陳羽翔　黃云藝

( 中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司　武漢　430056)

地鐵方案設(shè)計(jì)中控制性因素的確定與解決方法

陳羽翔黃云藝

( 中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司武漢430056)

摘要對(duì)地鐵工程的設(shè)計(jì)思路和方法進(jìn)行了總結(jié)和分析，指出地鐵方案設(shè)計(jì)中的控制因素，針對(duì)這些控制因素提出可行的解決方法，并對(duì)各方法從功能、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等方面進(jìn)行比較和分析，同時(shí)結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，最終確定最優(yōu)化的方案進(jìn)行實(shí)施。

關(guān)鍵詞地鐵工程控制因素線路方案建筑方案結(jié)構(gòu)方案

地鐵工程是一項(xiàng)龐大而復(fù)雜的工程，從工程建設(shè)角度看它具有投資高，周期長(zhǎng)，影響范圍廣等特點(diǎn)。從社會(huì)效應(yīng)角度看它具有高效環(huán)保、方便快捷、推動(dòng)城市發(fā)展的特點(diǎn)[1]。地鐵工程的建設(shè)多數(shù)是在已有城市布局中修建，地面、地下建筑均已成型，地下管線錯(cuò)綜復(fù)雜。這些因素不但控制車站的站位、出入口、風(fēng)亭的設(shè)置，同時(shí)對(duì)區(qū)間線路的布置、走向也有較大的影響[2]。

1　控制因素分類及處理

(1) 控制因素分類。地鐵設(shè)計(jì)的控制因素大致可以分為地面和地下2大部分。地面部分包括：江河湖汊、道路橋梁、既有建筑、規(guī)劃道路、建筑紅線、規(guī)劃區(qū)域用地性質(zhì)、地面交通等；地下部分包括：復(fù)雜的地下管線，城市地下空間開發(fā)的規(guī)劃、不同類型地下交通相對(duì)位置關(guān)系、地層地質(zhì)情況、地下水位、既有建筑地下基礎(chǔ)、地下建構(gòu)筑物等[3]。這些因素往往會(huì)影響到整條地鐵線的車站設(shè)置及線路布局。

以上這些控制性因素，對(duì)地鐵工程有如下幾方面影響：①控制著區(qū)間線路的線形、走向、埋深；②控制著車站的站位、建筑形式、車站埋深等；③決定車站結(jié)構(gòu)方案的選擇。

因此，處理好控制性因素對(duì)方案的影響，將對(duì)設(shè)計(jì)方案的合理性、科學(xué)性、可行性起著決定性的作用。

(2) 實(shí)例分析。以某城市地鐵方案設(shè)計(jì)為例。標(biāo)段內(nèi)共有2座車站和3段區(qū)間。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)踏勘和對(duì)招標(biāo)資料的細(xì)致分析，總結(jié)了對(duì)投標(biāo)方案設(shè)計(jì)起控制性作用的因素有以下幾點(diǎn)：①江廈橋西岸邊，郵政支局9層框架結(jié)構(gòu)樁基礎(chǔ)建筑；②江廈橋的橋樁基礎(chǔ)；③奉化江江底沖刷深度(橋南側(cè)約11m)；④奉化江東岸邊，寧波國(guó)際銀行，10層框架結(jié)構(gòu)，群樁基礎(chǔ)建筑；⑤江東規(guī)劃分局4層框架結(jié)構(gòu)，樁基礎(chǔ)建筑；⑥江東1、2號(hào)橋的橋樁基礎(chǔ)；⑦本標(biāo)段沿線密集的建筑群。

根據(jù)標(biāo)段的特點(diǎn)，需要針對(duì)標(biāo)段方案設(shè)計(jì)的控制性因素從線路、建筑、結(jié)構(gòu)方面逐一解決問題。

