劉建友 呂 剛 岳 嶺

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055)

引言

隨著我國(guó)高速鐵路網(wǎng)的不斷加密,為滿足人們快速出行的需求,越來越多的線路需要穿越旅游景區(qū)、生態(tài)保護(hù)區(qū)、文物保護(hù)區(qū)、城市密集區(qū)等,這給地面站線的選擇帶來了很大困難。 以往高鐵建設(shè)多在城市郊區(qū)設(shè)站,線路避開了繁華市區(qū),旨在引領(lǐng)城市的發(fā)展。 但對(duì)于大城市而言,這容易造成“攤大餅”式的發(fā)展模式,地面土地資源被擠壓,地下空間資源得不到有效利用,城市難以高效運(yùn)轉(zhuǎn)。

當(dāng)今國(guó)內(nèi)外高鐵建設(shè)百花齊放,高鐵線路接入城市車站的方式及其車站的設(shè)計(jì)建造各具特色,主要有城市中心型、城市邊緣型和城市遠(yuǎn)郊型3 類。 高鐵車站與城市發(fā)展以“站城一體開發(fā)”為導(dǎo)向,即“軌道交通和城市相輔相成、共同發(fā)展的開發(fā)模式”[1]。 這種發(fā)展模式以高鐵站為核心,強(qiáng)調(diào)“公共交通導(dǎo)向”,將其與城市辦公、商業(yè)、休閑功能結(jié)合,營(yíng)造立體式城市空間,減少軌道交通建筑物對(duì)城市功能和景觀的割裂,提升土地利用效率和公共交通運(yùn)輸效率。 綜上所述,一方面,人們期待高鐵車站引領(lǐng)城市發(fā)展,將高鐵站建設(shè)納入城市中長(zhǎng)期發(fā)展版圖,建設(shè)初期將高鐵設(shè)在人口并不密集的區(qū)域,通過引入人口、資金、項(xiàng)目和基礎(chǔ)建設(shè),形成新的副中心[2];另一方面,建設(shè)距離城市中心數(shù)十千米的遠(yuǎn)郊型車站站點(diǎn)新城,雖然征拆成本低,對(duì)于中小城市來說雖然是尋求新的增長(zhǎng)點(diǎn)的重要契機(jī),但同樣也面臨巨大的投資回報(bào)風(fēng)險(xiǎn)。

在國(guó)內(nèi),上海虹橋火車站所在虹橋樞紐,是集航空、鐵路、輕軌、地鐵、公路運(yùn)輸一體的華東地區(qū)最大的綜合交通樞紐,其商圈建設(shè)突出大交通、優(yōu)貿(mào)易、全配套、特智慧、最低碳、崇人文的“六大發(fā)展理念”,是一體化發(fā)展的標(biāo)桿[3];新建京沈高鐵北京星火站圍繞“人、機(jī)、料、法、環(huán)、測(cè)”6 方面因素,通過應(yīng)用BIM+一體化156 智慧建造平臺(tái),對(duì)結(jié)構(gòu)安全、綠色施工、成本控制進(jìn)行綜合評(píng)估[4];北京豐臺(tái)火車站首次采用雙層車場(chǎng)的建橋合一結(jié)構(gòu)形式,具有商業(yè)、高速通道、城市公共交通等多種建筑功能,是繼上海虹橋站后站城一體化模式的再升級(jí)[5];雄安站匯聚京雄城際、京港高鐵、津雄城際,有機(jī)聯(lián)接樞紐與區(qū)域,并設(shè)計(jì)城市走廊、地下商業(yè)街、地下廣場(chǎng)等,保持城市土地一體不分割[6]。 此外,還有北京城市副中心站、天津于家堡站、武漢站、鄭州站、北京南站、南寧東站等一大批大型高鐵車站,均體現(xiàn)了人文關(guān)懷、環(huán)境保護(hù)以及地區(qū)特色[6-8]。

日本和歐洲的高鐵建設(shè)在20 世紀(jì)60 年代就已開始。 以日本為例,日本多山川、多地震,本質(zhì)上是地少人多的國(guó)家,高鐵站建設(shè)與城市的關(guān)系注定是“站城一體”模式[9],主要存在兩種空間形式,一是“以樞紐站為中心的區(qū)域高度復(fù)合、聚集型開發(fā)”;二是“和軌道建設(shè)同步的沿線型開發(fā)模式”[10]。 前者類似于城市中心型車站建設(shè)模式,后者與城市邊緣型和城市遠(yuǎn)郊型車站建設(shè)模式相似。 世界著名的商圈—東京都市圈匯聚了全日本30%以上的人口,新干線、市域鐵路、市郊鐵路、城市地鐵有機(jī)銜接,其密切的聯(lián)系提升了城市的效率,是名副其實(shí)地建立在鐵道交通之上的都市圈[11]。

上述城市高鐵車站規(guī)劃設(shè)計(jì)理念多與商業(yè)有關(guān),且多為地面站房,不涉及重要文化遺產(chǎn)以及景區(qū),文化保護(hù)的重要性程度較低。 而新建京張高鐵穿越城市核心區(qū)、文化保護(hù)區(qū),是北京冬奧會(huì)交通保障設(shè)施,也是中國(guó)首條設(shè)計(jì)速度350 km/h 的智能化高速鐵路,對(duì)鐵路站隧工程的設(shè)計(jì)提出了更高的要求[12-15]。 基于上述問題,以京張高鐵工程建設(shè)為背景,通過清華園盾構(gòu)隧道的智能修建、八達(dá)嶺地下長(zhǎng)城站的暗挖修建,從環(huán)境融合、安全舒適、低碳環(huán)保等角度,剖析并提出新一代高速鐵路站隧工程的設(shè)計(jì)理念與方法,以期為未來我國(guó)高鐵建設(shè)邁向“人與自然和諧共生”的新臺(tái)階提供參考。

