彭金水
(廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣東 廣州 510650)
廣州地鐵APM線限界設(shè)計(jì)
彭金水
(廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣東廣州510650)
廣州地鐵APM線所采用的系統(tǒng),與以往地鐵的鋼輪鋼軌系統(tǒng)完全不同,其采用的是類似公交的膠輪和鋼筋混凝土路面的自動旅客輸送系統(tǒng),因此,其限界設(shè)計(jì)的思路和方法與其他普通地鐵線路截然不同,尤其是故障狀態(tài)下的限界、道岔處的限界設(shè)計(jì),車站屏蔽、站臺板、有效站臺內(nèi)外等處的限界設(shè)計(jì),都需要在普通輪軌系統(tǒng)限界設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上作出與其相適應(yīng)的特殊處理與設(shè)計(jì),本文重點(diǎn)在上述方面作較為詳細(xì)的介紹,對類似工程具有一定的借鑒意義。
廣州地鐵APM線;膠輪系統(tǒng);限界設(shè)計(jì);特殊處理
地鐵限界設(shè)計(jì)在整個(gè)工程中起著非常重要和關(guān)鍵的作用,它涉及到地鐵能否安全地運(yùn)營,另外,合理的限只是設(shè)計(jì)可以盡可能地節(jié)省空間,減少土建工程量,從而節(jié)約工程投資和降低工程風(fēng)險(xiǎn)。
限界是限定列車運(yùn)行及軌道區(qū)周圍構(gòu)筑物超越的輪廓線,分車輛限界、設(shè)備限界和建筑限界。限界設(shè)計(jì)工作較為復(fù)雜,涉及到很多專業(yè)及系統(tǒng),需要協(xié)調(diào)限界空間內(nèi)的各種設(shè)施、設(shè)備,影響限制限界設(shè)計(jì)最直接的因素,主要包括線路所采用的列車及系統(tǒng)類型,軌道類型,通信、信號等系統(tǒng)類型等。
廣州市珠江新城旅客自動輸送系統(tǒng),簡稱廣州地鐵APM線,采用了與鋼輪鋼軌系統(tǒng)完全不同的膠輪—導(dǎo)向制式系統(tǒng),走行面為鋼筋混凝土路面,為加拿大的龐巴迪公司的CX100系列車輛,采用中間導(dǎo)向,可實(shí)現(xiàn)無人駕駛。由于該系統(tǒng)與以往線路有極大的區(qū)別,而且沒有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范參考,給限界設(shè)計(jì)帶來極大的困難,為了設(shè)計(jì)出既安全又經(jīng)濟(jì)的限界,在限界設(shè)計(jì)思路和方法上需要有所創(chuàng)新。本系統(tǒng)在限界設(shè)計(jì)方面需要考慮的特殊情況,主要包括:由于車輛采用的是膠輪,所以在最不利故障狀態(tài)下,會出現(xiàn)一側(cè)的輪胎爆胎,此時(shí)設(shè)備限界應(yīng)該怎樣考慮?本系統(tǒng)的道岔結(jié)構(gòu)與普通輪軌系統(tǒng)的有很大的不同,道岔的限界怎樣考慮和確定?線路的線形和軌道的超高設(shè)置完全不同,中間導(dǎo)向與輪軌導(dǎo)向區(qū)別極大,車站地段的限界,應(yīng)考慮車輛怎樣的故障狀態(tài)進(jìn)行屏蔽門、站臺的限界設(shè)計(jì)?……本文就以上主要問題,結(jié)合限界設(shè)計(jì)過程進(jìn)行相應(yīng)解決方案的闡述,如圖1所示。
圖1 CX100車輛與道岔結(jié)構(gòu)
2.1工程概況
線路起始于海珠區(qū)赤崗塔北側(cè),向北下穿珠江主航道到達(dá)海心沙,線路再次下穿珠江后到達(dá)天河區(qū)珠江新城核心區(qū)域,后線路沿規(guī)劃珠江新城中軸線行進(jìn),之后線路繼續(xù)往北,之后線路下穿黃埔大道,從人民日報(bào)社華南分社大樓西側(cè)穿過天河南小區(qū),下穿已運(yùn)營一號線區(qū)間隧道,然后線路穿過宏城廣場部分臨時(shí)建筑,下穿天河路后進(jìn)入體育中心,然后線路上穿已建三號線支線區(qū)間隧道、繞過體育中心體育館和運(yùn)動場,從已運(yùn)營三號線主線區(qū)間隧道上方穿過,到達(dá)已運(yùn)營三號線林和西站西側(cè),設(shè)林和西終點(diǎn)站。其線路走向示意如圖2所示。
