城市轨道交通小半径曲线设计探讨

柴小艳

(中铁二院华东勘察设计有限责任公司,310004,杭州∥工程师)



城市轨道交通小半径曲线设计探讨

柴小艳

(中铁二院华东勘察设计有限责任公司,310004,杭州∥工程师)

城市轨道交通选线的限制性边界条件较多。在城市轨道交通线路选线中经常会遇到需精细化定线的情况。分析总结了小半径曲线精细化选线的影响因素。以杭州地铁2号线二期为例,介绍了在城市轨道交通实际选线中的小半径曲线精细化定线的设计思路，详细论述了精细化定线设计过程中的4个方案及各方案的优缺点，并进行了分析比选。最终，杭州地铁2号线二期工程选择了只拆除公建房的270 m半径曲线方案，实现了各方要求。

城市轨道交通; 小半径曲线; 设计影响因素

Author′s address CREEC East China Survey and Design Co.,Ltd.,310004,Hangzhou,China

线路设计作为城市轨道交通设计中的前期专业,也被称为整个工程设计中的“龙头”,把握着整个项目的总体布局。在线路设计中,由于各个阶段对相关基础资料的掌握程度不同,线路设计也随着设计阶段的推进而不断深入精细化。

在城市轨道交通选线中,车站位置的选择往往需要考虑到客流的需要。如车站设置于大型客流集散点,则区间就避免不了用曲线来实现线路方向的转变。线路曲线半径大小,对线路的工程可实施性、房屋拆迁、行车运营安全、运营维护费用、乘客舒适度等都有一定的影响。然而，由于受城市建设状况及工程地形条件等多因素的限制,选择小半径曲线常常不可避免。

为减少线路的频繁调整给其他专业的设计带来工作的反复,为后期施工提供良好的条件、节省工程投资以及避免给将来运营带来不利影响,线路在小半径曲线处需进行精细化定线,以尽早稳定线路方案。

1 小半径曲线对城市轨道交通设计影响

城市轨道交通正线设计中的小半径曲线的选定,是综合考虑工程可实施性、动拆迁量及拆迁费用、环境保护、工程和运营经济性、社会稳定性等多方面权衡的结果。

(1) 小半径曲线可以更好地适应地形、地物、地质等条件的限制。在城市轨道交通线路设计中,常常会遇到线路需穿越建筑物密集地块或有较深桩基础地块的情况,或者线路沿线有需要特殊保护的文物建筑、重要管线等。这些情况均在一定程度上影响线路选线的方案设计。选择合理的曲线半径可使线路选线在城市密集建筑群间走行游刃有余,还可绕避建构筑物较深桩的基础,能较好地适应不同的地形、地物和地质条件。

(2) 小半径曲线对拆迁量的影响。城市轨道交通线路选线设计中,线路一般沿城市道路敷设。在线路转向时,线路选线一般按照尽量减少对地块的切割的原则。小半径曲线可实现此原则,能减少对地块的切割,降低对地块房屋建筑的影响,从而减少拆迁量,降低拆迁费用。尤其对于建筑物密集、寸土寸金的城市中心区域,缩小曲线半径所减少的工程拆迁量和拆迁费用是非常可观的。如遇到高层建筑群,同一处曲线采用大、小半径所引起的拆迁工程费差异达到数千万元甚至上亿元[3]。

(3) 小半径曲线对运营费用的影响。轮轨间的摩擦造成了对钢轨的磨耗,曲线钢轨磨耗主要是小半径曲线钢轨的侧面磨耗和波浪型磨耗。曲线半径越小,对钢轨的磨耗就越严重,运营费用越高，同时地缩短了钢轨更换的周期。根据文献[4]，曲线半径对钢轨磨耗的影响分析中,磨耗功率是随着曲线半径的逐渐增大而减小,如图1所示。

图1 曲线半径对钢轨磨耗功率影响分析图

(4) 小半径曲线对环境的影响。在环境保护日益受到重视的当今,国家对建设项目的环境保护和管理日趋规范和严格。在可行性研究设计阶段，有环境影响评价制度指导设计,在由政府环境监督的前提下,引入了环境监控和环境监理。而地铁列车在通过小半径曲线时,由于轮缘与轨头侧面接触处的半径大于车轮踏面的半径,因此在车轮绕瞬间转动中心转动时,轮缘与轨头侧面的磨耗会产生尖啸的噪声和振动，进而直接对周边环境产生影响,从而影响环境评估。