1 環(huán)境融合的設(shè)計(jì)理念與方法

1.1 風(fēng)景名勝區(qū)“站景融合”設(shè)計(jì)

根據(jù)“方便旅客”“文物保護(hù)”“景觀優(yōu)美”“文化傳承”的原則,提出了風(fēng)景名勝區(qū)高鐵車站“站景融合”的設(shè)計(jì)理念和消隱設(shè)計(jì)方法,使站藏于山,實(shí)現(xiàn)在風(fēng)景名勝區(qū)內(nèi)設(shè)置地下車站,極大地方便了游客的出行。

(1)站景一體

京張高鐵八達(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,禁止在核心區(qū)地表設(shè)置大規(guī)模的建筑;同時(shí)受到軌道平面線路標(biāo)高限制,隧道仍必須深埋于平均60 m 深的地下巖土中。 因此,為了最大限度保護(hù)長(zhǎng)城古跡以及周邊生態(tài)景觀,對(duì)原景區(qū)滾天溝停車場(chǎng)的功能定位和空間布局進(jìn)行重新整合,將停車場(chǎng)地面空間重新定位為文化廣場(chǎng)與車站的融合;為最大限度縮減地面站房的建筑面積和高度,在地勢(shì)較高的東側(cè)僅設(shè)置兩層站房,主要承擔(dān)售票、旅客進(jìn)出站廳以及客運(yùn)辦公的功能;車站主體結(jié)構(gòu)則深埋于停車場(chǎng)下方,包含旅客候車廳、站臺(tái)層和設(shè)備間等。 地面站房和地下站廳的溝通采用疊層式通道,使進(jìn)出站旅客分流且互不干擾,極大方便高鐵乘客上下站(見圖1)。 由圖1 可知,車站整體隱約呈現(xiàn)“神龍見首不見尾”的恢弘低調(diào)之態(tài)勢(shì),隱于山間而又融于自然。

圖1 京張高鐵八達(dá)嶺長(zhǎng)城站透視

為盡量減少對(duì)環(huán)境影響,以“形隱于山”為設(shè)計(jì)理念,站區(qū)房屋與站房合建,并設(shè)置在地下空間。 站房建筑造型設(shè)計(jì)將站房與自然環(huán)境融為一體,既適當(dāng)?shù)仫@示出交通建筑的標(biāo)志性和現(xiàn)代特征,又不對(duì)歷史人文和自然景觀造成影響,儼然成為了承載文化底蘊(yùn)的新地標(biāo)。

經(jīng)過前期車站總體建筑形式方案的研判比選,選擇采用最適宜的三層三縱的站景一體群洞方案,在適應(yīng)山體地勢(shì)的前提下,做到了結(jié)構(gòu)安全性、施工便捷性、運(yùn)營(yíng)環(huán)境舒適性、文化承載優(yōu)越性“四性”綜合優(yōu)化,為新一代的環(huán)境友好型高鐵車站建設(shè)提供了新導(dǎo)向。

(2)視覺消隱

作為“神龍之首”的地面站房,其視覺消隱的首要前提是要順應(yīng)自然、融入自然。 因此,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面,為了在視覺上補(bǔ)償山體開挖的缺失以及消除建筑對(duì)周邊優(yōu)美環(huán)境的影響,地面站房設(shè)計(jì)充分考慮周邊自然地形,依山而建。 承長(zhǎng)城之文化,參考長(zhǎng)城垛口的凹凸錯(cuò)落構(gòu)型(見圖2),將站房化整為零,分解成“中間高兩邊低”3 個(gè)層高6 m 的“塊體”,在最大程度地減少建筑體量的同時(shí),又能充分利用靠山一側(cè)已開挖山體釋放出一個(gè)下沉廣場(chǎng),引陽(yáng)光入地下,極大提升車站地下空間的品質(zhì)。 在外觀設(shè)計(jì)方面,站房立面材料以石材為主,顏色與周邊山體裸露巖石和長(zhǎng)城墻體的顏色接近,墻面肌理由山體向外逐漸過渡;站房第五立面—屋頂采用草皮綠化,隱逸山間,站房與周邊自然環(huán)境渾然天成,突出其文化承載屬性的同時(shí),也很好地與自然和諧共生(見圖3)。

圖2 八達(dá)嶺長(zhǎng)城垛口

圖3 視覺消隱設(shè)計(jì)

1.2 高鐵進(jìn)城“隧城融合”設(shè)計(jì)

在北京北部城區(qū),原京包線途經(jīng)的五道口、四道口、雙清路道口3 個(gè)平交鐵路口的擁堵歷史由來已久。清華園隧道修建前(2016 年),統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,按北京北站的運(yùn)輸能力,每天要有不少于50 列火車通過五道口,以每次道口鐵柵欄關(guān)閉時(shí)間6 min 計(jì)算,道口每天至少有5 h 以上的時(shí)間處于關(guān)閉狀態(tài)。 為了縫合老京包鐵路對(duì)城市的分割,緩解地面交通壓力,改善出行環(huán)境,提出了高鐵進(jìn)城“隧城融合”的設(shè)計(jì)理念和縫合設(shè)計(jì)方法,實(shí)現(xiàn)了高速鐵路進(jìn)城目標(biāo)。

