劉建友,呂 剛,岳 嶺,劉 方,孫 行
(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055)
地下火車(chē)站是指站臺(tái)和軌道層位于地面以下的鐵路車(chē)站。我國(guó)大部分火車(chē)站都是地面火車(chē)站或者高架火車(chē)站,但隨著城市空間的日益擁擠,為了減少鐵路交通對(duì)城市地面空間的影響,地下火車(chē)站逐漸成為大型城市的首選方案,而在山嶺地區(qū),受線路走向及地面地形條件的限制,部分鐵路也將火車(chē)站設(shè)置在地面以下,如我國(guó)的京張高速鐵路八達(dá)嶺長(zhǎng)城站。
與地上火車(chē)站相比,地下火車(chē)站的主體結(jié)構(gòu)埋設(shè)在地面以下,其主要荷載來(lái)自于周邊巖土體的擠壓作用,其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是圍巖的穩(wěn)定性。部分地上火車(chē)站也有結(jié)構(gòu)位于地下,但其站臺(tái)和軌道層等主體結(jié)構(gòu)均位于地面以上,地下部分主要為車(chē)站的進(jìn)出站通道或者與地鐵的換乘通道,其主要荷載來(lái)自于上部結(jié)構(gòu)和設(shè)備的自重以及風(fēng)、雨等外部環(huán)境作用,其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是地基基礎(chǔ)的穩(wěn)定性。地下火車(chē)站主要具有以下優(yōu)點(diǎn)[1-4]。
(1)地下火車(chē)站的主體結(jié)構(gòu)埋設(shè)在地面以下,地面上只留下占地較少的出入口或者其他附屬結(jié)構(gòu),為城市騰出了寶貴的發(fā)展空間,從而可以增加商業(yè)和綠化面積,為城市提供較完整的商業(yè)空間和美麗的景觀環(huán)境。
(2)地下火車(chē)站的軌道及引線埋設(shè)在地面以下,避免了對(duì)地面交通線路的分割,減少了對(duì)地面交通的影響,提高了車(chē)站周邊的交通效率。
(3)地下火車(chē)站的主體結(jié)構(gòu)埋設(shè)在封閉的地下空間中,便于保溫隔熱,可充分利用地下恒溫的特點(diǎn),節(jié)省能源。
(4)地下火車(chē)站的軌道及引線埋設(shè)地下,可以降低列車(chē)運(yùn)行噪聲和振動(dòng)的干擾,為周邊提供舒適的商業(yè)或居住環(huán)境。
與地上火車(chē)站相比,地下火車(chē)站也具有一些缺點(diǎn),主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面[5-6]。
(1)地下火車(chē)站環(huán)境封閉,空間往往較狹窄低矮,光線昏暗,空氣流動(dòng)不良,照明和通風(fēng)需依賴相應(yīng)設(shè)備,不利于節(jié)能。其物理環(huán)境、心理環(huán)境、空氣質(zhì)量等特征有別于日常居住生活環(huán)境,舒適度稍差。
(2)地下火車(chē)站環(huán)境相對(duì)封閉,火災(zāi)發(fā)生時(shí)煙氣不易排除,人員不易疏散,防災(zāi)救援難度相對(duì)較大。
(3)地下火車(chē)站站場(chǎng)位于地下,站臺(tái)、股道、進(jìn)出通道、設(shè)備用房等均需在開(kāi)挖的空間內(nèi)布置,大規(guī)模洞室開(kāi)挖不可避免,洞室開(kāi)挖跨度大,數(shù)量多,布置密集,接口復(fù)雜,建設(shè)難度大。
(4)地下火車(chē)站開(kāi)挖方量大,施工作業(yè)空間狹小,作業(yè)面有限,施工環(huán)境較差,因此往往施工速度慢,工期長(zhǎng),造價(jià)相對(duì)高。
