城市軌道交通盾構隧道建筑限界優化設計

施培華

摘 要：城市軌道交通盾構隧道建筑限界設計直接影響盾構管片直徑的大小，對實現盾構施工標準化至關重要。文章根據既有盾構隧道建筑限界設計經驗，結合城市軌道交通應用技術的新發展和新要求，提出盾構隧道建筑限界優化計算方案，為盾構隧道限界設計與工程實施提供參考和借鑒。

關鍵詞：城市軌道交通;盾構隧道;建筑限界;優化設計

中圖分類號：U231+.12

1 背景

1993年，國內開通首條盾構法施工的地鐵線路，基于當時的技術條件和功能需求，確定的盾構隧道建筑限界圓直徑為5 200 mm，之后一直沿用該限界。從長期運營的經驗來看，既有盾構隧道設計存在空間布置緊張、小半徑曲線段疏散平臺偏窄、弓網關系較差、結構后期加固空間緊張等不足之處。同時，隨著城市軌道交通的迅猛發展，新技術和新要求不斷涌現，這對盾構隧道建筑限界設計提出新的要求。因此，結合既有盾構隧道的設計經驗及新技術、新要求，統籌考慮優化盾構隧道建筑限界設計方案，在確保工程建設及行車安全的前提下，兼顧運營使用和維護保養的空間需求，并有效控制建設工程量，是一項十分必要的工作。

本文結合盾構隧道建筑限界設計特點，從系統制式、道床型式、接觸網高度、軌旁管線綜合設計等方面布置優化盾構隧道建筑限界斷面，并提出單圓建筑限界直徑計算方式，優化限界圓和盾構內徑的布置關系，為城市軌道交通網絡化、標準化建設實施提供參考和借鑒。

2 限界斷面布置存在問題及優化

2.1 疏散平臺布置

近年來，隨著對城市軌道交通安全疏散的不斷重視，地下盾構隧道均要求設置側向疏散平臺。既有5200 mm直徑的盾構隧道建筑限界圓設計在小半徑曲線區段布置疏散平臺的空間狹小，平臺寬度偏窄。隨著安全疏散要求的提高，采用A型車的延伸線路，小半徑區段疏散平臺寬度小于600 mm，無法滿足規范標準要求，導致不能選用側向疏散模式。

通過計算，疏散平臺宜設置于軌面上方900 mm高度位置，可降低其與車廂地板面的高差，滿足任何狀態下疏散平臺不高于車廂地板面的要求，從而便于乘客疏散。平臺的最小寬度根據CJJ/T 96-2018 《地鐵限界標準》規定為600 mm，計算得出300 m小曲線半徑線路對應A型車的最小建筑限界直徑為5 300 mm，B型車的最小建筑限界直徑為5 200 mm。

2.2 道床與接觸網布置

2.2.1 軌道道床

盾構隧道建筑限界高度尺寸與盾構段線路最大高度的道床型式相關聯。隨著綠色城市軌道交通的需求以及減振降噪技術的發展，隧道內道床型式越來越多樣化。5 200 mm直徑盾構隧道建筑限界對應一般道床結構高度為740 mm，已不能滿足減振道床高度增加的要求，需相應擴大建筑限界。

目前，國內單線盾構隧道軌道結構高度一般為735～840 mm，在有減振降噪需求時，限界設計宜按減振道床最大高度840 mm取值。

2.2.2 接觸網

受電弓的工作高度由地下隧道的接觸網導線高度決定。而既有盾構隧道內的接觸網導線設計高度為4040mm，受電弓工作高度偏低，弓網關系不利。根據運營線路的結構狀態監測結果顯示，盾構隧道發生收斂變形后接觸網導線高度進一步降低，導致列車受電弓抬升高度不足，使弓網關系惡化，產生拉弧現象。

