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适用于120 ~160 km/h的地铁工程盾构隧道限界分析
发布日期:2019-01-14 14:00:35

唐     云
( 北京城建设计发展集团股份有限公司, 北京 100037)

 
摘 要: 随着地铁运营速度的提高,乘客舒适度要求提高,目前国内传统地铁盾构隧道断面不再适合。 通过 对国内既有工程盾构隧道尺寸的调研,结合北京新机场线的最新研究成果,通过速度对设备限界的影响、隧道 阻塞比对盾构隧道断面尺寸的影响以及供电制式对盾构隧道断面尺寸的影响等分析,提出了制定盾构隧道断 面限界的方式,并在相关工程中进行应用。
关键词: 轨道交通; 盾构隧道限界; 120 ~160  kmIh; 设备限界; 隧道阻塞比; 供电制式
中图分类号: U231      文献标志码: A    文章编号: 1672-  6073(2017)05-  0056- 04
 

ShieIdTunneIBoundary for120 ~160  kmlhSubway Engineering
TANG Yun

( DeiJingUrhan Construction Design and Deve1opmentGroup Co., Ltd., DeiJing100037)

Abstract: With theimprovementoftheoperation speed ofsubwaysand thepassengercomfortrequirement, thecrosssection of thetraditionalmetro shield tunnelisno longersuitable.Through theresearch on thesizeoftheexisting shield tunnelsin China, combined with thelatestresearch resultsofBeiJing newairportline, theinfluenceofspeedson equipmentgauge, theinfluence oftunnelblocking ratio and powersupply system on thecrosssection dimensionsofshield tunnelsareanalyzed.Thepaperputs forward away ofmaking shield tunnelsection boundary, and appliesitin relevantengineering proJects.
Keywords: urban railtransit; shield tunnelboundary; 120 ~160 kmIh; equipmentgauge; tunnelblocking ratio; powersupply standard


       速度不大于 100  kmIh 的地铁盾构隧道限界[1J ,主 要由设备限界、轨道结构高度和设备安装等共同确定。 目前国内地铁单洞单线盾构隧道采用的建筑限界主要 是直径 5 200 mm和 5 300 mm两种[2 3J ,对应的隧道断面内径也以 5 400  mm和 5 500  mm两种为主。
       随着列车运行速度的提高,车辆限界和设备限界 均有所增大,设备限界是决定断面限界的最基本因素, 需要有相应的分析;同时,由于运行速度的提高,列车 在隧道内高速运行,空气流动受隧道及车体的限制以 及空气的可压缩性,导致隧道内空气压力剧烈变化,由 此引发一系列工程问题:初始压缩波诱发的出口微压 波造成噪声及周边建筑物破坏,压力波动传人车厢引起乘客耳膜压痛,压力波动引起列车侧壁、车窗玻璃以 及隧道内设施破坏等。  因此,需要研究确定合适的断 面限界来克服以上压力变化产生的影响;随着行车速 度的提高,车辆的供电制式会有相应的调整,供电制式 的变化对单洞单线盾构隧道限界也有较大的影响。

 

1   国内既有工程调研
       广州地铁 3 号线设计之初虽然非常重视空气动力 学效应,并进行了模拟计算,但由于当时国内这样的系 统是第一个,具有大阻塞比、全地下的快线系统特征, 按国外的压力变化指标控制的切身感受没有感性认 识。  随着 3 号线的开通运营,快线的空气动力学效应 感受反映出来。  当列车在长度 6.2  km、内径 5.4  m的 盾构隧道   番周广场站至市桥站区间运行,列车最 高运行速度接近 120  kmIh 时, 乘客和司机会出现胸 闷、耳鸣和耳痛等身体不适情况[4J 。  广州地铁 3 号线采用 5.4  m直径隧道断面时的阻塞比约为 0.5,车辆供 电制式为 DC1 500  V接触网供电。
       深圳地铁 11 号线列车以 120  kmIh 的速度运行, 盾构隧道采用 6.0  m的直径,在考虑泄压措施后,最不利洞口处的压力变化值都可以满足建议的 1 500  PaI3  s 的压力舒适度要求。  隧道阻塞比约为 0.4,车辆为 DC 1 500  V接触网供电。
       对上海地铁 16 号线列车 120 kmIh 高速运行的隧道 空气动力学效应进行计算与分析研究后认为,常规隧道 不适宜运行 120 kmIh 的列车,需要加大隧道有效面积, 减少阻塞比。  该工程通过隧道形式和规模的多方案比 选,对 120 kmIh 的地铁线可采用既有隧道内径 10.36  m 的隧道,并按单洞双线加中间隔墙方案作为隧道的实施 方案(车隧阻塞比约为 0.33),也可按照内径 6.8  m的隧 道方案(车隧阻塞比为 0.31),按照单洞单线实施两条隧 道。  目前,上海 16 号线通过了上海市建委专家评审,结 论是上海首次采用 10.36 m的大直径地铁隧道。  车辆供 电制式为接触轨受电,预留受电弓条件。
       青岛蓝 色 硅 谷 工 程 列 车 区 间 最 高 运 行 速 度 为120  kmIh,DC1 500  V接触轨供电,隧道区间全线大于10  km,隧道断面为矿山法隧道,断面设计时也考虑了 隧道空气动力学效应,隧道断面的隧道阻塞比都小于 0.4,目前隧道基本贯通。
       由以上既有工程调研分析得出,随着运行速度的 提高,为了满足乘客舒适性要求和车辆运行能耗要求, 适当增大隧道断面是有必要的。
       对于最高速度 >100  kmIh 的地铁盾构隧道限界的 分析,需要从设备限界、供电制式、轨道结构高度要求 和空气动力学等多方面进行研究。