線路總長約3.94km,全部采用地下線路,共設(shè)9座車站,平均站間距473.4m。
停車與維修中心是系統(tǒng)和設(shè)備維修的重要場所,考慮到珠江新城區(qū)域?yàn)橹醒肷虅?wù)區(qū),可采用地下停車場方式解決。利用電視觀光塔南側(cè)規(guī)劃新城市中軸線廣場設(shè)置地下停車場,擔(dān)任全線的停車和維修任務(wù)。全線的控制中心設(shè)在赤崗塔站內(nèi)。
珠江新城集運(yùn)系統(tǒng)的功能定位主要有兩個(gè):
1)作為珠江新城CBD地區(qū)和天河商貿(mào)區(qū)內(nèi)部的公交骨干線,滿足其內(nèi)部、珠江新城與天河商貿(mào)區(qū)、觀光塔的客流需求,以及旅游觀光購物的出行需要;
2)與軌道交通線路形成快捷方便的連接,促進(jìn)城市公共交通系統(tǒng)功能的充分發(fā)揮,如圖2所示。
圖2 線路走向示意圖
2.2工程特點(diǎn)
廣州地鐵APM線所采用的系統(tǒng)為膠輪系統(tǒng),結(jié)合其工程情況,總結(jié)主要特點(diǎn)如下:
1)自動化運(yùn)行可以為乘客提供快速,舒適的服務(wù)。
2)自動化運(yùn)行可以節(jié)省人力,降低運(yùn)營成本。
3)自動化運(yùn)行可以使行車計(jì)劃的編排和行車調(diào)度具有更大的靈活性。
4)自動化運(yùn)行可以提供優(yōu)質(zhì)的安全性。
5)自動化導(dǎo)向交通使用較小的車輛和較短的列車,其相應(yīng)得基礎(chǔ)建筑,如車站等,也可降低造價(jià)。
6)采用中間導(dǎo)向方式。
7)全地下線。
3.1限界設(shè)計(jì)難點(diǎn)
本工程采用的車輛、軌道結(jié)構(gòu)、導(dǎo)向系統(tǒng)、列車駕駛方式等與傳統(tǒng)的地鐵有著本質(zhì)的不同,所以,限界設(shè)計(jì)也遇到了前所未有的困難,主要集中表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:
1)國內(nèi)沒有相關(guān)的規(guī)范、規(guī)程可使用或參考。珠江集運(yùn)系統(tǒng)采用膠輪-導(dǎo)軌運(yùn)行系統(tǒng),與傳統(tǒng)的軌道交通系統(tǒng)有著很大區(qū)別,由于APM系統(tǒng)技術(shù)較新,且現(xiàn)存的技術(shù)種類較多,與傳統(tǒng)地鐵系統(tǒng)差別極大,而且APM系統(tǒng)在國內(nèi)尚無使用運(yùn)行,國內(nèi)沒有相關(guān)的規(guī)范、規(guī)程等技術(shù)文件可供使用或參考,給限界設(shè)計(jì)帶來困難。
2)最不利故障狀態(tài)下的限界設(shè)計(jì)難點(diǎn)。一般鋼輪鋼軌地鐵列車通常有兩系懸掛,即空氣彈簧和鋼彈簧,其最不利故障狀態(tài)通,??烧J(rèn)為是鋼軌、鋼輪同時(shí)磨耗到限,以及空氣彈簧泄氣。廣州地鐵APM線采用膠輪系統(tǒng),橡膠輪胎可視為一系彈簧,鋼彈簧為二系簧,其最不利故障狀態(tài)并不是輪胎磨耗到限,而是車輛某側(cè)的輪胎爆裂,每輛車由4組輪胎組成,而每組輪胎為兩個(gè)車輪,顯然,若一側(cè)的4個(gè)輪胎同時(shí)爆裂,設(shè)備限界為最大,但若以此作為設(shè)計(jì),則設(shè)備限界非常大,建筑限界也比普通地鐵線路大得多,這樣不僅增加明、暗挖隧道的土建工作量及施工難度與風(fēng)險(xiǎn),更為嚴(yán)重是其他地鐵線路通用的內(nèi)徑為5.4m的盾構(gòu)隧道將不能滿足要求。因此,到底本系統(tǒng)的最不利故障狀態(tài)按怎樣的條件考慮,即能保證安全,又能使限界所需的空間經(jīng)濟(jì),這是難點(diǎn)之一。
3)曲線段限界設(shè)計(jì)難點(diǎn)。與普通地鐵線路相比,本工程在平面緩和曲線、最大超高值等均有較大的不同,給限界設(shè)計(jì)帶來較大的困難。
