杭長客運專線錢塘江隧道橫斷面優(yōu)化設(shè)計

韓向陽

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，武漢 430063)

1 工程概況

杭(州)-長(沙)是國家新時期建設(shè)的“三縱四橫”高速鐵路網(wǎng)滬(上海)至昆(明)客運專線的一部分,其全長980 km,設(shè)計速度目標(biāo)值350 km/h。

杭長客運專線錢塘江隧道是杭長客運專線杭州樞紐的一部分,隧址距離上游錢江四橋1.1 km,距離下游錢江三橋2.8 km。連接既有杭州城站和蕭山站,主要承擔(dān)杭州城站南向發(fā)車任務(wù),建成后擬替代既有錢江一橋(已到設(shè)計壽命,系重要文物)。由于受到線路條件及兩端車站的限速要求,本隧道的設(shè)計速度目標(biāo)值為120 km/h,根據(jù)杭州城站及蕭山站在杭州樞紐中的功能定位,隧道內(nèi)僅按通行旅客列車設(shè)計(包括動車組和普速列車)。錢塘江隧道平面線位見圖1。

隧道自江北的杭州城站南端咽喉引出,在杭州機務(wù)段內(nèi)入地,然后沿姚江路下穿錢塘江,在濱江區(qū)的江虹路上岸,線路東折,沿北塘河至濱興路東側(cè)出地,隧道建筑長度6 230 m,其中隧道長度5 130 m,盾構(gòu)段長4 332 m,明挖暗埋段752 m,敞開段1 100 m,工作井2座。

圖1 錢塘江隧道平面線位

2 問題的引出

本隧道設(shè)計速度目標(biāo)值為120 km/h,通行的僅為旅客列車,相對于我國目前的客運專線建設(shè)標(biāo)準(zhǔn),可以稱的上是低速客運專線。而我國目前尚無速度設(shè)計目標(biāo)值為120 km/h的低速客運專線的規(guī)范或規(guī)定。根據(jù)目前的規(guī)范情況,僅有160 km/h以下客貨共線鐵路的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)可以參照。但是該標(biāo)準(zhǔn)的隧道建筑限界兼顧的是客貨混運,特別是超限超重貨車的運營。因此,參照此標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)一條客運線路,會造成巨大浪費。研究和優(yōu)化120 km/h低速客運專線隧道橫斷面成為整個工程設(shè)計的重中之重。

3 設(shè)計現(xiàn)狀及存在的問題

3.1 設(shè)計背景

本工程的初步設(shè)計對本隧道的建設(shè)方案進行了綜合比選。目前該隧道可以采用的斷面形式主要有雙線雙洞、雙線單洞、雙線單洞+隔墻3種方案,其中雙線單洞+隔墻方案斷面較大(直徑14.3 m),造價高,并且軌面到結(jié)構(gòu)頂面尺寸較大,不滿足隧道埋設(shè)要求(300年一遇沖刷線)。而雙線雙洞方案占地寬,對通道寬度要求高,本通道在建設(shè)橋附近僅有18 m寬,雙洞方案不能安全展開,故而采用雙線單洞方案。

3.2 根據(jù)現(xiàn)有規(guī)范的設(shè)計

根據(jù)現(xiàn)有的規(guī)范,采用隧限2B,建筑限界高度6 550 mm,最大寬度4 880 mm,根據(jù)線路曲線半徑,本工程最大線間距4 220 mm。考慮到本隧道的長度規(guī)模、穿越錢塘江的復(fù)雜性、旅客運輸?shù)闹匾缘?在線路兩側(cè)設(shè)置救援通道和圓形隧道的下層空間設(shè)置疏散通道,參考相關(guān)規(guī)范,具體的尺寸標(biāo)準(zhǔn)不得小于1 250 mm×2 200 mm(寬×高)。在此基礎(chǔ)上,考慮結(jié)構(gòu)變形和施工誤差150 mm,并在曲線地段按要求進行加寬驗算之后擬定的隧道內(nèi)輪廓(φ11.5 m)如圖2所示。

圖2 隧道內(nèi)輪廓(單位：mm)

3.3 隧道橫斷面優(yōu)化的切入點

上述的設(shè)計存在以下問題。

(1)采用了客貨共線鐵路的限界,造成了隧道橫斷面的巨大浪費。

(2)由于本設(shè)計斷面在下層空間設(shè)計了疏散通道,相比較而言,下層的疏散通道可以通過防火門與上部空間隔絕,并安設(shè)了風(fēng)機、電話、錄像等設(shè)備,逃生條件較好,上部的救援通道寬度可以進一步優(yōu)化,并且目前設(shè)計速度目標(biāo)200 km/h的廣深港益田路隧道也采用了1 000 mm寬的救援通道,國內(nèi)地鐵隧道的救援通道寬度也普遍都在600 mm左右。因此本隧道救援通道寬度存在優(yōu)化的空間。