接觸網導線高度需在受電弓運行穩定前提下降低滑板和接觸線磨耗。國內城市軌道交通列車最高運行速度在120 km/h以下的普速線路，盾構隧道內接觸網導線高度主要有4040mm、4100mm、4220mm 3種應用。其中4040mm導線高度使受電弓處于較低的工作高度，當隧道出現差異沉降引起導線高度進一步降低時，加劇弓網關系惡化，導致出現放電拉弧現象，進而引發弓網沖突。因此，在4040mm導線高度基礎上根據受電弓工作高度和接觸網安裝使用情況，優化提高接觸網導線高度至4100mm，有利于改善弓網關系。而4 220 mm的導線高度是針對As車型受電弓最低工作高度確定的。因此，選用一般A/B型車的普速線路宜按4 100 mm的接觸網導線高度設計建筑限界。

同時，隨著市郊延伸線和市域線的發展，線路速度等級的提升及AC25kV供電制式及雙流供電制式列車的選用，接觸網導線高度也隨之提高。國內城市軌道交通列車最高運行速度在120 km/h及以上的快速線路，盾構隧道內采用的接觸網導線高度選擇較為統一：當采用DC1500V供電制式時為4 400 mm，當采用AC25kV供電制式時A/B型車為5 150 mm、D型車為5 300 mm。

綜上，接觸網導線高度可參考表1取值。

2.3 預留結構加固凈空

長期運營使用后，盾構隧道會發生變形乃至開裂等情況，對運營穩定性及安全性均產生很大影響。但是，由于5200mm直徑的建筑限界空間緊張，存在后期二次結構加固困難問題。因此，盾構隧道建筑限界設計時宜考慮預留二次結構加固空間。

目前，國內盾構隧道加固工藝主要有鋼環、高強度纖維等方式，加固厚度一般為20～30 mm。因此，建筑限界設計時宜考慮預留30 mm的結構加固凈空尺寸。

2.4 軌旁設備管線綜合布置

既有盾構隧道內設備布置過于緊湊，設備維護空間狹窄困難。同時隨著新技術的應用，軌旁設施設備日趨增多，設備管線布置越來越擁擠，致使前期施工敷設困難，后期運營檢修不便。因此，優化建筑限界設計應結合各系統的新要求，合理綜合布置區間軌旁設備管線。

（1）強電設備管線布置。強電設備管線一般布置于行車方向左側。目前，強電設備管線隨著安全電壓及網絡化資源共享的要求，管線數量和預留空間均有所提升。其中，應急照明和疏散指示系統采用DC36V的安全電壓設計，區間電力電纜敷設數量大幅增加，電纜支架層數需求也相應增多。另外，從電力調度方面考慮線網供電資源共享，增加預留環網電纜支架，又進一步增多電力電纜支架的層數。因此，盾構隧道建筑限界的高度應滿足區間管線綜合布置電力電纜支架的空間需求，疏散平臺上方不宜小于3層，用于控制電纜、動照電纜的敷設;疏散平臺下方不宜小于2層，用于環網電纜敷設與預留。

（2）弱電設備管線布置。弱電設備管線一般布置于行車方向右側。隨著民用5G的應用和推廣布設，漏纜的安裝數量亦隨之增多。在弱電管線綜合布設時，應考慮弱電漏纜之間抗干擾間距的要求。其中民用漏纜宜布置在車窗高度范圍內，即軌面以上2 000～3 000 mm高度范圍;通號漏纜宜結合車輛天線位置設置，一般布置在車肩位置附近。

（3）專用回流軌布置。專用回流軌技術用以解決城市軌道交通雜散電流引起的危害和隱患，2020年以來逐步在國內應用和發展，其可分為接觸網受電-專用回流軌回流和接觸軌受電-專用回流軌回流2種模式。采用專用回流軌的線路，盾構隧道建筑限界設計應結合回流軌增加車輛下部三軌的設備限界布置。

綜上，結合各專業系統的新要求，行車方向左側的設備管線布置總高度宜控制在4 250 mm左右，行車方向右側的設備管線布置總高度宜控制在4 200 mm左右。盾構隧道建筑限界應滿足實際工程區間設備管線綜合布置要求。