普通地鐵平面曲線的緩和曲線一般采用三次拋物線的線形,APM線則一般采用與道路相同的螺旋線的線形。
軌道最大超高方面,普通地鐵線路一般為120mm(折算成百分比約為8%),允許的最大欠超高為61mm,而本工程的最大超高為10%。
4)道岔處限界設(shè)計(jì)難點(diǎn)。APM線道岔結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,與普通地鐵的道岔相比,主要有兩個(gè)方面的不同,一是其導(dǎo)曲線半徑特別小,只有22.8m,二是道岔的轉(zhuǎn)轍設(shè)備是通過機(jī)械將整個(gè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行移動,這給限界設(shè)計(jì)帶來困難,如加寬量,以及需考慮的因素很多。
5)車站限界設(shè)計(jì)難點(diǎn)。車站限界設(shè)計(jì)難點(diǎn)主要表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面:首先是有效站臺與非有效站臺的銜接問題,以往地鐵車站的站臺均采用折線方案,即在有效站臺起、終點(diǎn)處突變,但本工程當(dāng)車輛輪胎爆裂時(shí),若采取此方案則車輛難以通過車站;其次是站臺高度、線路中心至站臺邊緣的距離、線路中心線至屏蔽門的距離怎樣確定,才能適應(yīng)車輛空、滿載時(shí)地板面高差變化較大,以及車輛故障狀態(tài)怎樣順利通過等問題,因?yàn)檐囕v與站臺間高差與間隙過大,則會對乘客上下車造成極大的不便。
3.2解決方案
本工程還有一個(gè)比較特殊的情況,就是土建與花城廣場地下空間統(tǒng)一設(shè)計(jì),同步施工,而其施工工期受廣州2010年亞運(yùn)會的制約,十分緊迫,在本工程的系統(tǒng)還沒有確定時(shí),就要進(jìn)行施工,因此,設(shè)計(jì)上要考慮兼顧可能的系統(tǒng),又不能造成浪費(fèi)。針對前述的各種設(shè)計(jì)難題及結(jié)合工程實(shí)際,經(jīng)過各方努力,得到較為妥善的解決方案:
1)有關(guān)規(guī)范、規(guī)程的問題。對于此問題,采用現(xiàn)行的地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范、城市道路設(shè)計(jì)規(guī)范等作為參考,同時(shí)參照APM系統(tǒng)對應(yīng)的最新技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),進(jìn)行設(shè)計(jì),這樣,既不與國內(nèi)主要相近的規(guī)范、規(guī)程相矛盾,又能適應(yīng)本系統(tǒng)自身的技術(shù)特點(diǎn),確定技術(shù)安全、經(jīng)濟(jì)合理。對應(yīng)的最新技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)主要為CX-100通用導(dǎo)軌設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)等。
2)最不利故障狀態(tài)下的限界設(shè)計(jì)方案。經(jīng)過與車輛供應(yīng)商的多次反復(fù)討論,并結(jié)合世界各國各APM線多年的運(yùn)營經(jīng)驗(yàn),認(rèn)為車輛一側(cè)的四個(gè)輪胎同時(shí)爆破或沒氣的概率非常小,目前運(yùn)營的線路沒有發(fā)生過類似的情況,因此,最不利狀態(tài)按照一側(cè)同時(shí)只有兩個(gè)輪胎(兩個(gè)軸各一個(gè))的情況是合理的,符合實(shí)際的,這樣,既在很大程度上可保證安全,也可以做到設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)比較合理。
