哈爾濱市利用既有人防隧道建設(shè)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(diǎn)的基礎(chǔ)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(yīng)性研究的關(guān)鍵技術(shù),并重點(diǎn)闡述了研究的技術(shù)路線、技術(shù)要點(diǎn)、評價指標(biāo)體系以及線路設(shè)計與限界分析自動化等內(nèi)容。既有人防隧道經(jīng)過一定的技術(shù)改造可以滿足哈爾濱市軌道交通線路的設(shè)計要求。關(guān)鍵詞 哈爾濱,既有人防隧道,城市軌道交通,線路設(shè)計,限界1 研究背景 本著盤活閑置國有資產(chǎn)、節(jié)約建設(shè)成本的原則,哈爾濱市決定利用既有“7381人防隧道工程”建設(shè)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(xiàn)場測試研究表明,其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)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(yīng)性尚需進(jìn)行細(xì)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(yīng)用策略。 既有人防隧道利用時其線路貫通性和限界適應(yīng)性研究的主要工作是:在既有人防隧道測量資料及補(bǔ)充測量資料的基礎(chǔ)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(shù)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(shè)計方案,并據(jù)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(yīng)性分析問題的實(shí)質(zhì)就是:在滿足地鐵設(shè)計規(guī)范的前提下,充分利用既有人防隧道工程,并以此為基礎(chǔ)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(diǎn)解決以下問題[3]:①技術(shù)路線;②技術(shù)要點(diǎn);③線路和限界分析評價指標(biāo);④線路設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的選擇;⑤限界標(biāo)準(zhǔn)的選擇;⑥線位優(yōu)化的理論方法;⑦測量數(shù)據(jù)的整理與分析;⑧線路設(shè)計與限界分析自動化等。 本文僅對研究的技術(shù)路線、技術(shù)要點(diǎn)、評價指標(biāo)體系以及線路設(shè)計與限界分析自動化等方面的要點(diǎn)加以介紹。2技術(shù)路線 本工程的線路設(shè)計優(yōu)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(shí)測斷面為設(shè)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(diǎn);然后綜合考慮控制點(diǎn)位置及各設(shè)計橫斷面的計算信息進(jìn)行平縱斷面優(yōu)化設(shè)計。基于此,并綜合分析各方因素,整個研究的技術(shù)路線如圖1所示。
3技術(shù)要點(diǎn) 根據(jù)技術(shù)路線及研究內(nèi)容的要求,線路與限界適用性研究的技術(shù)要點(diǎn)歸納如下。1)確定計算斷面基點(diǎn)位置 以實(shí)測斷面為計算斷面,確定其基點(diǎn)位置:(1)橫向坐標(biāo)(Ｘ值)選擇測量原點(diǎn)的Ｘ值;(2)豎向坐標(biāo)(Ｚ值)通過拱腳坐標(biāo)確定。 通常,實(shí)測斷面有兩個拱腳點(diǎn),則以兩個拱腳點(diǎn)連線的中點(diǎn)坐標(biāo)作為基點(diǎn)坐標(biāo);如果實(shí)測斷面只有一個拱腳點(diǎn),則基點(diǎn)的豎向坐標(biāo)等于該拱腳的豎向坐標(biāo)。2)比較隧道橫斷面及車輛設(shè)備限界 以基點(diǎn)為雙線中心,加載所研究車型的車輛設(shè)備限界。根據(jù)線路設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中確定的線間距和曲線半徑計算左右側(cè)限界開鑿量(分左右側(cè),正值為富余量,負(fù)值為不足量)。3)標(biāo)注平面線路允許移動范圍 對左右側(cè)開鑿量之和大于零的斷面,在平面上標(biāo)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(diǎn)作為最合適平面線位)。依次連接各里程的左右兩側(cè)的允許移動范圍的邊界點(diǎn),構(gòu)成線路平面中心線位的可移動范圍。4)計算新基點(diǎn)坐標(biāo) (1)對左右側(cè)開鑿量之和小于零的斷面,求新基點(diǎn)坐標(biāo)。新基點(diǎn)豎向坐標(biāo)比基點(diǎn)豎向坐標(biāo)下降150ｍｍ(即,隧道仰拱理論底面中心至設(shè)計軌面高由理論值1200ｍｍ降低到1050ｍｍ),新基點(diǎn)水平坐標(biāo)不變。以新基點(diǎn)為雙線中心加載上述車型的車輛限界,重新計算左右側(cè)開鑿量。 (2)如果以新基點(diǎn)計算的左右側(cè)開鑿量之和小于零,新基點(diǎn)為平面及縱斷面的雙重控制點(diǎn);如果以新基點(diǎn)計算的左右側(cè)開鑿量之和大于零,則在平面上標(biāo)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(biāo)注普通控制點(diǎn)符號(僅在高程方面受控制)。5)標(biāo)注縱斷面線允許移動范圍 計算每個里程點(diǎn)設(shè)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(diǎn)左右側(cè)開鑿量之和為零或逼近零時所對應(yīng)的高程;最小高程約束值按該里程點(diǎn)隧道仰拱理論底面中心至設(shè)計軌面高為1050ｍｍ時所對應(yīng)的高程。根據(jù)線路縱斷面的設(shè)計情況,可以適當(dāng)降低最小高程約束值。依次連接各里程的最大、最小高程點(diǎn),構(gòu)成線路縱斷面的可移動范圍。6)計算控制點(diǎn)位置 對每個計算斷面,計算出新基點(diǎn)坐標(biāo)、左側(cè)開鑿量、右側(cè)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(jù)平、縱斷面控制點(diǎn),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(diǎn)等為約束條件,以改建量平方和最小為目標(biāo)函數(shù),通過優(yōu)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(jù)優(yōu)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(jié)構(gòu)高度等特征值。如果限界開鑿量為正值,則表示線路有調(diào)整的余地;如果限界開鑿量為負(fù)值,則表示限界不足,沒有調(diào)整余地,需要改建。負(fù)值的絕對值越大,改建量越大。10)線路平、縱斷面設(shè)計方案的改善與限界分析 根據(jù)現(xiàn)行《地鐵設(shè)計規(guī)范》和本線設(shè)計標(biāo)準(zhǔn),對理論優(yōu)化線位的平面和縱斷面進(jìn)行人工調(diào)整,以最大程度地滿足規(guī)范的設(shè)計要求,最后根據(jù)調(diào)整后的方案重新計算限界評價指標(biāo),最后對線路的貫通性和限界的適應(yīng)性作出評估。4評價指標(biāo) 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(xué)的評價技術(shù)指標(biāo)體系。 根據(jù)《地鐵設(shè)計規(guī)范》及相關(guān)規(guī)定,結(jié)合既有隧道改建的實(shí)際情況,分別從線路設(shè)計和限界分析兩個方面,建立了相應(yīng)的評價指標(biāo)體系。線路設(shè)計評價指標(biāo)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(shè)計坡度、豎曲線半徑、最小軌道結(jié)構(gòu)高度等;限界分析評價指標(biāo)包括左右側(cè)頂部最小凈距、左右線接觸網(wǎng)導(dǎo)線底至隧道頂部的垂距、既有隧道設(shè)計仰拱理論底面中心至設(shè)計軌面高、既有隧道橫斷面測量原點(diǎn)至設(shè)計軌面高等。上述各項(xiàng)指標(biāo)值原則上均按《地鐵設(shè)計規(guī)范》來確定,但考慮到既有人防隧道工程的再利用特點(diǎn),特殊情況下個別標(biāo)準(zhǔn)可以適當(dāng)放寬[3]。限界分析的主要指標(biāo)含義及既有隧道橫斷面與設(shè)備限界關(guān)系如圖2所示。5線路設(shè)計與限界分析自動化 在最佳線路位置的設(shè)計過程中,針對既有隧道改建工程的特點(diǎn),引入了優(yōu)化設(shè)計理論,并建立了以線路平面和縱斷面設(shè)計控制點(diǎn)為約束條件、改建量平方和最小為目標(biāo)函數(shù)的數(shù)學(xué)模型,采用拉格朗日乘子法來求解此類非線性規(guī)劃問題。 同時,考慮到計算方案組合多且橫斷面數(shù)量多的實(shí)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(jié)合最新的計算機(jī)編程方法和數(shù)據(jù)管理技術(shù),實(shí)現(xiàn)了測量數(shù)據(jù)處理與分析的自動化。 根據(jù)需要和應(yīng)用習(xí)慣,以ＡｕｔｏＣＡＤ2000為平臺,Ａｃｃｅｓｓ為數(shù)據(jù)管理工具,利用ＶｉｓｕａｌＣ++和ＯｂｊｅｃｔＡＲＸ2000編程語言,采用面向?qū)ο蟮木幊趟枷?編制了一系列輔助設(shè)計工具。如:既有隧道橫斷面繪制工具,設(shè)備限界與既有隧道橫斷面關(guān)系計算工具,設(shè)備限界與既有隧道橫斷面關(guān)系圖繪制工具,設(shè)計曲線自動計算與配置工具等。 實(shí)踐證明,該手段確保了在設(shè)計過程中盡可能不遺漏所有可能的設(shè)計方案,并通過快速、自動化的數(shù)據(jù)處理手段,實(shí)現(xiàn)多方案高效的對比分析,從而獲得優(yōu)化的設(shè)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(jié)語 通過對既有人防隧道工程最新實(shí)測數(shù)據(jù)的計算與分析,可以得出如下結(jié)論: (1)既有人防隧道通過一定的技術(shù)改造是可以滿足哈爾濱市軌道交通線路設(shè)計要求的。 (2)既有人防隧道在采取降低軌道結(jié)構(gòu)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(yùn)行的限界要求。采用2.6ｍ寬Ｂ型車時,線路直線段可以適應(yīng)接觸網(wǎng)和接觸軌兩種供電方式,改建量均很小,曲線地段適當(dāng)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(guī)劃與設(shè)計的實(shí)踐表明,解決普遍偏高的建設(shè)成本可以從多角度、多途徑入手,達(dá)到促進(jìn)軌道交通良性、快速發(fā)展的目的。結(jié)合城市既有工程結(jié)構(gòu)物的特點(diǎn),在充分分析其在城市軌道交通建設(shè)中的可用程度和應(yīng)用條件,并科學(xué)、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(xiàn)1上海市隧道工程軌道交通設(shè)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(xué)研究所.哈爾濱市軌道交通一期工程人防隧道利用段結(jié)構(gòu)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(shè)計研究院,同濟(jì)大學(xué).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(shù)要點(diǎn) 根據(jù)技術(shù)路線及研究內(nèi)容的要求,線路與限界適用性研究的技術(shù)要點(diǎn)歸納如下。1)確定計算斷面基點(diǎn)位置 以實(shí)測斷面為計算斷面,確定其基點(diǎn)位置:(1)橫向坐標(biāo)(Ｘ值)選擇測量原點(diǎn)的Ｘ值;(2)豎向坐標(biāo)(Ｚ值)通過拱腳坐標(biāo)確定。 通常,實(shí)測斷面有兩個拱腳點(diǎn),則以兩個拱腳點(diǎn)連線的中點(diǎn)坐標(biāo)作為基點(diǎn)坐標(biāo);如果實(shí)測斷面只有一個拱腳點(diǎn),則基點(diǎn)的豎向坐標(biāo)等于該拱腳的豎向坐標(biāo)。2)比較隧道橫斷面及車輛設(shè)備限界 以基點(diǎn)為雙線中心,加載所研究車型的車輛設(shè)備限界。根據(jù)線路設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中確定的線間距和曲線半徑計算左右側(cè)限界開鑿量(分左右側(cè),正值為富余量,負(fù)值為不足量)。3)標(biāo)注平面線路允許移動范圍 對左右側(cè)開鑿量之和大于零的斷面,在平面上標(biāo)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(diǎn)作為最合適平面線位)。依次連接各里程的左右兩側(cè)的允許移動范圍的邊界點(diǎn),構(gòu)成線路平面中心線位的可移動范圍。4)計算新基點(diǎn)坐標(biāo) (1)對左右側(cè)開鑿量之和小于零的斷面,求新基點(diǎn)坐標(biāo)。新基點(diǎn)豎向坐標(biāo)比基點(diǎn)豎向坐標(biāo)下降150ｍｍ(即,隧道仰拱理論底面中心至設(shè)計軌面高由理論值1200ｍｍ降低到1050ｍｍ),新基點(diǎn)水平坐標(biāo)不變。以新基點(diǎn)為雙線中心加載上述車型的車輛限界,重新計算左右側(cè)開鑿量。 (2)如果以新基點(diǎn)計算的左右側(cè)開鑿量之和小于零,新基點(diǎn)為平面及縱斷面的雙重控制點(diǎn);如果以新基點(diǎn)計算的左右側(cè)開鑿量之和大于零,則在平面上標(biāo)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(biāo)注普通控制點(diǎn)符號(僅在高程方面受控制)。5)標(biāo)注縱斷面線允許移動范圍 計算每個里程點(diǎn)設(shè)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(diǎn)左右側(cè)開鑿量之和為零或逼近零時所對應(yīng)的高程;最小高程約束值按該里程點(diǎn)隧道仰拱理論底面中心至設(shè)計軌面高為1050ｍｍ時所對應(yīng)的高程。根據(jù)線路縱斷面的設(shè)計情況,可以適當(dāng)降低最小高程約束值。依次連接各里程的最大、最小高程點(diǎn),構(gòu)成線路縱斷面的可移動范圍。6)計算控制點(diǎn)位置 對每個計算斷面,計算出新基點(diǎn)坐標(biāo)、左側(cè)開鑿量、右側(cè)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(jù)平、縱斷面控制點(diǎn),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(diǎn)等為約束條件,以改建量平方和最小為目標(biāo)函數(shù),通過優(yōu)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(jù)優(yōu)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(jié)構(gòu)高度等特征值。