2　線路方案的調(diào)整優(yōu)化

2.1線路優(yōu)化原則

(1) 在車站站位基本確定的基礎(chǔ)上，合理選擇并盡量采用較大的曲線半徑，以提高列車運(yùn)行時(shí)的舒適性及減少對(duì)軌道的磨損。

(2) 盡量采用地面道路路中的方案使線路通過，避免過于貼近紅線而造成對(duì)既有建筑物的影響。

(3) 合理選擇線間距，對(duì)于部分困難路段采用適當(dāng)增大或減小線間距的辦法以降低工程實(shí)施難度及減少工程量。

(4) 在允許的條件下，區(qū)間縱斷面盡量采用節(jié)能坡，以滿足節(jié)能的需要。

(5) 考慮縱坡折減等因素，區(qū)間最大縱坡采用28‰，小于規(guī)范的極限值。

(6) 在可能的前提下，盡量減少埋深，尤其是明挖區(qū)間，以減少工程量。

(7) 當(dāng)無(wú)法采用節(jié)能坡時(shí)，盡量選擇較小的坡度值，以避免過大坡度造成車輛運(yùn)行能耗增加。

2.2線路調(diào)整方案

(1) 站位優(yōu)化。江廈橋東站、彩虹北路站均適當(dāng)北移，考慮南側(cè)管線遷改空間及減少對(duì)江東規(guī)劃分局建筑物的影響。

(2) 區(qū)間線路優(yōu)化。天一廣場(chǎng)站-江廈橋東站區(qū)間。江廈橋東站北移后，天-江區(qū)間需下穿北側(cè)建筑物，據(jù)調(diào)查，此建筑物無(wú)基礎(chǔ)，區(qū)間下穿需將其拆除，實(shí)施性較差；故線路調(diào)整為從江廈橋南側(cè)通過，過江后下穿寧波國(guó)際銀行(樁基)。為使線路不過多穿過建筑物樁基，同時(shí)在江西側(cè)不影響東門郵政支局(混凝土9層)，通過調(diào)整線間距、左右線不平行等方法，使線路避開江廈橋橋樁、江廈橋防撞墩樁基，同時(shí)最小程度影響寧波國(guó)際銀行樁基。本區(qū)間右線最小平曲線半徑為350m。

彩虹北路站-櫻花公園站區(qū)間。本區(qū)間主要控制點(diǎn)為江東規(guī)劃分局(混4層，樁基)及中山東路后塘河橋。結(jié)合彩虹北路站站位調(diào)整，本區(qū)間左線從江東規(guī)劃分局與其北側(cè)建筑物(混6層)之間穿過，不影響兩建筑物樁基，通過后設(shè)置半徑400m平曲線右轉(zhuǎn)，與櫻花公園站左線相接。同樣為避開規(guī)劃局建筑樁基，右JD33曲線半徑由450m增大到700m。

原線路方案見圖1，線路優(yōu)化成果見圖2。

圖1　原線路方案

圖2　線路優(yōu)化成果圖

2.3多方案的車站、線路方案比較

天一廣場(chǎng)站為地下3層車站，江廈橋東站為地下2層車站，且線路從江廈橋南側(cè)下穿奉化江，根據(jù)河床沖刷線高程(-11m)且區(qū)間盾構(gòu)頂覆土厚度不小于5m的要求，對(duì)區(qū)間高程進(jìn)行控制。從天一廣場(chǎng)站出來(lái)后采用28‰下坡(坡長(zhǎng)204m)，在控制區(qū)間最大埋深的前提下采用17.52‰上坡(坡長(zhǎng)164m)，最后采用28‰上坡(坡長(zhǎng)250m)接至江廈橋東站。

江廈橋東站與彩虹北路站車站中心軌面高程相差僅0.14m，2站基本持平。因此在該區(qū)間內(nèi)設(shè)置節(jié)能坡。同時(shí)考慮為使區(qū)間埋深不致過大，區(qū)間最大縱坡采用17.72‰上坡(坡長(zhǎng)290m)，江廈橋東站前坡度采用15‰(坡長(zhǎng)340m)。

櫻花公園站站前設(shè)置單渡線，因此配線范圍內(nèi)縱坡坡度采用與車站同坡(2‰)。因區(qū)間最低點(diǎn)需設(shè)置橫通道，而其位置需避開規(guī)劃局建筑范圍，同時(shí)考慮到區(qū)間埋深不致過深，所以彩虹北路站出站后采用3‰下坡(坡長(zhǎng)170m)，然后設(shè)置8.74‰上坡(坡長(zhǎng)260m)接至櫻花公園站坡度。

