哈尔滨市利用既有人防隧道建设轨道交通的适用

摘　要　在分析哈尔滨市既有人防隧道工程特点的基础上,提出了既有隧道改建为城市轨道交通线路时线路贯通性和限界适应性研究的关键技术,并重点阐述了研究的技术路线、技术要点、评价指标体系以及线路设计与限界分析自动化等内容。既有人防隧道经过一定的技术改造可以满足哈尔滨市轨道交通线路的设计要求。

关键词　哈尔滨,既有人防隧道,城市轨道交通,线路设计,限界

1 研究背景
本着盘活闲置国有资产、节约建设成本的原则,哈尔滨市决定利用既有“7381人防隧道工程”建设轨道交通一期工程[1]。其走向与既有的“7381人防隧道工程”基本一致。尽管既有的人防隧道工程已建成30余年,但理论分析和现场测试研究表明,其结构的稳定性、安全性及建筑尺寸等均符合轨道交通工程对安全性要求[2]。但在利用该隧道时,线路贯通性和限界适应性尚需进行细致的研究与分析,以便全面解决该隧道利用的可行性及其应用策略。
既有人防隧道利用时其线路贯通性和限界适应性研究的主要工作是:在既有人防隧道测量资料及补充测量资料的基础上,分析该隧道改用作轨道交通线路后,在不同车型和供电方式等条件下,线路及限界利用的技术可行性;通过综合比较与分析,推荐改建工程量较小的车辆型式、供电方式以及线路的平纵断面设计方案,并据此对隧道提出初步的整改建议与措施。综合分析可知,线路贯通性与限界适应性分析问题的实质就是:在满足地铁设计规范的前提下,充分利用既有人防隧道工程,并以此为基础确定理想的线路位置,以期最大程度地减小既有隧道的改建工程量。为此,研究中需重点解决以下问题[3]:①技术路线;②技术要点;③线路和限界分析评价指标;④线路设计标准的选择;⑤限界标准的选择;⑥线位优化的理论方法;⑦测量数据的整理与分析;⑧线路设计与限界分析自动化等。
本文仅对研究的技术路线、技术要点、评价指标体系以及线路设计与限界分析自动化等方面的要点加以介绍。
2 技术路线
本工程的线路设计优化过程中,吸收了铁路既有线改建中横断面定线的思想:以各实测断面为设计横断面和计算横断面,找出该断面上满足限界条件的双线中心线可移动范围及平、纵断面上的控制点;然后综合考虑控制点位置及各设计横断面的计算信息进行平纵断面优化设计。基于此,并综合分析各方因素,整个研究的技术路线如图1所示。

3 技术要点
根据技术路线及研究内容的要求,线路与限界适用性研究的技术要点归纳如下。
1)确定计算断面基点位置
以实测断面为计算断面,确定其基点位置:
(1)横向坐标(ｘ值)选择测量原点的ｘ值;
(2)竖向坐标(ｚ值)通过拱脚坐标确定。
通常,实测断面有两个拱脚点,则以两个拱脚点连线的中点坐标作为基点坐标;如果实测断面只有一个拱脚点,则基点的竖向坐标等于该拱脚的竖向坐标。
2)比较隧道横断面及车辆设备限界
以基点为双线中心,加载所研究车型的车辆设备限界。根据线路设计标准中确定的线间距和曲线半径计算左右侧限界开凿量(分左右侧,正值为富余量,负值为不足量)。
3)标注平面线路允许移动范围
对左右侧开凿量之和大于零的断面,在平面上标注允许变动范围及最合适平面线位(一类平面中线符号,取允许变动范围的中点作为最合适平面线位)。依次连接各里程的左右两侧的允许移动范围的边界点,构成线路平面中心线位的可移动范围。
4) 计算新基点坐标
(1)对左右侧开凿量之和小于零的断面,求新基点坐标。新基点竖向坐标比基点竖向坐标下降150ｍｍ(即,隧道仰拱理论底面中心至设计轨面高由理论值1200ｍｍ降低到1050ｍｍ),新基点水平坐标不变。以新基点为双线中心加载上述车型的车辆限界,重新计算左右侧开凿量。
(2)如果以新基点计算的左右侧开凿量之和小于零,新基点为平面及纵断面的双重控制点;如果以新基点计算的左右侧开凿量之和大于零,则在平面上标注允许变动范围及最合适平面线位(二类平面线位),在纵断面上标注普通控制点符号(仅在高程方面受控制)。
5) 标注纵断面线允许移动范围
计算每个里程点设备限界在横断面上的竖向最大移动范围,即高程约束信息。最大高程约束值按该里程点左右侧开凿量之和为零或逼近零时所对应的高程;最小高程约束值按该里程点隧道仰拱理论底面中心至设计轨面高为1050ｍｍ时所对应的高程。根据线路纵断面的设计情况,可以适当降低最小高程约束值。依次连接各里程的最大、最小高程点,构成线路纵断面的可移动范围。
6) 计算控制点位置
对每个计算断面,计算出新基点坐标、左侧开凿量、右侧开凿量、理论拱脚垂向差、平面移动范围、纵断面移动范围等,形成以里程排序的计算断面的全信息表。

