哈爾濱市利用既有人防隧道建設(shè)軌道交通的適用性研究

1、哈爾濱市利用既有人防隧道建立軌道交通的適用性研究摘要在分析哈爾濱市既有人防隧道工程特點(diǎn)的根底上,提出了既有隧道改建為城市軌道交通線路時(shí)線路貫穿性和限界適應(yīng)性研究的關(guān)鍵技術(shù),并重點(diǎn)闡述了研究的技術(shù)道路、技術(shù)要點(diǎn)、評(píng)價(jià)指標(biāo)體系以及線路設(shè)計(jì)與限界分析自動(dòng)化等內(nèi)容。既有人防隧道經(jīng)過一定的技術(shù)改造可以滿足哈爾濱市軌道交通線路的設(shè)計(jì)要求。關(guān)鍵詞哈爾濱,既有人防隧道,城市軌道交通,線路設(shè)計(jì),限界1研究背景本著盤活閑置國(guó)有資產(chǎn)、節(jié)約建立本錢的原那么,哈爾濱市決定利用既有“7381人防隧道工程建立軌道交通一期工程1。其走向與既有的“7381人防隧道工程根本一致。盡管既有的人防隧道工程已建成30余年,但理論分析和

2、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試研究說明,其構(gòu)造的穩(wěn)定性、平安性及建筑尺寸等均符合軌道交通工程對(duì)平安性要求2。但在利用該隧道時(shí),線路貫穿性和限界適應(yīng)性尚需進(jìn)展細(xì)致的研究與分析,以便全面解決該隧道利用的可行性及其應(yīng)用策略。既有人防隧道利用時(shí)其線路貫穿性和限界適應(yīng)性研究的主要工作是:在既有人防隧道測(cè)量資料及補(bǔ)充測(cè)量資料的根底上,分析該隧道改用作軌道交通線路后,在不同車型和供電方式等條件下,線路及限界利用的技術(shù)可行性;通過綜合比較與分析,推薦改建工程量較小的車輛型式、供電方式以及線路的平縱斷面設(shè)計(jì)方案,并據(jù)此對(duì)隧道提出初步的整改建議與措施。綜合分析可知,線路貫穿性與限界適應(yīng)性分析問題的本質(zhì)就是:在滿足地鐵設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的前提下,

3、充分利用既有人防隧道工程,并以此為根底確定理想的線路位置,以期最大程度地減小既有隧道的改建工程量。為此,研究中需重點(diǎn)解決以下問題3:技術(shù)道路;技術(shù)要點(diǎn);線路和限界分析評(píng)價(jià)指標(biāo);線路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的選擇;限界標(biāo)準(zhǔn)的選擇;線位優(yōu)化的理論方法;測(cè)量數(shù)據(jù)的整理與分析;線路設(shè)計(jì)與限界分析自動(dòng)化等。本文僅對(duì)研究的技術(shù)道路、技術(shù)要點(diǎn)、評(píng)價(jià)指標(biāo)體系以及線路設(shè)計(jì)與限界分析自動(dòng)化等方面的要點(diǎn)加以介紹。2技術(shù)道路本工程的線路設(shè)計(jì)優(yōu)化過程中,吸收了鐵路既有線改建中橫斷面定線的思想:以各實(shí)測(cè)斷面為設(shè)計(jì)橫斷面和計(jì)算橫斷面,找出該斷面上滿足限界條件的雙線中心線可挪動(dòng)范圍及平、縱斷面上的控制點(diǎn);然后綜合考慮控制點(diǎn)位置及各設(shè)計(jì)橫斷面

4、的計(jì)算信息進(jìn)展平縱斷面優(yōu)化設(shè)計(jì)。基于此,并綜合分析各方因素,整個(gè)研究的技術(shù)道路如圖1所示。3技術(shù)要點(diǎn)根據(jù)技術(shù)道路及研究?jī)?nèi)容的要求,線路與限界適用性研究的技術(shù)要點(diǎn)歸納如下。1)確定計(jì)算斷面基點(diǎn)位置以實(shí)測(cè)斷面為計(jì)算斷面,確定其基點(diǎn)位置:(1)橫向坐標(biāo)(值)選擇測(cè)量原點(diǎn)的值;(2)豎向坐標(biāo)(值)通過拱腳坐標(biāo)確定。通常,實(shí)測(cè)斷面有兩個(gè)拱腳點(diǎn),那么以兩個(gè)拱腳點(diǎn)連線的中點(diǎn)坐標(biāo)作為基點(diǎn)坐標(biāo);假設(shè)實(shí)測(cè)斷面只有一個(gè)拱腳點(diǎn),那么基點(diǎn)的豎向坐標(biāo)等于該拱腳的豎向坐標(biāo)。2)比較隧道橫斷面及車輛設(shè)備限界以基點(diǎn)為雙線中心,加載所研究車型的車輛設(shè)備限界。根據(jù)線路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中確定的線間距和曲線半徑計(jì)算左右側(cè)限界開鑿量(分左右側(cè),

