哈爾濱市利用既有人防隧道建設軌道交通的適用性研究摘 要 在分析哈爾濱市既有人防隧道工程特點的基礎上,提出了既有隧道改建為城市軌道交通線路時線路貫通性和限界適應性研究的關鍵技術,并重點闡述了研究的技術路線、技術要點、評價指標體系以及線路設計與限界分析自動化等內容。既有人防隧道經過一定的技術改造可以滿足哈爾濱市軌道交通線路的設計要求。關鍵詞 哈爾濱,既有人防隧道,城市軌道交通,線路設計,限界1 研究背景 本著盤活閑置國有資產、節約建設成本的原則,哈爾濱市決定利用既有“7381人防隧道工程”建設軌道交通一期工程[1]。其走向與既有的“7381人防隧道工程”基本一致。盡管既有的人防隧道工程已建成30余年,但理論分析和現場測試研究表明,其結構的穩定性、安全性及建筑尺寸等均符合軌道交通工程對安全性要求[2]。但在利用該隧道時,線路貫通性和限界適應性尚需進行細致的研究與分析,以便全面解決該隧道利用的可行性及其應用策略。 既有人防隧道利用時其線路貫通性和限界適應性研究的主要工作是:在既有人防隧道測量資料及補充測量資料的基礎上,分析該隧道改用作軌道交通線路后,在不同車型和供電方式等條件下,線路及限界利用的技術可行性;通過綜合比較與分析,推薦改建工程量較小的車輛型式、供電方式以及線路的平縱斷面設計方案,并據此對隧道提出初步的整改建議與措施。綜合分析可知,線路貫通性與限界適應性分析問題的實質就是:在滿足地鐵設計規范的前提下,充分利用既有人防隧道工程,并以此為基礎確定理想的線路位置,以期最大程度地減小既有隧道的改建工程量。為此,研究中需重點解決以下問題[3]:①技術路線;②技術要點;③線路和限界分析評價指標;④線路設計標準的選擇;⑤限界標準的選擇;⑥線位優化的理論方法;⑦測量數據的整理與分析;⑧線路設計與限界分析自動化等。 本文僅對研究的技術路線、技術要點、評價指標體系以及線路設計與限界分析自動化等方面的要點加以介紹。2技術路線 本工程的線路設計優化過程中,吸收了鐵路既有線改建中橫斷面定線的思想:以各實測斷面為設計橫斷面和計算橫斷面,找出該斷面上滿足限界條件的雙線中心線可移動范圍及平、縱斷面上的控制點;然后綜合考慮控制點位置及各設計橫斷面的計算信息進行平縱斷面優化設計。基于此,并綜合分析各方因素,整個研究的技術路線如圖1所示。
3技術要點 根據技術路線及研究內容的要求,線路與限界適用性研究的技術要點歸納如下。1)確定計算斷面基點位置 以實測斷面為計算斷面,確定其基點位置:(1)橫向坐標(Ｘ值)選擇測量原點的Ｘ值;(2)豎向坐標(Ｚ值)通過拱腳坐標確定。 通常,實測斷面有兩個拱腳點,則以兩個拱腳點連線的中點坐標作為基點坐標;如果實測斷面只有一個拱腳點,則基點的豎向坐標等于該拱腳的豎向坐標。2)比較隧道橫斷面及車輛設備限界 以基點為雙線中心,加載所研究車型的車輛設備限界。根據線路設計標準中確定的線間距和曲線半徑計算左右側限界開鑿量(分左右側,正值為富余量,負值為不足量)。3)標注平面線路允許移動范圍 對左右側開鑿量之和大于零的斷面,在平面上標注允許變動范圍及最合適平面線位(一類平面中線符號,取允許變動范圍的中點作為最合適平面線位)。依次連接各里程的左右兩側的允許移動范圍的邊界點,構成線路平面中心線位的可移動范圍。4)計算新基點坐標 (1)對左右側開鑿量之和小于零的斷面,求新基點坐標。新基點豎向坐標比基點豎向坐標下降150ｍｍ(即,隧道仰拱理論底面中心至設計軌面高由理論值1200ｍｍ降低到1050ｍｍ),新基點水平坐標不變。以新基點為雙線中心加載上述車型的車輛限界,重新計算左右側開鑿量。 (2)如果以新基點計算的左右側開鑿量之和小于零,新基點為平面及縱斷面的雙重控制點;如果以新基點計算的左右側開鑿量之和大于零,則在平面上標注允許變動范圍及最合適平面線位(二類平面線位),在縱斷面上標注普通控制點符號(僅在高程方面受控制)。5)標注縱斷面線允許移動范圍 計算每個里程點設備限界在橫斷面上的豎向最大移動范圍,即高程約束信息。最大高程約束值按該里程點左右側開鑿量之和為零或逼近零時所對應的高程;最小高程約束值按該里程點隧道仰拱理論底面中心至設計軌面高為1050ｍｍ時所對應的高程。根據線路縱斷面的設計情況,可以適當降低最小高程約束值。依次連接各里程的最大、最小高程點,構成線路縱斷面的可移動范圍。6)計算控制點位置 對每個計算斷面,計算出新基點坐標、左側開鑿量、右側開鑿量、理論拱腳垂向差、平面移動范圍、縱斷面移動范圍等,形成以里程排序的計算斷面的全信息表。7)輸出定線輔助信息 根據平、縱斷面控制點,以及全信息表,定平面及縱斷面。8)線路平、縱斷面的理論計算 以平面、縱斷面控制點等為約束條件,以改建量平方和最小為目標函數,通過優化方法定出滿足約束條件的線路平面和縱斷面。9)限界計算與分析 根據優化后的線路平、縱斷面,精確計算各計算斷面的限界開鑿量,以及軌道結構高度等特征值。如果限界開鑿量為正值,則表示線路有調整的余地;如果限界開鑿量為負值,則表示限界不足,沒有調整余地,需要改建。負值的絕對值越大,改建量越大。10)線路平、縱斷面設計方案的改善與限界分析 根據現行《地鐵設計規范》和本線設計標準,對理論優化線位的平面和縱斷面進行人工調整,以最大程度地滿足規范的設計要求,最后根據調整后的方案重新計算限界評價指標,最后對線路的貫通性和限界的適應性作出評估。4評價指標 要正確評價既有人防隧道工程改為用城市軌道交通線路后線路貫通性和限界分析的可行性,必須建立一套科學的評價技術指標體系。 根據《地鐵設計規范》及相關規定,結合既有隧道改建的實際情況,分別從線路設計和限界分析兩個方面,建立了相應的評價指標體系。線路設計評價指標主要包括最小曲線半徑、最小夾直線長度、緩和曲線長度、線間距、設計坡度、豎曲線半徑、最小軌道結構高度等;限界分析評價指標包括左右側頂部最小凈距、左右線接觸網導線底至隧道頂部的垂距、既有隧道設計仰拱理論底面中心至設計軌面高、既有隧道橫斷面測量原點至設計軌面高等。上述各項指標值原則上均按《地鐵設計規范》來確定,但考慮到既有人防隧道工程的再利用特點,特殊情況下個別標準可以適當放寬[3]。限界分析的主要指標含義及既有隧道橫斷面與設備限界關系如圖2所示。5線路設計與限界分析自動化 在最佳線路位置的設計過程中,針對既有隧道改建工程的特點,引入了優化設計理論,并建立了以線路平面和縱斷面設計控制點為約束條件、改建量平方和最小為目標函數的數學模型,采用拉格朗日乘子法來求解此類非線性規劃問題。 同時,考慮到計算方案組合多且橫斷面數量多的實際情況,采用手工計算對比的方法無法高效地完成各種可能方案的分析工作,因此,結合最新的計算機編程方法和數據管理技術,實現了測量數據處理與分析的自動化。 根據需要和應用習慣,以ＡｕｔｏＣＡＤ2000為平臺,Ａｃｃｅｓｓ為數據管理工具,利用ＶｉｓｕａｌＣ++和ＯｂｊｅｃｔＡＲＸ2000編程語言,采用面向對象的編程思想,編制了一系列輔助設計工具。如:既有隧道橫斷面繪制工具,設備限界與既有隧道橫斷面關系計算工具,設備限界與既有隧道橫斷面關系圖繪制工具,設計曲線自動計算與配置工具等。 實踐證明,該手段確保了在設計過程中盡可能不遺漏所有可能的設計方案,并通過快速、自動化的數據處理手段,實現多方案高效的對比分析,從而獲得優化的設計方案。例如,研究過程中曾對比分析近八種限界組合情況,綜合各方意見,最終確定對其中的四種組合情況作深入的研究與分析[3]。