2.5 阻塞比

隨著線路速度等級的提高，盾構隧道建筑限界設計需結合乘客舒適性需求，采用適當的車-隧阻塞比。車速不同，阻塞比要求不同;車輛密封性的不同，對阻塞比的要求也有所不同，具體如表2所示。

具體設計中，由阻塞比確定的最小內徑與最小建筑限界圓二者中大者決定盾構管片內徑尺寸。當阻塞比確定的最小內徑為控制值時，會出現比實際所需建筑限界更大的管片內徑，可以優化道床、軌旁設施設備的布局和建筑限界設計，以便更好地利用盾構隧道空間。

3 盾構隧道建筑限界優化設計

3.1 盾構隧道建筑限界計算方法

3.1.1 盾構隧道建筑限界計算公式

5 200 mm直徑的圓形隧道建筑限界根據車體設備限界與建筑限界之間留出200 mm凈距及受電弓帶電間隙的要求推算得出，缺少考慮軌旁設備布置需求及詳細計算公式，已不能滿足城市軌道交通新技術發展的限界設計要求。因此，結合多個項目盾構隧道建筑限界設計分析后得出，曲線段設備限界與盾構隧道設備管線布置斷面之間的關系決定了盾構隧道的建筑限界尺寸，提出以限界控制點為基準的盾構隧道建筑限界計算公式。具體公式如下：

式（1）中，R為盾構建筑限界圓半徑;X為建筑限界圓心橫向坐標;Y為建筑限界圓心縱向坐標;A1～3為控制點橫向坐標;B1～3為控制點縱向坐標。

3.1.2 限界控制點的選擇

結合盾構隧道斷面布置情況，限界控制點及坐標宜按以下原則進行選取確定。

（1）當線路采用接觸網受電模式時，選取道床下方最低點、接觸網上方最高點及強電側車肩設備限界最寬點為控制點。

（2）當線路采用接觸軌受電模式時，選取道床下方最低點、受電靴設備限界最寬點及強電側車肩處設備限界最寬點為控制點。

（3）道床下方最低點的控制點縱坐標值為軌道結構高度最大值。

（4）接觸網上方最高點宜包含結構加固凈空。

（5）車肩或受電靴位置對應控制點的橫向坐標值應統籌考慮曲線設備限界最寬點橫向坐標值、安全間隙50mm及設備支架寬度確定;縱向坐標為車肩或受電靴附近的設備距軌面高度值。其中，曲線設備限界坐標值不含超高旋轉。

3.1.3 盾構隧道建筑限界算例

以采用普速A2型車、最小平面曲線半徑為300 m的減振道床盾構段線路為例，計算盾構隧道建筑限界。道床下方最低點的控制點坐標值按減振道床高度取值為（0，-840）;接觸網上方最高點的控制點坐標值按接觸網導線高度加上觸網懸掛系統高度及結構預留加固凈空取值為（0，4630）;車肩位置控制點的橫向坐標值根據曲線設備限界最寬點橫向坐標值1 778 mm加上安全間隙50mm及設備支架寬度350 mm為2 178 mm，縱向坐標值為車肩附近的第二層支架高度3 460 mm，得出坐標值為（-2178，3460）。將此3個坐標點代入公式（1），計算得出建筑限界直徑為5 472 mm，隧道建筑限界布置如圖1所示。

3.2 優化建筑限界圓在盾構內的布置方式

5 500 mm內徑的盾構隧道建筑限界圓和盾構隧道圓基本按同心圓方式布置。但是，隨著線路速度等級的提高和AC25kV供電制式或雙流供電制式的選用，盾構隧道斷面將進一步擴大，出現直徑遠比建筑限界圓更大的隧道圓時，同心圓的布置方式存在以下不足：①在建筑限界直徑不變的情況下，采用同心圓布置方式將會引起軌道結構高度的增加，從而增加工程投資;②將建筑限界直徑擴大以適合同心圓布置，則引起預置誤差余量的減少，從而增加了調線調坡工作量。因此，建筑限界圓與盾構圓宜采用偏置的布置方式，即建筑限界圓靠下與隧道圓偏置，限界圓底部至盾構內壁預留150mm施工誤差及沉降變形余量。

