地鐵線路平面小半徑曲線方案研究

馬驍

（中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安 710043）

1 工程概況

蘭州市城市軌道交通2號(hào)線是蘭州軌道交通線網(wǎng)中東西向的骨架線路，全長(zhǎng)約37 km，設(shè)站32座，設(shè)1段1場(chǎng)。其中，一期工程起于東方紅廣場(chǎng)站，終于雁北路站，線路全長(zhǎng)約9.06 km，設(shè)地下站9座，排洪南路停車場(chǎng)1座。

2 小半徑曲線的應(yīng)用

蘭州軌道交通2號(hào)線一期工程位于蘭州市城關(guān)區(qū)，城市開發(fā)強(qiáng)度大，道路兩側(cè)建筑鱗次櫛比，軌道交通線路沿道路進(jìn)行了3次轉(zhuǎn)換。受道路紅線與道路兩側(cè)建構(gòu)筑物影響，2號(hào)線一期工程正線平面曲線共有3處半徑小于400 m，均位于道路轉(zhuǎn)換處；另有一處位于出入線由排洪南路轉(zhuǎn)入地塊的過(guò)程中。

2.1 東方紅廣場(chǎng)至郵電大樓區(qū)間

東方紅廣場(chǎng)站為1、2號(hào)線換乘站，采用雙島四線，2號(hào)線在內(nèi)為側(cè)式站。2號(hào)線右線在車站范圍與1號(hào)線右線進(jìn)行立交，之后線路南轉(zhuǎn)進(jìn)入平?jīng)雎贰Ｊ?6層國(guó)芳大酒店以及萬(wàn)通物業(yè)大廈（F20）影響，左右線出站后采用半徑為350 m的平面曲線，由慶陽(yáng)路轉(zhuǎn)至平?jīng)雎罚瑓^(qū)間盾構(gòu)井位于圓曲線。

2.2 郵電大樓至火車站區(qū)間

火車站片區(qū)獨(dú)特的地理位置及路網(wǎng)條件，導(dǎo)致線路從平?jīng)雎忿D(zhuǎn)向火車站東路時(shí)軌道交通車站難以靠近火車站廣場(chǎng)。為使得軌道交通火車站站盡量靠近火車站廣場(chǎng)，且盡量降低對(duì)地塊及周邊構(gòu)筑物的影響，線路從郵電大樓站引出后，通過(guò)設(shè)一組半徑為400 m和350 m反向曲線在平?jīng)雎肺鱾?cè)地塊進(jìn)行迂回敷設(shè)，以達(dá)到火車站廣場(chǎng)前設(shè)站的目的。線路為減少與建構(gòu)筑物關(guān)系，最小曲線半徑R為350 m，下穿建工瑞景裙房、盛世芙蓉高層建筑預(yù)留廊道后接入火車站。

2.3 停車場(chǎng)出入線平面

排洪南路停車場(chǎng)出入線自公交五公司站后交叉渡線引出后，下穿排洪溝，上跨右線正線，沿排洪南路向東敷設(shè)，最終南轉(zhuǎn)進(jìn)入排洪南路停車場(chǎng)地塊。排洪南路規(guī)劃道路紅線寬30 m，道路狹窄，交通流量大，施工期間交通疏解、管線遷改問(wèn)題突出，地鐵結(jié)構(gòu)距離路側(cè)建筑（路側(cè)建筑多侵入規(guī)劃紅線）較近，對(duì)建筑物影響較大。停車場(chǎng)出入線由排洪南路南轉(zhuǎn)進(jìn)入地塊期間受西側(cè)武警用地、東側(cè)中國(guó)外運(yùn)甘肅公司綜合樓以及北側(cè)沿街1層商鋪等影響，出入線采用半徑為180 m的反向曲線由排洪南路轉(zhuǎn)入停車場(chǎng)地塊。

2.4 應(yīng)用小結(jié)

通過(guò)以上實(shí)例可以總結(jié)得出：線路平面小半徑曲線的應(yīng)用主要位于以下幾處：

1）道路轉(zhuǎn)換處。地鐵一般敷設(shè)于城市道路下方。但受半徑大小影響，不能完全與市政道路統(tǒng)一。在道路轉(zhuǎn)換處通常采用小曲線半徑以達(dá)到對(duì)周邊地塊影響最小的目標(biāo)。

2）降低與建構(gòu)筑物風(fēng)險(xiǎn)。由于地鐵線路串聯(lián)城市主要客流集散點(diǎn)，周邊建筑鱗次櫛比，為降低施工風(fēng)險(xiǎn)，減少后期運(yùn)營(yíng)影響，小曲線半徑能夠有效保證與周邊建構(gòu)筑尤其是高層建筑的安全距離。