 

2   车辆限界和设备限界
       广州地铁 3 号线:列车运行速度从 80  kmIh 提高到 120 kmIh 后车辆需要改变一些构造参数,主要是将车体 与转向架之间的横向位移适当放大。  横向自由间隙为 15 mm,横向挡块的可压缩量为 20 mm,另一方面,限界计 算中的横向加速度由 0.250  mIs2 提高到 0.375  mIs2 。 120  kmIh  速 度 下 的 车 辆 限 界, 其 横 坐 标 值 增 大 了21  mm( 车辆最大半宽 1 400  mm,车辆限界横向最大值
1 524  mm) 。
       青岛 海阳城际( 蓝色硅谷段) 轨道交通工程,区 间最高速度为 120  kmIh,限界计算时车辆最高速度允 许瞬间超速 10%,即最高速度为 132  kmIh,计 算结果 为:车辆最 大 半 宽 为 1  445  mm, 车 辆 限 界 最 大 值 为1 586  mm,设备限界最大值为 1 616  mm。
       上海地铁 16 号线选用上海市建设规范《 城市轨道 交通设计规范》 ( DGJ08 109 2004 ) 附录中的大型车 辆轮廓线作为设计依据,经调研分析得出,120  kmIh 的 设备限界较 80 kmIh 的设备限界侧向加大 20 ~30 mm。

       在编的 市 域 快 速 轨 道 交 通 技 术 规 范 对 120  ~160  kmIh的车辆限界和设备限界也做 了相关规定,限 界的计算方法参照《 地铁限界标准》 的相关规定,该规 范中给出的标准 A型车的最大半宽为 1 550  mm,车辆 限界最大值为 1 691 mm,设备限界最大值为 1 770 mm。
       结合广州地铁 3 号线的经验,目前既有的盾构隧 道能满足最高速度 120  kmIh 的行车安全限界要求,但 无法满足乘客舒适度的要求。  通过以上实际工程或规 范中对速度大于 100  kmIh 的车辆限界和设备限界的 统计分析,结合《 地铁限界标准》 计算公式中速度影响 相关项的分析得出,随着速度的增加,车辆限界和设备 限界均有所增大, 但增量有限, 故速度大于 100  kmIh 的车辆限界和设备限界不是确定盾构隧道断面尺寸的控制因素。


3  隧道阻塞比与盾构隧道断面的关系
       对于速度低于 100 kmIh 的地铁,隧道断面往往根据 地铁限界,满足最低要求即可,几乎不用考虑空气动力 学的影响,目前既有地铁工程中的隧道阻塞比一般在 0.45 ~0.50 之间,远大于国铁隧道的车隧阻塞比[5] 。
       隧道的车隧阻塞比即为车辆横断面面积与隧道轨 面以上净空横断面面积的比值。  关于隧道车隧阻塞比 的要求,我国地铁行业现行的相关标准、规范尚无明确 规定。  铁路部门有相关规定:
       1)  《 铁路隧道设计规范》 ( TD10003 2005 )[6] 第1.0.6 条规定,“…对于旅客列车最高行车速度 160  kmIh 新建铁路隧道内轮廓尚应考虑机车类型、车辆密封性、 旅客舒适度等因素确定,隧道轨面以上净空横断面面 积,单线隧道不应小于 42  m2 ……”。
       2)  《 京沪高速铁路设计暂行规定》 [7] 第 7.1.1 条 规定,“ 隧道工程设计必须考虑列车进入隧道诱发的空 气动力学效应对行车、旅客乘坐舒适度、车辆结构强度 和环境等方面的不利影响。  缓解空气动力学效应可采 用放大隧道断面有效面积减少阻塞比 。……” 。
       参考《  京新机场快线压力舒适度标准及隧道阻 塞比研究》 的结论,最高运行速度 120  kmIh,隧道断面 阻塞比小于 0.4 [8] ;最高运行速度 140  kmIh,使用非密 闭车辆,隧道断面阻塞比小于 0.27,使用密闭车辆,隧道断面阻塞比小于 0.35;最 高运行速度 160  kmIh,使 用密闭车辆,隧道断面阻塞比小于 0.289 [9引 。  隧道断 面面积满足以上隧道阻塞比要求时,乘客舒适度能满 足压力舒适度标准。
       A型车车辆断面面积暂按 10.319 m2  考虑,轨道结 构高度按 840  mm考虑,在满足以上隧道阻塞比的前提 下,确定的最小隧道断面如表 1 所示。

