暗挖地鐵車站通風系統的布置與風道的設計研究

童利紅，孫為東，孫俊利

(1.北京市軌道交通建設管理有限公司，北京 100037;2.中鐵隧道勘測設計院有限公司，天津 300133)

0 引言

隨著城市的發展，地鐵建設已成為解決城市交通擁堵問題的重要舉措之一。城市核心區房屋拆遷、地下管線改移和樹木伐移難度越來越大，道路交通導改越來越受到制約，地鐵車站和附屬結構常常采用暗挖法進行施工。根據設備的需求，暗挖雙層風道結構的寬度和高度都很大，是除車站主體結構和渡線段外最大的結構斷面，施工難度和施工風險大，施工工期長。

目前，有關風道結構的相關研究主要集中在風道大斷面結構的施工技術和施工風險控制等方面。楊會軍［1］主要論述了淺埋暗挖法施工大跨度地鐵風道的施工技術。楊威虎等［2］研究了大斷面暗挖地鐵風道施工過程中的幾個關鍵技術環節。張會伍［3］分析研究了風道的開挖方法及技術措施。另外，針對屏蔽門通風空調系統的風道形式的研究，陳耀武［4］對該種通風系統下風道的布置形式、工程投資的定性分析和使用功能等進行了比較和分析。劉磊等［5］論述了通風空調系統模式下幾種不同形式活塞風道方案的功能及經濟性。張立琦［6］簡要介紹了該種模式的特點及風道的基本形式等。本文針對集成閉式環控系統，介紹了暗挖車站通風系統的4種布置形式(即單獨設置風道形式、與區間合建形式、加長主體結構與其結合設置形式和暗挖主體結構增加1跨與其結合設置形式)，分析了不同布置形式下的建筑功能、結構特點、投資造價差異和適用條件。設計時，可根據周邊環境條件，選擇適當的布置形式，規避工程風險，減小施工難度。

1 暗挖風道的設置方式

1.1 單獨設置的暗挖雙層風道結構

目前，暗挖雙層風道通常是在車站主體結構外單獨設置。若車站采用暗挖法施工，風道通常兼作施工通道，與車站相接處需適當挑高。根據風道內的設備、管線的尺寸和安裝檢修空間要求，暗挖雙層風道的平面、縱剖面和橫剖面布設詳見圖1。

圖1 暗挖雙層風道的典型布置圖(單位:mm)Fig.1 Typical layout of mined two-storey ventilation passage(mm)

1.2 車站主體加長布設風道設備

風道設備放在車站主體內，出風口放在車站外側或從車站頂出。目前風道設備放在車站內的做法常應用在明挖車站，特別是帶配線的明挖站的設計，暗挖車站中應用相對較少。風道放在車站主體內時，為避免站臺層設置風道形成跨軌的復雜風路和復雜結構形式，一般采用將新風道、排風道均設置在站廳層的形式，即采用“單層風道”形式。對于暗挖法車站，適當加長車站以放置風道內的各種設備，并通過綜合調整站廳、站臺層設備管理用房布局，可以達到合理規模，具體形式見圖2。

圖2 風道設備放在暗挖主體結構內的剖面圖(單位:mm)Fig.2 Profile of ventilation passage installed within mined main station structure(mm)

1.3 風道與區間結構合建

風道單獨設置時一般設置在正線線路以外。受出風口位置所限，車站和區間均采用暗挖法施工，采用車站加長會導致車站規模增加較大時，可將風道結構與區間結構合建，即新風道、排風道分別與線路的左線、右線區間隧道結合，新、排風道位于上層，區間隧道位于下層，見圖3。

圖3 風道與區間合建剖面圖(單位:mm)Fig.3 Combination of ventilation passage and running tunnel(mm)