同時(shí)依據(jù)規(guī)范要求，豎曲線之間夾直線應(yīng)不小于50m。因奉化江處坡差較大(45.52‰)、坡長(zhǎng)較短(204m、164m)，故該變坡點(diǎn)處(K11+486)設(shè)置豎曲線半徑為3 000m。

最終，線路從江廈橋南側(cè)穿過奉化江，充分利用橋南側(cè)沖刷較淺的有利條件，適當(dāng)抬升了車站高度。同時(shí)保證最低點(diǎn)設(shè)置在江岸處。結(jié)合車站高程，合理控制車站埋深，有效地使用節(jié)能坡，減少了行車過程中的能耗。靈活利用豎曲線半徑，保證豎曲線間夾直線長(zhǎng)度滿足規(guī)范要求。

同時(shí)，我們還根據(jù)線路穿越奉化江這段的地勢(shì)特點(diǎn)，結(jié)合隧道在江底處埋深的情況，對(duì)天一廣場(chǎng)站和江廈橋東站的不同的車站組合形式進(jìn)行了對(duì)比分析。

(1) 方案一。車站“2+3+2”組合，見圖3。

優(yōu)點(diǎn)：江廈橋東站2層，規(guī)模小，附屬設(shè)置條件好；地下空間利用率高(商業(yè)開發(fā)面積約13 000m2)，綜合經(jīng)濟(jì)效益高。

缺點(diǎn)：天一廣場(chǎng)站3層，使用功能較差；3站2區(qū)間總規(guī)模較大，投資較高。

圖3　車站組合形式圖1

(2) 方案二。車站 “ 2+2+3 ”組合，見圖4。

優(yōu)點(diǎn)：3站2區(qū)間土建規(guī)模小，投資較方案一稍少。

缺點(diǎn)：地下空間利用少(商業(yè)開發(fā)面積約8 000m2)，經(jīng)濟(jì)效益較方案一差；江廈橋東站需做成3層站，使用功能較差，附屬設(shè)置困難，對(duì)周邊環(huán)境影響大。

圖4　車站組合形式圖2

通過綜合比較，方案一車站、區(qū)間可實(shí)施性強(qiáng)，且地下開發(fā)面積大，總體經(jīng)濟(jì)效益好，選為設(shè)計(jì)方案。

3　建筑方案的設(shè)計(jì)

從控制性因素中我們還看出，沿線密集的建筑、復(fù)雜的地下管線，對(duì)車站建筑方案選擇的影響最大，也是控制車站方案能否實(shí)施的重要因素。還是以本標(biāo)段的江廈橋東站的車站建筑方案為例(結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)同)。

江廈橋東站在中山東路下，鄞州人民醫(yī)院前，跨大河巷設(shè)置，沿中山東路東西向布置。中山東路是該市的主要交通干道，在老城區(qū)內(nèi)，現(xiàn)狀道路比較窄，且交通繁忙，鄰街建筑多在規(guī)劃道路紅線以內(nèi)，周邊客流較多，商業(yè)發(fā)達(dá)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘和本次招標(biāo)提供的管線資料，中山東路的管線主要有給水管、排水管、電信光纖、燃?xì)夤艿龋渲袑?duì)車站有影響的主要控制性管線為道路南側(cè)的埋深3m的DN300的污水管和道路北側(cè)的埋深3.12m的DN1200的雨水管。由于道路現(xiàn)狀，以及規(guī)劃的實(shí)施目前沒辦法落實(shí)，因此車站的埋深根據(jù)管線情況適度調(diào)整控制在3.3m，這樣的埋深還是經(jīng)濟(jì)合理的。