5、正值為充裕量,負(fù)值為缺乏量)。3)標(biāo)注平面線路允許挪動(dòng)范圍對(duì)左右側(cè)開鑿量之和大于零的斷面,在平面上標(biāo)注允許變動(dòng)范圍及最適宜平面線位(一類平面中線符號(hào),取允許變動(dòng)范圍的中點(diǎn)作為最適宜平面線位)。依次連接各里程的左右兩側(cè)的允許挪動(dòng)范圍的邊界點(diǎn),構(gòu)成線路平面中心線位的可挪動(dòng)范圍。4)計(jì)算新基點(diǎn)坐標(biāo)(1)對(duì)左右側(cè)開鑿量之和小于零的斷面,求新基點(diǎn)坐標(biāo)。新基點(diǎn)豎向坐標(biāo)比基點(diǎn)豎向坐標(biāo)下降150(即,隧道仰拱理論底面中心至設(shè)計(jì)軌面高由理論值1200降低到1050),新基點(diǎn)程度坐標(biāo)不變。以新基點(diǎn)為雙線中心加載上述車型的車輛限界,重新計(jì)算左右側(cè)開鑿量。(2)假設(shè)以新基點(diǎn)計(jì)算的左右側(cè)開鑿量之和小于零,新基點(diǎn)為平面及

6、縱斷面的雙重控制點(diǎn);假設(shè)以新基點(diǎn)計(jì)算的左右側(cè)開鑿量之和大于零,那么在平面上標(biāo)注允許變動(dòng)范圍及最適宜平面線位(二類平面線位),在縱斷面上標(biāo)注普通控制點(diǎn)符號(hào)(僅在高程方面受控制)。5)標(biāo)注縱斷面線允許挪動(dòng)范圍計(jì)算每個(gè)里程點(diǎn)設(shè)備限界在橫斷面上的豎向最大挪動(dòng)范圍,即高程約束信息。最大高程約束值按該里程點(diǎn)左右側(cè)開鑿量之和為零或逼近零時(shí)所對(duì)應(yīng)的高程;最小高程約束值按該里程點(diǎn)隧道仰拱理論底面中心至設(shè)計(jì)軌面高為1050時(shí)所對(duì)應(yīng)的高程。根據(jù)線路縱斷面的設(shè)計(jì)情況,可以適當(dāng)降低最小高程約束值。依次連接各里程的最大、最小高程點(diǎn),構(gòu)成線路縱斷面的可挪動(dòng)范圍。6)計(jì)算控制點(diǎn)位置對(duì)每個(gè)計(jì)算斷面,計(jì)算出新基點(diǎn)坐標(biāo)、左側(cè)開鑿量

7、、右側(cè)開鑿量、理論拱腳垂向差、平面挪動(dòng)范圍、縱斷面挪動(dòng)范圍等,形成以里程排序的計(jì)算斷面的全信息表。7)輸出定線輔助信息根據(jù)平、縱斷面控制點(diǎn),以及全信息表,定平面及縱斷面。8)線路平、縱斷面的理論計(jì)算以平面、縱斷面控制點(diǎn)等為約束條件,以改建量平方和最小為目的函數(shù),通過優(yōu)化方法定出滿足約束條件的線路平面和縱斷面。9)限界計(jì)算與分析根據(jù)優(yōu)化后的線路平、縱斷面,準(zhǔn)確計(jì)算各計(jì)算斷面的限界開鑿量,以及軌道構(gòu)造高度等特征值。假設(shè)限界開鑿量為正值,那么表示線路有調(diào)整的余地;假設(shè)限界開鑿量為負(fù)值,那么表示限界缺乏,沒有調(diào)整余地,需要改建。負(fù)值的絕對(duì)值越大,改建量越大。10)線路平、縱斷面設(shè)計(jì)方案的改善與限界分析

