生的影響；隨著行車(chē)速度的提高，車(chē)輛的供電制式會(huì)有相應(yīng)的調(diào)整，供電制式的變化對(duì)單洞單線盾構(gòu)隧道限界也有較大的影響。

1 國(guó)內(nèi)既有工程調(diào)研

廣州地鐵3號(hào)線設(shè)計(jì)之初雖然非常重視空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)，并進(jìn)行了模擬計(jì)算，但由于當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)這樣的系統(tǒng)是第一個(gè)，具有大阻塞比、全地下的快線系統(tǒng)特征，按國(guó)外的壓力變化指標(biāo)控制的切身感受沒(méi)有感性認(rèn)識(shí)。隨著3號(hào)線的開(kāi)通運(yùn)營(yíng)，快線的空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)感受反映出來(lái)。當(dāng)列車(chē)在長(zhǎng)度6.2 km、內(nèi)徑5.4 m的盾構(gòu)隧道——番禺廣場(chǎng)站至市橋站區(qū)間運(yùn)行，列車(chē)最高運(yùn)行速度接近120 km/h時(shí)，乘客和司機(jī)會(huì)出現(xiàn)胸悶、耳鳴和耳痛等身體不適情況[4]。廣州地鐵3號(hào)線采用5.4 m直徑隧道斷面時(shí)的阻塞比約為0.5，車(chē)輛供電制式為DC1 500 V接觸網(wǎng)供電。

深圳地鐵11號(hào)線列車(chē)以120 km/h的速度運(yùn)行，盾構(gòu)隧道采用6.0 m的直徑，在考慮泄壓措施后，最不利洞口處的壓力變化值都可以滿足建議的1 500 Pa/3 s的壓力舒適度要求。隧道阻塞比約為0.4，車(chē)輛為DC1 500 V接觸網(wǎng)供電。

對(duì)上海地鐵16號(hào)線列車(chē)120 km/h高速運(yùn)行的隧道空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)進(jìn)行計(jì)算與分析研究后認(rèn)為，常規(guī)隧道不適宜運(yùn)行120 km/h的列車(chē)，需要加大隧道有效面積，減少阻塞比。該工程通過(guò)隧道形式和規(guī)模的多方案比選，對(duì)120 km/h的地鐵線可采用既有隧道內(nèi)徑10.36 m的隧道，并按單洞雙線加中間隔墻方案作為隧道的實(shí)施方案(車(chē)隧阻塞比約為0.33)，也可按照內(nèi)徑6.8 m的隧道方案(車(chē)隧阻塞比為0.31)，按照單洞單線實(shí)施兩條隧道。目前，上海16號(hào)線通過(guò)了上海市建委專家評(píng)審，結(jié)論是上海首次采用10.36 m的大直徑地鐵隧道。車(chē)輛供電制式為接觸軌受電，預(yù)留受電弓條件。

青島藍(lán)色硅谷工程列車(chē)區(qū)間最高運(yùn)行速度為120 km/h，DC1 500 V接觸軌供電，隧道區(qū)間全線大于10 km，隧道斷面為礦山法隧道，斷面設(shè)計(jì)時(shí)也考慮了隧道空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)，隧道斷面的隧道阻塞比都小于0.4，目前隧道基本貫通。

由以上既有工程調(diào)研分析得出，隨著運(yùn)行速度的提高，為了滿足乘客舒適性要求和車(chē)輛運(yùn)行能耗要求，適當(dāng)增大隧道斷面是有必要的。

對(duì)于最高速度>100 km/h的地鐵盾構(gòu)隧道限界的分析，需要從設(shè)備限界、供電制式、軌道結(jié)構(gòu)高度要求和空氣動(dòng)力學(xué)等多方面進(jìn)行研究。

2 車(chē)輛限界和設(shè)備限界

廣州地鐵3號(hào)線：列車(chē)運(yùn)行速度從80 km/h提高到120 km/h后車(chē)輛需要改變一些構(gòu)造參數(shù)，主要是將車(chē)體與轉(zhuǎn)向架之間的橫向位移適當(dāng)放大。橫向自由間隙為15 mm，橫向擋塊的可壓縮量為20 mm，另一方面，限界計(jì)算中的橫向加速度由0.250 m/s2提高到0.375 m/s2。120 km/h速度下的車(chē)輛限界，其橫坐標(biāo)值增大了21 mm(車(chē)輛最大半寬1 400 mm，車(chē)輛限界橫向最大值1 524 mm)。