在平面布置中，根據(jù)規(guī)劃資料，站位南側(cè)遠(yuǎn)期為下沉商業(yè)步道系統(tǒng)，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)狀對(duì)車站的站位出入口、風(fēng)亭地面部分的位置進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，做到不因地鐵建設(shè)而對(duì)城市產(chǎn)生較大的影響，能不拆遷則不拆遷，本站拆遷面積僅有190余m2，從而降低工程造價(jià)；同時(shí)又結(jié)合遠(yuǎn)期周邊地塊的規(guī)劃情況，在道路南側(cè)利用鄞州人民醫(yī)院空地，設(shè)置2個(gè)出入口、2組風(fēng)亭，并且在車站的南側(cè)墻體預(yù)留暗梁暗柱結(jié)構(gòu)體系，預(yù)留與遠(yuǎn)期規(guī)劃結(jié)合的改造條件，使地鐵車站能夠在近期正常使用，在遠(yuǎn)期能夠與規(guī)劃有機(jī)地銜接。

車站在北側(cè)設(shè)置2個(gè)出入口，均設(shè)置在規(guī)劃道路紅線以外，不影響道路交通的建設(shè)，同時(shí)也預(yù)留與遠(yuǎn)期規(guī)劃建筑的連通條件。見圖5、圖6。

圖5　近期總平面布置圖

圖6　遠(yuǎn)期總平面布置圖

4　結(jié)構(gòu)方案的選擇

根據(jù)該市的地質(zhì)條件，本站所處地層屬濱海淤積型平原，由于堆積年代及固結(jié)條件不同，性質(zhì)不一，豎向由松散至中密狀態(tài)變化，工程地質(zhì)條件較差。

(1) 水文地質(zhì)條件。與工程相關(guān)的主要為場(chǎng)地淺部地下水，其屬孔隙潛水，含水層介質(zhì)為淤泥質(zhì)土和粉質(zhì)粘土，主要接受大氣降水等入滲補(bǔ)給，水位隨季節(jié)變幅較大，因其滲透性差，富水性差，故水量較貧乏。潛水位埋深一般在0.2～2.3m。場(chǎng)地內(nèi)地下水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)及混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋一般無(wú)腐蝕性；對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具弱腐蝕性。另?yè)?jù)《X市工程地質(zhì)圖說(shuō)明書》,平原區(qū)有泥炭分布區(qū)潛水中SO2-含量大于1 000 mg/L，具有結(jié)晶性侵蝕。屬不良水文地質(zhì)情況。

(2) 主體結(jié)構(gòu)方案選擇。車站總長(zhǎng)度168.7m，標(biāo)準(zhǔn)段為單柱雙跨2層矩形框架結(jié)構(gòu)，橫向凈寬度為17.3m。車站東端設(shè)盾構(gòu)始發(fā)和吊出井；車站西端為盾構(gòu)調(diào)頭；考慮區(qū)間過奉化江覆土厚度以及站位處管線影響，頂板覆土厚度為3.3m?？紤]遠(yuǎn)期與規(guī)劃設(shè)置在其車站南側(cè)的下沉式廣場(chǎng)的接駁，在站廳側(cè)墻中預(yù)留暗梁暗柱，便于遠(yuǎn)期結(jié)構(gòu)打開與下沉式廣場(chǎng)結(jié)合。根據(jù)站址周圍地形、地貌、地面交通情況、地質(zhì)條件，本站采用半蓋挖順做法施工。

(3) 圍護(hù)結(jié)構(gòu)方案比選?；拥膰o(hù)結(jié)構(gòu)主要承受基坑卸載所產(chǎn)生的土壓力和水壓力并將此壓力傳遞到支撐，是穩(wěn)定基坑的一種施工臨時(shí)措施。根據(jù)場(chǎng)地工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件、基坑周邊環(huán)境情況、開挖深度、施工方法、工期、工程造價(jià)以及地區(qū)常用的支護(hù)結(jié)構(gòu)型式作綜合的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后選用，達(dá)到技術(shù)先進(jìn)、安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、施工便捷、環(huán)保文明施工等要求。