1.4 車站主體增跨布設風道設備

PBA工法是一種在優先施工小導洞、梁和柱形成強有力的支撐體系后施工車站的頂板、中板和底板的暗挖工法，具有施工組織方便、安全可控和周邊沉降相對較小的特點，是大斷面結構暗挖施工常用的施工工法。根據結構的寬度，PBA工法可采用連續多跨的形式。雙層風道的高度同車站高度，當車站采用PBA工法暗挖施工時，可將車站主體結構兩端局部增加1跨作為風道，風道與車站合并設置，見圖4。

圖4 風道與PBA暗挖車站主體結構合并設置的剖面圖(單位:mm)Fig.4 Additional span of Metro station used as ventilation passage(mm)

2 風道設置方式對車站規模和布局的影響

不同的風道設置方式，對車站的總體建筑規模和布局影響較大，車站周邊環境不同，風道的設置方式也不同。為了分析風道布置方式對車站建筑規模和布局的影響，以北京地鐵6號線西延工程廖公莊站為例，在公共區標準、設備管理用房區標準等相同條件下，不同方案按同深度進行設計和比較分析。

2.1 工程概況

廖公莊站為8輛B型車編組車站，橫跨巨山路，主體結構為雙層雙柱三跨島式形式，采用PBA暗挖法施工。車站站臺寬14 m，結構覆土7～10 m，底板埋深約23 m。風道既可單獨設置，也可結合主體結構設計。

車站為牽引降壓混合變電所車站及信號集中站，除了常規管理、設備用房外，還設置了零星的便民服務設施用房，其余設備管理用房設置與北京市典型地鐵車站相同，公共區根據《地鐵設計規范》［7］、《城市軌道交通技術規范》［8］及《建筑設計防火規范》［9］的相關要求進行設計。

2.2 風道單獨設置的建筑布置

風道單獨設置時，設在車站兩端，采用暗挖雙層結構，最小長度為60 m，寬度為9.9 m，風道區建筑面積約2 400 m2。車站為雙層雙柱三跨結構形式，車站總長度為233.05 m，寬度為22.9 m，主體建筑面積為10 697 m2。車站主體結構和風道建筑面積合計為13 097 m2。站廳、站臺平面布置如圖5和圖6所示。

圖5 風道單獨設置時站廳層和風道上層平面布置圖(單位:m)Fig.5 Plan layout of concourse and upper storey of ventilation passage when separate ventilation passage is installed(m)

圖6 風道單獨設置時站臺層和風道下層平面布置圖(單位:m)Fig.6 Plan layout of concourse and lower storey of ventilation passage when separate ventilation passage is installed(m)

2.3 車站主體加長布設風道設備的建筑布置

車站主體結構橫斷面不變，加長車站將風道設備設在車站主體結構內時，需要優化調整部分站廳、站臺用房的布局，即將部分站廳的設備用房調整到站臺層，風道設備主要布設在站廳層。

車站總長度為268 m，結構寬度為22.9 m，主體結構總面積(含風道)為12 159 m2，其中風道區總面積為1 378 m2。站廳、站臺平面圖如圖7和圖8所示。

2.4 風道與區間結構合建的的建筑布置

車站主體結構形式不變，風道與區間結構合建，上層為風道，下層為區間，局部風路合流處設置風道夾層上跨區間。按照風道布置設備和管線必要空間的尺寸要求，新風道結構寬度為8.9 m，排風道結構寬度為7.6 m，區間結構相應增大。

風道區建筑面積2 427 m2，車站與區間風道區建筑面積合計為13 147 m2。站廳、站臺平面圖如圖9和圖10所示。

2.5 車站主體增跨布設風道設備的建筑布置

車站主體長度不變，將車站主體結構兩端局部增加1跨作為風道，風道與車站合并設置。車站總長度為233.05 m，3跨段結構寬度為22.9 m，4跨段結構寬度為30.8 m。小端4跨長度為36.7 m，大端4跨長度為42.1 m。風道區面積為1 849 m2，主體結構和風道建筑面積合計為12 545 m2。站廳、站臺平面圖如圖11和圖12所示。