青島—海陽(yáng)城際(藍(lán)色硅谷段)軌道交通工程，區(qū)間最高速度為120 km/h，限界計(jì)算時(shí)車(chē)輛最高速度允許瞬間超速10%，即最高速度為132 km/h，計(jì)算結(jié)果為：車(chē)輛最大半寬為1 445 mm，車(chē)輛限界最大值為1 586 mm，設(shè)備限界最大值為1 616 mm。

上海地鐵16號(hào)線選用上海市建設(shè)規(guī)范《城市軌道交通設(shè)計(jì)規(guī)范》(DGJ08—109—2004)附錄中的大型車(chē)輛輪廓線作為設(shè)計(jì)依據(jù)，經(jīng)調(diào)研分析得出，120 km/h的設(shè)備限界較80 km/h的設(shè)備限界側(cè)向加大20～30 mm。

在編的市域快速軌道交通技術(shù)規(guī)范對(duì)120～160 km/h的車(chē)輛限界和設(shè)備限界也做了相關(guān)規(guī)定，限界的計(jì)算方法參照《地鐵限界標(biāo)準(zhǔn)》的相關(guān)規(guī)定，該規(guī)范中給出的標(biāo)準(zhǔn)A型車(chē)的最大半寬為1 550 mm，車(chē)輛限界最大值為1 691 mm，設(shè)備限界最大值為1 770 mm。

結(jié)合廣州地鐵3號(hào)線的經(jīng)驗(yàn)，目前既有的盾構(gòu)隧道能滿足最高速度120 km/h的行車(chē)安全限界要求，但無(wú)法滿足乘客舒適度的要求。通過(guò)以上實(shí)際工程或規(guī)范中對(duì)速度大于100 km/h的車(chē)輛限界和設(shè)備限界的統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)合《地鐵限界標(biāo)準(zhǔn)》計(jì)算公式中速度影響相關(guān)項(xiàng)的分析得出，隨著速度的增加，車(chē)輛限界和設(shè)備限界均有所增大，但增量有限，故速度大于100 km/h的車(chē)輛限界和設(shè)備限界不是確定盾構(gòu)隧道斷面尺寸的控制因素。

3 隧道阻塞比與盾構(gòu)隧道斷面的關(guān)系

對(duì)于速度低于100 km/h的地鐵，隧道斷面往往根據(jù)地鐵限界，滿足最低要求即可，幾乎不用考慮空氣動(dòng)力學(xué)的影響，目前既有地鐵工程中的隧道阻塞比一般在0.45～0.50之間，遠(yuǎn)大于國(guó)鐵隧道的車(chē)隧阻塞比[5]。

隧道的車(chē)隧阻塞比即為車(chē)輛橫斷面面積與隧道軌面以上凈空橫斷面面積的比值。關(guān)于隧道車(chē)隧阻塞比的要求，我國(guó)地鐵行業(yè)現(xiàn)行的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范尚無(wú)明確規(guī)定。鐵路部門(mén)有相關(guān)規(guī)定：

1) 《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10003—2005)[6]第1.0.6條規(guī)定，“…對(duì)于旅客列車(chē)最高行車(chē)速度160 km/h新建鐵路隧道內(nèi)輪廓尚應(yīng)考慮機(jī)車(chē)類(lèi)型、車(chē)輛密封性、旅客舒適度等因素確定，隧道軌面以上凈空橫斷面面積，單線隧道不應(yīng)小于42 m2……”。

2) 《京滬高速鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》[7]第7.1.1條規(guī)定，“隧道工程設(shè)計(jì)必須考慮列車(chē)進(jìn)入隧道誘發(fā)的空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)對(duì)行車(chē)、旅客乘坐舒適度、車(chē)輛結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和環(huán)境等方面的不利影響。緩解空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)可采用放大隧道斷面有效面積減少阻塞比β……”。

