双边控制法在地铁调坡设计中的应用研究

刘延晨

（广州地铁设计研究院有限公司，广东广州 510010）

双边控制法在地铁调坡设计中的应用研究

刘延晨

（广州地铁设计研究院有限公司，广东广州 510010）

在线路调线调坡阶段，由于缺乏简单实用的软件，设计人员主要依靠手工计算的方式进行线路调坡设计，但该方法会影响地铁设计质量和工程进度。针对此问题提出双边控制法，结合测量、地铁限界和桥梁资料，系统地介绍了地铁高架线、隧道线的双边控制线的确定方案，并将地铁线路设计软件应用到地铁调坡设计中，实现了地铁调坡设计自动化、可视化，进一步提高了工作效率。该方法已成功应用于南京地铁机场线调坡设计中，也可为类似工程线路调坡设计提供参考。

双边控制法；地铁调坡设计；限界；地铁隧道；地铁高架桥

0 引言

线路调线调坡是在城市轨道交通土建工程完成之后铺轨工程尚未开始时的一项重要工作［1］，线路调坡设计是调线调坡阶段重要组成部分之一，必须引起重视［2］。地铁调坡设计理论基础是实测限界是否满足设计限界，若不满足，则需根据侵限值的大小进行调坡设计［3－6］。线路调坡设计主要是对数据进行处理，即大量的实测限界与设计限界的比较。国内常用的数据处理方式有2种：一种是手工计算，即采用Excel办公软件批处理后进行调坡设计，但这种方式效率低、可视化效果差；另一种是通过自编程序的方式进行调坡设计［7］，这种方式效率高，但需要重新自编程序或购买软件等，让很多设计人员望而却步。

为了更好地开展地铁调坡设计工作，本文提出双边控制法，借助既有地铁线路平纵设计软件进行调坡设计，可避免手工计算、自编程序或购买新软件；在线路纵断设计软件界面中引入双边控制线的概念，限定轨面允许调整范围，以实现调坡设计可视化；同时利用既有软件自带的设计工具，实现调坡设计自动化。

1 地铁线路设计CAD软件

国内常用的地铁线路设计CAD软件主要有科宝华地铁平纵断面CAD系统、中铁二院工程集团有限责任公司和北京城建设计研究院各自编写的平纵断面设计软件等，其共同特点是实现了线路设计自动化，且平纵断面设计界面可视化效果好。但由于缺乏简单实用的理论支撑，既有线路设计软件在调线调坡阶段适用性不强。如果能通过简单实用的理论方法将地铁线路设计软件应用到地铁调坡设计中，则可实现地铁调坡设计自动化、可视化和提高工作效率的目的。

2 双边控制法原理

2.1 基本原理

双边控制法是指轨面方案线的确定，受到与其相关的上、下2条控制线的影响和制约，而这2条控制线是由一系列的离散点绘制而成。双边控制线一旦稳定，2条线之间的区域即为地铁线路调坡设计轨面上下移动的范围，如图1所示。按照此方法进行线路调坡设计，必须先绘制出限定线路轨面上、下调整的控制线，上、下控制线之间的范围即为线路轨面满足竖向限界的范围，对于超出此范围的，可通过改变线路纵断面坡长、坡度等，使之位于双边控制线之间，即可满足调坡要求。

图1 双边控制法示意图Fig.1 Sketch of double side control method

2.2 土建结构断面测量

城市轨道交通土建基础完成后，测量单位依据设计单位要求，间隔5～10 m需测量一组土建结构内断面［8］。每个断面竖向测量中，国内各设计院提出的设计要求基本一致，测量线路中心线正下方底板和正上方顶板（高架桥除外）的高程，且测量高程数据与线路里程对应。

国内大部分地铁线路长度均在20 km以上，以南京地铁机场线为例，线路全长约35.8 km，如果间隔5～10 m测量一组数据，则需测量3 580～7 160组数据（不考虑局部加密测量数据的情况），数据量之大可想而知，设计人员处理大量的数据也会感到很枯燥。