6結語 通過對既有人防隧道工程最新實測數據的計算與分析,可以得出如下結論: (1)既有人防隧道通過一定的技術改造是可以滿足哈爾濱市軌道交通線路設計要求的。 (2)既有人防隧道在采取降低軌道結構高度和曲線限速等措施和局部改造后,可以滿足2.8ｍ寬Ｂ型車運行的限界要求。采用2.6ｍ寬Ｂ型車時,線路直線段可以適應接觸網和接觸軌兩種供電方式,改建量均很小,曲線地段適當限速和降低超高,可滿足限界要求。 哈爾濱市城市軌道交通規劃與設計的實踐表明,解決普遍偏高的建設成本可以從多角度、多途徑入手,達到促進軌道交通良性、快速發展的目的。結合城市既有工程結構物的特點,在充分分析其在城市軌道交通建設中的可用程度和應用條件,并科學、合理地加以利用,也是一種降低工程造價、且見效快的方法之一。參考文獻1上海市隧道工程軌道交通設計研究院.哈爾濱市軌道交通一期工程可行性研究報告(初稿).20042中國地震局工程力學研究所.哈爾濱市軌道交通一期工程人防隧道利用段結構安全性檢測與評價研究報告.20043 上海市隧道工程軌道交通設計研究院,同濟大學.哈爾濱市軌道交通一期工程人防隧道線路及限界適用性研究報告(送審稿).2004
3技術要點 根據技術路線及研究內容的要求,線路與限界適用性研究的技術要點歸納如下。1)確定計算斷面基點位置 以實測斷面為計算斷面,確定其基點位置:(1)橫向坐標(Ｘ值)選擇測量原點的Ｘ值;(2)豎向坐標(Ｚ值)通過拱腳坐標確定。 通常,實測斷面有兩個拱腳點,則以兩個拱腳點連線的中點坐標作為基點坐標;如果實測斷面只有一個拱腳點,則基點的豎向坐標等于該拱腳的豎向坐標。2)比較隧道橫斷面及車輛設備限界 以基點為雙線中心,加載所研究車型的車輛設備限界。根據線路設計標準中確定的線間距和曲線半徑計算左右側限界開鑿量(分左右側,正值為富余量,負值為不足量)。3)標注平面線路允許移動范圍 對左右側開鑿量之和大于零的斷面,在平面上標注允許變動范圍及最合適平面線位(一類平面中線符號,取允許變動范圍的中點作為最合適平面線位)。依次連接各里程的左右兩側的允許移動范圍的邊界點,構成線路平面中心線位的可移動范圍。4)計算新基點坐標 (1)對左右側開鑿量之和小于零的斷面,求新基點坐標。新基點豎向坐標比基點豎向坐標下降150ｍｍ(即,隧道仰拱理論底面中心至設計軌面高由理論值1200ｍｍ降低到1050ｍｍ),新基點水平坐標不變。以新基點為雙線中心加載上述車型的車輛限界,重新計算左右側開鑿量。 (2)如果以新基點計算的左右側開鑿量之和小于零,新基點為平面及縱斷面的雙重控制點;如果以新基點計算的左右側開鑿量之和大于零,則在平面上標注允許變動范圍及最合適平面線位(二類平面線位),在縱斷面上標注普通控制點符號(僅在高程方面受控制)。5)標注縱斷面線允許移動范圍 計算每個里程點設備限界在橫斷面上的豎向最大移動范圍,即高程約束信息。最大高程約束值按該里程點左右側開鑿量之和為零或逼近零時所對應的高程;最小高程約束值按該里程點隧道仰拱理論底面中心至設計軌面高為1050ｍｍ時所對應的高程。根據線路縱斷面的設計情況,可以適當降低最小高程約束值。依次連接各里程的最大、最小高程點,構成線路縱斷面的可移動范圍。6)計算控制點位置 對每個計算斷面,計算出新基點坐標、左側開鑿量、右側開鑿量、理論拱腳垂向差、平面移動范圍、縱斷面移動范圍等,形成以里程排序的計算斷面的全信息表。7)輸出定線輔助信息 根據平、縱斷面控制點,以及全信息表,定平面及縱斷面。8)線路平、縱斷面的理論計算 以平面、縱斷面控制點等為約束條件,以改建量平方和最小為目標函數,通過優化方法定出滿足約束條件的線路平面和縱斷面。9)限界計算與分析 根據優化后的線路平、縱斷面,精確計算各計算斷面的限界開鑿量,以及軌道結構高度等特征值。