(1)移路入隧

新建清華園隧道沿原京包沿線穿越北京市核心區(qū),全長(zhǎng)6.02 km,埋深大于44 m,采用?12.64 m 的大直徑泥水平衡盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn),依次下穿院南路、北三環(huán)、知春路、北四環(huán)、成府路、雙清路、清華東路7 條重要城市道路和106 條重要市政管線,是我國(guó)當(dāng)前開挖直徑最大的單洞雙線高鐵盾構(gòu)隧道[16]。 隧道穿越地層之復(fù)雜、重要建(構(gòu))筑物之多、開挖風(fēng)險(xiǎn)之大、建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)之高國(guó)內(nèi)罕見。 但復(fù)雜中也體現(xiàn)著 “移路入隧”盾構(gòu)法施工的諸多優(yōu)越性。 一方面,隧道敷設(shè)于原線正下方,可以很大程度減少線路繞避高層建筑帶來的麻煩,為選線、征拆減輕大量工作,最大限度減少對(duì)既有管網(wǎng)、市政道路、公交站臺(tái)、人行天橋等基礎(chǔ)設(shè)施的破壞;另一方面,噪聲源也隨鐵路深埋被轉(zhuǎn)移至地下深處,降低高鐵運(yùn)營(yíng)對(duì)周邊環(huán)境的噪聲和振動(dòng)污染,高鐵運(yùn)營(yíng)和市民社區(qū)生活互不干擾。

(2)原路改造

“移路入隧”釋放了城市空間,但原有鐵路線將城市分割,難免略顯突兀。 為響應(yīng)綠色共享型城市建設(shè)的號(hào)召,發(fā)揮城市文化特色優(yōu)勢(shì),將老京包鐵路地面線拆除改造成京張遺址公園和城市綠色長(zhǎng)廊,徹底結(jié)束車流人流需從道口繞經(jīng)的歷史,使城市區(qū)域聯(lián)系更為通暢,真正實(shí)現(xiàn)了對(duì)城市的縫合(見圖4)。

圖4 隧城融合

鐵路變公園,公園載文化;文化托城市,城市展魅力。 新一代高鐵進(jìn)城的“隧城融合”設(shè)計(jì)理念和針對(duì)原有鐵路的縫合設(shè)計(jì)方法,旨在“以人為本,高效便捷”,保障京包蘭高速通道進(jìn)京通路暢通,方便市民市域出行,釋放更多城市綠色休閑空間的同時(shí),而又能留住老一代人的鄉(xiāng)愁與記憶。

2 安全舒適的設(shè)計(jì)理念與方法

安全是工程建設(shè)的首要前提,尤其對(duì)于深埋的地下工程。 京張高鐵作為冬奧交通保障線、京津冀一體化發(fā)展的經(jīng)濟(jì)服務(wù)線,是向世界展示我國(guó)高鐵建設(shè)最新成果的一張名片,安全保障更是重中之重。 安全舒適的乘車體驗(yàn)將給旅客留下美好印象。 為此,基于京張高鐵的站隧工程,提出安全舒適的設(shè)計(jì)理念和方法。

2.1 安全環(huán)境營(yíng)造

(1)結(jié)構(gòu)安全

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理是保證安全的前提。 京張高鐵八達(dá)嶺長(zhǎng)城站站臺(tái)層為超大跨過渡段、三連拱段和三連拱小凈距段相結(jié)合的形式,在充分考慮圍巖尺寸效應(yīng)和圍巖松動(dòng)圈放大效應(yīng)后,采用超大跨隧道預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)噴支護(hù)體系,重點(diǎn)分析超預(yù)應(yīng)力錨桿-錨索協(xié)同作用原理,最后在設(shè)計(jì)襯砌厚度僅為60 cm 的情況下,實(shí)現(xiàn)了在最大埋深102 m、單洞最大跨度32.7 m 下的襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,如圖5 所示。 傳統(tǒng)山嶺隧道施工“重二襯、輕初支”[17],在遇到復(fù)雜圍巖環(huán)境時(shí),一味地加大襯砌厚度往往達(dá)不到理想的效果。 有別于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念,讓支護(hù)體系輕量化,充分發(fā)揮圍巖自承載能力成為大跨段隧道修建的主題,利用預(yù)應(yīng)力錨桿-錨索協(xié)同體系將淺層圍巖荷載轉(zhuǎn)移到深層圍巖[18]。

圖5 超大跨度隧道開挖順序及錨桿-錨索協(xié)同支護(hù)結(jié)構(gòu)