如果限界開鑿量為正值,則表示線路有調(diào)整的余地;如果限界開鑿量為負(fù)值,則表示限界不足,沒有調(diào)整余地,需要改建。負(fù)值的絕對值越大,改建量越大。10)線路平、縱斷面設(shè)計方案的改善與限界分析 根據(jù)現(xiàn)行《地鐵設(shè)計規(guī)范》和本線設(shè)計標(biāo)準(zhǔn),對理論優(yōu)化線位的平面和縱斷面進(jìn)行人工調(diào)整,以最大程度地滿足規(guī)范的設(shè)計要求,最后根據(jù)調(diào)整后的方案重新計算限界評價指標(biāo),最后對線路的貫通性和限界的適應(yīng)性作出評估。4評價指標(biāo) 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(xué)的評價技術(shù)指標(biāo)體系。 根據(jù)《地鐵設(shè)計規(guī)范》及相關(guān)規(guī)定,結(jié)合既有隧道改建的實(shí)際情況,分別從線路設(shè)計和限界分析兩個方面,建立了相應(yīng)的評價指標(biāo)體系。線路設(shè)計評價指標(biāo)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(shè)計坡度、豎曲線半徑、最小軌道結(jié)構(gòu)高度等;限界分析評價指標(biāo)包括左右側(cè)頂部最小凈距、左右線接觸網(wǎng)導(dǎo)線底至隧道頂部的垂距、既有隧道設(shè)計仰拱理論底面中心至設(shè)計軌面高、既有隧道橫斷面測量原點(diǎn)至設(shè)計軌面高等。上述各項(xiàng)指標(biāo)值原則上均按《地鐵設(shè)計規(guī)范》來確定,但考慮到既有人防隧道工程的再利用特點(diǎn),特殊情況下個別標(biāo)準(zhǔn)可以適當(dāng)放寬[3]。限界分析的主要指標(biāo)含義及既有隧道橫斷面與設(shè)備限界關(guān)系如圖2所示。5線路設(shè)計與限界分析自動化 在最佳線路位置的設(shè)計過程中,針對既有隧道改建工程的特點(diǎn),引入了優(yōu)化設(shè)計理論,并建立了以線路平面和縱斷面設(shè)計控制點(diǎn)為約束條件、改建量平方和最小為目標(biāo)函數(shù)的數(shù)學(xué)模型,采用拉格朗日乘子法來求解此類非線性規(guī)劃問題。 同時,考慮到計算方案組合多且橫斷面數(shù)量多的實(shí)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(jié)合最新的計算機(jī)編程方法和數(shù)據(jù)管理技術(shù),實(shí)現(xiàn)了測量數(shù)據(jù)處理與分析的自動化。 根據(jù)需要和應(yīng)用習(xí)慣,以ＡｕｔｏＣＡＤ2000為平臺,Ａｃｃｅｓｓ為數(shù)據(jù)管理工具,利用ＶｉｓｕａｌＣ++和ＯｂｊｅｃｔＡＲＸ2000編程語言,采用面向?qū)ο蟮木幊趟枷?編制了一系列輔助設(shè)計工具。如:既有隧道橫斷面繪制工具,設(shè)備限界與既有隧道橫斷面關(guān)系計算工具,設(shè)備限界與既有隧道橫斷面關(guān)系圖繪制工具,設(shè)計曲線自動計算與配置工具等。 實(shí)踐證明,該手段確保了在設(shè)計過程中盡可能不遺漏所有可能的設(shè)計方案,并通過快速、自動化的數(shù)據(jù)處理手段,實(shí)現(xiàn)多方案高效的對比分析,從而獲得優(yōu)化的設(shè)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(jié)語 通過對既有人防隧道工程最新實(shí)測數(shù)據(jù)的計算與分析,可以得出如下結(jié)論: (1)既有人防隧道通過一定的技術(shù)改造是可以滿足哈爾濱市軌道交通線路設(shè)計要求的。 (2)既有人防隧道在采取降低軌道結(jié)構(gòu)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(yùn)行的限界要求。采用2.6ｍ寬Ｂ型車時,線路直線段可以適應(yīng)接觸網(wǎng)和接觸軌兩種供電方式,改建量均很小,曲線地段適當(dāng)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(guī)劃與設(shè)計的實(shí)踐表明,解決普遍偏高的建設(shè)成本可以從多角度、多途徑入手,達(dá)到促進(jìn)軌道交通良性、快速發(fā)展的目的。結(jié)合城市既有工程結(jié)構(gòu)物的特點(diǎn),在充分分析其在城市軌道交通建設(shè)中的可用程度和應(yīng)用條件,并科學(xué)、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(xiàn)1上海市隧道工程軌道交通設(shè)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(xué)研究所.哈爾濱市軌道交通一期工程人防隧道利用段結(jié)構(gòu)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(shè)計研究院,同濟(jì)大學(xué).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