7) 输出定线辅助信息
根据平、纵断面控制点,以及全信息表,定平面及纵断面。
8) 线路平、纵断面的理论计算
以平面、纵断面控制点等为约束条件,以改建量平方和最小为目标函数,通过优化方法定出满足约束条件的线路平面和纵断面。
9)限界计算与分析
根据优化后的线路平、纵断面,精确计算各计算断面的限界开凿量,以及轨道结构高度等特征值。如果限界开凿量为正值,则表示线路有调整的余地;如果限界开凿量为负值,则表示限界不足,没有调整余地,需要改建。负值的绝对值越大,改建量越大。
10) 线路平、纵断面设计方案的改善与限界分析
根据现行《地铁设计规范》和本线设计标准,对理论优化线位的平面和纵断面进行人工调整,以最大程度地满足规范的设计要求,最后根据调整后的方案重新计算限界评价指标,最后对线路的贯通性和限界的适应性作出评估。
4 评价指标
要正确评价既有人防隧道工程改为用城市轨道交通线路后线路贯通性和限界分析的可行性,必须建立一套科学的评价技术指标体系。
根据《地铁设计规范》及相关规定,结合既有隧道改建的实际情况,分别从线路设计和限界分析两个方面,建立了相应的评价指标体系。线路设计评价指标主要包括最小曲线半径、最小夹直线长度、缓和曲线长度、线间距、设计坡度、竖曲线半径、最小轨道结构高度等;限界分析评价指标包括左右侧顶部最小净距、左右线接触网导线底至隧道顶部的垂距、既有隧道设计仰拱理论底面中心至设计轨面高、既有隧道横断面测量原点至设计轨面高等。上述各项指标值原则上均按《地铁设计规范》来确定,但考虑到既有人防隧道工程的再利用特点,特殊情况下个别标准可以适当放宽[3]。限界分析的主要指标含义及既有隧道横断面与设备限界关系如图2所示。

5 线路设计与限界分析自动化
在最佳线路位置的设计过程中,针对既有隧道改建工程的特点,引入了优化设计理论,并建立了以线路平面和纵断面设计控制点为约束条件、改建量平方和最小为目标函数的数学模型,采用拉格朗日乘子法来求解此类非线性规划问题。
同时,考虑到计算方案组合多且横断面数量多的实际情况,采用手工计算对比的方法无法高效地完成各种可能方案的分析工作,因此,结合最新的计算机编程方法和数据管理技术,实现了测量数据处理与分析的自动化。
根据需要和应用习惯,以ａｕｔｏｃａｄ2000为平台,ａｃｃｅｓｓ为数据管理工具,利用ｖｉｓｕａｌｃ++和ｏｂｊｅｃｔａｒｘ2000编程语言,采用面向对象的编程思想,编制了一系列辅助设计工具。如:既有隧道横断面绘制工具,设备限界与既有隧道横断面关系计算工具,设备限界与既有隧道横断面关系图绘制工具,设计曲线自动计算与配置工具等。
实践证明,该手段确保了在设计过程中尽可能不遗漏所有可能的设计方案,并通过快速、自动化的数据处理手段,实现多方案高效的对比分析,从而获得优化的设计方案。例如,研究过程中曾对比分析近八种限界组合情况,综合各方意见,最终确定对其中的四种组合情况作深入的研究与分析[3]。
6 结语
通过对既有人防隧道工程最新实测数据的计算与分析,可以得出如下结论:
(1) 既有人防隧道通过一定的技术改造是可以满足哈尔滨市轨道交通线路设计要求的。
(2) 既有人防隧道在采取降低轨道结构高度和曲线限速等措施和局部改造后,可以满足2.8ｍ宽ｂ型车运行的限界要求。采用2.6ｍ宽ｂ型车时,线路直线段可以适应接触网和接触轨两种供电方式,改建量均很小,曲线地段适当限速和降低超高,可满足限界要求。
哈尔滨市城市轨道交通规划与设计的实践表明,解决普遍偏高的建设成本可以从多角度、多途径入手,达到促进轨道交通良性、快速发展的目的。结合城市既有工程结构物的特点,在充分分析其在城市轨道交通建设中的可用程度和应用条件,并科学、合理地加以利用,也是一种降低工程造价、且见效快的方法之一。

参考文献
1 上海市隧道工程轨道交通设计研究院.哈尔滨市轨道交通一期工程可行性研究报告(初稿).2004
2 中国地震局工程力学研究所.哈尔滨市轨道交通一期工程人防隧道利用段结构安全性检测与评价研究报告.2004
3 上海市隧道工程轨道交通设计研究院,同济大学.哈尔滨市轨道交通一期工程人防隧道线路及限界适用性研究报告(送审稿).2004