(3)隧道限界的高度主要受接觸網(wǎng)導(dǎo)線點高度和接觸網(wǎng)安裝空間的影響。合理采用接觸網(wǎng)安裝方式即可有效地降低隧道限界高度,從而優(yōu)化其橫斷面。

4 優(yōu)化方法

針對以上3個方案對本隧道的橫斷面進行優(yōu)化。

(1)低速客運專線(120 km/h)的限界研究

主要方法是采用動力學(xué)模擬方法,通過對車輛運行時受外界因素如軌道不平順、曲線離心力或側(cè)風(fēng)風(fēng)壓等激擾而產(chǎn)生的振動過程進行模擬,確定車體在特定運營條件下的最大偏移程度及偏移范圍,從而勾勒出列車的動態(tài)包絡(luò)線(包括受電弓),然后在動態(tài)包絡(luò)線的基礎(chǔ)上預(yù)留150～200 mm的安全空間。

根據(jù)目前國家列車制造標(biāo)準(zhǔn),選擇CRH2和機車的車輛輪廓線進行研究,根據(jù)目前在國內(nèi)其他鐵路線上的限界研究成果和測試結(jié)果,計算并勾勒的列車動態(tài)包絡(luò)線如圖3、圖4所示。

圖3 直線段車輛動態(tài)包絡(luò)線(單位：mm)

圖4 R-1 000,h-145曲線段動態(tài)包絡(luò)線(單位：mm)

研究表明,曲線地段的動態(tài)包絡(luò)線控制整個橫斷面內(nèi)輪廓的擬定。

(2)接觸網(wǎng)選型優(yōu)化

目前,國內(nèi)鐵路上主要采用的懸掛方式有剛性懸掛和鏈型懸掛,其中鏈型懸掛又有三角形腕臂和弓形腕臂形式。

①三角形腕臂鏈型懸掛系統(tǒng)

三角形腕臂鏈型懸掛造價經(jīng)濟、耐磨受用,在目前修建的高速客運專線中,在隧道有效凈空面積控制隧道橫斷面的條件下,使用三角形腕臂鏈型懸掛系統(tǒng)(圖5)不會增加隧道的斷面面積,因而被廣泛采用,是目前使用最廣的懸掛系統(tǒng)。

但是對于本隧道而言,三角形腕臂鏈型懸掛需要的安裝高度為1 400 mm,并且隧道需要采用下錨補償裝置,不利于節(jié)約隧道空間。120 km/h的客運專線速度低,空氣動力學(xué)效應(yīng)小,凈空面積不控制隧道斷面,采用此懸掛造成斷面浪費。

圖5 三角形腕臂鏈型懸掛系統(tǒng)(單位：mm)

②剛性接觸懸掛系統(tǒng)

剛性接觸懸掛(圖6)采用彈簧補償,節(jié)約了斷面面積,懸掛系統(tǒng)的安裝高度壓縮到了700 mm,非常適合低速鐵路隧道內(nèi)采用。但是剛性懸掛造價高,對車輛的受電弓和接觸網(wǎng)導(dǎo)線的磨損大。

圖6 剛性接觸懸掛(單位：mm)

③弓形腕臂鏈型懸掛系統(tǒng)

弓形腕臂鏈型懸掛(圖7)是在三角形腕臂鏈型懸掛的基礎(chǔ)上進行優(yōu)化的懸掛方式,采用彈簧補償,懸掛系統(tǒng)的安裝高度壓縮到了700 mm,節(jié)約了斷面面積,非常適合低速鐵路隧道內(nèi)采用。

圖7 弓形腕臂鏈型懸掛系統(tǒng)(單位：mm)

綜合分析,最終推薦采用對列車受電弓和接觸網(wǎng)導(dǎo)線磨損小的弓形腕臂鏈型懸掛系統(tǒng)。

(3)救援通道寬度的優(yōu)化

救援通道的優(yōu)化主要思路是采用隧道下方的疏散通道為主的救災(zāi)疏散形式。因此,優(yōu)化的思路以下方的疏散通道控制整個橫斷面,上層的救援通道寬度僅考慮在空余空間內(nèi)設(shè)置,優(yōu)化的結(jié)果為800 mm寬,要比地鐵隧道的救援通道的救援通道寬。

5 優(yōu)化結(jié)果

根據(jù)以上的優(yōu)化原則,并考慮結(jié)構(gòu)變形和施工誤差150 mm,并在曲線地段按要求進行加寬驗算之后擬定的隧道內(nèi)輪廓為φ10.6 m。經(jīng)驗算,在曲線地段列車旋轉(zhuǎn)運行后,距離隧道結(jié)構(gòu)尚有200 mm以上的安全距離(圖8)。

圖8 優(yōu)化后的隧道內(nèi)輪廓(單位：mm)

6 研究結(jié)論

經(jīng)過本次研究,將錢塘江隧道的橫斷面內(nèi)輪廓由11.5 m優(yōu)化到10.6 m,工程投資節(jié)約了15%,避免了工程浪費,其優(yōu)化的橫斷面也是合理、可行的,為同類型其他工程的設(shè)計施工起到了借鑒及參考作用。

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