參考《北京新機(jī)場(chǎng)快線壓力舒適度標(biāo)準(zhǔn)及隧道阻塞比研究》的結(jié)論,最高運(yùn)行速度120 km/h，隧道斷面阻塞比小于0.4[8]；最高運(yùn)行速度140 km/h，使用非密閉車(chē)輛，隧道斷面阻塞比小于0.27，使用密閉車(chē)輛，隧道斷面阻塞比小于0.35；最高運(yùn)行速度160 km/h，使用密閉車(chē)輛，隧道斷面阻塞比小于0.289[9]。隧道斷面面積滿足以上隧道阻塞比要求時(shí)，乘客舒適度能滿足壓力舒適度標(biāo)準(zhǔn)。

A型車(chē)車(chē)輛斷面面積暫按10.319 m2考慮，軌道結(jié)構(gòu)高度按840 mm考慮，在滿足以上隧道阻塞比的前提下，確定的最小隧道斷面如表1所示。

表1 隧道阻塞比β與隧道斷面關(guān)系

4 供電制式與盾構(gòu)隧道斷面的關(guān)系

隨著區(qū)間最高速度的提高，車(chē)輛的供電制式也有相應(yīng)的調(diào)整，最高速度大于100 km/h時(shí)，供電制式可以采用DC1 500 V剛性接觸網(wǎng)，也可采用AC25 kV柔性接觸網(wǎng)。

車(chē)輛高度為3 800 mm時(shí)，接觸網(wǎng)采用垂直剛性懸掛時(shí)，在DC1 500 V電壓制式下接觸導(dǎo)線距軌面的最低懸掛高度一般為4 040 mm，AC25 kV 接觸導(dǎo)線距軌面的最低懸掛高度為4 190 mm[10]。

采用DC1 500 V剛性接觸網(wǎng)供電時(shí)，接觸網(wǎng)導(dǎo)線安裝高度一般為4 040～4 400 mm，接觸網(wǎng)支架安裝高度不小于400 mm；采用AC25 kV柔性接觸網(wǎng)供電時(shí)，接觸網(wǎng)導(dǎo)線安裝高度一般為4 400～5 300 mm，接觸網(wǎng)支架安裝高度一般不小于1 400 mm；軌道結(jié)構(gòu)高度按840 mm考慮，故由供電制式確定的隧道斷面如表2所示。

表2 供電制式與盾構(gòu)隧道斷面關(guān)系

由以上供電制式的分析得出，因供電制式的不同，接觸網(wǎng)導(dǎo)線安裝高度和接觸網(wǎng)支架安裝要求都各不相同，由供電制式確定的盾構(gòu)隧道內(nèi)徑也有較大的差異。

5 確定隧道斷面尺寸

隧道阻塞比和供電制式對(duì)盾構(gòu)斷面限界的分析結(jié)論表明，兩者確定的斷面限界是不一致的，故需要對(duì)以上兩種控制因素進(jìn)行綜合分析(見(jiàn)表3)。

表3 隧道阻塞比β、供電制式與盾構(gòu)隧道斷面關(guān)系

由表3分析可知：

1) 采用DC1 500 V供電時(shí)，當(dāng)接觸網(wǎng)線安裝高度不大于4 400 mm，接觸網(wǎng)安裝尺寸不大于400 mm時(shí)，最高速度大于100 km/h的盾構(gòu)隧道斷面尺寸主要由隧道阻塞比控制；當(dāng)接觸導(dǎo)線安裝高度與接觸網(wǎng)支架共同要求大于某一數(shù)值時(shí)，盾構(gòu)斷面尺寸將由供電制式確定。

2) 當(dāng)車(chē)輛供電制式采用AC25 kV時(shí)，盾構(gòu)斷面尺寸基本上由供電制式確定。當(dāng)供電制式需要的凈空要求減小時(shí)，盾構(gòu)斷面尺寸又由隧道阻塞比確定。