3.3 大尺寸盾構隧道偏移量優化

盾構隧道建筑限界在曲線超高地段，采用隧道中心向線路基準線內側偏移的方法解決軌道超高造成的內外側不均勻位移量，偏移值是隧道建筑限界中心點根據軌道超高進行旋轉后的位移量。但是，設備管線安裝高度是基于使用需求固定布置，設備高度值不隨著超高旋轉改變，使得各對應設備高度位置的設備限界位移量差別較大，盾構偏移很難均衡超高旋轉引起的限界加寬。同時，基于快速線路盾構隧道內徑增大的情況，從盾構設計、施工及測量簡易性角度考慮，宜核算后擴大建筑限界，優化取消盾構偏移設置。

以采用普速A2型車、最小平面曲線半徑為300 m的減振道床盾構段線路為例，核算盾構隧道建筑限界。此時的控制點應考慮超高旋轉的影響，選取道床最低點、曲線內側車肩設備限界最寬點、曲線外側車體設備限界最寬點。車肩與車體控制點的橫向坐標值在計算曲線設備限界時須考慮超高旋轉引起的橫向位移量。據此得到坐標值分別為（0，-840）、（-2429，3460）、（2153，150）。將3個控制點坐標代入公式（1），計算得出盾構隧道建筑限界直徑為5672mm（圖 2～圖3）。結合盾構誤差余量300mm，即盾構內徑不小于5972mm時可取消盾構偏移設置。

4 結論

隨著城市軌道交通的快速發展，盾構隧道建筑限界設計應汲取既有隧道建筑限界設計的經驗，并兼顧考慮相關專業應用技術發展帶來的新要求，優化擴大盾構隧道建筑限界圓直徑，充分兼顧后期運營和維護，推進城市軌道交通網絡化、標準化設計與建設。研究成果及結論主要如下：

（1）結合城市軌道交通應用技術的發展分析盾構隧道建筑限界斷面布置要求，并提出盾構隧道建筑限界圓直徑計算方法;

（2）針對大尺寸內徑盾構，提出建筑限界圓在盾構隧道內偏置布置方式，優化減少軌道工程量及調線調坡工作量;

（3）在盾構管片內徑遠大于最小建筑限界時，可通過計算適當擴大建筑限界，優化取消盾構偏移設置，達到簡化設計與施工的目的。

參考文獻

[1] 中華人民共和國住房和城鄉建設部. CJJ/T 96-2018 地鐵限界標準[S]. 北京：中國建筑工業出版社，2018.

[2] 中華人民共和國建設部. CJJ 96-2003 地鐵限界標準[S]. 北京：中國建筑工業出版社，2003.

[3] 北京市規劃委員會. GB 50157-2013 地鐵設計規范 [S]. 北京：中國建筑工業出版社，2013.

[4] 中華人民共和國建設部，中華人民共和國國家發展和改革委員會.建標104-2008城市軌道交通工程項目建設標準[S]. 北京：中國計劃出版社，2008.

[5] 中華人民共和國建設部. GB/T 7928-2003 地鐵車輛通用技術條件 [S]. 北京：中國建筑工業出版社，2003.

[6] 中華人民共和國住房和城鄉建設部. GB 50289-2016 城市工程管線綜合規劃規范[S]. 北京：中國建筑工業出版社，2016.

[7] 中華人民共和國住房和城鄉建設部. GB 50446-2017 盾構法隧道施工及驗收規范[S]. 北京：中國建筑工業出版社，2017.

[8] 中國土木工程學會. T/CCES 2-2017 市域快速軌道交通設計規范 [S]. 2017.

[9] 中國鐵道學會. T/CRSC 0101-2016 市域鐵路設計規范 [S]. 2016.

[10] 上海市住房和城鄉建設管理委員會. DG/TJ 08-109-2017 J10325-2017 城市軌道交通設計規范[S]. 上海：同濟大學出版社，2017.

收稿日期 2020-05-20

責任編輯 胡姬