城市轨道交通盾构隧道建筑限界优化设计

施培华

摘 要：城市轨道交通盾构隧道建筑限界设计直接影响盾构管片直径的大小，对实现盾构施工标准化至关重要。文章根据既有盾构隧道建筑限界设计经验，结合城市轨道交通应用技术的新发展和新要求，提出盾构隧道建筑限界优化计算方案，为盾构隧道限界设计与工程实施提供参考和借鉴。

关键词：城市轨道交通;盾构隧道;建筑限界;优化设计

中图分类号：U231+.12

1 背景

1993年，国内开通首条盾构法施工的地铁线路，基于当时的技术条件和功能需求，确定的盾构隧道建筑限界圆直径为5 200 mm，之后一直沿用该限界。从长期运营的经验来看，既有盾构隧道设计存在空间布置紧张、小半径曲线段疏散平台偏窄、弓网关系较差、结构后期加固空间紧张等不足之处。同时，随着城市轨道交通的迅猛发展，新技术和新要求不断涌现，这对盾构隧道建筑限界设计提出新的要求。因此，结合既有盾构隧道的设计经验及新技术、新要求，统筹考虑优化盾构隧道建筑限界设计方案，在确保工程建设及行车安全的前提下，兼顾运营使用和维护保养的空间需求，并有效控制建设工程量，是一项十分必要的工作。

本文结合盾构隧道建筑限界设计特点，从系统制式、道床型式、接触网高度、轨旁管线综合设计等方面布置优化盾构隧道建筑限界断面，并提出单圆建筑限界直径计算方式，优化限界圆和盾构内径的布置关系，为城市轨道交通网络化、标准化建设实施提供参考和借鉴。

2 限界断面布置存在问题及优化

2.1 疏散平台布置

近年来，随着对城市轨道交通安全疏散的不断重视，地下盾构隧道均要求设置侧向疏散平台。既有5200 mm直径的盾构隧道建筑限界圆设计在小半径曲线区段布置疏散平台的空间狭小，平台宽度偏窄。随着安全疏散要求的提高，采用A型车的延伸线路，小半径区段疏散平台宽度小于600 mm，无法满足规范标准要求，导致不能选用侧向疏散模式。

通过计算，疏散平台宜设置于轨面上方900 mm高度位置，可降低其与车厢地板面的高差，满足任何状态下疏散平台不高于车厢地板面的要求，从而便于乘客疏散。平台的最小宽度根据CJJ/T 96-2018 《地铁限界标准》规定为600 mm，计算得出300 m小曲线半径线路对应A型车的最小建筑限界直径为5 300 mm，B型车的最小建筑限界直径为5 200 mm。

2.2 道床与接触网布置

2.2.1 轨道道床

盾构隧道建筑限界高度尺寸与盾构段线路最大高度的道床型式相关联。随着绿色城市轨道交通的需求以及减振降噪技术的发展，隧道内道床型式越来越多样化。5 200 mm直径盾构隧道建筑限界对应一般道床结构高度为740 mm，已不能满足减振道床高度增加的要求，需相应扩大建筑限界。

目前，国内单线盾构隧道轨道结构高度一般为735～840 mm，在有减振降噪需求时，限界设计宜按减振道床最大高度840 mm取值。

2.2.2 接触网

受电弓的工作高度由地下隧道的接触网导线高度决定。而既有盾构隧道内的接触网导线设计高度为4040mm，受电弓工作高度偏低，弓网关系不利。根据运营线路的结构状态监测结果显示，盾构隧道发生收敛变形后接触网导线高度进一步降低，導致列车受电弓抬升高度不足，使弓网关系恶化，产生拉弧现象。

接触网导线高度需在受电弓运行稳定前提下降低滑板和接触线磨耗。国内城市轨道交通列车最高运行速度在120 km/h以下的普速线路，盾构隧道内接触网导线高度主要有4040mm、4100mm、4220mm 3种应用。其中4040mm导线高度使受电弓处于较低的工作高度，当隧道出现差异沉降引起导线高度进一步降低时，加剧弓网关系恶化，导致出现放电拉弧现象，进而引发弓网冲突。因此，在4040mm导线高度基础上根据受电弓工作高度和接触网安装使用情况，优化提高接触网导线高度至4100mm，有利于改善弓网关系。而4 220 mm的导线高度是针对As车型受电弓最低工作高度确定的。因此，选用一般A/B型车的普速线路宜按4 100 mm的接触网导线高度设计建筑限界。

同时，随着市郊延伸线和市域线的发展，线路速度等级的提升及AC25kV供电制式及双流供电制式列车的选用，接触网导线高度也随之提高。国内城市轨道交通列车最高运行速度在120 km/h及以上的快速线路，盾构隧道内采用的接触网导线高度选择较为统一：当采用DC1500V供电制式时为4 400 mm，当采用AC25kV供电制式时A/B型车为5 150 mm、D型车为5 300 mm。

