浅析金义东城际铁路工程交直流制式对土建的影响

2022-11-14

1 研究背景

金华—义乌—东阳城际铁路工程的上位规划是2012年的浙江省铁路网规划及2014年的浙江省都市圈城际铁路近期建设规划, 在该报告中, 本项工程推荐为交流制式。在项目工可研编制过程中, 结合本工程实际, 从本工程功能定位, 速度目标值, 行车组织、车辆选型、供电方案、资源共享以及技术及经济等方面进行了专题研究, 本文着重从土建工程角度分析其影响。

2 工程概况

金华-义乌-东阳城际铁路由金华—义乌段和义乌—东阳 (横店) 段两条线路组成, 两线在义乌市秦塘站呈双岛四线同站台换乘, 同时具备金华——义乌——东阳方向的贯通运营条件。

金义段长58.021km, 其中地下线11.931 km, 过渡段长约2.02km, 下穿铁路U型槽长约1.46km, 下穿铁路路基段长约0.92km, 高架线长约41.69km。全线共设站14座, 其中地下站5座, 高架站9座, 因开行大站快车的需要, 设越行车站3座, 平均站间距约4.135km。全线共设一段一场, 在塘雅站附近设塘雅车辆段、在官塘下站附近设停车场。

线路总长45.81km, 其中地下线8.48km, 过渡段U型槽长约1.71km, 高架线长约31.32km, 山岭隧道线长约4.29km。全线共设站15座, 其中地下站4座, 高架站11座。平均站间距约3.27km。全线设一段一场, 在罗屏站附近设车辆段, 在义乌高铁站附近设停车场。

结合本线特点, 拟采用的系统制式有直流制式和交流制式两种备选方案。

根据行车及线路专业资料, 当牵引供电系统采用直流1500V供电时, 本线速度目标值为120km/h, 车辆选型采用地铁A型车 (6辆编组) ;当牵引供电系统采用交流25k V供电时, 本线速度目标值为140km/h, 车辆选型采用交流市域动车组 (6辆编组) 。

3 土建工程分析

3.1 线路条件分析

就系统制式而言, 交流制式适用于站间距离较长、速度目标值较高 (一般高于100km/h) 、运输距离较长的电气化铁路;而城市轨道交通普遍采用的直流制式则主要用于城市大运量、车站密度大、速度目标值低于100km/h的线路。

由上表可知本线工程小曲线半径:2处R-350, 10处R-450m的曲线半径, >450m、≤1000m的曲线半径有17处。这些半径长度分别占金义段、义东线全线比例11.4%、20.3%, 占比不大, 线路条件较好, 120、140km/h限速地段少。

3.2 隧道断面比选

(1) 直流制式+A/B车型典型断面

盾构内径为5.5m、外径6.2m的断面仅适用于隧道内行车速度小于100km/h, 超过100km/h将会对乘客舒适度产生较大影响。国内采用盾构内径为5.4m/5.5m的地铁线路, 当运营时速达到120 km时, 已有部分司乘人员出现耳鸣、耳痛等身体不适的情况, 如广州地铁3号线、香港地铁新机场快线等, 这是由于隧道空气动力学效应所致。因此, 如若选择此断面, 则将来开通运营时需在隧道内限速通过。

如果隧道内不限速运营, 采用单洞单线隧道断面时, 在满足行车建筑限界要求的基础上, 结合空气动力学的计算分析成果和已有工程经验, 120km/h的最大行车速度需选用6.0m内径、6.7m外径的盾构隧道断面 (如下图所示) , 深圳地铁11号线、东莞R1/R2线、厦门轨道交通4号线、杭州至临安城际铁路 (120km/h, 1500V架空接触网, B型车) 等采用该断面。

(2) 25k V交流制式+动车组典型断面

采用25k V交流制式+动车组方案, 供电电压高, 绝缘距离增加, 导致隧道断面相对1500V/750直流制式要大;动车相对A/B型地铁车辆断面面积要大, 若阻塞比相同, 动车需要的隧道断面大。故相对直流制式+A/B型车来说, 25k V交流制式+动车组的隧道断面要大 (明挖、矿山、盾构等隧道工法断面相应加大) 。以下是国内几条较典型的采用25k V交流制式+动车组的工程案例:

(1) 长株潭城际铁路设计时速160km, 采用25k V交流制式+动车组, 盾构隧道断面内径8.1m, 管片厚度450mm, 外径为9.0m。

(2) 珠海市区至珠海机场城际轨道交通工程设计时速160km, 采用25k V交流制式+动车组, 盾构隧道断面内径8.1m, 管片厚度450mm, 外径为9.0m (与长株潭城际铁路一致) 。

