市域(郊)铁路盾构隧道断面优化设计建议

潘正义,卫佳莺,郭 娜,喻 涛,许俊超,吴秉其

(1.中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063；2.无锡地铁建设有限责任公司,江苏无锡 214024；3.武汉新业人力资源服务有限公司,武汉 430063)

1 市域(郊)铁路发展现状

随着国家一系列政策的出台，市域(郊)铁路逐渐成为行业关注的焦点和热点，各地区和团体也发布了标准规范，如表1所示。

表1 市域(郊)铁路部分相关技术标准

从目前各城市市域(郊)铁路的规划实践情况看，应用于指导设计的规范存在明显滞后，往往是研究探讨较多，真正普适性的规范较少。市域(郊)铁路设计标准存在认识模糊、不统一的情况，这对市域(郊)铁路功能合理性及工程投资极为不利[1-7]。

其中，考虑到市域(郊)铁路的特点，盾构断面普遍较大，对于工程投资大幅度提升，统计了部分市域(郊)铁路盾构直径信息，如表2所示。由表2可知，目前市域线盾构外径尺寸较多，统一性较差。以8.8 m与8.5 m为例，每延米单洞造价差异约2万元，整条线路增加的投资非常可观，所以应充分研究盾构隧道断面，开展优化设计。

表2 部分市域(郊)铁路盾构直径信息统计

盾构隧道内轮廓设计既要经济合理，同时还要考虑设备的可持续利用及功能需求。本次重点从影响盾构隧道内轮廓的轨道结构、互联互通两方面进行论述。

2 轨道结构设计建议

根据TB10624—2020《市域(郊)铁路设计规范》中9.1.2规定，高架线、隧道及U形结构地段宜采用无砟轨道。活动断层、严重地面沉降、深厚软土等变形不易控制的路基地段宜采用有砟轨道。结合已有市域线的做法，正线、配线采用双块式无砟轨道整体道床；出入线地下段、敞开段采用双块式无砟轨道整体道床；对于减振段，部分市域线采用预制板整体道床。本次主要从轨道做法、超高形式两方面开展讨论。

2.1 轨道高度及排水沟设计

以锡宜城际铁路为例，高等减振地段采用双块式轨枕减振垫浮置板整体道床(现浇道床)，轨道结构高度为1 100 mm(整体道床800 mm+仰拱回填300 mm)，如图1所示。

图1 现浇道床断面U形排水沟(单位：mm)

根据通线[2011]2351-Ⅳ《高速铁路CRTSⅠ型双块式无砟轨道 隧道地段》，为保证双块式轨枕钢桁架外侧钢筋保护层厚度要求，双块式无砟轨道道床宽度需为2.8 m，水沟内壁距线路中心1.5 m(水沟内壁宽度为100 mm)。为防止减振垫内积水引起道床病害及减振效果降低，线路水沟顶需低于减振垫层[8-9]。

部分市域线高等减振地段采用预制板减振垫浮置板道床，受运输吊装、铺设调平难度等因素控制，水沟内壁距线路中心1.35 m，为L形排水沟。以北京大兴机场线为例，轨道结构高度为1 000 mm(较锡宜城际降低100 mm)，如图2所示。

图2 现浇道床断面L形排水沟(单位：mm)

采用L形水沟，施工方便，可降低水沟深度。但道床废水会随着道床与盾构管片边缘密封材料的老化，由离缝进入道床与盾构管片之间，在列车高速通过动荷载作用下引起道床脱空甚至剥离，威胁行车安全。

考虑到排水沟渗漏对道床造成的腐蚀等影响，轨道下排水沟均建议采用更加安全的U形排水沟。

2.2 超高形式的选择

超高设置一般采用均衡超高法，即设置超高后使曲线产生的离心加速度与列车由此产生的向心加速度刚好相平衡，超高道床断面如图3所示。

图3 超高道床断面(单位：mm)

根据GB50157—2013《地铁设计规范》要求：“隧道内及U形结构的无砟道床地段曲线超高，宜采用外轨抬高超高值的1/2、内轨降低超高值的1/2设置；高架线、地面线的轨道曲线超高，宜采取外轨抬高超高值设置”。市域、城际、高铁等轨道均按外轨抬高全超高值的方法设置，不同规范对超高要求如表3所示。

表3 规范中全超高与半超高比较

全超高和半超高作为超高的两种设置方式，主要根据建筑限界、轨道类型等因素确定，可根据线路实际情况选择合适的超高设置方式，全超高与半超高技术优缺点比较如表4所示。

表4 全超高与半超高技术优缺点比较

根据目前相关设计规范及已开通线路，全超高和半超高均能保证行车平稳和安全。半超高在隧道内可不增加隧道净空，节省结构投资，还能减小超高顺坡段的坡度。因此，在地下线隧道内径紧凑的情况下建议考虑采用外轨抬高超高值一半，内轨降低超高值一半的方法设置超高(半超高方式)。在盾构隧道空间较大的地下线，采用全超高有利于保证曲线内侧的结构厚度，且利于排水，推荐在隧道内径较大的地下线采用全超高设置方式。

3 国铁上线优化建议

市域(郊)铁路立足于既有铁路系统服务的延伸，既要考虑国铁上线与铁路标准的匹配性，又要考虑乘客服务、运营组织相关的技术标准与城市轨道交通标准的一致性，设计期间需考虑国铁上线条件下标准的统一性。以锡宜城际铁路为例，讨论不同条件下隧道建筑限界的需求。

锡宜城际铁路采用160 km/h市域C型车，全线预留通苏嘉甬高速铁路动车组上线运行条件。考虑预留国铁上线条件，疏散平台面宽度应符合《城际铁路设计规范》的相关规定，采用1 000 mm。单线盾构采用现浇电缆槽盖板作为疏散平台，疏散平台面距离轨道面的距离为250 mm，疏散平台面宽度1 000 mm[10-16]。

