適用于120～160 km/h的地鐵工程盾構隧道限界分析

唐 云

(北京城建設計發展集團股份有限公司， 北京 100037)

適用于120～160km/h的地鐵工程盾構隧道限界分析

唐 云

(北京城建設計發展集團股份有限公司， 北京 100037)

隨著地鐵運營速度的提高，乘客舒適度要求提高，目前國內傳統地鐵盾構隧道斷面不再適合。通過對國內既有工程盾構隧道尺寸的調研，結合北京新機場線的最新研究成果，通過速度對設備限界的影響、隧道阻塞比對盾構隧道斷面尺寸的影響以及供電制式對盾構隧道斷面尺寸的影響等分析，提出了制定盾構隧道斷面限界的方式，并在相關工程中進行應用。

軌道交通； 盾構隧道限界； 120～160 km/h； 設備限界； 隧道阻塞比； 供電制式

速度不大于100 km/h的地鐵盾構隧道限界[1]，主要由設備限界、軌道結構高度和設備安裝等共同確定。目前國內地鐵單洞單線盾構隧道采用的建筑限界主要是直徑5 200 mm和5 300 mm兩種[2-3]，對應的隧道斷面內徑也以5 400 mm和5 500 mm兩種為主。

隨著列車運行速度的提高，車輛限界和設備限界均有所增大，設備限界是決定斷面限界的最基本因素，需要有相應的分析；同時，由于運行速度的提高，列車在隧道內高速運行，空氣流動受隧道及車體的限制以及空氣的可壓縮性，導致隧道內空氣壓力劇烈變化，由此引發一系列工程問題：初始壓縮波誘發的出口微壓波造成噪聲及周邊建筑物破壞，壓力波動傳入車廂引起乘客耳膜壓痛，壓力波動引起列車側壁、車窗玻璃以及隧道內設施破壞等。因此，需要研究確定合適的斷面限界來克服以上壓力變化產生的影響；隨著行車速度的提高，車輛的供電制式會有相應的調整，供電制式的變化對單洞單線盾構隧道限界也有較大的影響。

1 國內既有工程調研

廣州地鐵3號線設計之初雖然非常重視空氣動力學效應，并進行了模擬計算，但由于當時國內這樣的系統是第一個，具有大阻塞比、全地下的快線系統特征，按國外的壓力變化指標控制的切身感受沒有感性認識。隨著3號線的開通運營，快線的空氣動力學效應感受反映出來。當列車在長度6.2 km、內徑5.4 m的盾構隧道——番禺廣場站至市橋站區間運行，列車最高運行速度接近120 km/h時，乘客和司機會出現胸悶、耳鳴和耳痛等身體不適情況[4]。廣州地鐵3號線采用5.4 m直徑隧道斷面時的阻塞比約為0.5，車輛供電制式為DC1 500 V接觸網供電。

深圳地鐵11號線列車以120 km/h的速度運行，盾構隧道采用6.0 m的直徑，在考慮泄壓措施后，最不利洞口處的壓力變化值都可以滿足建議的1 500 Pa/3 s的壓力舒適度要求。隧道阻塞比約為0.4，車輛為DC1 500 V接觸網供電。

對上海地鐵16號線列車120 km/h高速運行的隧道空氣動力學效應進行計算與分析研究后認為，常規隧道不適宜運行120 km/h的列車，需要加大隧道有效面積，減少阻塞比。該工程通過隧道形式和規模的多方案比選，對120 km/h的地鐵線可采用既有隧道內徑10.36 m的隧道，并按單洞雙線加中間隔墻方案作為隧道的實施方案(車隧阻塞比約為0.33)，也可按照內徑6.8 m的隧道方案(車隧阻塞比為0.31)，按照單洞單線實施兩條隧道。目前，上海16號線通過了上海市建委專家評審，結論是上海首次采用10.36 m的大直徑地鐵隧道。車輛供電制式為接觸軌受電，預留受電弓條件。

青島藍色硅谷工程列車區間最高運行速度為120 km/h，DC1 500 V接觸軌供電，隧道區間全線大于10 km，隧道斷面為礦山法隧道，斷面設計時也考慮了隧道空氣動力學效應，隧道斷面的隧道阻塞比都小于0.4，目前隧道基本貫通。

由以上既有工程調研分析得出，隨著運行速度的提高，為了滿足乘客舒適性要求和車輛運行能耗要求，適當增大隧道斷面是有必要的。

對于最高速度>100 km/h的地鐵盾構隧道限界的分析，需要從設備限界、供電制式、軌道結構高度要求和空氣動力學等多方面進行研究。

2 車輛限界和設備限界

廣州地鐵3號線：列車運行速度從80 km/h提高到120 km/h后車輛需要改變一些構造參數，主要是將車體與轉向架之間的橫向位移適當放大。橫向自由間隙為15 mm，橫向擋塊的可壓縮量為20 mm，另一方面，限界計算中的橫向加速度由0.250 m/s2提高到0.375 m/s2。120 km/h速度下的車輛限界，其橫坐標值增大了21 mm(車輛最大半寬1 400 mm，車輛限界橫向最大值1 524 mm)。

