城市轨道交通下穿高速铁路线站位方案研究

任星辰

(轨道交通工程信息化国家重点实验室(中铁一院),西安 710043)

引言

城市轨道交通具有方便快捷、载客量大、人均耗能低等优势,在服务社会、拉动内需和支撑城市发展方面作出了重大贡献,与此同时,我国已经拥有了全世界最高运营速度及最大规模的高速铁路网。城市轨道交通和高速铁路的大规模建设必然会使两者的线路在特定的空间上产生交叉[1-2]。城市轨道交通穿越既有高速铁路的方式包含下穿和上跨既有线两种形式。为减小对既有交通和土地占用的影响,同时降低对周围环境和工程建设成本的影响,目前主要形式为城市轨道交通下穿既有高速铁路线路[3]。对于城市轨道交通区间下穿高速铁路,首先应确定合理的线站位方案,而实现合理的线站位不仅要考虑高铁站周边的现状和规划条件,更重要的是不可忽略“下穿高铁”这项十分重要的边界条件[4-5]。合理的线站位可能会发挥事半功倍的效果,在兼顾现状和规划的同时,能够降低对铁路工程的影响、降低与铁路部门的协调难度[6]。

1 拟建工程概述

西安地铁1号线贯穿西安、西咸、咸阳三地,形成都市区线网规划的东西向主骨架线路,是推动西咸一体化发展的交通纽带。徐兰高铁是我国“四纵四横”高速铁路网中横向高铁干线,咸阳秦都站位于陕西省咸阳市秦都区玉泉西路,于2013年底实现通车运营。1号线三期工程的重要功能之一是衔接咸阳秦都高铁站,提升区域性交通枢纽配套能力,基于衔接秦都高铁站的功能,线路下穿徐兰高铁是势在必行,无法避免。下穿铁路段为秦都站—宝泉路站,地铁区间隧道与高铁线路基本形成垂直交叉。

徐兰高铁秦都站两侧为路基段,路基段外侧为高架段,结合周边的市政道路,彩虹二路与徐兰高铁相交处为路基段,彩虹二路西侧、东侧的咸平路、咸通路与徐兰高铁段为高架段,线路从桥梁段下穿可降低下穿风险,提高施工安全性。秦都高铁站、咸平路、彩虹二路、咸通路周边基本为城市建成区,布置有居住高层小区、办公楼等,部分区域为中低层建筑。秦都站—秦皇南路站段,结合沿线周边环境、下穿高铁、用地规划及客流分布,有多条路由可供选择,因此,需要重点研究比选[7]。

2 秦都站—秦皇南路站段走向研究

西安地铁1号线三期工程沿彩虹二路敷设并下穿徐兰高铁,考虑距彩虹二路西侧1.47 km的咸平路、东侧2.08 km的咸通路为铁路桥梁段落,线路从桥梁段下穿可降低下穿风险,提高施工安全性。为此,根据道路现状、周边用地性质及未来规划条件研究了3个行走路径方案[8],如图1所示。

图1 西安地铁1号线秦都站—秦皇南路站段线路走向方案比选

2.1 彩虹二路方案

线路沿彩虹二路—世纪大道敷设,比选范围内线路正线长6.52 km,出入线长1.28 km,设车站5座,其中换乘站3座,如图2所示。

图2 线路沿彩虹二路通道线站位方案示意

方案优点:沿线规划以居住、商业、教育用地为主,且基本已实现规划,客流吸引条件好;对咸阳市主城区及渭河南岸片区客流服务较好;线路较为顺直,仅采用1处400 m小半径曲线;仅下穿1处地块,且预留下穿廊道;未下穿既有建筑物。