2.3 限界

限界是限定车辆运行及轨道周围构筑物超越的轮廓线，分为车辆限界、设备限界和建筑限界3种，是工程建设、管线和设备安装位置等必须遵守的依据［9］。因此，施工图设计阶段，设计人员为保证土建结构不侵限，会在建筑限界的基础上预留5～15 cm作为施工误差。

建筑限界分为矩形隧道建筑限界、马蹄形隧道建筑限界、圆形隧道建筑限界、高架线及地面线建筑限界和车辆段车场线建筑限界。建筑限界是双边控制线与底板线（或顶板线）互算的重要依据之一。

2.4 桥梁

桥梁主要承受桥梁自重、道床及车辆动荷载等。桥梁一旦建成，其最大承载力就很难再加大，因此，施工图设计阶段，设计人员都会在满足承受桥梁自重、道床及车辆动荷载的条件下，留有一定的富余量。而调坡设计时需与桥梁专业人员进行沟通，把桥梁富余量换算为道床高度。

根据《地铁设计规范》，高架标准段桥梁整体道床厚道在500～520 mm，道床存在最小的施工厚度为500 mm。

2.5 底板线和顶板线

得到土建断面测量数据后，根据线路里程将每个断面的底板高程输入到地铁线路设计CAD软件纵断面界面中（可根据不同设计软件批处理输入，如科宝华有绘制地面线功能等），可在轨面线下方出现一系列离散点，将这些离散点依次连接得到底板线，同样方法也可得到顶板线。底板线或顶板线是确定双边控制线的基础。

2.6 双边控制线

城市轨道交通常见的土建基础可分为地下隧道、高架桥梁和路基3类，根据不同土建形式介绍其双边控制线的确定方法。

2.6.1 地下隧道

地下隧道施工工法可分为盾构法、矿山法、明挖法等。本文以国内常见单线单洞盾构为例来介绍双边控制线的确定方法，其他工法隧道可通过类比得到。

国内常用的单线单洞盾构内径主要有5.5 m（如上海、南京等东南地区）和5.4 m（如广州、深圳等华南地区）2种，与之适应的限界均为直径5.2 m的圆形隧道建筑限界［10］，即在限界圆上、下空间各预留0.15 m 或0.1 m的施工富余量，这个富余量也是调坡优化设计时可上下移动的量。

根据圆形隧道建筑限界，只要轨面距顶板或底板的距离大于限界所需距离（如图2所示），即可满足限界要求。

得到盾构断面测量数据后，在地铁线路设计CAD软件纵断面界面中绘制底板线和顶板线。根据盾构建筑限界资料，把底板线向上偏移H值，即可得到双边控制线的下线；同样把顶板线向下偏移D值，即可得到双边控制线的上线。双边控制上、下线之间的区域即为轨面线调整范围，如图3所示。

图2 盾构隧道限界图Fig.2 Demarcation of shield-bored tunnel

图3 盾构隧道双边控制线示意图Fig.3 Double side control lines of shield-bored tunnel

2.6.2 高架桥梁

根据《地铁设计规范》，高架桥梁整体道床厚道在500～520 mm，道床施工存在的最小厚度是确定双边控制线下线的依据。同时桥梁设计过程中，其最大承载力在满足桥梁自重、车辆荷载和道床荷载的条件下，需留有一定富余量。因此，在桥梁满足自重、车辆荷载不变的条件下，其承载的富余量可通过计算转化为道床高度，从而得到双边控制线的上线。

得到高架桥断面测量数据后，在地铁线路设计CAD软件纵断面界面中绘制底板线。根据轨道资料和桥梁资料，把底板线向上偏移h值，即可得到双边控制线的下线；把底板线向上偏移d值，即可得到双边控制线的上线。双边控制上、下线之间区域即为轨面线优化调整范围，如图4所示。

2.6.3 路基段

路基段调坡设计相对容易，路基段道床放置在加固后的路基之上，道床厚度无上限约束，因此不存在双边控制线的上线（或上限），而双边控制线的下线与道床形式密切相关。若是整体道床，轨面与底板的距离不小于道床施工的最小厚度；对于碎石道床，由于可通过削减或加高路基高度来满足铺轨要求，不存在双边控制线的下线（或下限）。