(3) 穗莞深城际铁路设计时速140km, 采用25k V交流制式+动车组, 盾构隧道断面内径7.7m, 管片厚度400mm, 外径为8.5m。

(4) 台州市域铁路S1线设计时速140km, 采用25k V交流制式+动车组, 盾构断面内径7.7m, 管片厚度400mm, 外径为8.5m。

本工程如采用140km设计时速和25k V交流制式+动车组方案, 根据现有国内同时速、同制式工程案例, 结合本工程限界要求和空气动力学的计算分析成果, 盾构隧道断面需达到内径7.7m, 外径8.5m (管片厚度400mm) 的尺寸要求。

3.3 高架桥梁

1) 桥面布置形式与构造措施

在线路高架地段, 各类系统的设备均需设置在桥梁结构上, 桥面上通过和摆放的各种设施较多, 涉及诸多专业.同时桥面的布置与构造形式也直接影响到桥梁的梁部结构、墩台及基础设计, 与桥跨结构总体投资及后期使用的耐久性、养护维修也有着密切的关系。

按照本线建筑限界要求, 并根据桥面构筑物的功能、安装要求及前期研究结果, 桥面各构筑物布置形式如图3-3、3-4。

2) 荷载

市域铁路和城市轨道交通这两种制式的荷载类型及组合方式均参照了现行的《铁路桥涵设计规范》, 主要差别为竖向静活载, 其他几项指标如离心力、制动力、横向摇摆力等均相同或差别很小, 活载的差别来自于采用的机车车辆不同。

3) 结构变位限值

(1) 沉降

市域铁路:墩台均匀沉降量50mm, 相邻墩台沉降量之差10mm;

城市轨道交通:墩台均匀沉降量50mm, 相邻墩台沉降量之差20mm。

(2) 墩顶位移

市域铁路:顺桥方向△≤3.5, 横桥方向△≤3.5;

城市轨道交通:顺桥方向△≤5, 横桥方向△≤4。

(3) 两种制式梁部结构尺寸及每公里墩台个数对照表:

3.4 车站建筑

1) 车站规模

根据行车计算, 新建金华—义乌—东阳城际轨道交通工程如若采用直流制式, 为A型车6节编组, 站台长度为140m, 采用交流制式, 为CRH车型6节编组, 站台长度也为140m。

直流制式站台层变电所房间较多, 故标准地下站长度会增加约8-10m。因交流制式选用车型较大, 受限界影响, 地下标准站较直流制式宽800mm;高架车站较直流制式宽300mm

2) 车站高度

因接触网高度不同, 无论地下站、高架站, 交流制式车站一般比直流制式车站高度增加约1.5m。

3) 功能布局

两种制式所需配套车站管理及设备用房最主要差异性为站台层变电所。直流式车站以牵混所为例, 布置有检修室、0.4KV开关柜室、高压开关柜室以及整流变压器室;交流式车站变电所主要为20/400V综合变电所, 变电所面积较小。其余通信、信号、AFC等设备用房差异性较小。

3.5 车站结构

对于车站结构而言, 各种速度目标值的车站结构形式无差异, 地下车站埋深略有差异, 交流方案工程投资根据车站埋深会比直流方案增加。

3.6 车辆段及停车场

交直流车辆段场内均配置自动洗车机、不落轮镟床、架车机等大型设备, 库内均设三层作业平台, 其他维修工装根据车体结构不同有所不同。交流车辆车体宽度比直流车辆宽, 车辆段场内股道间距较大, 由于修程修制的不同, 交流车辆段场存车线不设置库房, 直流车辆段场停车列检线需设置库房。就功能而言, 交直流车辆段场均为车辆停放检修场地, 由于车辆特征不同, 相应场内配置有所差异, 而具体工程费用需结合规模、用地条件、土建及系统设备等综合确定。

4 土建经济分析

全网140km/h交流土建工程较120km/h直流投资增加13.53亿元。高架桥梁区间因交流制式桥面较宽, 指标提高, 交流制式投资增加0.36亿元;地下隧道区间交流隧道管片外径8.5m, 断面较大, 投资增加13.81亿;明挖区间投资增加1.54亿, 矿山法投资增加0.12亿;车站因主要因为埋深增加, 全线四座地下标准站约增加2800万, 金华站约增加1400万, 电大街站约增加1700万元, 金华南站约增加1000万元, 秦塘站约增加1700万, 浙大附属医院站约增加1000万, 其余高架站基本忽略影响, 车站共增加0.96亿元;车辆段与综合基地建筑, 因直流供电制式车辆需在库房内停放, 而交流供电制式车辆可在露天停放, 故直流制式投资增加3.26亿, 如下表所示: