地铁3.4m线间距单渡线总体方案研究

摘要:研究目的:地铁建设项目利用既有双线隧道工程，由于限界限制，线间距只有3.4m，如此小的线间距设置单渡线，国内外工程实例尚无，设置3.4m线间距单渡线可直接利用既有隧道工程，对盘活国有资产降低工程造价，有着重大意义。
研究方法:研究道岔设计参数的制定原则，分析我国铁路道岔、城轨交通道岔设计参数的选用情况，确定合理的单渡线设计参数，进而对单渡线作安全性检算并选择合理的结构。
研究结论:地铁采用3.4m线间距单渡线。道岔选用的设计参数值，不低于两端单开道岔设计参数值，经过安全性检算，其容许通过速度为30km/h时，地铁车辆行驶在单渡线时能保证行车安全及旅客舒适度。单渡线连接部分结构方案是合理的，给设计3.4m线间距单渡线提供了可靠的支持。

关键词:单渡线;安全性;道岔;设计参数;总体方案;研究

1 概述
1.1 地铁线路设置单渡线的必要性
　　 地铁线路按其在运营中的作用，有正线、辅助线之分，辅助线包括折返线、渡线、联络线、停车线、出入线、安全线等。根据《地铁设计规范》(GB50157—2003)第3.4.2条规定:“当2个具备临时停车条件的车站相距过远时，根据运营需要，宜在沿线每隔3~5个车站加设停车线或渡线”。因此，渡线在地铁线路设计中是必不可少的。渡线有单渡线、交叉渡线2种形式。
1.2 单渡线的功能
　　 (1)列车在运行过程中难免出现诸多故障，当这些故障列车对地铁的安全运营产生不利因素，故障列车应就近安排下线，进入停车线或维修基地进行检修。这种情况一旦发生就会打乱全线列车运行秩序、为了尽量减少故障列车进入停车线的时间，每隔3~5个车站设置停车线，困难时应设单渡线。
　　 (2)地铁线路在前方某地段发生病害，列车不能运行时可就近利用单渡线行使正规列车，进入另一股正线维持单线运营，待线路修复后再恢复正常运营，这样就相对减少了全线停运的损失。
　　 以上2种使用单渡线情况，均非正常交路，是在特殊情况才加以使用，因此通过列车一般不会太频繁，对其结构损坏远比正线低。
2 某市轨道交通一期工程单渡线
2.1 某市轨道交通一期工程单渡线的设置
　　 某市轨道交通一期工程，线路全长约17.4km，全部为地下线，其中利用既有人防隧道工程约5.4km。既有人防工程为单洞双线马蹄形隧道，共设6座地下车站。利用既有人防隧道工程，是为了盘活闲置国有资产的迫切需要。经专业部门检测，隧道结构强度具有相当的安全储备，限界满足运营要求，经加固可作为一期工程的一部分，短期内即可形成一条运营线路，给一期工程提供了最大优势和最好的基础条件。

　　 既有人防隧道工程是1973年根据战备需要，按我国早期地铁标准设计修建的单洞双线马蹄形隧道，受限界限制，线间距定为3.4m。根据线路平面图，分别在两个既有站设置了3.4m线间距单渡线。
2.2 国内外类似工程概况
　　 3.4m线间距设置单渡线，由于单渡线两端单开道岔相距较近，无法设置连接短钢轨，违反了有关规定。因此，国内外类似工程实例较少，伊朗德黑兰地铁Ⅰ期工程曾铺设了UIC54kg/m钢轨7.6号道岔3.2m线间距单渡线，已通车运营，我国援助设计的德里兰地铁4号线也拟采用上述单渡线。在我国长春轻轨也曾铺设过3.6m线间距单渡线，已运营2~3年，情况良好。其他城市轨道交通和国家铁路尚无应用实例。
2.3 与设置正常线间距单渡线的经济性比选
　　 若要在既有人防隧道工程地段设置正常线间距单渡线，则需要加宽线间距以满足《地铁设计规范》(GB50157—2003)中关于两道岔间插入短钢轨最小长度的要求。增大线间距可通过设置两对反向曲线的方法来实现。按照规范要求，经计算线间距为4.2m时，满足两道岔间插入短钢轨最小为6.25m的要求;4.0m时，满足两道岔间插入短钢轨最小为4.5m的要求。设置反向曲线使线间距加大以满足规范要求是合理的，但需要对一侧隧道洞壁进行凿壁加宽，加宽长度每组单渡线最小约240m(见图1)。
　　 在既有人防隧道地段采用正常线间距单渡线需要凿除改造两处(全长480m)一侧隧道洞壁，其改造工程量巨大、工期延长、工程投资增加约4752万元，在改建过程中造成拱顶受力不均、防水层破坏，新老混凝土结合处强度不足，既有混凝土部分在施工过程中易出现裂缝，形成隐患等问题，给施工带来困难。同时也恶化了正线行车条件。如将既有隧道拆除重新修建，虽施工方便，但造价提高更甚。即使将线间距压缩为3.6m，单渡线条件也没有明显改善。但对既有隧道改建问题依然存在。因此研制3.4m线间距单渡线即节省投资又不影响既有隧道的整体性与4.0m、3.6m线间距单渡线相比具有无可比拟的优越性。
　　 3.4m线间距单渡线设计方案的难点，一是车辆行驶在单渡线时得到安全性检算的保证，二是具有结构可行性的支持。
3 3.4m线间距单渡线主要特性
3.1 单开道岔主要尺寸及通过速度
　　 组成单渡线的两单开道岔采用该工程统一的《60kg/m钢轨9号单开道岔》，道岔主要尺寸(如图2)。
3.2 单渡线主要尺寸