4   供电制式与盾构隧道断面的关系

       随着区间最高速度的提高,车辆的供电制式也有 相应的调整,最高速度大于 100  kmIh 时,供电制式可 以采用 DC1 500  V刚性接触网,也可采用 AC25  kV柔 性接触网。
       车辆高度为 3 800  mm时,接触网采用垂直刚性悬 挂时,在 DC1 500  V电压制式下接触导线距轨面的最 低悬挂高度一般为 4 040  mm,AC25  kV接触导线距轨 面的最低悬挂高度为 4 190  mm[10引 。
       采用 DC1 500  V刚性接触网供电时,接触网导线 安装高度一般为 4 040 ~4 400  mm,接触网支架安装高 度不小于 400  mm;采用 AC25  kV柔性接触网供电时, 接触网导线安装高度一般为 4 400 ~5 300  mm,接触网 支架安装高度一般不小于 1 400  mm;轨道结构高度按 840  mm考 虑, 故由供电制 式 确 定 的 隧 道 断 面 如 表 2 所示。

       由以上供电制式的分析得出,因供电制式的不同, 接触网导线安装高度和接触网支架安装要求都各不相 同,由供电制式确定的盾构隧道内径也有较大的差异。
 

5   确定隧道断面尺寸
       隧道阻塞比和供电制式对盾构断面限界的分析结论表明,两者确定的断面限界是不一致的,故需要对以 上两种控制因素进行综合分析( 见表 3)。

       由表 3 分析可知:
       1)  采用 DC1 500  V供电时,当接触网线安装高度 不大于 4 400  mm,接触网安装尺寸不大于 400  mm时, 最高速度大于 100  kmIh 的盾构隧道断面尺寸主要由 隧道阻塞比控制;当接触导线安装高度与接触网支架 共同要求大于某一数值时,盾构断面尺寸将由供电制 式确定。
       2)  当车辆供电制式采用 AC25  kV时,盾构断面尺 寸基本上由供电制式确定。  当供电制式需要的净空要 求减小时,盾构断面尺寸又由隧道阻塞比确定。
       3)  盾构隧道断面限界尺寸的确定,首先必须满足车隧阻塞比的要求,其次需要考虑供电制式的影响。
       北京地 铁  R1  线 车 辆 按 市 域  A车 进 行 考 虑, 为DC1 500  V刚性接触网供电,区间列车最高运行速度为 120  kmIh。  按以上分析方法,制定 R1 线单线盾构隧道 的建筑限界时主要考虑因素为:轨道结构高度 840  mm、接触 网 导 线 安 装 高 度 4  400  mm、 接 触 网 结 构 高 度400  mm、隧道阻塞比 β 不大于 0.4;供电制式确定的盾 构隧 道 断 面 建 筑 限 界 直 径 为 840  +4  400  +400  = 5 640  mm,阻塞比确定的建筑限界直径为 6 000 mm。  如 图 1 所示,最终确定的圆形隧道建筑限界为 6 000 mm,实际为 0.397。

       北京新机场线车辆采用市域车,为 AC25 kV柔性接 触网供电,区间列车最高运行速度为160  kmIh。  按以 上分析方法,制定北京新机场线单线盾构隧道的建筑 限界时主要考虑因素为:轨道结构高度 900  mm、接 触 网导线安装高度 5 300 mm、接触网结构高度 1 400 mm、 隧道阻塞比 β 不大于 0.289;供电制式确定的盾构隧道 断面建筑限界内径为 900 +5 300 +1 400 =7 600  mm, 阻塞比确定的建筑限界为 7  200  mm。  如图 2 所示,最 终确定的圆形隧道建筑限界直径为 7 600  mm,实际为 0.27。

6     结论

       通过对盾构隧道限界决定因素( 设备限界、隧道阻 塞比、供 电 制 式) 的 逐 一 分 析, 可 以 看 出 速 度 120  ~ 160  kmIh的盾 构隧道限界尺寸的控制因素不是唯一 的,同样也不是固定不变的。  在本文的分析条件下,主 要得出以下几点结论:
       1)  设备限界不是确定速度 120 ~160 kmIh 的盾构 隧道断面尺寸的控制因素;
       2)  隧 道 阻 塞 比 和 供 电 制 式 是 确 定 速 度 120  ~160  kmIh的盾构隧道限界尺寸的主要因素;
       3)  隧道阻塞比确定的隧道断面限界应是盾构隧 道断面尺寸选型的下限值;
       4)  当供电制式确定的隧道断面尺寸大于隧道阻 塞比确定的隧道断面限界尺寸时,盾构选型应采用供电制式确定的隧道断面限界尺寸。
       列车运行速度为 120 ~160  kmIh 的盾构隧道选型 时,应充分考虑各种影响因素,具体情况应具体分析, 在满足空气动力学的同时,也需要满足设备安装的需 求,确保盾构隧道选型的合理性。

收稿日期: 2016 10 20 修回日期: 2016 11 21
作者简介: 唐云,男, 硕士, 工程师, 从事城市轨道交通限界研究工 作,tangyun@bjucd com

 
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