主要从以下两个方面开展论述。

(1)按照满足160 km/h车辆实际运行限界要求考虑，满足160 km/h的动车组运行条件，建筑限界设计应符合《城际铁路设计规范》相关规定。

(2)按照满足160 km/h车辆实际运行限界要求考虑，满足200 km/h的动车组运行条件，建筑限界设计应符合《城际铁路设计规范》相关规定。

3.1 160 km/h市域运行条件

3.1.1 采用柔性接触网

单洞单线建筑限界受轨道和柔性接触网控制，轨面以下高度为1 100 mm，轨面以上高度为6 550 mm，故建筑限界直径取值为7 650 mm，如图4所示。

图4 柔性接触网直线段建筑限界(单位：mm)

在超高为150 mm工况下，线路中心线相对隧道中心线偏移270 mm，排水沟尺寸为200 mm×150 mm，排水沟结构紧贴建筑限界边缘(距离建筑限界边缘约271 mm)，7 650 mm高的建筑限界仍可满足轨道布置要求，如图5所示。

图5 柔性接触网曲线段建筑限界(取全150 mm超高)(单位：mm)

柔性接触网条件下，根据《市域(郊)铁路设计规范条文说明》12.1.3要求，设计行车速度为160 km/h的市域C型车，单线隧道轨面以上最小净空面积为39 m2。建筑限界直径取值为7 650 mm时，轨面以上净空面积约为42.1 m2，可满足规范要求。

3.1.2 采用刚性接触网

单洞单线建筑限界受轨道和最小净空面积控制，轨面以下高度为1 100 mm，轨面以上高度为6 300 mm，故建筑限界直径取值为7 400 mm，如图6所示。

图6 刚性接触网直线段建筑限界(单位：mm)

在超高为150 mm工况下，线路中心线相对隧道中心线偏移255 mm，排水沟尺寸为200 mm×150 mm，排水沟结构紧贴建筑限界边缘(距离建筑限界边缘约240 mm)，7 400 mm高的建筑限界仍可满足轨道布置要求，如图7所示。

图7 刚性接触网曲线段建筑限界(取全150 mm超高)(单位：mm)

刚性接触网条件下，根据前述《市域(郊)铁路设计规范条文说明》12.1.3要求，建筑限界直径取值为7 400 mm时，轨面以上净空面积约为39.1 m2，大于最小净空面积39 m2，可满足规范要求。

3.2 预留200 km/h速度运行条件

如预留200 km/h速度的动车组运行条件，由于市域定位最大速度目标值为160 km/h，所以建筑限界应符合《城际铁路设计规范》的相关规定。

单洞单线隧道建筑限界受轨道和最小净空面积控制，轨面以下高度为1 100 mm，轨面以上高度为7 050 mm，不受刚性、柔性接触网安装高度影响，建筑限界直径均取值为8 200 mm。当建筑限界直径取值为8 200 mm时，轨面以上净空面积约为48.1 m2，可满足设计行车速度为200 km/h时，单线隧道轨面以上最小净空面积为48 m2要求，如图8所示。

图8 预留200 km/h速度直线段建筑限界(单位：mm)

在超高为150 mm工况下，线路中心线相对隧道中心线偏移295 mm，排水沟尺寸为200 mm×150 mm，排水沟结构距建筑限界边缘约320 mm，8 200 mm高的建筑限界满足轨道布置要求，如图9所示。

图9 预留200 km/h速度曲线段建筑限界(取全150 mm超高)(单位：mm)

根据上述描述，对国铁上线不同条件下的建筑限界进行梳理，如表5所示。

表5 国铁上线条件下建筑限界梳理

160 km/h速度下接触网的选择对于建筑限界影响较大，相应对投资也会造成较大影响。刚性接触网及柔性接触网在市域线(速度160 km/h)内应用均较多，其中，北京新机场线、北京地铁22号线、广州地铁18号线及广州地铁22号线地下段接触网制式均采用刚性接触网，上海机场联络线地下段接触网制式采用柔性接触网。对两种制式接触网的优缺点进一步论述，如表6所示[17-21]。

表6 刚性接触网与柔性接触网优缺点对比

从使用功能上考虑，柔性接触网及刚性接触网均能满足市域线运行及国铁上线的供电要求。由于市域线经常存在国铁上线的情况，设计单位习惯上采用柔性接触网，从而间接导致了车站及盾构的投资增加。根据上述分析，建议市域线地下部分均采用刚性接触网。

4 结论

结合国内市域(郊)铁路盾构设计相关案例，通过对轨道设计优化及不同国铁上线条件两方面展开讨论，得出以下主要结论。

(1)盾构断面应充分考虑不同设计条件下超高、排水等因素，轨道下排水沟均建议采用更加安全的U形排水沟。地下线隧道内径紧凑的情况下建议考虑采用外轨抬高超高值一半、内轨降低超高值一半的方法设置半超高，在盾构隧道内径较大的地下线采用全超高设置方式。

(2)论述了国铁上线条件不同时速的盾构断面建筑限界考虑因素，并给出了合理的参考值。同时进一步比选了接触网应用案例及优缺点，建议无特殊要求下均采用刚性接触网。设计期间应充分考虑互联互通条件，避免盾构断面过大或过小造成工程浪费和使用风险。

市域(郊)铁路针对性规范较少，可参考规范及既有案例做法未能完全统一，盾构断面设计考虑的因素较为复杂，且经常存在与铁路标准匹配的情况。通过对轨道高度、国铁上线条件下盾构隧道建筑限界进行分析，提出相关建议以指导类似工程设计。