青島—海陽城際(藍色硅谷段)軌道交通工程，區間最高速度為120 km/h，限界計算時車輛最高速度允許瞬間超速10%，即最高速度為132 km/h，計算結果為：車輛最大半寬為1 445 mm，車輛限界最大值為1 586 mm，設備限界最大值為1 616 mm。

上海地鐵16號線選用上海市建設規范《城市軌道交通設計規范》(DGJ08—109—2004)附錄中的大型車輛輪廓線作為設計依據，經調研分析得出，120 km/h的設備限界較80 km/h的設備限界側向加大20～30 mm。

在編的市域快速軌道交通技術規范對120～160 km/h的車輛限界和設備限界也做了相關規定，限界的計算方法參照《地鐵限界標準》的相關規定，該規范中給出的標準A型車的最大半寬為1 550 mm，車輛限界最大值為1 691 mm，設備限界最大值為1 770 mm。

結合廣州地鐵3號線的經驗，目前既有的盾構隧道能滿足最高速度120 km/h的行車安全限界要求，但無法滿足乘客舒適度的要求。通過以上實際工程或規范中對速度大于100 km/h的車輛限界和設備限界的統計分析，結合《地鐵限界標準》計算公式中速度影響相關項的分析得出，隨著速度的增加，車輛限界和設備限界均有所增大，但增量有限，故速度大于100 km/h的車輛限界和設備限界不是確定盾構隧道斷面尺寸的控制因素。

3 隧道阻塞比與盾構隧道斷面的關系

對于速度低于100 km/h的地鐵，隧道斷面往往根據地鐵限界，滿足最低要求即可，幾乎不用考慮空氣動力學的影響，目前既有地鐵工程中的隧道阻塞比一般在0.45～0.50之間，遠大于國鐵隧道的車隧阻塞比[5]。

隧道的車隧阻塞比即為車輛橫斷面面積與隧道軌面以上凈空橫斷面面積的比值。關于隧道車隧阻塞比的要求，我國地鐵行業現行的相關標準、規范尚無明確規定。鐵路部門有相關規定：

1) 《鐵路隧道設計規范》(TB10003—2005)[6]第1.0.6條規定，“…對于旅客列車最高行車速度160 km/h新建鐵路隧道內輪廓尚應考慮機車類型、車輛密封性、旅客舒適度等因素確定，隧道軌面以上凈空橫斷面面積，單線隧道不應小于42 m2……”。

2) 《京滬高速鐵路設計暫行規定》[7]第7.1.1條規定，“隧道工程設計必須考慮列車進入隧道誘發的空氣動力學效應對行車、旅客乘坐舒適度、車輛結構強度和環境等方面的不利影響。緩解空氣動力學效應可采用放大隧道斷面有效面積減少阻塞比β……”。

參考《北京新機場快線壓力舒適度標準及隧道阻塞比研究》的結論,最高運行速度120 km/h，隧道斷面阻塞比小于0.4[8]；最高運行速度140 km/h，使用非密閉車輛，隧道斷面阻塞比小于0.27，使用密閉車輛，隧道斷面阻塞比小于0.35；最高運行速度160 km/h，使用密閉車輛，隧道斷面阻塞比小于0.289[9]。隧道斷面面積滿足以上隧道阻塞比要求時，乘客舒適度能滿足壓力舒適度標準。

A型車車輛斷面面積暫按10.319 m2考慮，軌道結構高度按840 mm考慮，在滿足以上隧道阻塞比的前提下，確定的最小隧道斷面如表1所示。

表1 隧道阻塞比β與隧道斷面關系

4 供電制式與盾構隧道斷面的關系

隨著區間最高速度的提高，車輛的供電制式也有相應的調整，最高速度大于100 km/h時，供電制式可以采用DC1 500 V剛性接觸網，也可采用AC25 kV柔性接觸網。

車輛高度為3 800 mm時，接觸網采用垂直剛性懸掛時，在DC1 500 V電壓制式下接觸導線距軌面的最低懸掛高度一般為4 040 mm，AC25 kV 接觸導線距軌面的最低懸掛高度為4 190 mm[10]。

采用DC1 500 V剛性接觸網供電時，接觸網導線安裝高度一般為4 040～4 400 mm，接觸網支架安裝高度不小于400 mm；采用AC25 kV柔性接觸網供電時，接觸網導線安裝高度一般為4 400～5 300 mm，接觸網支架安裝高度一般不小于1 400 mm；軌道結構高度按840 mm考慮，故由供電制式確定的隧道斷面如表2所示。

表2 供電制式與盾構隧道斷面關系

由以上供電制式的分析得出，因供電制式的不同，接觸網導線安裝高度和接觸網支架安裝要求都各不相同，由供電制式確定的盾構隧道內徑也有較大的差異。

5 確定隧道斷面尺寸

隧道阻塞比和供電制式對盾構斷面限界的分析結論表明，兩者確定的斷面限界是不一致的，故需要對以上兩種控制因素進行綜合分析(見表3)。

表3 隧道阻塞比β、供電制式與盾構隧道斷面關系

由表3分析可知：

1) 采用DC1 500 V供電時，當接觸網線安裝高度不大于4 400 mm，接觸網安裝尺寸不大于400 mm時，最高速度大于100 km/h的盾構隧道斷面尺寸主要由隧道阻塞比控制；當接觸導線安裝高度與接觸網支架共同要求大于某一數值時，盾構斷面尺寸將由供電制式確定。