3 小半徑曲線的影響

地鐵線路平面半徑過(guò)小會(huì)產(chǎn)生諸多影響，如列車不能達(dá)到最高設(shè)計(jì)運(yùn)行速度，在同一區(qū)間增加牽引與制動(dòng)，不利于行車運(yùn)營(yíng)；對(duì)施工技術(shù)水平要求較高；后期對(duì)軌道磨耗大，不利于運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)及維修；小半徑曲線范圍內(nèi)產(chǎn)生的噪聲也較多，對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生一定影響。

3.1 行車速度

排洪南路停車場(chǎng)出入線最小曲線半徑為180 m。根據(jù)2號(hào)線車輛平均加速度與常用制動(dòng)平均減速度，可以計(jì)算得到在出入線小半徑曲線起點(diǎn)處的出段速度為71.6 km/h，入段速度為設(shè)計(jì)速度80 km/h。但根據(jù)正常情況下列車最高速度限制計(jì)算可知，平面曲線半徑為180 m的條件下對(duì)應(yīng)的行車速度僅達(dá)到52.45 km/h。

3.2 施工影響

由于地鐵小半徑曲線選用的一個(gè)重要因素就是保證與周圍建構(gòu)筑物尤其是高層建構(gòu)筑物的安全距離。因此，小半徑曲線與建構(gòu)筑物關(guān)系較近，增加施工難度。另一方面，小半徑曲線靠近車站附近時(shí)，盾構(gòu)接受及始發(fā)均在小曲線上，受盾構(gòu)機(jī)自身構(gòu)造特性等因素，小半徑曲線對(duì)盾構(gòu)始發(fā)及掘進(jìn)都帶來(lái)一定難度，對(duì)施工技術(shù)水平要求較高。

郵電大樓至火車站區(qū)間根據(jù)盾構(gòu)籌劃，由火車站始發(fā)向郵電大樓方向掘進(jìn)。一般情況下，盾構(gòu)機(jī)在曲線地段始發(fā)沿該點(diǎn)的切線方向。而火車站站始發(fā)點(diǎn)位于半徑為350 m的圓曲線，若沿切線始發(fā)則會(huì)導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)與設(shè)計(jì)線路偏離較大，因此施工單位采取沿該點(diǎn)割線方向始發(fā)的施工方案。但受曲線半徑小的影響，盾構(gòu)機(jī)采用最小轉(zhuǎn)彎半徑進(jìn)行掘進(jìn)。同時(shí)采取提前設(shè)定預(yù)偏量、采用弧形導(dǎo)臺(tái)鋼軌始發(fā)、嚴(yán)控推進(jìn)速度與推力等措施。可見，小曲線割線始發(fā)風(fēng)險(xiǎn)較大。

排洪南路停車場(chǎng)出入線小半徑曲線位于排洪南路南轉(zhuǎn)進(jìn)入停車場(chǎng)地塊范圍內(nèi)。根據(jù)現(xiàn)狀基礎(chǔ)條件，線路西側(cè)與新東方烹飪學(xué)校門房，東側(cè)與甘肅外運(yùn)公司綜合樓距離較近。新東方烹飪學(xué)校大門處區(qū)間仍為地下結(jié)構(gòu)，基坑埋深較深，而新東方大門為地面1層建筑，自身基礎(chǔ)條件差，因此，應(yīng)著重考慮到對(duì)門房的安全影響，區(qū)間結(jié)構(gòu)與建構(gòu)筑物凈距約2.14 m；甘肅外運(yùn)公司綜合樓為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，自身基礎(chǔ)較好，區(qū)間結(jié)構(gòu)與該建構(gòu)筑物凈距約1.75 m；同時(shí)該處為明挖法施工，對(duì)排洪南路道路實(shí)行“借幾還幾”的交通疏解方案，因此考慮距北側(cè)臨街商鋪的距離滿足兩車道交通疏解方案。受以上因素制約，出入線小半徑段落的施工條件緊張，難度大，需要在施工過(guò)程中重點(diǎn)監(jiān)控，確保安全。

3.3 軌道影響

在曲線中小半徑曲線是軌道最薄弱的，也是病害集中地，軌道狀態(tài)不易控制，養(yǎng)護(hù)維修工作量較大。同時(shí)，由于小半徑曲線對(duì)速度限制較大，、車輪及鋼軌磨耗較大，容易產(chǎn)生安全隱患，以及列車行駛時(shí)乘客舒適度明顯降低[1]。小半徑曲線對(duì)軌道影響主要有以下幾個(gè)方面：

1）鋼軌側(cè)磨。側(cè)面磨耗削弱了鋼軌強(qiáng)度，加劇鋼軌損傷，縮短鋼軌使用壽命。

2）鋼軌波磨。鋼軌波磨一般出現(xiàn)在曲線地段，是指鋼軌使用后鋼軌頂面出現(xiàn)的波形不均勻磨耗。在地鐵等高速行車和小半徑曲線地段，一般為鋼軌短波磨耗，且半徑越小，出現(xiàn)和發(fā)生的速度越快。波磨對(duì)列車運(yùn)行安全構(gòu)成了一定危害，增加了后期維修工作量和難度[2]。