3)曲線段限界設(shè)計(jì)方案。深入研究發(fā)現(xiàn),雖然本工程的超高比普通地鐵線路的大,但其最高行車速度較低 (60km/h)、走行面中心的距離較大(2032mm),因此經(jīng)過計(jì)算,其最大欠超高可滿足相關(guān)規(guī)范的要求;對于平面和豎曲線的線型,經(jīng)過與車輛供應(yīng)商協(xié)調(diào),為簡化設(shè)計(jì),同時(shí)適應(yīng)工務(wù)養(yǎng)護(hù)習(xí)慣,可按普通地鐵線路的進(jìn)行設(shè)計(jì),可滿足列車運(yùn)行的要求,即平面緩和曲線采用二次拋物線、豎曲線采用圓曲線。
4)道岔處限界設(shè)計(jì)方案。對道岔處的限界加寬問題,經(jīng)過詳細(xì)分析,主要解決思路是:分成三個(gè)主要部考慮,逐個(gè)進(jìn)行計(jì)算分析,一是物理加寬量,可根據(jù)實(shí)際導(dǎo)曲線半徑和車輛平面投影尺寸進(jìn)行計(jì)算;二是道岔構(gòu)造引起的加寬量,即根據(jù)道岔結(jié)構(gòu)特點(diǎn),對所有可能引起加寬點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)分析,并進(jìn)行量化計(jì)算;三是根據(jù)車輛構(gòu)造特點(diǎn)及其行經(jīng)道岔時(shí),可能額外增加的加寬量。將上述有一種情況的加寬量按照對應(yīng)的位置進(jìn)行疊加,即得到道岔的總加寬量。
5)車站限界設(shè)計(jì)方案。車站限界:車輛供應(yīng)商方案:在車輛正常狀態(tài)的靜態(tài)輪廓線的基礎(chǔ)上,按美國標(biāo)準(zhǔn)取車輛邊緣與站臺邊緣的間隙為38mm,線路中心線至站臺邊緣的距離為1422.5mm+38≈1460mm;設(shè)計(jì)采用方案:現(xiàn)取車輛邊緣與站臺邊緣的間隙為50mm,線路中心線至站臺邊緣的距離為1472mm。
站臺邊緣的作法:車輛供應(yīng)商方案:由于故障狀態(tài)下的車輛輪廓包絡(luò)線侵入站臺,龐巴迪要求在站臺邊緣加貼40mm的橡膠條,橡膠邊緣至線路中心線的距離為1460mm,車站站臺與區(qū)間的的過渡區(qū)采用1:10的斜角(也貼橡膠條),保證列車在故障狀態(tài)下過站時(shí),車體與站臺邊緊貼而不受損。設(shè)計(jì)采用方案:考慮在站臺邊緣設(shè)置橡膠條,站臺與區(qū)間的過渡采用1:10的斜角。站臺板邊緣至線路中心線的距離為1507mm,線路中心線至橡膠條邊緣的距離為1472mm,屏蔽門邊緣至線路中心線的距離為1524mm。
站臺板高度:車輛供應(yīng)商方案:車輛地板面至運(yùn)行面的高度為1092mm,要求站臺面高度與車輛地板面平(考慮了2mm的裝修誤差,取1090mm),以方便乘客上下車,而且空氣彈簧可以通過自動調(diào)節(jié)彌補(bǔ)輪胎氣壓變化引起高度偏差。設(shè)計(jì)采用方案:根據(jù)相關(guān)規(guī)范,考慮站臺面比車輛地板面低42mm,故運(yùn)行面至站臺面的高度為1050mm。
軌項(xiàng)排風(fēng)道高度:車輛供應(yīng)商方案:由于車輛的空調(diào)、受電設(shè)備全部設(shè)于車廂底部,車頂上方無特殊的通風(fēng)要求,隧道頂部的設(shè)備布置高度在最大車輛限界的基礎(chǔ)上加上安全距離即可。
經(jīng)計(jì)算,軌項(xiàng)排風(fēng)道底板離運(yùn)行面的最小高度為:3581+50=3631mm。設(shè)計(jì)采用方案:軌項(xiàng)排風(fēng)道底板離運(yùn)行面的高度為4300mm。
圖3 車站矩形斷面限界圖
廣州地鐵APM線所采用的膠輪—導(dǎo)向制式系統(tǒng),與其他普通鋼輪-鋼軌地鐵線路在很多方面都有著極大的不同,加上國內(nèi)還沒有相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)可參考,給整個(gè)系統(tǒng)的各專業(yè)設(shè)計(jì)帶來極大的困難,限界專業(yè)也不例外,為了解決限界中存在的各種難題和問題,就要先理清思路,找出重要的關(guān)鍵點(diǎn)所在,逐個(gè)攻破,解決了主要問題,其他次要問題自然就迎刃而解了。
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