方案缺点:区间下穿徐兰高铁路基段,沉降控制要求较高;为安全穿越徐兰高铁路基段,秦都站、宝泉路站需调整为地下三层站。

2.2 咸平路方案

线路沿玉泉西路—咸平路—渭阳西路—彩虹二路—世纪大道敷设,比选范围内线路正线长9.02 km,出入线长1.36 km,设车站5座,其中换乘站3座,如图3所示。

方案优点:区间下穿徐兰高铁桥梁段,对轨道沉降控制较为有利;对咸阳市主城区及渭河南岸片区客流服务较好。

方案缺点:咸平路位于咸阳市西部边缘,西侧规划为工业用地,偏离主客流走廊,对客流服务较差;采用3处R=350 m、1处R=400 m小半径曲线,运营条件较差;线路绕行,正线长度增加2.5 km,大于公共交通线路非直线系数1.4;正线切割4处地块,其中咸平路转向渭阳西路曲线下穿10栋楼房(6层)、渭阳西路转向彩虹二路曲线下穿7栋楼房(3栋18层、3栋6层,1栋2层);出入线切割1处地块,玉泉西路转向经电北路曲线下穿市场监督管理局(12层);下穿楼房处,地铁运营振动对居民影响较大。

2.3 咸通路方案

线路沿玉泉西路—咸通路—世纪大道敷设,比选范围内线路正线长5.99 km,出入线长2.55 km,设车站5座,其中换乘站3座,如图4所示。

图4 线路沿咸通路通道线站位方案示意

方案优点:区间下穿徐兰高铁桥梁段,对轨道沉降控制较为有利。

方案缺点:渭河南岸世纪大道段(西咸核心区)客流覆盖效果差;与18号线客流吸引范围高度重叠;对咸通路以西咸阳市主城区的大片区域客流覆盖服务较差;采用2处R=350 m小半径曲线,运营条件相对较差,且限速段落较长;出入线长度增加1.27 km;正线切割2处地块,其中玉泉西路转向咸通路曲线下穿9栋楼房(1栋24层,8栋6层)、咸通路转向世纪大道曲线下穿2栋楼房(29层);出入线切割1处地块,玉泉西路转向浴康路曲线下穿1栋楼房(33层);下穿楼房处,地铁运营振动对居民影响较大。

3个线路走向方案的比选见表1。

表1 西安地铁1号线秦都站—秦皇南路站段线路走向方案比选

综合比选分析,沿彩虹二路方案规划符合性好;线网均衡性好,车站选址合理,客流吸引条件好;线路较为顺直,仅采用1处R=400 m小半径曲线;仅下穿1处地块,且对穿越廊道进行了预留;基本可绕避沿线既有建筑物,因此,推荐采用沿彩虹二路方案[9-11]。

3 推荐通道方案(彩虹二路方案)深化研究

3.1 线路下穿高铁路基方案

西安地铁1号线三期秦都站设置于彩虹二路与玉泉西路路口,为地下三层岛式站台车站,线路出秦都站后向南沿彩虹二路下穿徐兰高铁路基段,后于宝泉路路口设宝泉路站,宝泉路站为地下三层岛式车站[12-14]。

(1)线路条件

秦都站—宝泉路站区间线路顺直,无需限速运行,且轮轨磨耗小。

(2)运营条件

①配线型式满足系统能力要求,并留有一定富余量。

②站前、站后双折返进路,运营组织较为灵活,故障应对能力强。秦都站配线方案示意如图5所示。

图5 秦都站配线方案示意

(3)车站建筑

①秦都站:秦都站位于玉泉西路与彩虹二路十字交叉口,为地下三层14 m岛式站台车站,框架结构,地下一层为物业层,地下二层为站厅层,地下三层为站台层。秦都站总平面如图6所示[15-16]。

图6 秦都站总平面

优点:a.车站位于玉泉西路和彩虹二路路口处,更有利于大比例的客流服务(高铁站乘降客流仅5 500人/d);b.车站埋深较浅,使用功能较好;c.车站采用明挖法施工,实施难度较小。