如果限界開鑿量為正值,則表示線路有調整的余地;如果限界開鑿量為負值,則表示限界不足,沒有調整余地,需要改建。負值的絕對值越大,改建量越大。10)線路平、縱斷面設計方案的改善與限界分析 根據現行《地鐵設計規范》和本線設計標準,對理論優化線位的平面和縱斷面進行人工調整,以最大程度地滿足規范的設計要求,最后根據調整后的方案重新計算限界評價指標,最后對線路的貫通性和限界的適應性作出評估。4評價指標 要正確評價既有人防隧道工程改為用城市軌道交通線路后線路貫通性和限界分析的可行性,必須建立一套科學的評價技術指標體系。 根據《地鐵設計規范》及相關規定,結合既有隧道改建的實際情況,分別從線路設計和限界分析兩個方面,建立了相應的評價指標體系。線路設計評價指標主要包括最小曲線半徑、最小夾直線長度、緩和曲線長度、線間距、設計坡度、豎曲線半徑、最小軌道結構高度等;限界分析評價指標包括左右側頂部最小凈距、左右線接觸網導線底至隧道頂部的垂距、既有隧道設計仰拱理論底面中心至設計軌面高、既有隧道橫斷面測量原點至設計軌面高等。上述各項指標值原則上均按《地鐵設計規范》來確定,但考慮到既有人防隧道工程的再利用特點,特殊情況下個別標準可以適當放寬[3]。限界分析的主要指標含義及既有隧道橫斷面與設備限界關系如圖2所示。5線路設計與限界分析自動化 在最佳線路位置的設計過程中,針對既有隧道改建工程的特點,引入了優化設計理論,并建立了以線路平面和縱斷面設計控制點為約束條件、改建量平方和最小為目標函數的數學模型,采用拉格朗日乘子法來求解此類非線性規劃問題。 同時,考慮到計算方案組合多且橫斷面數量多的實際情況,采用手工計算對比的方法無法高效地完成各種可能方案的分析工作,因此,結合最新的計算機編程方法和數據管理技術,實現了測量數據處理與分析的自動化。 根據需要和應用習慣,以ＡｕｔｏＣＡＤ2000為平臺,Ａｃｃｅｓｓ為數據管理工具,利用ＶｉｓｕａｌＣ++和ＯｂｊｅｃｔＡＲＸ2000編程語言,采用面向對象的編程思想,編制了一系列輔助設計工具。如:既有隧道橫斷面繪制工具,設備限界與既有隧道橫斷面關系計算工具,設備限界與既有隧道橫斷面關系圖繪制工具,設計曲線自動計算與配置工具等。 實踐證明,該手段確保了在設計過程中盡可能不遺漏所有可能的設計方案,并通過快速、自動化的數據處理手段,實現多方案高效的對比分析,從而獲得優化的設計方案。例如,研究過程中曾對比分析近八種限界組合情況,綜合各方意見,最終確定對其中的四種組合情況作深入的研究與分析[3]。6結語 通過對既有人防隧道工程最新實測數據的計算與分析,可以得出如下結論: (1)既有人防隧道通過一定的技術改造是可以滿足哈爾濱市軌道交通線路設計要求的。 (2)既有人防隧道在采取降低軌道結構高度和曲線限速等措施和局部改造后,可以滿足2.8ｍ寬Ｂ型車運行的限界要求。采用2.6ｍ寬Ｂ型車時,線路直線段可以適應接觸網和接觸軌兩種供電方式,改建量均很小,曲線地段適當限速和降低超高,可滿足限界要求。 哈爾濱市城市軌道交通規劃與設計的實踐表明,解決普遍偏高的建設成本可以從多角度、多途徑入手,達到促進軌道交通良性、快速發展的目的。結合城市既有工程結構物的特點,在充分分析其在城市軌道交通建設中的可用程度和應用條件,并科學、合理地加以利用,也是一種降低工程造價、且見效快的方法之一。參考文獻1上海市隧道工程軌道交通設計研究院.哈爾濱市軌道交通一期工程可行性研究報告(初稿).20042中國地震局工程力學研究所.哈爾濱市軌道交通一期工程人防隧道利用段結構安全性檢測與評價研究報告.20043 上海市隧道工程軌道交通設計研究院,同濟大學.哈爾濱市軌道交通一期工程人防隧道線路及限界適用性研究報告(送審稿).2004