3）運(yùn)營(yíng)費(fèi)用增加。輪軌間的摩擦造成了對(duì)鋼軌的磨耗。曲線半徑越小，對(duì)鋼軌的磨耗越嚴(yán)重，運(yùn)營(yíng)費(fèi)用越高，同時(shí)縮短了鋼軌更換的周期。有資料顯示，當(dāng)曲線半徑R=400 m軌使用壽命基本為直線地段鋼軌壽命的1/2，當(dāng)R≤350 m時(shí)，鋼軌使用壽命明顯縮短，基本為直線地段鋼軌壽命的1/3～1/4。

4）環(huán)境影響較大。地鐵列車在通過(guò)小半徑曲線時(shí)，由于輪緣與軌頭側(cè)面接觸處的半徑大于車輪踏面的半徑，因此，在車輪繞瞬間轉(zhuǎn)動(dòng)中心轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，輪緣與軌頭側(cè)面的磨耗會(huì)產(chǎn)生尖嘯的噪聲和振動(dòng)，進(jìn)而直接對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生影響，從而影響環(huán)境評(píng)估，甚至在運(yùn)營(yíng)期引起周邊市民投訴。

4 小半徑曲線設(shè)置原則

小半徑曲線的設(shè)置在工程實(shí)施階段及后期運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)階段都會(huì)產(chǎn)生一定影響，因此一般情況下應(yīng)盡量避免使用。但在城市地鐵修建過(guò)程中，小半徑曲線因其靈活性，可以解決與城市路網(wǎng)、城市規(guī)劃以及周邊建構(gòu)筑關(guān)系等問(wèn)題，對(duì)此應(yīng)結(jié)合現(xiàn)狀與規(guī)劃、線站位方案以及確保施工安全等幾個(gè)方面考慮，合理選擇設(shè)置小曲線半徑。

4.1 結(jié)合現(xiàn)狀與規(guī)劃

城市軌道交通不僅能夠解決城市中的交通擁堵問(wèn)題，還能提升沿線土地價(jià)值。對(duì)于規(guī)劃尚未完全實(shí)施的地段可適當(dāng)采取小半徑曲線，減少對(duì)沿線規(guī)劃地塊的切割，提高土地利用價(jià)值。對(duì)于城市建成區(qū)，應(yīng)考慮現(xiàn)狀沿線周邊建構(gòu)筑物，尤其是高層建構(gòu)筑物。為保證與高層建構(gòu)筑物的安全距離，降低施工風(fēng)險(xiǎn)，可適當(dāng)選取小半徑曲線。

4.2 結(jié)合線站位方案

通常來(lái)說(shuō)，小半徑曲線長(zhǎng)度較長(zhǎng)，對(duì)于城市軌道交通，站間距一般僅1 km左右，小半徑曲線過(guò)長(zhǎng)會(huì)影響整個(gè)區(qū)間運(yùn)行速度，車輛牽引及制動(dòng)頻率增加，不利于行車。因此，可以結(jié)合線站位方案，對(duì)于需要使用小半徑曲線的地段盡量靠近車站及區(qū)間端部，避免在區(qū)間中部使用。

4.3 運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)及維修

通常情況下，小半徑曲線地段是軌道病害集中地段，是運(yùn)營(yíng)階段維修和養(yǎng)護(hù)的重點(diǎn)內(nèi)容，軌道養(yǎng)護(hù)及維修能夠保證行車安全及軌道各部件處于良好狀態(tài)，延長(zhǎng)軌道各部件的使用壽命[3]。而對(duì)于小半徑曲線的軌道養(yǎng)護(hù)來(lái)說(shuō)，標(biāo)準(zhǔn)半徑的養(yǎng)護(hù)及維修工作更加有利。因此，在選取小半徑曲線時(shí)應(yīng)盡量避免使用非標(biāo)半徑，在有條件的情況下選擇標(biāo)準(zhǔn)半徑以提高后期運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)工作效率。

5 結(jié)語(yǔ)

在地鐵設(shè)計(jì)過(guò)程中，小半徑曲線對(duì)行車速度影響大，對(duì)施工技術(shù)水平要求較高，同時(shí)增加后期與運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)及維修成本，但不可否認(rèn)的是小半徑曲線因其靈活性能夠避免與城市道路兩側(cè)建構(gòu)筑的關(guān)系，減少施工風(fēng)險(xiǎn)，降低對(duì)既有建構(gòu)筑物的影響。因此，在前期線路平面設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)結(jié)合小半徑曲線特點(diǎn)，因地制宜，適當(dāng)選取合適的半徑，既滿足工程要求，又保證后期運(yùn)營(yíng)安全及養(yǎng)護(hù)維修條件。