此外,定量化、精細(xì)化的耐久性設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)襯砌結(jié)構(gòu)300 年長(zhǎng)壽命安全服役的保證。 首先,對(duì)長(zhǎng)壽命支護(hù)結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行設(shè)計(jì),利用耐久性定量化設(shè)計(jì)方法和預(yù)測(cè)模型對(duì)體系服役壽命進(jìn)行合理評(píng)估[19];然后分別對(duì)注漿加固、錨桿、錨索、噴射混凝土和二襯的受力機(jī)理進(jìn)行單獨(dú)的耐久性分析,明確各支護(hù)結(jié)構(gòu)的工程參數(shù)和施工時(shí)所需注意的事項(xiàng),關(guān)注短板效應(yīng),總體實(shí)現(xiàn)各要素協(xié)同。 如圖6 所示,實(shí)測(cè)結(jié)果表明,在八達(dá)嶺的三連拱段中洞最大拱頂沉降為30.9 mm,并保持穩(wěn)定,證明了網(wǎng)錨噴支護(hù)體系的安全性。

圖6 拱頂沉降監(jiān)測(cè)

京張高鐵清華園隧道在城市核心區(qū)穿越大埋深復(fù)雜地層,同樣對(duì)管片結(jié)構(gòu)的安全性提出了高要求。 一方面,城市施工工期短,要求盾構(gòu)機(jī)快速通過;另一方面,要保證拼裝結(jié)構(gòu)的高精度和耐久性,以此保證列車行車安全。 鑒于此,提出城市地區(qū)大直徑盾構(gòu)隧道全預(yù)制拼裝的結(jié)構(gòu)構(gòu)件化設(shè)計(jì)方法,如圖7 所示[20]。 盾構(gòu)管片、軌下結(jié)構(gòu)、電纜槽和水溝等均采用工廠化預(yù)制,并研發(fā)軌下結(jié)構(gòu)拼裝機(jī)器人,使盾構(gòu)掘進(jìn)與軌下結(jié)構(gòu)拼裝同步作業(yè),大大提升施工效率。

綜上,提出一種大直徑盾構(gòu)隧道全預(yù)制的設(shè)計(jì)理念,制定了盾構(gòu)隧道預(yù)制構(gòu)件的劃分原則,設(shè)計(jì)了軌下結(jié)構(gòu)與管片高可靠的連接方式,探明了軌下結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性特征和變形規(guī)律,研發(fā)了基于軌下結(jié)構(gòu)自穩(wěn)定的設(shè)計(jì)方法;發(fā)明了一種3 塊式(1 塊中箱涵+2 塊邊箱涵)軌下結(jié)構(gòu),中箱涵為乘客提供了防災(zāi)救援疏散通道,邊箱涵提供運(yùn)營(yíng)通風(fēng)和防災(zāi)通風(fēng)風(fēng)道,提高了隧道空間利用效率,解決了城市建筑密集區(qū)隧道防災(zāi)通風(fēng)和救援疏散難題。

將管片的標(biāo)準(zhǔn)塊、鄰接塊和封頂塊,軌下結(jié)構(gòu)的邊箱涵和中箱涵、電纜槽和水溝隧道等結(jié)構(gòu)化整為零,視為最基本構(gòu)件,通過預(yù)制工廠的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn),嚴(yán)格控制各構(gòu)件的質(zhì)量。 軌下機(jī)器人將除管片外的基本構(gòu)件進(jìn)行精確安裝。 為防止軌下結(jié)構(gòu)與盾構(gòu)管片受力均勻,在軌下結(jié)構(gòu)下部設(shè)置300 mm×300 mm 凸臺(tái),采用微膨脹硫鋁酸鹽水泥漿從預(yù)留注漿孔對(duì)縫隙進(jìn)行填充。 在此過程中,也可以對(duì)中箱涵與圓形隧道結(jié)構(gòu)的水平軸線和豎直軸線進(jìn)行微調(diào),使其盡可能地接近于理想水平。

(2)防災(zāi)救援系統(tǒng)

以往防災(zāi)設(shè)計(jì)考慮不足,尤其在長(zhǎng)大隧道和具有規(guī)模的地下建筑群,一旦發(fā)生地震、火災(zāi)、滲水、列車脫軌、碰撞等事故,將造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。 以火災(zāi)逃生救援為例,國(guó)內(nèi)外鐵路隧道及隧道群防災(zāi)設(shè)計(jì)普遍遵循“事故導(dǎo)向安全”原則[21],在隧道內(nèi)起火的列車應(yīng)盡量快速駛出隧道,方便在空曠地帶疏散旅客;當(dāng)列車無法駛出隧道時(shí),列車應(yīng)盡量停在救援通道口附近進(jìn)行旅客疏散。 近年來,隧道建設(shè)相關(guān)部門對(duì)高鐵防災(zāi)救援疏散做了更詳細(xì)的方針指導(dǎo),強(qiáng)調(diào)“以人為本、安全疏散、自救為主、方便救援”[22],建立健全防災(zāi)救援土建設(shè)施、排煙控制設(shè)施,完善實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng),優(yōu)化人員安全疏散路線。

針對(duì)京張高鐵八達(dá)嶺長(zhǎng)城站的埋深大,車站層次多、洞型復(fù)雜、洞室數(shù)量大、交叉節(jié)點(diǎn)密集等特點(diǎn),提出了因地制宜、更加快速有效的安全疏散設(shè)計(jì)理念,結(jié)合施工輔助坑道,在車站兩端設(shè)置跨軌通道,形成獨(dú)特的地下洞群“救援環(huán)島”,如圖8 所示。 類似于公路環(huán)島,當(dāng)救援車輛從不同輔助坑道進(jìn)入車站洞群時(shí),規(guī)定以“環(huán)島”的中心圈以單一方向旋轉(zhuǎn)行駛,避免了車輛沖突,提升救援效率。 除了使用輔助坑道疏散,還單獨(dú)設(shè)置了緊急步行通道,和正常電動(dòng)扶梯通道分離,保證火災(zāi)情況下緊急步行通道暢通,使旅客有效自行向地面疏散。