地下火車(chē)站的修建方法主要有明挖和暗挖兩種。明挖法施工工藝簡(jiǎn)單、技術(shù)難度小、造價(jià)相對(duì)低廉,適用于淺埋地下車(chē)站。而暗挖車(chē)站施工受工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件的影響較大,作業(yè)面少,作業(yè)空間狹小,施工環(huán)境較差,施工速度較慢,造價(jià)相對(duì)較高,但其對(duì)地面的影響較小,適合于埋深較大或者地面沒(méi)有明挖條件的地下車(chē)站施工,如京張城際鐵路八達(dá)嶺長(zhǎng)城站是我國(guó)第一座采用暗挖法施工的深埋地下火車(chē)站。
地下車(chē)站技術(shù)難度大、施工工期長(zhǎng)、建造成本高,因此在條件許可的情況下,一般采用地面車(chē)站或者高架車(chē)站,京張高鐵八達(dá)嶺長(zhǎng)城站設(shè)置在地下主要考慮以下因素。
(1)方便旅客:八達(dá)嶺長(zhǎng)城站的客流主要是八達(dá)嶺長(zhǎng)城的旅游客流,因此車(chē)站的設(shè)置應(yīng)盡可能靠近八達(dá)嶺長(zhǎng)城的入口,方便游客快速便捷到達(dá)旅游景點(diǎn)。
(2)高鐵線形:高速鐵路對(duì)線路的曲率和坡度均有嚴(yán)格要求,車(chē)站設(shè)置受前后線路限制,設(shè)置位置選擇受限。
(3)環(huán)境保護(hù):八達(dá)嶺長(zhǎng)城入口周邊為山嶺地區(qū),地形起伏較大,林木茂盛,環(huán)境優(yōu)美,文物眾多,設(shè)置地面站或高架站必將大規(guī)模破壞地形地貌,地表植被,嚴(yán)重影響文物。
(4)景觀要求:八達(dá)嶺長(zhǎng)城站位于八達(dá)嶺長(zhǎng)城核心景區(qū)內(nèi),根據(jù)八達(dá)嶺長(zhǎng)城文物管理相關(guān)法規(guī)的要求,無(wú)法在核心區(qū)設(shè)置大規(guī)模的建筑。
(5)地質(zhì)條件:八達(dá)嶺長(zhǎng)城站所處區(qū)域?yàn)榛◢弾r巖體,巖質(zhì)堅(jiān)硬,圍巖穩(wěn)定性較好,具有良好的設(shè)站條件。
(1)車(chē)站總平面設(shè)計(jì)著重分析八達(dá)嶺長(zhǎng)城客流的特點(diǎn),客流以去往八達(dá)嶺長(zhǎng)城步道入口和索道入口為主,出入口的位置力求做到進(jìn)出便捷,步行距離短,體現(xiàn)“以人為本”的設(shè)計(jì)理念,同時(shí)還需要保證出入口前有足夠的廣場(chǎng)面積,滿足客流集散和緊急情況下的疏散要求。
(2)車(chē)站是乘客集散和乘降的重要場(chǎng)所,建筑設(shè)計(jì)以乘客的便捷使用需要作為設(shè)計(jì)的首要出發(fā)點(diǎn)。車(chē)站站位布置應(yīng)符合城市總體規(guī)劃、八達(dá)嶺景區(qū)規(guī)劃的要求,最大限度吸引客流。
(3)車(chē)站形式需盡量保證施工安全便捷,同時(shí)可最大程度地減小施工和運(yùn)營(yíng)對(duì)周?chē)h(huán)境的不利影響,還應(yīng)盡量降低工程造價(jià)。
(5)本站客流主要以游客為主,應(yīng)考慮到節(jié)假日大規(guī)模潮汐集中客流的安全和舒適性問(wèn)題,同時(shí)需考慮突發(fā)情況下的防災(zāi)疏散問(wèn)題,同時(shí)應(yīng)設(shè)置鮮明的導(dǎo)引標(biāo)識(shí),加強(qiáng)對(duì)人流的疏解和引導(dǎo)。