缺点:与高铁站换乘距离较远。

②宝泉路站:距离路口较近,客流吸引较好;换乘距离短,换乘方式便捷。

宝泉路站总平面如图7所示。

图7 宝泉路站总平面

(4)秦都站—宝泉路区间

区间总长约672 m(双延米),隧道与徐兰高铁交角约为93°,下穿段落位于咸阳秦都站站场西侧。秦宝区间下穿铁路总平面如图8所示。

图8 秦宝区间下穿铁路总平面

隧道两端秦都站与宝泉路站均为地下三层站,下穿徐兰高铁处拱顶距离CFG桩底约3.235 m。区间采用盾构法下穿,隧道结构顶部距离水泥土垫层13.0～13.8 m,隧道穿越地层主要为粉质黏土,地下水位位于拱顶以上约6 m。本方案基本未产生拆迁量,区间工程本体投资约为7 392万元。秦宝区间下穿铁路剖面如图9所示。

图9 秦宝区间下穿铁路剖面

优点:平面上线形平直,与徐兰高铁基本正交,有利于盾构施工姿态控制,盾构区间无需切割高铁CFG桩,对高铁的变形控制较好;线路沿彩虹二路敷设未下穿既有建筑物。

缺点:车站埋深相对较深,规模相对较大[17]。

(5)出入线及停车场

①出入线方案:停车场出入线于秦都站小里程端接轨后沿彩虹二路向北敷设,出入线总长1 277.195 m,采用暗挖法+明挖法施工。

②停车场方案:珠泉路停车场场坪高程定为405.5 m,为地上停车场。工程实施难度相对较小,工程投资相对较少[18]。

3.2 下穿高铁路基方案沉降控制

为确保推荐的线站位方案合理性和可行性,采用Midas GTS-NX三维有限元软件,动态模拟了盾构下穿高铁站场路基段对高铁路基的影响。计算工况采用了下穿徐兰高铁段的计算断面,分析施工各阶段盾构掘进对徐兰高铁道床和陇海线道床的影响[19]。针对该工况的地质条件,建立盾构与地层开挖模型,研究盾构机掘进过程地层损失和机械力引起的道床变形和地层变形。选取推荐方案进行数值模拟分析,盾构隧道与CFG桩底净距为3.235 m。盾构施工完成后高铁沉降、道床位移和CFG桩沉降分别如图10～图13所示[20]。

图10 盾构施工完成后高铁道床沉降云图

图11 盾构施工完成后高铁道床纵向位移云图

图12 盾构施工完成后高铁道床横向位移云图

图13 盾构施工完成后CFG桩沉降云图

由以上等值线图可以看出,区间隧道盾构穿越施工完成后,高铁道床的竖向位移表现为隧道上方一定区域出现了沉降,沉降最大值8.68 mm。水平位移方面,道床纵向位移最大值仅为0.20 mm,横向位移最大值仅为0.44 mm。高铁道床沉降小于10 mm,满足沉降控制要求。综上,推荐的线站位方案满足高铁沉降要求,技术可行。

4 结语

铁路客运枢纽站通常引入多条城市轨道交通线路打造综合立体交通中心,但由于城市规划的不断完善和建设时序差异,轨道交通线路不可避免会下穿运营的高速铁路。下穿高铁具有工作内容多、技术要求高、研究难度大、协调部门多等特点,而合理选择线站位是研究的基础工作。

通过西安地铁1号线下穿徐兰高铁路段的研究,对比线路沿彩虹二路、咸平路、咸通路3个通道方案,考虑各种线站位影响因素后,推荐沿彩虹二路方案。基于工程建设和运营条件对高铁影响的考虑,深化研究了1号线彩虹二路方案的平纵断面详细设计、站位埋深及与相关建(构)筑物的位置关系,利用模拟软件详细推演了1号线下穿高铁段在施工和运营过程中,引起高铁的竖向沉降、道床纵向位移、道床横向位移等,经验证可控制在高速铁路规范要求的标准内。本文研究成果可为城市轨道交通线路下穿运营高速铁路的线站位选择提供借鉴。