8、根據(jù)現(xiàn)行?地鐵設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)?和本線設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),對(duì)理論優(yōu)化線位的平面和縱斷面進(jìn)展人工調(diào)整,以最大程度地滿足標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)要求,最后根據(jù)調(diào)整后的方案重新計(jì)算限界評(píng)價(jià)指標(biāo),最后對(duì)線路的貫穿性和限界的適應(yīng)性作出評(píng)估。4評(píng)價(jià)指標(biāo)要正確評(píng)價(jià)既有人防隧道工程改為用城市軌道交通線路后線路貫穿性和限界分析的可行性,必須建立一套科學(xué)的評(píng)價(jià)技術(shù)指標(biāo)體系。根據(jù)?地鐵設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)?及相關(guān)規(guī)定,結(jié)合既有隧道改建的實(shí)際情況,分別從線路設(shè)計(jì)和限界分析兩個(gè)方面,建立了相應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。線路設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)主要包括最小曲線半徑、最小夾直線長(zhǎng)度、緩和曲線長(zhǎng)度、線間距、設(shè)計(jì)坡度、豎曲線半徑、最小軌道構(gòu)造高度等;限界分析評(píng)價(jià)指標(biāo)包括左右側(cè)頂部最小凈距

9、、左右線接觸網(wǎng)導(dǎo)線底至隧道頂部的垂距、既有隧道設(shè)計(jì)仰拱理論底面中心至設(shè)計(jì)軌面高、既有隧道橫斷面測(cè)量原點(diǎn)至設(shè)計(jì)軌面高等。上述各項(xiàng)指標(biāo)值原那么上均按?地鐵設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)?來確定,但考慮到既有人防隧道工程的再利用特點(diǎn),特殊情況下個(gè)別標(biāo)準(zhǔn)可以適當(dāng)放寬3。限界分析的主要指標(biāo)含義及既有隧道橫斷面與設(shè)備限界關(guān)系如圖2所示。5線路設(shè)計(jì)與限界分析自動(dòng)化在最正確線路位置的設(shè)計(jì)過程中,針對(duì)既有隧道改建工程的特點(diǎn),引入了優(yōu)化設(shè)計(jì)理論,并建立了以線路平面和縱斷面設(shè)計(jì)控制點(diǎn)為約束條件、改建量平方和最小為目的函數(shù)的數(shù)學(xué)模型,采用拉格朗日乘子法來求解此類非線性規(guī)劃問題。同時(shí),考慮到計(jì)算方案組合多且橫斷面數(shù)量多的實(shí)際情況,采用手工計(jì)

10、算比照的方法無法高效地完成各種可能方案的分析工作,因此,結(jié)合最新的計(jì)算機(jī)編程方法和數(shù)據(jù)管理技術(shù),實(shí)現(xiàn)了測(cè)量數(shù)據(jù)處理與分析的自動(dòng)化。根據(jù)需要和應(yīng)用習(xí)慣,以2000為平臺(tái),為數(shù)據(jù)管理工具,利用+和2000編程語言,采用面向?qū)ο蟮木幊趟枷?編制了一系列輔助設(shè)計(jì)工具。如:既有隧道橫斷面繪制工具,設(shè)備限界與既有隧道橫斷面關(guān)系計(jì)算工具,設(shè)備限界與既有隧道橫斷面關(guān)系圖繪制工具,設(shè)計(jì)曲線自動(dòng)計(jì)算與配置工具等。理論證明,該手段確保了在設(shè)計(jì)過程中盡可能不遺漏所有可能的設(shè)計(jì)方案,并通過快速、自動(dòng)化的數(shù)據(jù)處理手段,實(shí)現(xiàn)多方案高效的比照分析,從而獲得優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案。例如,研究過程中曾比照分析近八種限界組合情況,綜合各方

11、意見,最終確定對(duì)其中的四種組合情況作深化的研究與分析3。6結(jié)語通過對(duì)既有人防隧道工程最新實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的計(jì)算與分析,可以得出如下結(jié)論:(1)既有人防隧道通過一定的技術(shù)改造是可以滿足哈爾濱市軌道交通線路設(shè)計(jì)要求的。(2)既有人防隧道在采取降低軌道構(gòu)造高度和曲線限速等措施和局部改造后,可以滿足2.8寬型車運(yùn)行的限界要求。采用2.6寬型車時(shí),線路直線段可以適應(yīng)接觸網(wǎng)和接觸軌兩種供電方式,改建量均很小,曲線地段適當(dāng)限速和降低超高,可滿足限界要求。哈爾濱市城市軌道交通規(guī)劃與設(shè)計(jì)的理論說明,解決普遍偏高的建立本錢可以從多角度、多途徑入手,到達(dá)促進(jìn)軌道交通良性、快速開展的目的。結(jié)合城市既有工程構(gòu)造物的特點(diǎn),在充分分析其在城市軌道交通建立中的可用程度和應(yīng)用條件,并科學(xué)、合理地加以利用,也是一種降低工程