(5) 小半径曲线对社会稳定的影响。近年来,随着城市轨道交通环境影响评价的规范化,对城市轨道交通对环境的影响日趋重视,国家发展和改革委员会为建立和规范重大固定资产投资项目社会稳定风险评估机制,制定了《国家发展改革委重大固定资产投资项目社会稳定风险评估暂行办法》，而城市轨道交通的建设属于重大固定资产投资项目范畴。因此,在项目可行性研究阶段需完成社会稳定风险评估。小半径曲线在穿越地块,尤其是住宅地块时,需对所穿越地块内所有居民进行入户调查,以排除不稳定风险因素,制定相应对策措施。

综上所述,选择合理的小半径曲线在线路选线中显得十分重要。因此,城市轨道交通线路设计中,在掌握充分的基础资料的前提下，应综合考虑各方面因素的影响,权衡利弊,尽量做到对曲线半径的合理选择,做到小曲线半径的精细化定线,以稳定线路方案,减少后续工作的反复。

2 小半径曲线精细化定线设计案例分析

本文以杭州地铁2号线二期为例,详细说明在小半径曲线下穿某高档住宅小区精细化定线的设计研究中,如何综合考虑各个影响因素,如何权衡利弊最终选择合理的小半径曲线的研究过程。

2.1 工程概况

因受工程实际情况及线路技术条件控制,杭州地铁2号线二期工程线路必须下穿某十字路口东北象限的某高档住宅小区。该小区建于1999年,小区内建筑均有桩基础,桩长25～35 m不等,沿街商铺多为2～3层的公建房。

通过现场踏勘及问询了解,该小区现多为别墅,有少量多层建筑,其容积率较低、所处地理位置较佳、房价较高,且居民有较高的文化素质和维权意识。

2.2 精细化定线思路

本案例的设计思路采用层层递进、逐级筛选论证,最终实现精细化定线的最优化方案。所采用的研究思路如图2所示。

2.3 精细化定线设计过程

通过选择不同的曲线半径下穿高档居住小区,并进行逐级比较筛选。方案比选如下。

2.3.1 方案一

方案一中，区间两端车站均为地下两层站,采用350 m的曲线半径穿过高档居住小区时，需拔桩拆迁。地铁区间下穿该高档居住小区地块的平面示意图见图3，纵断面示意图见图4。

方案一的优点为:①区间线路采用350 m的曲线半径,线路条件相对较好。②曲线半径为350 m,列车限速为70 km/h，对后期列车运营影响较小,且后期维护费用较低。缺点为线路下穿5幢别墅房、1幢6层住宅楼及沿街的公建房的桩基础,拆迁面积较大。根据以往城市地铁工程建设经验,由于私人住房拆迁难度大,尤其是高档住宅小区,建设工期进度难以保证。

2.3.2 方案二

方案二提出以“区间隧道下穿高档居住小区建筑物桩基,并确保与桩基底端有足够净距”为前提条件,用以解决对该高档居住小区建筑物大量拆迁的问题。方案二与方案一在平面上所穿小区位置相同。只是方案二将车站均设为地下3层车站，并适当加高层高,以使区间从桩基下方安全穿过(桩基底与隧道的最小净距为2.5 m)。纵断面设计如图5所示，地铁区间分别采用28.00‰及27.75‰的纵坡。

图2 小半径曲线精细化定线研究思路

图3 方案一地铁区间下穿地块平面示意图

图4 方案一区间穿地块纵断面示意图

图5 方案二地铁区间下穿地块纵断面示意图

方案二优点为:①区间隧道采用盾构工法下穿该高档居住小区房屋桩基,相应的房屋不需拆迁,区间施工工程难度小,协调量小,工期进度便于控制。②区间线路半径为350 m,线路条件较好。

方案二的缺点为:该区间虽然绕避了高档居住小区较深的桩基础,但受影响的房屋较多。尤其是地铁运营阶段，会有较多房屋的居民受到噪声及振动的影响，故社会稳定性风险较高。

2.3.3 方案三

为减少拆迁,绕避高档居住小区住宅楼,方案三线路采用300 m半径曲线来下穿小区的游泳池和网球场,并下穿沿街公建房桩基。此区间两端车站均为地下两层车站,且其上下行区间重叠。图6为方案三的平面示意图，图7为方案三的纵断面示意图。