圖8 八達(dá)嶺長(zhǎng)城站救援環(huán)島示意

2.2 舒適環(huán)境營(yíng)造

我國(guó)地下軌道交通建設(shè)已取得巨大成就,但多數(shù)車站建造風(fēng)格千篇一律,一大批重要車站錯(cuò)失了向國(guó)際展示中華文化底蘊(yùn)的良機(jī)。 每座車站應(yīng)該成為人文交流的紐帶,既要體現(xiàn)文化積淀,又應(yīng)具國(guó)際化與包容性,這對(duì)新一代高鐵站隧工程設(shè)計(jì)建造提出了更高的要求。 為此,提出高鐵地下車站舒適環(huán)境營(yíng)造的設(shè)計(jì)理念與方法。 除了解決復(fù)雜的修建技術(shù)難題,如何弱化地下密閉空間沉悶、單調(diào)的空間感受,提升環(huán)境品質(zhì),成為了八達(dá)嶺長(zhǎng)城站室內(nèi)空間環(huán)境設(shè)計(jì)的又一個(gè)重難點(diǎn)。

(1)聲環(huán)境

八達(dá)嶺長(zhǎng)城站作為深埋洞群式巖質(zhì)地下車站,其建筑空間環(huán)境封閉、距地面高差大,物理環(huán)境、心理環(huán)境與地面建筑及淺層地下建筑差別大。 這些物理環(huán)境特性和技術(shù)因素決定了常規(guī)建筑聲學(xué)設(shè)計(jì)方法和控制參數(shù)不能有效滿足八達(dá)嶺長(zhǎng)城站對(duì)建筑聲環(huán)境設(shè)計(jì)依據(jù)的要求,現(xiàn)行建筑設(shè)計(jì)規(guī)范、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)方法等不能簡(jiǎn)單套用。 八達(dá)嶺長(zhǎng)城站主體為地下雙層四洞分離式群洞穹頂車站,站臺(tái)層由3 個(gè)單洞隧道組成。 狹長(zhǎng)空間的聲環(huán)境,極易出現(xiàn)混響時(shí)間過長(zhǎng)、語言清晰度極低等嚴(yán)重聲學(xué)缺陷。

結(jié)合八達(dá)嶺站的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),提煉出3 種不同的聲學(xué)方案,包括創(chuàng)新材料的研發(fā)、表達(dá)傳統(tǒng)風(fēng)格圖樣的方案設(shè)計(jì)等。 模擬軟件采用CATT,其用以模擬聲學(xué)行為有關(guān)的室內(nèi)封閉聲場(chǎng)及室外開放聲場(chǎng)、半封閉半開放的混合聲場(chǎng)。 通過復(fù)雜地下空間聲環(huán)境仿真模擬、隧道洞壁吸聲降噪技術(shù)和群洞布局的隔噪效果等措施,擬將地下站聲學(xué)環(huán)境,站臺(tái)區(qū)噪聲強(qiáng)度控制在80 dB 以內(nèi),將500 Hz 頻率聲音混響時(shí)間控制在1.5 s以內(nèi),語言清晰度RASTI 指數(shù)控制在0.45 以上,以滿足旅客正常語言交流及站內(nèi)廣播的清晰播放。 經(jīng)過多方比選論證,室內(nèi)裝修最終選擇了“吸音砂巖板”與“吸音涂料”組合的降噪方案。 為達(dá)到建筑藝術(shù)與室內(nèi)聲環(huán)境的和諧統(tǒng)一,設(shè)計(jì)對(duì)兩種吸音材料在空間內(nèi)多種布局方式進(jìn)行了分析模擬,最終確定了3 m 高墻裙與局部空間吸音涂料的內(nèi)裝方案。

(2)視覺環(huán)境

視覺環(huán)境營(yíng)造在很大程度上影響游客的舒適程度,尤其是燈光設(shè)計(jì),對(duì)建筑物整體美觀發(fā)揮重要作用。 為滿足新時(shí)代條件下節(jié)能減排的要求,落實(shí)綠色辦奧運(yùn)的重要指示精神,扎實(shí)推進(jìn)京張高鐵建設(shè)“精品工程、智能京張”及暢通融合、綠色溫馨、經(jīng)濟(jì)藝術(shù)、智能便捷的客站建設(shè)要求,打造保護(hù)環(huán)境和節(jié)約能源的示范工程,全面提升節(jié)能減排管理現(xiàn)代化水平,對(duì)高鐵地下車站的視覺環(huán)境設(shè)計(jì)理念和思路進(jìn)行分析并提出技術(shù)對(duì)策。