地下車(chē)站的設(shè)計(jì)思路、建筑特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、環(huán)境特點(diǎn)等均與地面車(chē)站不同,尤其是八達(dá)嶺長(zhǎng)城站,位于深埋巖體中,且周邊為著名風(fēng)景名勝區(qū),因此,設(shè)計(jì)理念必須符合地下車(chē)站特點(diǎn)和環(huán)境保護(hù)的要求。綜合考慮了京張文化、奧運(yùn)文化、長(zhǎng)城文化等因素,提出了“更安全、更人文、更環(huán)保、更耐久”的設(shè)計(jì)目標(biāo),并將該目標(biāo)貫穿到選線設(shè)計(jì)、選址設(shè)計(jì)、建筑方案設(shè)計(jì)、支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、車(chē)站環(huán)境設(shè)計(jì)和施工工藝設(shè)計(jì)的全過(guò)程中,如圖1所示[1]。
圖1 八達(dá)嶺長(zhǎng)城站的設(shè)計(jì)理念及實(shí)現(xiàn)路徑
京張高鐵八達(dá)嶺越嶺段選線設(shè)計(jì)時(shí),對(duì)比分析了穿越八達(dá)嶺景區(qū)和繞避八達(dá)嶺景區(qū)2個(gè)線位方案.繞避方案雖然避免了景區(qū)施工,減少了對(duì)景區(qū)的影響,技術(shù)難度小,但繞避方案遠(yuǎn)離八達(dá)嶺景區(qū),無(wú)法為八達(dá)嶺景區(qū)的游客提供便捷的交通服務(wù),也無(wú)法提供延慶支線的接軌條件。因此,最終采用了技術(shù)難度相對(duì)更大的穿越八達(dá)嶺景區(qū)方案,該方案采用12 km長(zhǎng)的隧道直接下穿八達(dá)嶺景區(qū),并連續(xù)穿越水關(guān)長(zhǎng)城、八達(dá)嶺長(zhǎng)城等古建筑,以及百年老京張鐵路青龍橋火車(chē)站,如圖2所示。該方案對(duì)隧道施工提出了更高的環(huán)保要求,為保護(hù)長(zhǎng)城,對(duì)開(kāi)挖爆破提出了更高的振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)[1]。
圖2 八達(dá)嶺越嶺段的線位比選
八達(dá)嶺長(zhǎng)城站的站位選擇時(shí),對(duì)比分析了程家窯地面站、岔道城地下站、滾天溝地下站3個(gè)方案,如圖3所示。
圖3 八達(dá)嶺長(zhǎng)城站站位比選方案
程家窯地面站方案技術(shù)難度最小,投資最省,但距離八達(dá)嶺景區(qū)最遠(yuǎn),乘客下車(chē)后去往八達(dá)嶺景區(qū)還有6 km長(zhǎng)的路程。岔道城地下站方案站點(diǎn)位于景區(qū)外,地面也無(wú)長(zhǎng)城古建筑,埋深相對(duì)較淺,旅客提升高度40 m,技術(shù)難度較小,但乘客去往八達(dá)嶺景區(qū)仍然較遠(yuǎn),約2 km。滾天溝地下站方案受線位標(biāo)高的控制,車(chē)站埋深102 m,旅客提升高度59.4 m,且位于長(zhǎng)城下方,技術(shù)難度最大,但該方案距離八達(dá)嶺長(zhǎng)城入口最近,離八達(dá)嶺長(zhǎng)城步道入口800 m,距離索道入口僅250 m,乘客下車(chē)后去往八達(dá)嶺長(zhǎng)城最便捷。為了最大程度地方便乘客,最終選擇了滾天溝地下站方案,如圖3所示,該方案需要解決景區(qū)施工的環(huán)境保護(hù)問(wèn)題、深埋地下車(chē)站環(huán)境營(yíng)造及防災(zāi)救援疏散問(wèn)題、下穿古長(zhǎng)城的文物保護(hù)問(wèn)題等關(guān)鍵技術(shù)難題[7-8]。
八達(dá)嶺長(zhǎng)城站為地下雙層側(cè)式布置形式,車(chē)站采用2臺(tái)夾4線站型,設(shè)到發(fā)線4條(含正線2條),到發(fā)線有效長(zhǎng)650 m,設(shè)450 m×9.2 m(局部)×1.25 m側(cè)式站臺(tái)2座,八達(dá)嶺長(zhǎng)城站站場(chǎng)設(shè)計(jì)如圖4所示。
圖4 八達(dá)嶺長(zhǎng)城站站場(chǎng)設(shè)計(jì)(單位:m)
為了減少對(duì)八達(dá)嶺景區(qū)的影響,使車(chē)站出入口達(dá)到建筑“消隱”的視覺(jué)效果,設(shè)計(jì)采用了弱化建筑視覺(jué)體量和擬態(tài)周邊環(huán)境的手法,充分利用周邊自然地形,依山而建,候車(chē)室設(shè)置在地下一層,地面層高控制在6 m。站房立面材料以石材為主,石材顏色與周邊山體裸露巖石的顏色一致,墻面肌理由山體向外逐漸過(guò)渡。站房屋頂設(shè)置草皮綠化,使車(chē)站隱于周邊環(huán)境內(nèi),如圖5所示。
圖5 車(chē)站出入口消隱設(shè)計(jì)效果圖
地面站房建筑面積9 000 m2,結(jié)構(gòu)形式為中部架空的二層框架結(jié)構(gòu),局部鋼結(jié)構(gòu)。地面站房首層設(shè)有進(jìn)站廳、出站廳、售票室,二層設(shè)有客運(yùn)辦公室,地下一層設(shè)有旅客候車(chē)廳、設(shè)備間、公安辦公;深埋地下部分為站臺(tái)層、進(jìn)站層、出站層。地面站房立面如圖6所示。
超導(dǎo)磁場(chǎng)儲(chǔ)能技術(shù)在微網(wǎng)中的功率調(diào)控包括兩種模式即內(nèi)環(huán)控制和外環(huán)控制,為保障超導(dǎo)磁場(chǎng)儲(chǔ)能技術(shù)可預(yù)測(cè)并控制現(xiàn)有微網(wǎng)中的電網(wǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)模式,因而需解釋微網(wǎng)的有功與無(wú)功功率需求。超導(dǎo)磁場(chǎng)儲(chǔ)能技術(shù)預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)的輸出的有功功率為PSMES,無(wú)功功率為QSMES,P為設(shè)定有功功率,Q為設(shè)定無(wú)功功率。Ub與Ik為超導(dǎo)磁場(chǎng)儲(chǔ)能技術(shù)下的基波電位與電流幅值,微網(wǎng)的各相電流與電壓間的相位差為θ,K為所調(diào)控信息的幅值,Ik1為所調(diào)控信息的電流,通過(guò)三角等式變化如式(3)和式(4)。
圖6 地面站房立面
為了選擇最優(yōu)的車(chē)站總體建筑形式,對(duì)比分析了不同建筑形式的特點(diǎn),包括單洞單拱側(cè)式站臺(tái)方案、單洞三連拱側(cè)式站臺(tái)、單洞三連拱島式站臺(tái)、雙洞側(cè)式站臺(tái)、三洞側(cè)式站臺(tái)、三洞島式站臺(tái),中央穹頂大廳側(cè)式站臺(tái)、群洞側(cè)式站臺(tái)等9種設(shè)計(jì)方案。如圖7所示。
圖7 車(chē)站總體建筑設(shè)計(jì)方案(單位:mm)
單洞單拱側(cè)式站臺(tái)方案是將車(chē)站四股道、站臺(tái)、站廳均設(shè)計(jì)在一個(gè)超大跨隧道內(nèi),隧道開(kāi)挖跨度達(dá)到44 m,高度達(dá)到27 m。大跨隧道內(nèi)設(shè)置1道混凝土中板,上層為站廳層,下層為站臺(tái)層。站臺(tái)層設(shè)置2道混凝土中墻,將站臺(tái)層分割為1個(gè)中洞和2個(gè)側(cè)洞。該方案大跨隧道的開(kāi)挖和支護(hù)成本較高,隧道圍巖的穩(wěn)定性較差。
單洞三連拱側(cè)式站臺(tái)和單洞三連拱島式站臺(tái)2個(gè)方案是設(shè)置1個(gè)三聯(lián)拱隧道,總開(kāi)挖跨度43.8 m,開(kāi)挖高度22.1 m,設(shè)置了1道中板,中板上部為站廳層,下部為站臺(tái)層。站臺(tái)層和站廳層均設(shè)置了2道中墻,將三聯(lián)拱隧道分割為左中右3個(gè)隧道。
雙洞側(cè)式站臺(tái)方案是設(shè)置2個(gè)開(kāi)挖跨度25.8 m,高19.45 m的獨(dú)立隧道,兩個(gè)隧道的凈距為12.5 m,每個(gè)隧道設(shè)置1道中板,中板上部為站廳層,下部為站臺(tái)層。
三洞側(cè)式站臺(tái)方案是設(shè)置3個(gè)分離的隧道,隧道之間預(yù)留10 m厚的巖墻,中間的隧道為標(biāo)準(zhǔn)高鐵雙線隧道,兩側(cè)的2個(gè)隧道各含1條到發(fā)線和1個(gè)側(cè)式站臺(tái),隧道開(kāi)挖跨度為18.4 m,開(kāi)挖高度為20.69 m,設(shè)置1道中板,中板上部為站廳層,下部為站臺(tái)層。
中央穹頂大廳側(cè)式站臺(tái)方案是在站臺(tái)層設(shè)置3個(gè)分離的隧道,各個(gè)隧道開(kāi)挖跨度為13~14 m,開(kāi)挖高度12 m,隧道之間預(yù)留5.85 m厚度巖墻。站廳層設(shè)置1個(gè)直徑41.5 m,高16.4 m的中央穹頂大廳。站廳層和站臺(tái)層之間預(yù)留了4.77 m厚的巖板。宏偉的穹頂大廳不僅為旅客提供了舒適的候車(chē)環(huán)境,同時(shí)也可以作為展示中國(guó)鐵路文化和高鐵技術(shù)的博物館和展覽館。
群洞側(cè)式站臺(tái)方案是在穹頂方案的基礎(chǔ)上,取消了中央穹頂大廳,設(shè)置了10 m寬,17.58 m高的進(jìn)出站主通道,主通道設(shè)置1道中板,上層出站下層進(jìn)站。主通道與站臺(tái)層隧道之間預(yù)留了4.79 m厚的中巖板。
以上各個(gè)方案中,群洞方案結(jié)構(gòu)最安全、開(kāi)挖量最小,圍巖支護(hù)成本最低,造價(jià)最省,同時(shí)有利于防災(zāi)分區(qū)、降低噪聲和氣動(dòng)效應(yīng),因此最終選擇了群洞方案。
圖8 八達(dá)嶺長(zhǎng)城地下車(chē)站特點(diǎn)、難點(diǎn)及創(chuàng)新點(diǎn)
八達(dá)嶺長(zhǎng)城站是我國(guó)第一座暗挖高鐵車(chē)站,具有洞室多、跨度大、埋深大、周邊環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn),是目前世界上“建設(shè)規(guī)模最大、埋深最大、兩端渡線段開(kāi)挖跨度和斷面面積最大、洞室結(jié)構(gòu)最復(fù)雜”的地下暗挖高鐵車(chē)站工程。八達(dá)嶺長(zhǎng)城站開(kāi)創(chuàng)性地解決了以下4個(gè)方面的技術(shù)難題:一是地下車(chē)站空間狹小封閉、空氣潮濕、光線昏暗、聲音混響明顯、列車(chē)噪聲及氣動(dòng)效應(yīng)顯著,候車(chē)環(huán)境不舒適。二是車(chē)站埋深大,洞室眾多,疏散路徑長(zhǎng),導(dǎo)致車(chē)站防災(zāi)救援疏散困難。三是車(chē)站位于首都周邊,在舉世聞名的八達(dá)嶺長(zhǎng)城、十三陵世界文化遺產(chǎn)核心位置,周邊文物密布,社會(huì)影響力大,車(chē)站的耐久性和可靠性要求高,結(jié)構(gòu)使用年限須與周邊歷史文化遺產(chǎn)相匹配,需采用長(zhǎng)壽命支護(hù)結(jié)構(gòu)體系,導(dǎo)致設(shè)計(jì)、施工難度大。