图6 方案三平面示意图

方案三的优点为:①区间两端车站均为地下两层车站,车站投资相对较少。②线路在平面上避开了高档居住小区的住宅房屋,只下穿沿街的低层公建商铺,拆迁难度相对较小,工期进度相对可控。③区间线路可采用300 m的曲线半径,线路条件尚可。

方案三的缺点为:①由于线路曲线半径为300 m,并且该曲线基本位于区间中部,对行车不利。②区间线路上下行线重叠段长约600 m,工程施工难度较大,风险高,需采取相应的加固措施,从而导致区间工程造价相应提高。③区间通风竖井、联络通道设置难度较大。根据目前方案，通风竖井、联络通道和泵站可结合设置,并利用拆迁的公建房位置建造风井，但造价较高。

图7 方案三纵断面示意图

2.3.4 方案四

与方案一相同,方案四区间两端车站亦均为地下两层站。为减少拆迁,方案四线路采用278 m的曲线半径,可绕避高档住宅小区住宅楼,但地铁区间碰到沿街公建房桩基,须拆房拔桩。方案四的平面示意图见图8。

图8 方案四平面示意图

方案四的优点为:①线路在平面上绕避了高档住宅房屋,只下穿沿街的公建房,拆迁难度小,工期进度相对可控。②盾构区间不下穿高档住宅小区的居民楼,故地铁在运营期间对环境影响较小,社会稳定性风险较小。

方案四的缺点为:①区间线路采用278 m的曲线半径,列车限速为60 km/h。②曲线基本位于区间中部,对提高整个区间列车旅行速度不利。③对轨道磨耗较大,运营维护费用较高。

2.3.5 方案比选

经过多次反复论证,综合考虑车站及区间的工程量、线路条件、拆迁规模、工程风险、社会稳定风险、运营维护等因素,方案一房屋拆迁规模最大,拆迁难度大,拆迁费用高,工期可控性差,运营维护费用较低；方案二虽然没有房屋拆迁,但其对高档住宅小区的影响较大,存在很高的社会稳定性风险,增加了环评工作的难度,导致工期无法得到保证；方案三上下行区间重叠长度较长,增加了工程风险和工程造价,且区间通风竖井和联络通道的实施难度较大,无法满足消防部门提出的较高要求；相对而言，方案四则是在最困难条件下,实现了各方面的折中——房屋拆迁规模最小、投资最省、工程风险低、工期进度可控。因此，在经过专家咨询论证和各专业、各部门协调讨论后，确定方案四为最终推荐方案。

3 结语

城市轨道交通线路选线设计时,常常会遇到线路穿越建、构筑物密集地块的问题,或者类似案例中杭州地铁2号线二期线路所遇到的问题。设计人员应在综合考虑房屋拆迁、环境影响、投资成本、社会稳定风险等各方面因素的前提下对小半径曲线精细化设计,以尽早稳定线路方案。

[1] 中华人民共和国住房和城乡建设部.地铁设计规范：GB 50157—2013[S].北京：中国建筑工业出版社，2013.

[2] 中铁二院工程集团有限责任公司.杭州地铁2号线二期工程可行性研究报告[R].成都：中铁二院工程集团有限责任公司,2013.

[3] 顾保南,姜晓明,程曜彦,等.论城市轨道交通最小曲线半径标准的选择[J].同济大学学报(自然科学版),2003,31(4);428-431.

[4] 张雯.线路工程[M].成都:西南交通大学出版社,2005.

[5] 王洪刚,肖宏,彭华.地铁小半径曲线钢轨波磨影响因素分析[J].铁道标准设计,2013(8)：59-62.

[6] 戴春阳,胡华峰,高亮,等.地铁运营条件与线路参数对曲线钢轨磨耗的影响[J].都市快轨交通,2011,24(5)：6-10.

On Small Radius Curve Design for Urban Rail Transit CHAI Xiaoyan

The boundary condition for urban rail transit line selection is restricted.The alignment of urban rail transit line often encounters the situation of refinement design requirements. Based on the Phase II of Hangzhou metro Line 2 practice, the factors influencing the refinement design of rail transit small radius curve are analyzed and summarized, the design idea is introduced, 4 design schems are described in detail, including their advantages and disadvantages. Finally, the scheme of 270 m small radius curve is recommended, it only demands the demolishment of some public houses but will meet the requirements of all the parties related.

urban rail transit; small radius curve; influencing factors on design

U 212.33+2.1

10.16037/j.1007-869x.2016.09.012

2015-01-20)