图4 高架线双边控制线示意图Fig.4 Double side control lines of elevated bridge

3 实例分析

南京机场线是连接高铁南京南站和禄口机场的南北快线，途经禄口新城、东善桥－秣陵片区、东山副城西侧，止于南京南站。线路正线全长约35.8 km，其中高架段长约16.9 km，过渡段长约0.7 km，地下段长约18.2 km。2012年11月份中旬开始进行线路调线调坡设计，2013年12底完成全线的调线调坡工作。本文以南京机场线为例，利用双边控制法进行调坡优化设计，结合调线调坡过程具体实例说明其特点。

3.1 可视化效果好

轨面线、底板线或顶板线在同一个界面中，且里程一一对应，因此轨面与底板或顶板相对位置一目了然。

以胜太路站及其南侧（小里程）盾构区间为例，双边控制线分别由隧道顶板线和隧道底板线偏移得到，如图5所示。

图5 胜太路站及其南侧盾构隧道Fig.5 Double side control lines of Shengtailu station and shieldbored tunnel

3.1.1 快速判别突变数据

处理数据过程中，常常会出现一些突变数据（如图5中表现为突变点），传统判别方法需要计算测量点的轨面高程，通过换算得到理论的底板和顶板高程，再对照比较判别突变数据是测量错误还是由设计引起的，这种方法不仅耗工耗时，且判别准确性不高。而双边控制法具有可视化效果好，能快速判别这些突变数据的特点。如图5所示，A1点为底板测量数据，是由测量错误引起的，应提请测量单位复测；A2突变点为靠近车站端头的底板数据，应为盾构始发井底板加深位置，是由设计引起的；B2点为靠近车站顶板数据，应为盾构始发井加高位置，也是由设计引起的。

3.1.2 快速判定侵限点

双边控制法的上、下线是由隧道顶板线和底板线根据限界要求偏移得到的，若双边控制线与轨面线存在交点，则说明不满足限界要求。如图5所示，b1点为明挖与盾构分界点，常常出现侵限现象，只需对该点及其前后进行调坡优化设计即可。

3.2 调坡设计自动化

双边控制法将地铁线路设计CAD软件推广到线路调坡设计中，线路调线调坡前的成果可继续使用，避免将数据重新输入平纵断面。还可充分发挥线路设计软件自身优势，轨面线上增加或删除变坡点、改变坡长和坡度均可以自动生成，且坡度和坡长取整相对容易，利于轨道施工。以南京机场线为例，线路调线调坡之前阶段平纵设计均采用科宝华地铁平纵断面CAD系统，因此调坡前可利用之前的成果，轨面线调整可自动生成，实现了调坡设计的自动化。

3.3 工作效率高

长期以来，设计人员一直以手工计算的方式进行调坡设计，该方法可视化差、需循序渐进且要试坡。由于事前无法判断侵限位置，只能按照里程由小到大（或由大到小）的顺序，反复调整坡长、坡度来试算，直至纵坡满足要求为止，因此，耗时长，人为因素大，且效率低。而南京机场线采用双边控制法，可迅速判断侵限位置，并针对性调坡，且调坡成果自动生成，大大提高了工作效率。

4 结论与讨论

利用双边控制法将既有地铁线路设计CAD软件推广至调坡阶段，使调坡设计可视化，实现了针对性调坡（对地铁侵限段而言）；利用地铁线路设计CAD软件实现调坡设计自动化，调坡设计时坡度、坡长易于取整，利于轨道施工，提高了工作效率。但需注意的是：双边控制法只是一种快速调坡使之满足竖向限界要求的方法，所得结果不一定为最优解，需要结合线路技术标准、道床类型等因素进行综合考虑。因此，希望通过此方法，能为今后轨道交通调坡设计提供借鉴和参考。

（References）：

［1］ 李连生.地铁既有线改扩建工程中线路调线调坡测量技术的研究与应用［J］.城市轨道交通研究，2013，16（3）：107－111.（LI Liansheng.Survey technology in adjusting route alignment and gradient in the improvement of existing subway lines［J］.Urban Mass Transit，2013，16（3）：107－111.（in Chinese））

