一種適用于遠期拆解的線路與站型設計方法

任碧能

(廣州地鐵設計研究院股份有限公司,510010,廣州∥高級工程師)

隨著地鐵線網建設規劃的發展,規劃及客流等會發生較大變化,需要對已建的地鐵線路進行拆解,以便滿足未來地鐵線網及其他地鐵線路發展的需要,可見,當城市地鐵線網建設發展到一定階段時,地鐵線路拆解是需要攻克的重要課題和技術難點。

我國學者已對我國有關城市的地鐵線路拆解項目進行過研究和總結。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計方法,對于如何實現該地鐵線路設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,應用到地鐵線路拆解領域,創造更好的社會、經濟及技術效益。

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;均提前進行線網規劃預留,在車站端部預留了道岔分向條件;與延伸線路相沖突的一個既有區間土建結構需要廢除,產生廢棄工程,另一個既有區間變成聯絡線使用;拆解的2條地鐵線還需要延伸一站一區間,新增1座換乘站實現換乘,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,提前進行了規劃預留;既有的1段區間結構可以拆解后轉換為2條聯絡線,不會產生廢棄工程;需要在區間中部增設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;沒有提前進行線網規劃預留,也沒有預留設置道岔分向;需要對既有區間結構進行鑿除,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;在高架區間提前規劃預留了高架拆解條件;拆解后可以實現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;拆解后無聯絡線,無法實現線網資源共享,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構已建空間來豐富配線形式組合,不利于運營組織、調度和線網資源共享;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度;區間需要疊線立交,增加運營能耗,不利于區間聯絡通道設置。

2 地鐵線路與站型設計方法

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計方法。

2.1 設計思路

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

注:L1、L2分別為2條線路從車站道岔端部到遠期區間立交段端部的距離。

2.1.1 線路匯交處應具備站臺平行換乘條件

對于在線路規劃階段和設計階段就考慮線路進行遠期拆解的線路,在線網規劃、建設規劃、工可階段及初步設計等階段,可應用線路平縱設計軟件進行數字化線路平面設計:一條線路沿直線敷設走向不變;對于另一條線路,通過在站臺前后分別設置交點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,來實現線路站臺前后區間線路的平面轉彎,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,設置四線雙島站臺。兩站臺內側中間的兩線為一條地鐵線路的上下行線,兩站臺外側兩線為另一條地鐵線路的上下行線,從而實現每個站臺兩側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下車以后,可以馬上到站臺的另一側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,內側的地鐵線路設置單渡線;在站臺的另外一端,內側的地鐵線路設置交叉渡線及臨時車擋,并在內外側地鐵線路之間分別設置第一聯絡線及第二聯絡線。列車通過2條聯絡線,可以實現互聯互通。利用單渡線和交叉渡線,可以實現折返調度。利用臨時車擋,可以實現臨時停車或存在。上述配線組合可實現線網資源共享、互聯互通及列車折返,從而實現運營組織的豐富靈活調度。

2.1.4 預留好近遠期施工延伸條件

在應用線路平縱設計軟件進行數字化平縱設計時,應考慮并預留好近遠期施工延伸條件。

如圖1所示,數字化平面設計需在車站兩端設置盾構井或預留盾構井位置。平面線間距應滿足盾構施工的安全平面凈距,平面線間距結合地質條件宜大于1.5D(D為盾構井直徑)。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。

在數字化縱斷面設計時,通過設置變坡點(C)的里程和標高、豎曲線半徑R1及變坡點前后坡度(i1及i2)來實現線路縱斷面設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)

根據地鐵設計規范要求,i1、i2應小于30‰,R1取5 000 m。

在區間段,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;一般地質條件下,h>0.33D;

LF——附加安全距離,根據《地鐵設計規范》要求取5 m;

i——坡度。

為確保盾構施工安全,減少盾構施工過程中對已建成地鐵區間結構的影響,最好是遠期延伸段區間上跨近期建成段區間。推薦的地鐵線路拆解方法縱斷面設計示意圖如圖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、第一聯絡線、第二聯絡線等)范圍的縱斷面設計設置在相同坡向的2‰的坡度上,保證軌面標高一致,出來配線范圍后,在兩端2條線路縱斷面設計分別設置反向變坡點,從而實現在立交段拉開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計示意圖

2.1.5 利用道岔的分向功能實現拆解

完成站臺前后的配線組合設置以后,利用2條聯絡線兩端的道岔分向功能即可實現拆解。

線路拆解前,利用2條聯絡線連接2條地鐵線,利用2條聯絡線兩端道岔的分向功能,通過道岔側向過岔,實現2條地鐵線和聯絡線的貫通運營;拆解后,利用2條聯絡線兩端的道岔正向過岔,實現2條線路的拆解,2條線獨立運營,不再經過聯絡線貫通運營,利用2條聯絡線可以實現互聯互通運營和線網資源共享,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度使用。

2.1.6 設計的關鍵性控制點

本文所提地鐵線路與站型設計方法的關鍵性控制點主要為:

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劃或現狀道路路段,且要兼顧四段區間路由延伸輻射的可行性,盡量繞避建構筑物,避免或減少征地拆遷。