综上，接触网导线高度可参考表1取值。

2.3 预留结构加固净空

长期运营使用后，盾构隧道会发生变形乃至开裂等情况，对运营稳定性及安全性均产生很大影响。但是，由于5200mm直径的建筑限界空间紧张，存在后期二次结构加固困难问题。因此，盾构隧道建筑限界设计时宜考虑预留二次结构加固空间。

目前，国内盾构隧道加固工艺主要有钢环、高强度纤维等方式，加固厚度一般为20～30 mm。因此，建筑限界设计时宜考虑预留30 mm的结构加固净空尺寸。

2.4 轨旁设备管线综合布置

既有盾构隧道内设备布置过于紧凑，设备维护空间狭窄困难。同时随着新技术的应用，轨旁设施设备日趋增多，设备管线布置越来越拥挤，致使前期施工敷设困难，后期运营检修不便。因此，优化建筑限界设计应结合各系统的新要求，合理综合布置区间轨旁设备管线。

（1）强电设备管线布置。强电设备管线一般布置于行车方向左侧。目前，强电设备管线随着安全电压及网络化资源共享的要求，管线数量和预留空间均有所提升。其中，应急照明和疏散指示系统采用DC36V的安全电压设计，区间电力电缆敷设数量大幅增加，电缆支架层数需求也相应增多。另外，从电力调度方面考虑线网供电资源共享，增加预留环网电缆支架，又进一步增多电力电缆支架的层数。因此，盾构隧道建筑限界的高度应满足区间管线综合布置电力电缆支架的空间需求，疏散平台上方不宜小于3层，用于控制电缆、动照电缆的敷设;疏散平台下方不宜小于2层，用于环网电缆敷设与预留。

（2）弱电设备管线布置。弱电设备管线一般布置于行车方向右侧。随着民用5G的应用和推广布设，漏缆的安装数量亦随之增多。在弱电管线综合布设时，应考虑弱电漏缆之间抗干扰间距的要求。其中民用漏缆宜布置在车窗高度范围内，即轨面以上2 000～3 000 mm高度范围;通号漏缆宜结合车辆天线位置设置，一般布置在车肩位置附近。

（3）专用回流轨布置。专用回流轨技术用以解决城市轨道交通杂散电流引起的危害和隐患，2020年以来逐步在国内应用和发展，其可分为接触网受电-专用回流轨回流和接触轨受电-专用回流轨回流2种模式。采用专用回流轨的线路，盾构隧道建筑限界设计应结合回流轨增加车辆下部三轨的设备限界布置。

综上，结合各专业系统的新要求，行车方向左侧的设备管线布置总高度宜控制在4 250 mm左右，行车方向右侧的设备管线布置总高度宜控制在4 200 mm左右。盾构隧道建筑限界应满足实际工程区间设备管线综合布置要求。

2.5 阻塞比

隨着线路速度等级的提高，盾构隧道建筑限界设计需结合乘客舒适性需求，采用适当的车-隧阻塞比。车速不同，阻塞比要求不同;车辆密封性的不同，对阻塞比的要求也有所不同，具体如表2所示。

具体设计中，由阻塞比确定的最小内径与最小建筑限界圆二者中大者决定盾构管片内径尺寸。当阻塞比确定的最小内径为控制值时，会出现比实际所需建筑限界更大的管片内径，可以优化道床、轨旁设施设备的布局和建筑限界设计，以便更好地利用盾构隧道空间。

3 盾构隧道建筑限界优化设计

3.1 盾构隧道建筑限界计算方法

3.1.1 盾构隧道建筑限界计算公式

5 200 mm直径的圆形隧道建筑限界根据车体设备限界与建筑限界之间留出200 mm净距及受电弓带电间隙的要求推算得出，缺少考虑轨旁设备布置需求及详细计算公式，已不能满足城市轨道交通新技术发展的限界设计要求。因此，结合多个项目盾构隧道建筑限界设计分析后得出，曲线段设备限界与盾构隧道设备管线布置断面之间的关系决定了盾构隧道的建筑限界尺寸，提出以限界控制点为基准的盾构隧道建筑限界计算公式。具体公式如下：