　　 线间距:D=3400mm;
　　 单渡线全长:LQ=54686mm;
　　 两单开道岔岔心水平距:LD=30600mm;
　　 两单开道岔岔心斜距:LC=30788mm;
　　 两单开道岔辙叉跟端导程:ld=LC-2b=-672mm;
　　 单渡线夹直线长度:lz=LC-2(b0-K)=8634mm(见图3)。

4 道岔设计参数的选用
4.1 道岔设计参数
　　 道岔设计常用的基本参数有以下3项:
　　 ω———动能损失;
　　 α———未被平衡的离心加速度;
　　 ψ———未被平衡的离心加速度增量(地铁设计规范称为β，为论述方便，以下统称β)。
　　 确定道岔设计参数允许值的目的是为了给以列车通过道岔侧线时的不利因素一定的限制标准，将危害性控制在一定的程度内。
　　 ω、α、β表示进入道岔侧股时产生的横向力对列车的影响。比如:列车运行的稳定性(如过大可能造成车轮爬轨)、乘客舒适度(乘客产生不良感觉)、道岔结构的安全性(缩短道岔使用寿命)等。因此道岔设计时各项参数不能超过规定的允许值。
4.2 目前我国道岔设计参数的选用
4.2.1 铁路道岔设计参数一般标准
　　 我国铁路道岔设计参数允许值基本上仍沿用1960年“全国大号码道岔技术会议”决议中的建议值， 即:
ω0=0.65km2/h3;α0=0.5~0.65m/s2;β0=0.5m/s3。
　　 经铁路工务部门现场测试证明，乘客无不良感觉(见表1)。

4.2.2《铁路道岔的允许通过速度》的规定
　　 《铁路道岔的允许通过速度》(TB/T2477—93)
　　 4.21条指出导曲线为圆曲线时，由外轨欠超高控制的导曲线通过速度不大于式v=2.75R的条件，经推算，α=0.58m/s2。该标准未对β值加以论述。
4.2.3《地铁设计规范》的规定
　　 我国城市轨道交通道岔设计参数尚无明确规定，参考《地铁设计规范》(GB50157—2003)6.2.8条文说明“当α=0.4m/s2时，欠超高61mm，乘客稍有感觉，不影响舒适度”;5.2.1条文说明指出从保证乘客舒适出发“本规范取离心加速度时变率β=0.3m/s3”。
4.2.4《城市轨道交通建设和运营规范》的规定
　　 《城市轨道交通建设和运营规范》(征求意见稿)7.2.4条“正线曲线段轨道允许未被平衡的横向加速度应不超过0.4m/s2”，“道岔导曲线不设超高时，允许未被平衡横向加速度应不超过0.5m/s2”。
4.2.5 我国提速道岔设计参数的选用
　　 广深线时速200km道岔设计参数仍沿用我国传统的标准，即未被平衡离心加速度为0.5~0.65m/s2，未被平衡的离心加速度增量允许值为0.5m/s3。秦沈客运专线道岔设计参数，道岔的欠超高值采用75mm(或未被平衡的离心加速度0.5m/s2);由于大号码道岔侧向允许通过速度较高，一般难以满足未被平衡离心加速度增量0.5m/s3的要求，因此采用1.0m/s3。
5 本工程采用的单开道岔设计参数
　　 某市轨道交通一期工程采用《60kg/m钢轨9号单开道岔》，侧向允许通过速度为35km/h，其值如下列。
5.1 α值计算
　　 若列车以速度v行驶于半径为R、外轨超高为h的曲线线路上，当列车速度与外轨设置的超高不相适应时，会产生未被平衡的离心加速度，表示如下:

5.2 β值计算
　　 当列车由直线进入设有超高的曲线线路时，车辆突然出现或消失竖向及横向冲击力，使车体产生振动及摇晃。为了保持车体平稳，应在曲线两端设置缓和曲线。由于缓和曲线的曲率是逐渐变化的，走行于缓和曲线上车辆的未被平衡离心加速度也相应在缓和曲线全长范围内逐渐变化。单位时间内未被平衡离心加速度的变化，称为未被平衡加速度时变率，用β表示，Δβ=dα/dt，则:

6 单渡线安全性检算
6.1 单渡线给行车带来不利因素
　　 单渡线两单开道岔间插入短钢轨的长度应满足《地铁设计规范》(GB50157—2003)的要求，反向单开道岔一般地段为6.25m，困难地段为4.5m。3.4m线间距单渡线已无法插入短钢轨，与规范相悖。
　　 两单开道岔导曲线间夹直线的长度为8.634m，本工程选用B型车，车辆的全轴距为12.6m，夹直线的长度远小于一个车辆的全轴距，也就是说，当一个车辆的前轮驶入第二组单开道岔的导曲线时，该车辆的后轮尚未离开第一组单开道岔的导曲线，因此列车通过单渡线时，行车条件十分不利，是否能满足行车安全性、乘客舒适度，应比照单开道岔标准进行安全性检算。
6.2 单渡线的行车安全性和乘客舒适度条件
　　 列车通过单渡线时未被平衡的离心加速度与通过单开道岔时情况相同，这里不作论述。以下着重讨论列车通过单渡线时未被平衡的离心加速度时变率能否满足规范要求。
　　 列车通过单渡线两单开道岔的夹直线时，有以下两种可能:车辆的全轴距小于或等于夹直线的长度;车辆的全轴距大于夹直线长度。
　　 若车辆的全轴距小于或等于夹直线的长度，β可按单开道岔的计算公式计算;若车辆的全轴距大于夹直线长度时，因为车辆还未走出第一组道岔的导曲线就又进入了第二组道岔的导曲线，车辆运行状态与通过单开道岔情况不同，这时β应按以下方法计算:列车走行于夹直线时的速度为v、道岔导曲线半径为R、夹直线长为lz、车辆的全轴距为lc，则未被平衡的离心加速度时变率(如图4)。

　　 因为未被平衡的离心加速度时变率Δβ=Δα/Δt，所以图中AB线的斜率就是Δβ。
6.3 单渡线设计参数的确定
　　 综合比较本文4.2“目前我国铁路道岔设计参数的选用”一节内容，单开道岔设计参数基本在“全国大号码道岔技术会议”决议的建议值范围内。单渡线设计基本参数允许值的确定，是为了把列车通过单渡线时产生的不利影响控制在一定范围内，因此单渡线设计参数的选定须满足以下要求:
　　 列车运行有足够的稳定性;
　　 乘客必要的舒适度;
　　 单渡线结构的强度;
　　 减轻车体对单渡线的冲击，延长部件使用寿命。
　　 其中后两项除通过速度要求外，还取决于道岔结构标准、维修养护质量、道岔几何状态等;前两项则由设计参数决定。
　　 为了统一计算标准，单渡线设计参数应采用原单开道岔标准α=0.47m/s2、β=0.36m/s3，以此计算单渡线的允许通过速度，并用相关规范规定值α=0.4m/s2、β=0.3m/s(或β=0.5m/s3)检算。
6.4 单渡线允许通过速度
6.4.1 以《60kg/m钢轨9号单开道岔》设计参数计算

6.4.4 小结
　　 无论采用何种标准的道岔设计参数进行检算，其单渡线允许通过速度按30km/h计是安全的，同时确保乘客舒适度。
7 单渡线连接部分方案选择
7.1 连接部分设计原则
　　 (1)本方案按设置轨道电路设计。
　　 (2)连接部分要设置绝缘接头，两股钢轨绝缘接头应对节安装，如不满足要求时，其错开距离不大于2.5m。
　　 (3)设置绝缘接头后，道岔部件应有良好的绝缘措施。
　　 (4)连接部分扣件虽然特殊设计，但其主要部件弹条应与单开道岔一致。
7.2 连接部分方案比选
　　 单渡线连接部分设置绝缘接头，可有不同方案，各有优缺点。经方案优化采用“将绝缘接头设于两单开道岔的辙叉后”的方案(见图5)。

　　此方案是在两单开道岔的辙叉后护轨基本轨中设置一对绝缘接头，可以很好地解决铁垫板连电的问题，能够保证绝缘。缺点就是产生了不足1m的短钢轨，该绝缘接头采用胶结绝缘接头，保证了接头强度。
8 结束语
　　 地铁采用3.4m线间距单渡线，选用的设计参数值，不低于两端单开道岔设计参数值，经过安全性检算，其容许通过速度为30km/h，地铁车辆行驶在单渡线时保证行车安全及旅客舒适度，给设计3.4m线间距单渡线提供了理论依据。单渡线连接部分结构方案是合理的，给设计3.4m线间距单渡线提供了可靠的支持。
　　 综上所述，3.4m线间距单渡线总体方案的研究证明了该单渡线方案是可行的，它的实施可填补地铁小间距单渡线的空白，对利用既有设施，盘活国有资产，降低工程造价，提供了科学依据。

参考文献