3) 盾構(gòu)隧道斷面限界尺寸的確定，首先必須滿足車(chē)隧阻塞比的要求，其次需要考慮供電制式的影響。

北京地鐵R1線車(chē)輛按市域A車(chē)進(jìn)行考慮，為DC1 500 V剛性接觸網(wǎng)供電，區(qū)間列車(chē)最高運(yùn)行速度為120 km/h。按以上分析方法，制定R1線單線盾構(gòu)隧道的建筑限界時(shí)主要考慮因素為：軌道結(jié)構(gòu)高度840 mm、接觸網(wǎng)導(dǎo)線安裝高度4 400 mm、接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)高度400 mm、隧道阻塞比β不大于0.4；供電制式確定的盾構(gòu)隧道斷面建筑限界直徑為840+4 400+400=5 640 mm，阻塞比確定的建筑限界直徑為6 000 mm。如圖1所示，最終確定的圓形隧道建筑限界為6 000 mm，實(shí)際為0.397。

圖1 北京R1線圓形隧道限界Fig.1 Circular tunnel limit of Beijing Metro R1 Line

北京新機(jī)場(chǎng)線車(chē)輛采用市域車(chē)，為AC25 kV柔性接觸網(wǎng)供電，區(qū)間列車(chē)最高運(yùn)行速度為160 km/h。按以上分析方法，制定北京新機(jī)場(chǎng)線單線盾構(gòu)隧道的建筑限界時(shí)主要考慮因素為：軌道結(jié)構(gòu)高度900 mm、接觸網(wǎng)導(dǎo)線安裝高度5 300 mm、接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)高度1 400 mm、隧道阻塞比β不大于0.289；供電制式確定的盾構(gòu)隧道斷面建筑限界內(nèi)徑為900+5 300+1 400=7 600 mm，阻塞比確定的建筑限界為7 200 mm。如圖2所示，最終確定的圓形隧道建筑限界直徑為7 600 mm，實(shí)際為0.27。

圖2 北京地鐵機(jī)場(chǎng)線圓形隧道限界Fig.2 Circular tunnel limit of Beijing Metro Airport Line

6 結(jié)論

通過(guò)對(duì)盾構(gòu)隧道限界決定因素(設(shè)備限界、隧道阻塞比、供電制式)的逐一分析，可以看出速度120～160 km/h的盾構(gòu)隧道限界尺寸的控制因素不是唯一的，同樣也不是固定不變的。在本文的分析條件下，主要得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1) 設(shè)備限界不是確定速度120～160 km/h的盾構(gòu)隧道斷面尺寸的控制因素；

2) 隧道阻塞比和供電制式是確定速度120～160 km/h的盾構(gòu)隧道限界尺寸的主要因素；

3) 隧道阻塞比確定的隧道斷面限界應(yīng)是盾構(gòu)隧道斷面尺寸選型的下限值；

4) 當(dāng)供電制式確定的隧道斷面尺寸大于隧道阻塞比確定的隧道斷面限界尺寸時(shí)，盾構(gòu)選型應(yīng)采用供電制式確定的隧道斷面限界尺寸。

列車(chē)運(yùn)行速度為120～160 km/h的盾構(gòu)隧道選型時(shí)，應(yīng)充分考慮各種影響因素，具體情況應(yīng)具體分析，在滿足空氣動(dòng)力學(xué)的同時(shí)，也需要滿足設(shè)備安裝的需求，確保盾構(gòu)隧道選型的合理性。

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Shield Tunnel Boundary for 120～160 km/h Subway Engineering

TANG Yun

(Beijing Urban Construction Design and Development Group Co., Ltd., Beijing 100037)

With the improvement of the operation speed of subways and the passenger comfort requirement, the cross section of the traditional metro shield tunnel is no longer suitable. Through the research on the size of the existing shield tunnels in China, combined with the latest research results of Beijing new airport line, the influence of speeds on equipment gauge, the influence of tunnel blocking ratio and power supply system on the cross section dimensions of shield tunnels are analyzed. The paper puts forward a way of making shield tunnel section boundary, and applies it in relevant engineering projects.

urban rail transit; shield tunnel boundary; 120～160 km/h; equipment gauge; tunnel blocking ratio; power supply standard

10.3969/j.issn.1672-6073.2017.05.010

2016-10-20

2016-11-21

唐云，男，碩士，工程師，從事城市軌道交通限界研究工作，tangyun@bjucd.com

U231

A

1672-6073(2017)05-0056-04

(編輯：郝京紅)