2) 當車輛供電制式采用AC25 kV時，盾構斷面尺寸基本上由供電制式確定。當供電制式需要的凈空要求減小時，盾構斷面尺寸又由隧道阻塞比確定。

3) 盾構隧道斷面限界尺寸的確定，首先必須滿足車隧阻塞比的要求，其次需要考慮供電制式的影響。

北京地鐵R1線車輛按市域A車進行考慮，為DC1 500 V剛性接觸網供電，區間列車最高運行速度為120 km/h。按以上分析方法，制定R1線單線盾構隧道的建筑限界時主要考慮因素為：軌道結構高度840 mm、接觸網導線安裝高度4 400 mm、接觸網結構高度400 mm、隧道阻塞比β不大于0.4；供電制式確定的盾構隧道斷面建筑限界直徑為840+4 400+400=5 640 mm，阻塞比確定的建筑限界直徑為6 000 mm。如圖1所示，最終確定的圓形隧道建筑限界為6 000 mm，實際為0.397。

圖1 北京R1線圓形隧道限界Fig.1 Circular tunnel limit of Beijing Metro R1 Line

北京新機場線車輛采用市域車，為AC25 kV柔性接觸網供電，區間列車最高運行速度為160 km/h。按以上分析方法，制定北京新機場線單線盾構隧道的建筑限界時主要考慮因素為：軌道結構高度900 mm、接觸網導線安裝高度5 300 mm、接觸網結構高度1 400 mm、隧道阻塞比β不大于0.289；供電制式確定的盾構隧道斷面建筑限界內徑為900+5 300+1 400=7 600 mm，阻塞比確定的建筑限界為7 200 mm。如圖2所示，最終確定的圓形隧道建筑限界直徑為7 600 mm，實際為0.27。

圖2 北京地鐵機場線圓形隧道限界Fig.2 Circular tunnel limit of Beijing Metro Airport Line

6 結論

通過對盾構隧道限界決定因素(設備限界、隧道阻塞比、供電制式)的逐一分析，可以看出速度120～160 km/h的盾構隧道限界尺寸的控制因素不是唯一的，同樣也不是固定不變的。在本文的分析條件下，主要得出以下幾點結論：

1) 設備限界不是確定速度120～160 km/h的盾構隧道斷面尺寸的控制因素；

2) 隧道阻塞比和供電制式是確定速度120～160 km/h的盾構隧道限界尺寸的主要因素；

3) 隧道阻塞比確定的隧道斷面限界應是盾構隧道斷面尺寸選型的下限值；

4) 當供電制式確定的隧道斷面尺寸大于隧道阻塞比確定的隧道斷面限界尺寸時，盾構選型應采用供電制式確定的隧道斷面限界尺寸。

列車運行速度為120～160 km/h的盾構隧道選型時，應充分考慮各種影響因素，具體情況應具體分析，在滿足空氣動力學的同時，也需要滿足設備安裝的需求，確保盾構隧道選型的合理性。

[1] 地鐵設計規范：GB 50157—2013[S].北京:中國建筑工業出版社,2014.

Code for design of metro： GB 50157—2013[S]. Beijing: China Architecture & Building Press, 2014.

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Code for design of urban rail transit: DB 11/995—2013[S]. Beijing, 2013.

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[6] 鐵路隧道設計規范：TB10003—2005[S].北京:中國鐵道出版社,2005.

Code for design of railway tunnel： TB10003—2005[S]. China Railway Publishing House, 2005.

[7] 鐵道第三勘察設計院.京滬高速鐵路設計暫行規定[S].北京:中國鐵道出版社,2003.

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Shield Tunnel Boundary for 120～160 km/h Subway Engineering

TANG Yun

(Beijing Urban Construction Design and Development Group Co., Ltd., Beijing 100037)

With the improvement of the operation speed of subways and the passenger comfort requirement, the cross section of the traditional metro shield tunnel is no longer suitable. Through the research on the size of the existing shield tunnels in China, combined with the latest research results of Beijing new airport line, the influence of speeds on equipment gauge, the influence of tunnel blocking ratio and power supply system on the cross section dimensions of shield tunnels are analyzed. The paper puts forward a way of making shield tunnel section boundary, and applies it in relevant engineering projects.

urban rail transit; shield tunnel boundary; 120～160 km/h; equipment gauge; tunnel blocking ratio; power supply standard

10.3969/j.issn.1672-6073.2017.05.010

2016-10-20

2016-11-21

唐云，男，碩士，工程師，從事城市軌道交通限界研究工作，tangyun@bjucd.com

U231

A

1672-6073(2017)05-0056-04

(編輯：郝京紅)