式（1）中，R为盾构建筑限界圆半径;X为建筑限界圆心横向坐标;Y为建筑限界圆心纵向坐标;A1～3为控制点横向坐标;B1～3为控制点纵向坐标。

3.1.2 限界控制点的选择

结合盾构隧道断面布置情况，限界控制点及坐标宜按以下原则进行选取确定。

（1）当线路采用接触网受电模式时，选取道床下方最低点、接触网上方最高点及强电侧车肩设备限界最宽点为控制点。

（2）当线路采用接触轨受电模式时，选取道床下方最低点、受电靴设备限界最宽点及强电侧车肩处设备限界最宽点为控制点。

（3）道床下方最低点的控制点纵坐标值为轨道结构高度最大值。

（4）接触网上方最高点宜包含结构加固净空。

（5）车肩或受电靴位置对应控制点的横向坐标值应统筹考虑曲线设备限界最宽点横向坐标值、安全间隙50mm及设备支架宽度确定;纵向坐标为车肩或受电靴附近的设备距轨面高度值。其中，曲线设备限界坐标值不含超高旋转。

3.1.3 盾构隧道建筑限界算例

以采用普速A2型车、最小平面曲线半径为300 m的减振道床盾构段线路为例，计算盾构隧道建筑限界。道床下方最低点的控制点坐标值按减振道床高度取值为（0，-840）;接触网上方最高点的控制点坐标值按接触网导线高度加上触网悬挂系统高度及结构预留加固净空取值为（0，4630）;车肩位置控制点的横向坐标值根据曲线设备限界最宽点横向坐标值1 778 mm加上安全间隙50mm及设备支架宽度350 mm为2 178 mm，纵向坐标值为车肩附近的第二层支架高度3 460 mm，得出坐标值为（-2178，3460）。将此3个坐标点代入公式（1），计算得出建筑限界直径为5 472 mm，隧道建筑限界布置如图1所示。

3.2 优化建筑限界圆在盾构内的布置方式

5 500 mm内径的盾构隧道建筑限界圆和盾构隧道圆基本按同心圆方式布置。但是，随着线路速度等级的提高和AC25kV供电制式或双流供电制式的选用，盾构隧道断面将进一步扩大，出现直径远比建筑限界圆更大的隧道圆时，同心圆的布置方式存在以下不足：①在建筑限界直径不变的情况下，采用同心圆布置方式将会引起轨道结构高度的增加，从而增加工程投资;②将建筑限界直径扩大以适合同心圆布置，则引起预置误差余量的减少，从而增加了调线调坡工作量。因此，建筑限界圆与盾构圆宜采用偏置的布置方式，即建筑限界圆靠下与隧道圆偏置，限界圆底部至盾构内壁预留150mm施工误差及沉降变形余量。

3.3 大尺寸盾构隧道偏移量优化

盾构隧道建筑限界在曲线超高地段，采用隧道中心向线路基准线内侧偏移的方法解决轨道超高造成的内外侧不均匀位移量，偏移值是隧道建筑限界中心点根据轨道超高进行旋转后的位移量。但是，设备管线安装高度是基于使用需求固定布置，设备高度值不随着超高旋转改变，使得各对应设备高度位置的设备限界位移量差别较大，盾构偏移很难均衡超高旋转引起的限界加宽。同时，基于快速线路盾构隧道内径增大的情况，从盾构设计、施工及测量简易性角度考虑，宜核算后扩大建筑限界，优化取消盾构偏移设置。

以采用普速A2型车、最小平面曲线半径为300 m的减振道床盾构段线路为例，核算盾构隧道建筑限界。此时的控制点应考虑超高旋转的影响，选取道床最低点、曲线内侧车肩设备限界最宽点、曲线外侧车体设备限界最宽点。车肩与车体控制点的横向坐标值在计算曲线设备限界时须考虑超高旋转引起的横向位移量。据此得到坐标值分别为（0，-840）、（-2429，3460）、（2153，150）。将3个控制点坐标代入公式（1），计算得出盾构隧道建筑限界直径为5672mm（图 2～图3）。结合盾构误差余量300mm，即盾构内径不小于5972mm时可取消盾构偏移设置。

4 结论

随着城市轨道交通的快速发展，盾构隧道建筑限界设计应汲取既有隧道建筑限界设计的经验，并兼顾考虑相关专业应用技术发展带来的新要求，优化扩大盾构隧道建筑限界圆直径，充分兼顾后期运营和维护，推进城市轨道交通网络化、标准化设计与建设。研究成果及结论主要如下：

（1）结合城市轨道交通应用技术的发展分析盾构隧道建筑限界断面布置要求，并提出盾构隧道建筑限界圓直径计算方法;

（2）针对大尺寸内径盾构，提出建筑限界圆在盾构隧道内偏置布置方式，优化减少轨道工程量及调线调坡工作量;

（3）在盾构管片内径远大于最小建筑限界时，可通过计算适当扩大建筑限界，优化取消盾构偏移设置，达到简化设计与施工的目的。

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收稿日期 2020-05-20

责任编辑 胡姬