［2］ 郭俊义.调线调坡设计以及对线路设计的启示［J］.城市快轨交通，2011，24（5）：31－33.（GUO Junyi.Inspiration for line design from adjusting alignments and grades［J］.Urban Rapid Rail Transit，2011，24（5）：31－33.（in Chinese））

［3］ 赵强.武汉2号线调线调坡设计研究［J］.铁道工程学报，2013（10）：100－105.（ZHAO Qiang.Research on adjustments of track and gradient of line 2 of Wuhan Metro ［J］.Journal of Railway Engineering Society，2013（10）：100－105.（in Chinese））

［4］ 李洪强.苏州轨道交通调线调坡技术研究［J］.铁道建筑技术，2013（11）：38－40.（LI Hongqiang.Research on line and slope adjustment technology of Suzhou rail transit［J］.Railway Construction Technology，2013（11）：38－40.（in Chinese））

［5］ 陈剑伟.浅谈城市轨道交通线路设计［J］.交通科技，2013（3）：119－122.（CHEN Jianwei.Discussion on railway route design of urban rail transit［J］.Trasportation Science＆Technology，2013（3）：119－122.（in Chinese））

［6］ 刘志雄.无锡地铁调线调坡技术研究［J］.铁道勘测与设计，2013（3）：52－57.（LIU Zhixiong.Study on the lineslope fine-tuning design techniques for the Wuxi Metro［J］.Railway Survey and Design，2013（3）：52－57.（in Chinese））

［7］ 李家稳，张海燕，韩宝明.地铁调线调坡中双边线形约束方法的研究［J］.铁道学报，2010，32（5）：125－129.（LI Jiawen，ZHANG Haiyang，HAN Baoming.Study on the line-slope fine-tuning design techniques for the Metro line ［J］.Journal of the China Railway Society，2010，32（5）：125－129.（in Chinese））

［8］ 蒋勇.城市轨道交通调线调坡测量中圆隧道横断面测量方法的探讨［J］.城市勘测，2011（1）：142－144.（JIANG Yong.The methods of circle tunnels cross-section survey in the line and slope fine-tuning survey in urban rail transit ［J］.Urban Geotechnical Investigation＆Surveying，2011 （1）：142－144.（in Chinese））

［9］ GB 50157—2003地铁设计规范［S］.北京：中国标准出版社，2003.（GB 50157—2003 Code for design of Metro ［S］.Beijing：Standards Press of China，2003.（in Chinese））

［10］ CJJ 96—2003地铁限界标准［S］.北京：中国建筑工业出版社，2003.（CJJ 96—2003 Standard of Metro gauges ［S］.Beijing：China Architecture＆Building Press，2003.（in Chinese））

Application of Double Side Control Method in Fine-tuning Design of Line Slope of Metro Works

LIU Yanchen
（Guangzhou Metro Design＆Research Institute Co.，Ltd.，Guangzhou 510010，Guangdong，China）

The Metro design quality and the construction schedule would be affected due to the lack of simple and practical software on fine-tuning design of the line slope of Metro works.As a result，double side control method is proposed.The determination of the double side control lines of the elevated bridges and tunnels of Metro works is systematically presented on basis of the survey data，the Metro demarcation data and the bridge data.The Metro line design software is applied in the fine-tuning of the line slope of Metro works，which achieves automatic and visual finetuning design of line slope of Metro works and improves the working efficiency.The method has been successfully used in the fine-tuning design of the slope of the airport line of Nanjing Metro.The paper can provide reference for the finetuning design of similar works in the future.

double side control method；fine-tuning of line slope；demarcation；tunnel；elevated bridge

10.3973/j.issn.1672－741X.2014.04.008

U 45

A

1672－741X（2014）04－0339－04

2014－01－15；

2014－02－20

刘延晨（1983—），男，陕西延安人，2008年毕业于哈尔滨工业大学交通学院，道路与铁道工程专业，硕士，工程师，现从事地铁、轻轨线路设计工作。