八達(dá)嶺長(zhǎng)城站牌匾設(shè)計(jì)在形態(tài)上寄托了對(duì)中國(guó)古典精神的思考和延展,邊框應(yīng)依據(jù)長(zhǎng)城垛口凹凸錯(cuò)落之鋸齒元素,加以金屬條裝飾,底紋陰刻雄偉的長(zhǎng)城藝術(shù)壁畫,如圖9 所示。 進(jìn)站候車廳墻面藝術(shù)裝飾壁畫雕刻八達(dá)嶺長(zhǎng)城山水長(zhǎng)卷,藝術(shù)品的展示既不突兀,又巧妙地與站房?jī)?nèi)建筑語言融合。 進(jìn)出站通道墻面壁畫沿用一樓候車廳的山水、長(zhǎng)城主題長(zhǎng)卷作為觀賞藝術(shù)裝飾壁畫。 京張高鐵是中國(guó)唯一一條穿過長(zhǎng)城的高鐵線路,在上下兩通道中運(yùn)用風(fēng)景長(zhǎng)卷,旅客在進(jìn)出站都能感受到綿延不絕的長(zhǎng)城穿梭在崇山峻嶺中的景象。砂巖墻面作為壁畫展示區(qū),選用吸音降噪材料,利用天然的砂巖色彩與機(jī)理營(yíng)造自然巖層的視覺體驗(yàn),壁畫采用含蓄的表現(xiàn)手法,與室內(nèi)、建筑設(shè)計(jì)理念融合在一起,如圖10 所示。

圖9 八達(dá)嶺長(zhǎng)城站地下站壁畫實(shí)景

圖10 八達(dá)嶺長(zhǎng)城站候車環(huán)境營(yíng)造

燈光設(shè)計(jì)方面,八達(dá)嶺地下車站采用功率密度低、均勻度差的LED 線性格柵燈帶和功率密度高、均勻度好的LED 面光燈,通過設(shè)置高透過率的透光材質(zhì)改善發(fā)光燈箱的光學(xué)設(shè)計(jì),以“點(diǎn)”“線”“面”的組合照明形式,對(duì)不同功能區(qū)燈具形式、照度及色溫的細(xì)節(jié)進(jìn)行調(diào)整,勾勒出老京張線的“人”字主題,優(yōu)化了空間視覺效果,使遠(yuǎn)看光線更加柔和、燈具向下照明的效率更高、更容易維護(hù)且容易達(dá)到了綠色節(jié)能的良好效果。

(3)溫感環(huán)境

鐵路隧道內(nèi)空氣溫度是隨時(shí)間和空間變化的三維非穩(wěn)態(tài)問題。 隧道空氣的主要熱量得失途徑主要有與周圍圍巖的熱交換、制冷設(shè)備熱量交換、與列車牽引產(chǎn)熱以及車身熱量的交換、列車活塞風(fēng)帶入的熱量交換等,許多因素都是隨時(shí)空變化的。 為了營(yíng)造適宜的溫感環(huán)境,必須先建立車站傳熱物理模型,對(duì)地下洞室群進(jìn)行溫度分布模擬計(jì)算,以對(duì)近遠(yuǎn)期風(fēng)機(jī)、制冷設(shè)備規(guī)模和數(shù)量有整體的認(rèn)識(shí)。 氣象學(xué)上,人的體感溫度不僅受氣溫的影響,還受風(fēng)速、空氣濕度影響。 因此,考慮列車活塞風(fēng)因素,對(duì)通道面積、行車車速、發(fā)車對(duì)數(shù)等進(jìn)行參數(shù)分析,根據(jù)體感溫度的通用公式,營(yíng)造出舒適的溫感環(huán)境。

3 低碳環(huán)保的設(shè)計(jì)理念與方法

2020 年11 月,中國(guó)建筑節(jié)能協(xié)會(huì)能耗專委會(huì)發(fā)布的《中國(guó)建筑能耗研究報(bào)告(2020)》 顯示[23],2018 年全國(guó)建筑全過程碳排放總量為49.3 億tCO,占全國(guó)碳排放的比重為51.3%,其中建材生產(chǎn)占比28.3%,建筑施工占比1%,建筑運(yùn)營(yíng)占比21.9%。 當(dāng)前大多數(shù)隧道及地下工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理念仍是在確保工程安全的條件下降低建造成本,以最低的成本確保工程安全。 但隨著我國(guó)碳達(dá)峰、碳中和戰(zhàn)略的實(shí)施,減少碳排放已經(jīng)逐漸成為未來工程建設(shè)追求的目標(biāo),其核心在于技術(shù)創(chuàng)新、制度創(chuàng)新和人類觀念的扭轉(zhuǎn)。 因此,在工程設(shè)計(jì)方案比選的過程中,碳排放最小將逐漸替換以往經(jīng)濟(jì)成本最低的比選原則。

根據(jù)李啟明等對(duì)低碳建筑概念的分析[24],建筑的碳排放量由建造碳排量、使用碳排量、拆除碳排量三者構(gòu)成,貫穿建筑全生命周期。 對(duì)應(yīng)于地下工程,建造碳排放主要涉及建筑材料生產(chǎn)、施工;使用碳排量主要涉及運(yùn)營(yíng)期的暖通、用電、供水和綠化等;拆除碳排放主要涉及材料回收與處理過程及其用水用電。 最大限度地減少溫室氣體排放是低碳經(jīng)濟(jì)所追尋的目標(biāo),但是這要基于低污染、低能耗、人類能夠擁有健康、舒適的生活環(huán)境的前提,犧牲人類健康去追求低碳,是沒有意義的。 因此,本節(jié)將從實(shí)際應(yīng)用的角度,對(duì)京張高鐵新一代地下站隧工程的低碳環(huán)保設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。