四是車(chē)站兩端渡線段隧道跨度大、尺寸效應(yīng)顯著,圍巖優(yōu)劣夾雜、性質(zhì)差異大、易坍塌失穩(wěn),圍巖自承載能力及洞室變形預(yù)測(cè)量化理論和方法缺乏,施工工序復(fù)雜、錨桿錨索施做困難,導(dǎo)致超大跨隧道設(shè)計(jì)、施工難度大、風(fēng)險(xiǎn)高。五是地下車(chē)站洞室密集、交叉節(jié)點(diǎn)多、局部巖墻巖柱單薄、爆破對(duì)巖體和既有結(jié)構(gòu)影響大,部分段落圍巖松散、群洞效應(yīng)顯著、洞群易坍塌失穩(wěn),巖墻巖柱自承載能力和洞群變形預(yù)測(cè)量化理論和方法缺乏,導(dǎo)致設(shè)計(jì)、施工難度大、風(fēng)險(xiǎn)高。
針對(duì)以上關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn),本項(xiàng)目取得的創(chuàng)新成果如下。
(1)創(chuàng)建了多層密集洞群地下車(chē)站新模式及洞群修建技術(shù)。提出了三層三縱地下車(chē)站布置模式,提出了應(yīng)力流守恒原理及洞室群隧道布置方法,研發(fā)了小凈距密集洞室群微震微損傷精準(zhǔn)爆破技術(shù),制定了洞室群隧道結(jié)構(gòu)爆破振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)。
(2)研發(fā)了30 m級(jí)超大跨隧道修建技術(shù)。提出了超大跨隧道主動(dòng)支護(hù)技術(shù)及其設(shè)計(jì)方法,創(chuàng)建了超大跨隧道“品”字形開(kāi)挖工法,提出了超大跨隧道變形分步控制理論及控制標(biāo)準(zhǔn),構(gòu)建了圍巖為承載主體的長(zhǎng)壽命結(jié)構(gòu)體系。
(3)提出了深埋地下車(chē)站環(huán)境營(yíng)造及防災(zāi)救援技術(shù)。探明了地下車(chē)站聲、光、風(fēng)、溫等環(huán)境特點(diǎn),提出了地下車(chē)站舒適環(huán)境的構(gòu)建技術(shù)。
(4)揭示了地下車(chē)站煙氣擴(kuò)散、通風(fēng)、煙氣溫度和能見(jiàn)度分布的規(guī)律,提出了地下車(chē)站安全快速防災(zāi)救援疏散模式,建立了三維可視化防災(zāi)救援疏散智能指揮系統(tǒng)。
(5)建立了下穿長(zhǎng)城古建筑微震爆破技術(shù)和下穿風(fēng)景名勝區(qū)環(huán)境保護(hù)技術(shù)。提出了風(fēng)景名勝區(qū)地下車(chē)站出入口的消隱設(shè)計(jì)方法,研發(fā)了下穿風(fēng)景名勝區(qū)隧道清污分離的防排水技術(shù),提出了風(fēng)景名勝區(qū)隧道施工污水和粉塵處理技術(shù)。
(1)為風(fēng)景名勝區(qū)或旅游景區(qū)提供交通服務(wù)的火車(chē)站,為保護(hù)自然環(huán)境宜設(shè)置為地下車(chē)站,車(chē)站線位選擇、站址選擇和出入口設(shè)置宜盡量靠近景區(qū)入口,方便乘客快速到達(dá)。
(2)地下車(chē)站的建筑方案應(yīng)綜合考慮圍巖穩(wěn)定性、列車(chē)氣動(dòng)效應(yīng)、防火分區(qū)、車(chē)站環(huán)境控制等因素進(jìn)行設(shè)計(jì),群洞方案在深埋巖石地層中具有明顯優(yōu)勢(shì)。
(3)防災(zāi)救援疏散系統(tǒng)是保障深埋地下車(chē)站安全運(yùn)營(yíng)的重要設(shè)計(jì)措施,應(yīng)充分利用施工期的輔助坑道作為緊急救援通道,永臨結(jié)合,降低工程投資。