2) 2條拆解線分別設于2個平行站臺的內側或外側,在兩站臺端部2條拆解線之間設置對稱的聯絡線。2條聯絡線的設置方向,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) 要考慮預留好遠期拆解延伸線路平面預留盾構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計思路后,地鐵線路的拆解過程如下:

1) 近期建設。先完成近期建成段車站、近期建成段A線區間及近期建成段B線區間的施工,其中近期建成段車站采用明挖施工,在車站兩端設置盾構井,采用盾構法施工完成近期建成段A線區間和近期建成段B線區間,同時在車站兩段考慮設置預留盾構井位置,為遠期延伸段區間預留好施工延伸條件(如圖1所示)。另外,應用線路平縱設計軟件,進行2條線路的平面設計和縱斷面設計,在盾構井、預留盾構井位置設置好滿足盾構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計預留好滿足盾構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線區間、B線區間建成以后,A線和B線通過第一聯絡線、第二聯絡線相連,通過第一聯絡線、第二聯絡線兩端的道岔側向過岔,實現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置可以用于靈活折返和調度(如圖1所示)。

3) 遠期拆解。根據近期建成段車站兩端預留好的預留盾構井,采用盾構法完成遠期延伸段A線區間、B線區間的建設,為既有結構的延伸,不會與既有結構沖突,不會產生廢棄工程。通過第一聯絡線、第二聯絡線兩端的道岔正向過岔,實現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,也可以結合2條聯絡線,實現和A線的互聯互通及線網資源共享(如圖1所示)。

2.3 主要特點

本文提出的地鐵線路與站型設計方法具有如下特點:①換乘不用延伸線路增設站點,節省工程投資;②實現雙島四線同站臺換乘,換乘便捷;③配線組合形式豐富,運營組織調度靈活,可以實現互聯互通及線網資源共享;④利用道岔的分向功能及地鐵限界標準要求,預留車站端部土建結構施工延伸條件,不破壞既有結構,不產生廢棄工程;⑤應用線路平縱設計軟件進行數字化線路平縱設計,預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,則車站兩端不需預留盾構井,而需預留好遠期施工延伸條件,并在兩線延伸立交段預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,即兩站臺內側及配線近期建成,需預留兩站臺外側及配線遠期建設條件,則需考慮設置好兩站臺及配線近遠期接口條件。

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

本文所提的地鐵線路與站型設計方法,只適用于在規劃階段和設計階段就考慮預留遠期拆解條件的情況,并且只適用于設置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,或者沒有提前設計預留的情況,不適應本方法。

3 工程實例

以某城市某2條地鐵線路與站型設計為例,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,位于現狀客流密集區,需要盡快建設的迫切性更強;遠期延伸段A線和遠期延伸段B線位于遠期規劃發展區,近期建設迫切性不強。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。從而很好的實現了工程近遠期建設影響與現狀、規劃相匹配。應用地鐵線路與站型設計方法的設計思路,設置2條線路匯交處具備站臺平行換乘條件,設置四線雙島站臺,設置豐富靈活的配線組合,預留好近遠期施工延伸條件,最后利用道岔的分向功能,實現拆解。上述方法,是應用線路平縱設計軟件進行2條線路的數字化平面設計和縱斷面設計完成,并考慮了繞避建構筑物,2條線路分別沿道路紅線或綠地敷設,拆遷量少。該工程施工盾構直徑為6.2 m;縱斷面設計中,立交段2條線路i均為28‰,站臺坡度取2‰,R1取5 000 m。根據式(1)計算可得,T=75 m,根據式(1)—式(3)計算可得,Lmin=191 m,實際設計中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向東;拆解后,變為2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的,不會產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從先期建成段的預留盾構井位置進行施工,不會對既有結構產生破壞,也不會產生廢棄工程。先期建成段預留好的、豐富靈活的配線形式組合為拆解后實現線網資源共享、互聯互通、運營靈活調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,不需要再延伸增設換乘站,節省了工程投資。對該工程應用,本文所提適用于遠期拆解的地鐵線路與站型設計方法產生的社會、經濟和技術效益分析如表1所示。

表1 社會、經濟、技術效益分析表

4 結語

通過對我國既有的豐富的地鐵線路拆解項目案例的調研,充分吸收和分析了眾多拆解方法的優點和不足,本文提出了一種適用于遠期拆解的地鐵線路與站型設計方法,并通過實際的工程案例應用表明,該地鐵線路與站型設計方法,不會對既有結構造成破壞,不會產生廢棄工程,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,具備互聯互通和線網資源共享功能,能產生很好的社會、經濟和技術效益。

在應用線路平縱設計軟件,進行數字化線路平面設計和縱斷面設計,預留2條拆解線路的盾構施工平面安全間距條件,立交段縱向預留滿足盾構施工的安全凈距要求,是確保近遠期施工延伸安全、可行的關鍵。結合目前行業BIM設計和數字化發展的趨勢,建議后續可以研究運用BIM及數字化技術,進行線路平縱三維快速建模設計,實現盾構平面和縱斷面立交施工安全凈距碰撞檢查。