3.1 基于BIM 的環(huán)保高效全過程管理理念

前述提到清華園盾構(gòu)隧道管片全預(yù)制拼裝的模塊化與構(gòu)件化,實(shí)質(zhì)上是裝配式建筑的一種形式。 裝配式建筑將建筑物拆分成若干混凝土預(yù)制構(gòu)件(簡(jiǎn)稱PC),充分利用可靠的連接節(jié)點(diǎn),將預(yù)制構(gòu)件拼裝組合成建筑物,實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)施工向工廠化生產(chǎn)的轉(zhuǎn)變,以削弱天氣環(huán)境等因素對(duì)施工條件的影響,具有節(jié)能、環(huán)保、節(jié)約勞動(dòng)力等優(yōu)點(diǎn),符合“適用、經(jīng)濟(jì)、綠色、美觀”的建筑方針。

清華園隧道采用“裝配式管片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念”,即發(fā)揮BIM 建筑信息模型頂層設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì),統(tǒng)籌兼顧設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、建造、運(yùn)維全生命周期,實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)與施工的可視化,防止裝配過程中出現(xiàn)干涉;合理劃分現(xiàn)澆與預(yù)制部分,減少砌筑工程量,實(shí)現(xiàn)零抹灰,提升施工作業(yè)環(huán)境質(zhì)量,克服傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工相分離的不足。

此外,京張高鐵項(xiàng)目還搭建了基于BIM 主導(dǎo)的綠色修建協(xié)同設(shè)計(jì)管理平臺(tái),發(fā)揮數(shù)字孿生功能,集力學(xué)分析、能耗分析、可視化分析、防災(zāi)救援分析、舒適環(huán)境分析于一體,使項(xiàng)目各專業(yè)的設(shè)計(jì)人員能夠在集中統(tǒng)一的環(huán)境下工作,隨時(shí)獲取所需的項(xiàng)目信息,實(shí)現(xiàn)各設(shè)計(jì)專業(yè)之間信息溝通順暢、實(shí)時(shí)統(tǒng)一,提高工作效率,確保設(shè)計(jì)工作合理、有序、高效。

3.2 基于環(huán)境友好的綠色環(huán)保施工理念

隧道粉塵是困擾隧道綠色施工的一大難題,不僅嚴(yán)重危害長(zhǎng)期暴露在粉塵環(huán)境施工的工人健康,而且排出洞外的粉塵會(huì)對(duì)景區(qū)空氣造成污染。 針對(duì)以上難題,新八達(dá)嶺隧道采用大功率的除塵凈化設(shè)備XA3000,如圖11 所示,保證了PM0.5 以上粉塵90%以上的去除率以及0.1 mg/m3的空氣清潔度,不但保護(hù)了掌子面施工人員的作業(yè)環(huán)境,還減少了隧道施工排放到景區(qū)的粉塵量,解決了施工揚(yáng)塵對(duì)環(huán)境的污染問題,實(shí)現(xiàn)了綠色施工。

圖11 XA3000 大功率除塵設(shè)備

水處理方面,為貫徹“綠水青山就是金山銀山”的生態(tài)理念,嚴(yán)格遵循“堵水限排”原則,首先在富水段進(jìn)行徑向帷幕注漿,最大程度減少地下水下滲。 對(duì)于未能封堵住的地下水,為了防止隧道施工對(duì)水環(huán)境造成污染,為二襯滲入的清水和掌子面滲出的污水設(shè)置不同的導(dǎo)流通道,實(shí)現(xiàn)了清污分流的排水方式;研發(fā)高效的污水處理系統(tǒng),施工期產(chǎn)生的污水中的有機(jī)物、懸浮物、氨氮磷等污染元素通過曝氣生物濾池得以去除;同時(shí)創(chuàng)新性地提出了地下車站清污分離的排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,解決了車站運(yùn)營(yíng)期地下水保護(hù)和污水處理的問題,如圖12 所示。

圖12 八達(dá)嶺長(zhǎng)城站曝氣生物濾池(G-BAF)廢水處理系統(tǒng)

噪聲與振動(dòng)控制方面,為保護(hù)八達(dá)嶺景區(qū)的文物以及控制施工引起的對(duì)景區(qū)的噪聲影響,采用微震微損傷控制爆破技術(shù)起爆圍巖,降低圍巖損傷與噪聲強(qiáng)度。

廢物回收利用是使經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益最大化的重要一環(huán)。 京張高鐵山嶺隧道施工將起爆圍巖進(jìn)行回收,重點(diǎn)收集等級(jí)較高的圍巖,通過碎石場(chǎng)進(jìn)一步處理形成軌道、站房以及路基邊坡砌體材料、混凝土骨料等建筑材料,解決了建材運(yùn)輸距離長(zhǎng)、成本高、隧道棄渣堆放難等難題;針對(duì)北京海淀區(qū)清華園隧道城市泥水大盾構(gòu)掘進(jìn)廢漿量大、泥水分離困難、無處理場(chǎng)地、泥漿制造量大等難題,應(yīng)用泥漿綜合處理技術(shù),通過ZXSⅡ—2500/20 泥水處理設(shè)備使粒徑在50 μm 以下的粉質(zhì)黏土顆粒得到有效分離,保證了形成泥膜的顆粒級(jí)配。

