摘 要：為適應(yīng)城市軌道交通線路調(diào)線調(diào)坡設(shè)計(jì)需求，文章基于線路設(shè)計(jì)理論和限界標(biāo)準(zhǔn)，通過CAD 二次開發(fā)，研發(fā)調(diào)線調(diào)坡設(shè)計(jì)系統(tǒng)。該系統(tǒng)首先對以結(jié)構(gòu)底板作為測量基準(zhǔn)線的測量結(jié)果進(jìn)行修正，然后建立以設(shè)計(jì)軌面為坐標(biāo)系橫軸的各結(jié)構(gòu)斷面類型的方程式，快速準(zhǔn)確地對限界進(jìn)行檢查。該系統(tǒng)采用的數(shù)據(jù)以隧道結(jié)構(gòu)底板作為測量基準(zhǔn)線，自動對測點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正并進(jìn)行限界檢查工作，能大大減小現(xiàn)場測量工作者的工作量，提高設(shè)計(jì)工作效率。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通;線路設(shè)計(jì);調(diào)線調(diào)坡;CAD 輔助設(shè)計(jì)

中圖分類號：U212.32

1 調(diào)線調(diào)坡設(shè)計(jì)概述

調(diào)線調(diào)坡設(shè)計(jì)是土建結(jié)構(gòu)完工之后，軌道鋪設(shè)和設(shè)備安裝之前的一項(xiàng)重要工作。土建施工往往存在誤差，與設(shè)計(jì)方案不一致。為消除由于隧道、車站等土建結(jié)構(gòu)中心線偏離設(shè)計(jì)線位產(chǎn)生的影響，避免產(chǎn)生侵入限界的情況，工程師會依據(jù)測量結(jié)果，與理論限界值進(jìn)行對比，分析偏差大小和趨勢，在原設(shè)計(jì)線位基礎(chǔ)上進(jìn)行線路調(diào)整，再重新檢查限界侵限情況，直至限界滿足要求。當(dāng)調(diào)線調(diào)坡也無法消除施工誤差的影響時(shí)，就需要對土建結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造或者調(diào)整設(shè)備安裝位置。

在調(diào)線調(diào)坡設(shè)計(jì)方面，袁士濤等提出基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)地鐵限界檢測及調(diào)線調(diào)坡設(shè)計(jì)自動化的研究思路 [1]，任博文進(jìn)行了城市軌道交通調(diào)線調(diào)坡測量軟件的開發(fā)[2]，蔣勇提出采用空間圓擬合法對調(diào)線調(diào)坡測量中圓形隧道橫斷面進(jìn)行擬合[3]，黃鉑清提出基于遺傳算法的調(diào)線調(diào)坡優(yōu)化設(shè)計(jì)方法[4]，李家穩(wěn)提出地鐵調(diào)線調(diào)坡設(shè)計(jì)中基于距離法和面積法的優(yōu)化算法[5]，李家穩(wěn)、張海燕等提出地鐵調(diào)線調(diào)坡雙邊線形約束模型[6]，明杰進(jìn)行了調(diào)線調(diào)坡計(jì)算方法的研究[7]，楊亢亢等對隧道施工偏差和限界監(jiān)測進(jìn)行了研究[8]，孔令洋對地鐵限界系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理進(jìn)行研究并開發(fā)了限界設(shè)計(jì)軟件[9]，孟凡鐵、陳菊對深圳地鐵調(diào)線調(diào)坡工作進(jìn)行總結(jié)并研究了相關(guān)技術(shù)[10-11]，司耀旺、許兆俊結(jié)合工程調(diào)線調(diào)坡實(shí)踐提出了調(diào)線調(diào)坡設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)[12-13]。但以上研究中調(diào)線調(diào)坡的測點(diǎn)數(shù)據(jù)均是以設(shè)計(jì)軌面為坐標(biāo)系橫軸進(jìn)行測量得到的數(shù)據(jù)，測量員需在隧道內(nèi)先放樣線路中心線再進(jìn)行隧道斷面測量。

本文利用AutoLisp、C++等，在AutoCAD2014平臺上開發(fā)了城市軌道交通調(diào)線調(diào)坡設(shè)計(jì)系統(tǒng)，系統(tǒng)包括項(xiàng)目管理、線路參數(shù)設(shè)置、水平限界檢查、豎向限界檢查4個(gè)功能模塊。本文介紹該系統(tǒng)以隧道結(jié)構(gòu)底板數(shù)據(jù)作為測量基準(zhǔn)線的測點(diǎn)數(shù)據(jù)修正方法，水平、豎向限界檢查模塊的開發(fā)，以及研究中涉及的原理。

2 測量數(shù)據(jù)修正

2.1 隧道偏移修正

城市軌道交通線路在市區(qū)或建筑密集區(qū)常采用的工法是盾構(gòu)法，圓形盾構(gòu)隧道和馬蹄形隧道斷面通常是結(jié)構(gòu)專業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)斷面。根據(jù)GB 50157-2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》 第5.3.5條和CJJ/T 96-2018《地鐵限界標(biāo)準(zhǔn)》，圓形或馬蹄形隧道在曲線超高地段，應(yīng)采用隧道中心向線路基準(zhǔn)線內(nèi)側(cè)偏移的方法，解決軌道超高造成的內(nèi)外側(cè)不均勻位移量。其中豎向位移量按如下公式計(jì)算：

式（1）～（2）中，z'為隧道中心豎向位移;h0為隧道中心至軌頂面的垂向距離;h為軌道超高;α為由于軌道超高而產(chǎn)生的車輛中心線與坐標(biāo)軸之間的夾角，α = sin-1（h /s）;s為左右輪滾動圓間距。

2.2 實(shí)際隧道底板豎向偏差修正

實(shí)測隧道底板和設(shè)計(jì)底板高程往往是存在偏差的，調(diào)線調(diào)坡設(shè)計(jì)中需以實(shí)際隧道底板作為測量基準(zhǔn)線，然而此時(shí)基準(zhǔn)是一個(gè)無規(guī)律的基準(zhǔn)線，設(shè)計(jì)線路中心線卻是一條線形完好的空間曲線。通過建立實(shí)測隧道底板數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)底板數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)關(guān)系，就可以將實(shí)測隧道結(jié)構(gòu)底板數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成以設(shè)計(jì)軌面線為基準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。將實(shí)測隧道底板數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)底板數(shù)據(jù)之差記為?h，則各測點(diǎn)數(shù)據(jù)減去?h，即可得到以軌面高程數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)線的數(shù)據(jù)。

圖1 給出了實(shí)際施工斷面上、下浮動示意圖，圖中虛線代表設(shè)計(jì)隧道，實(shí)線代表實(shí)測隧道。圖1a為實(shí)測隧道較設(shè)計(jì)隧道上浮的情況，表示實(shí)測隧道底板高程大于設(shè)計(jì)隧道底板高程，需將測點(diǎn)高程減去|?h|;圖1b為實(shí)測隧道較設(shè)計(jì)隧道下沉的情況，實(shí)測隧道底板高程小于設(shè)計(jì)隧道底板高程，需將測點(diǎn)高程加上?h。設(shè)?h=設(shè)計(jì)隧道底板高程H設(shè)計(jì) -實(shí)測隧道底板高程H，?h即為底板侵限值（隧道下沉?xí)r，?h>0;隧道上浮時(shí)，?h<0），則對實(shí)測隧道底板高程進(jìn)行修正后得到的測量基準(zhǔn)線高程H修正 為：

設(shè)計(jì)隧道底板高程由設(shè)計(jì)軌面高程、隧道偏移量或者隧道加寬量、軌道超高方式和軌道結(jié)構(gòu)高度共同決定，計(jì)算出設(shè)計(jì)隧道底板與實(shí)測隧道底板的豎向偏差并進(jìn)行測點(diǎn)修正，就可將以實(shí)測隧道底板為基準(zhǔn)的測點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為以軌面高程為基準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。

3 隧道限界方程

3.1 矩形隧道建筑限界方程

（1）直線地段矩形隧道建筑限界方程。矩形隧道建筑限界坐標(biāo)系的建立方法為建立正交于軌道中心線的平面直角坐標(biāo)，如圖2所示。以2根鋼軌軌頂中心線連線的中點(diǎn)o引出的水平坐標(biāo)軸作為y軸，以通過該中點(diǎn)垂直于水平軸的縱軸作為z軸， h1為設(shè)計(jì)軌面至隧道頂板的距離，h2 為設(shè)計(jì)軌面至隧道底板的距離，b1為線路中心線至隧道左邊墻的距離，b2為線路中心線至隧道右邊墻的距離。建立矩形隧道限界方程如下：

（2）曲線地段矩形隧道建筑限界方程，如圖3所示。列車在曲線上運(yùn)行時(shí)作為一個(gè)剛性結(jié)構(gòu)不能隨曲線彎曲，列車轉(zhuǎn)向架中心線與線路中心線不重合，同時(shí)曲線上設(shè)置的超高使得車體向曲線內(nèi)側(cè)偏移。以A型車為例，矩形隧道內(nèi)外側(cè)加寬值E內(nèi)、E外 按下列公式計(jì)算：

當(dāng)線路左轉(zhuǎn)時(shí)，線路中心至左邊墻的限界值應(yīng)在直線段限界的基礎(chǔ)上加上E內(nèi)，線路中心至右邊墻的限界值應(yīng)在直線段限界的基礎(chǔ)上加上E外;當(dāng)線路右轉(zhuǎn)時(shí)，與左轉(zhuǎn)情況相反。

3.2 圓形隧道建筑限界方程

（1）直線地段圓形隧道建筑限界方程。圓形隧道限界方程建立方法同矩形隧道限界方程，如圖4所示，建立其方程如下：

（2）曲線地段圓形隧道建筑限界方程。圓形隧道在曲線超高地段，應(yīng)采用隧道中心向線路設(shè)計(jì)線內(nèi)側(cè)偏移的方法解決軌道超高造成的內(nèi)外側(cè)不均勻位移量，如圖 5所示，位移量按下列公式計(jì)算：

3.3 馬蹄形隧道建筑限界方程

4 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

調(diào)線調(diào)坡系統(tǒng)包括項(xiàng)目管理、線路參數(shù)設(shè)置、水平限界檢查、豎向限界檢查4個(gè)功能模塊。系統(tǒng)通過用戶輸入的平縱斷面數(shù)據(jù)、斷面類型和軌道結(jié)構(gòu)高度、軌道超高類型等數(shù)據(jù)，首先建立各斷面建筑限界方程并進(jìn)行數(shù)據(jù)修正，將以實(shí)測隧道底板為基準(zhǔn)線的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為以軌面高程為基準(zhǔn)線的數(shù)據(jù);再判定斷面位于何種線元段落，確定超高值、加寬值或偏移值的修正系數(shù)（直線上修正系數(shù)為0，圓曲線上為1，緩和曲線上進(jìn)行線性內(nèi)插）;最后根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)與理論限界數(shù)據(jù)之差判定侵限情況。如果限界不滿足要求，則需重復(fù)進(jìn)行平縱斷面調(diào)整設(shè)計(jì)，重新判定侵限情況直至滿足限界要求。調(diào)線調(diào)坡系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程如圖8所示。

5 結(jié)束語

本文采用AutoLisp、C++語言等編程技術(shù)開發(fā)了城市軌道交通調(diào)線調(diào)坡系統(tǒng)，該系統(tǒng)可直接在AutoCAD2014平臺加載運(yùn)行，并支持32或64位操作系統(tǒng)。該系統(tǒng)在深圳地鐵各線調(diào)線調(diào)坡設(shè)計(jì)實(shí)踐表明，以隧道結(jié)構(gòu)底板作為測量基準(zhǔn)線進(jìn)行調(diào)線調(diào)坡，大大減小了現(xiàn)場測量和限界檢查工作量和工作效率。

隨著測量技術(shù)日新月異，基于絕對坐標(biāo)的結(jié)構(gòu)斷面測量，對結(jié)構(gòu)斷面進(jìn)行三維擬合，實(shí)現(xiàn)提取任意位置的斷面尺寸，并結(jié)合BIM技術(shù)對軌道交通線路限界邊界進(jìn)行三維建模，通過三維限界檢查自動地進(jìn)行線路調(diào)線調(diào)坡設(shè)計(jì)是今后研究的方向。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期 2019-09-23

責(zé)任編輯 朱開明