根據(jù)國(guó)內(nèi)多個(gè)城市修建地鐵車站采用的圍護(hù)結(jié)構(gòu)型式，并結(jié)合該本地區(qū)以及本站區(qū)域水文地質(zhì)條件、周邊邊界條件等具體特點(diǎn)，經(jīng)過分析、比較，本站可采用的圍護(hù)結(jié)構(gòu)型式分為放坡開挖、水泥土重力式擋土墻、型鋼水泥土擋墻(SMW工法)、鉆孔灌注樁+止水帷幕、鉆孔咬合樁、地下連續(xù)墻等幾種結(jié)構(gòu)形式。

由于本站主體結(jié)構(gòu)基坑深度標(biāo)準(zhǔn)段為16.71m，2端盾構(gòu)工作井基坑深18.31m。而放坡開挖、水泥土墻及型鋼水泥土墻(SMW工法)僅適用于較淺的基坑，放坡開挖更需要開闊的場(chǎng)地，對(duì)本站主體結(jié)構(gòu)基坑均不適用。故車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要在鉆孔灌注樁+止水圍幕、鉆孔咬合樁及地下連續(xù)墻間進(jìn)行比較。

本站周圍樓房林立且距基坑距離很近，地面以下地層主要為填土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土及淤泥質(zhì)粘土，而淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土及淤泥質(zhì)粘土當(dāng)土體原有應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化后，墻后土體勢(shì)必向基坑方向發(fā)生位移，而且變形歷時(shí)較長(zhǎng)，若采用人工挖孔樁必須進(jìn)行人工降水，考慮車站周圍建筑安全及施工人員安全，不適宜選用此種工法。連續(xù)墻、鉆孔樁(止水帷幕止水或樁間咬合止水)都有著成熟的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，鉆孔樁的造價(jià)較連續(xù)墻要低，但考慮到本站的地質(zhì)情況和基坑深度，鉆孔樁的樁間止水不易保證，咬合樁對(duì)豎向垂直度要求較高，施工不到位容易產(chǎn)生漏水涌泥的問題，而連續(xù)墻+工字鋼接頭從防涌水涌泥、控制基坑變形、保護(hù)基坑周邊建筑物等方面均較鉆孔樁有利。因此，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用連續(xù)墻+內(nèi)支撐的支護(hù)體系，連續(xù)墻厚度取0.8m，同時(shí)考慮到基坑周遍建筑物密集、地下管線很多，為有效控制基坑變形，基坑內(nèi)支撐采用鋼筋混凝土支撐與鋼管支撐結(jié)合使用，第一道支撐采用鋼筋混凝土支撐，其余支撐采用直徑×壁厚=609mm×16mm的鋼管支撐，接頭為工字鋼接頭。對(duì)于出入口結(jié)構(gòu)，基坑深度為8m，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用型鋼勁性水泥土擋墻(SMW工法)+鋼管內(nèi)支撐。

5　結(jié)語(yǔ)

地鐵方案設(shè)計(jì)中的控制性因素多種多樣，影響的范圍也較廣，比如本次設(shè)計(jì)中地表河流、地面建筑的深基礎(chǔ)對(duì)線路埋深、線路選擇、區(qū)間形式、區(qū)間工法等的影響；站址范圍內(nèi)的地上、地下的建筑物、地下管線、地面交通狀況等對(duì)車站建筑方案的影響；水文條件、地質(zhì)狀況對(duì)結(jié)構(gòu)方案選擇的制約等等[4]。雖然對(duì)方案設(shè)計(jì)有種種控制與影響，但是只要對(duì)這些控制性因素進(jìn)行分析歸納，就可以有的放矢地解決這些問題，因地制宜地設(shè)計(jì)出安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、切實(shí)可行、高效環(huán)保的地鐵方案。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2015-04-07

DeterminationandSolutionoftheControlFactorsofSubwayDesign

Chen Yuxiang, Huang Yunyi

(CCCCSecondHighwayConsultantsCo.,Ltd.,Wuhan430065,China)

Abstract：This thesis introduces a systematic summary and analysis on the design thinking and methods of subway project. It identifies that we should firstly find out the controlling factors during the designing progress, and then propose the feasible solutions upon these factors, and finally compare and analyze all solutions as per the function, technology, economic aspects and our previous experience to produce the optimal solution for implementation.

Key words:subway project; control factors; track program; architecture program; structure program

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.04.032