3.3 基于節(jié)能減排的低碳環(huán)保運(yùn)營(yíng)理念

京張高鐵站隧工程在多方面進(jìn)行了全壽命周期的減碳技術(shù)探索。 如祝振南等對(duì)能源管片隧道初步探索[25],鑒于隧道結(jié)構(gòu)可兼作淺層地?zé)釗Q熱構(gòu)件,以清華園隧道3 環(huán)27 個(gè)能源管片為工程背景,從選材、預(yù)制和現(xiàn)場(chǎng)安裝等方面對(duì)地?zé)崂眯湍茉炊軜?gòu)隧道的施工方法進(jìn)行了系統(tǒng)梳理,如圖13 所示。 能源隧道在城市的作用在于當(dāng)其組網(wǎng)廣泛分布在城市淺層地表時(shí),可以通過在隧道襯砌中預(yù)先埋置的熱交換管將地鐵運(yùn)行廢熱轉(zhuǎn)移至土層中,解決地鐵廢熱停滯問題,還可以將廢熱提取向建筑供暖,可減少煤炭供暖產(chǎn)生的碳排放。

在隧道照明方面,八達(dá)嶺地下車站采用智能LED供電系統(tǒng),分時(shí)段、分位置調(diào)節(jié)光照時(shí)間與強(qiáng)度;在需要提高亮度的部位,采用高反射率的壁面鋪貼材料以及具有高透射率的燈面板;將太陽(yáng)光通過下沉廣場(chǎng)引入隧洞群地下一層,減少洞群內(nèi)外亮度差;采用集約化辦公理念,提高集中辦公率,減少光源分布;合理布局供電線路長(zhǎng)度,減少線路損耗等。

運(yùn)營(yíng)通風(fēng)方面,研發(fā)洞群智能通風(fēng)控制系統(tǒng),根據(jù)旅游旺季和淡季、高峰期和正常運(yùn)營(yíng)期,對(duì)洞群通風(fēng)流量進(jìn)行監(jiān)測(cè);合理利用上下行列車活塞風(fēng)進(jìn)行洞內(nèi)空氣調(diào)節(jié),以最高效節(jié)能的方式使得進(jìn)排風(fēng)能夠自動(dòng)交換。

運(yùn)營(yíng)期水處理方面,設(shè)計(jì)了清污分離的排水系統(tǒng)。對(duì)于少量入滲隧道與地下洞室群的地下水,通過清水排水系統(tǒng)回饋給大自然,而消防廢水、沖洗廢水、生活污水等車站運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生的污水則進(jìn)入市政污水處理系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了生態(tài)水資源與運(yùn)營(yíng)水資源的分離,保護(hù)鐵路沿線的青山綠水,有效落實(shí)文明施工要求。

4 結(jié)論

京張高鐵是我國(guó)第一條智能高鐵,其中清華園隧道、八達(dá)嶺長(zhǎng)城站、崇禮支線正盤臺(tái)隧道是整個(gè)項(xiàng)目的重難點(diǎn),對(duì)環(huán)境保護(hù)、修建技術(shù)、文物保護(hù)的要求較高,具有劃時(shí)代的意義。 對(duì)項(xiàng)目實(shí)施以來的與站隧工程相關(guān)的設(shè)計(jì)理念與方法進(jìn)行了研究總結(jié),得出如下結(jié)論。

(1)提出環(huán)境融合的設(shè)計(jì)理念和方法。 通過對(duì)八達(dá)嶺長(zhǎng)城站地下洞室群和清華園隧道的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行分析,明確了與長(zhǎng)城文化、景區(qū)生態(tài)環(huán)境相聯(lián)系的“站景融合”設(shè)計(jì)理念與消隱設(shè)計(jì)方法,以及針對(duì)原京張鐵路線對(duì)城市的分割提出的“隧城融合”和縫合設(shè)計(jì)方法。

(2)提出安全舒適的設(shè)計(jì)理念與方法。 地下站隧工程的安全應(yīng)該涉及結(jié)構(gòu)受力安全與防災(zāi)救援線路布局合理,八達(dá)嶺長(zhǎng)城站超大跨預(yù)應(yīng)力錨桿-錨索協(xié)同支護(hù)體系、盾構(gòu)管片與軌下結(jié)構(gòu)的工廠化高精度生產(chǎn)、八達(dá)嶺長(zhǎng)城站地下洞群“環(huán)島”救援路線與旅客自行疏散緊急步道,開辟了站隧工程安全設(shè)計(jì)修建新模式;提出考慮聲覺、視覺、溫感3 個(gè)方面的高鐵地下車站舒適環(huán)境營(yíng)造方法。

(3)提出低碳環(huán)保的設(shè)計(jì)理念與方法。 提出基于BIM 的環(huán)保高效全過程管理理念,利用BIM 建筑信息模型頂層設(shè)計(jì)以及協(xié)同管理的優(yōu)勢(shì),促進(jìn)裝配式結(jié)構(gòu)智能建造技術(shù)以及綠色建造的集約化分析方法的進(jìn)步;從施工排水設(shè)計(jì)、空氣凈化、污水處理、泥水循環(huán)利用等角度,提出環(huán)境友好型的綠色環(huán)保施工理念;提出基于節(jié)能減排的低碳環(huán)保運(yùn)營(yíng)理念,合理利用襯砌熱交換技術(shù)、LED 智能調(diào)控技術(shù)以及列車進(jìn)出站活塞風(fēng)等,減少了用電量與碳排放,為高鐵地下站隧系統(tǒng)能量的合理高效利用提供了新的思路。