2.6 風道設置方式對車站規模和布局的影響分析

針對上述4種風道設置方式，主要建筑規模指標統計如表1所示。

圖7 風道設備設在車站主體結構內站廳層平面圖(單位:m)Fig.7 Plan layout of concourse when ventilation passage is installed within main station structure(m)

圖8 風道設備設在車站主體結構內站臺層平面圖(單位:m)Fig.8 Plan layout of platform tunnel when ventilation passage is installed within main station structure(m)

圖9 風道與區間合建的站廳層平面圖(單位:m)Fig.9 Plan layout of concourse when ventilation passage is combined with running tunnel(m)

圖10 風道與區間合建的站臺層平面圖(單位:m)Fig.10 Plan layout of platform tunnel when ventilation passage is combined with running tunnel(m)

圖11 風道與車站主體合并設置時站廳層平面圖(單位:m)Fig.11 Plan layout of concourse when ventilation passage is combined with main station structure(m)

圖12 風道與車站主體合并設置時站臺層平面圖(單位:m)Fig.12 Plan layout of platform tunnel when ventilation passage is combined with main station structure(m)

表1 不同風道布設方式的主要建筑規模指標統計表Table 1 Main indices of architectural scale under different layout modes of ventilation passagess

通過對表1進行分析可得出以下結論:

1)風道單獨設置和與區間結構合并設置時，由于風路轉換空間、層間樓梯和檢修通道不能共享等因素的影響，風道面積較大，車站建筑總面積也較大。表1內的風道面積是按設備需求的最小長度進行分析的，實際工程受風井布設位置制約常常需要加長。

2)風道單獨設置和與區間結構合并設置時，車站主體結構內大、小系統風路、供電、動照、消防和環控水管等管線均需通過風道與主體結構的接口處進入風道，該處結構斷面局促，是管線綜合瓶頸點。各種管線、管路通過采用減少間距、取消支架、合用管槽和占用檢修空間等辦法通過瓶頸位置，設備的安裝難度、運行可靠度及管線檢修、維護的難度都很大。

3)車站主體結構適當加長或局部增加1跨布設風道設備時，風道面積較小，車站建筑總面積也較小。與風道單獨設置相比，車站局部增加1跨方案風道面積減少23%以上，車站主體加長方案風道面積減少40%以上，車站總面積減少900 m2左右。

4)車站主體結構適當加長或局部增加1跨布設風道設備時，設備布置緊湊、空間利用充分、無需上下層風路轉換空間。同時，避免了管線均由風道與車站接口處穿越的情況，管線可以根據各自功能需求布設，減少了管線長度，降低了設備投資和功耗，提高了可靠度及維護便捷性。

3 風道設置方式對結構和造價的影響

為研究不同風道設置方式的結構形式對工程造價的影響，仍以北京地鐵6號線西延工程廖公莊站為例進行綜合比較分析。

3.1 水文地質條件

車站結構底板埋深約23 m，結構覆土厚7.7 m。主體結構范圍內自上而下依次穿越卵石⑤和卵石⑦層。拱頂位于卵石⑤中，地基持力土層為卵石⑦層。卵石⑦層屬低壓縮性土層，分布連續、穩定、均勻，且無軟弱下臥層，可作為良好的天然地基持力土層，地基承載力特征值為600～800 kPa。

抗浮設防水位按55.0 m標高考慮，設防水位位于地面以下約9.6 m處。

3.2 風道設置方式的結構形式

3.2.1 風道單獨設置和與區間結構合并設置的結構形式

風道單獨設置時，結構開挖內凈空尺寸為8 m(寬)×10.6 m;風道與區間結構合并設置，結構開挖內凈空尺寸為7.3 m(寬)×11.81 m和6.0 m(寬)×11.81 m。通常采用CRD工法施工。

3.2.2 車站加長布設風道設備的結構形式

車站主體為雙層雙柱三跨島式車站，采用PBA暗挖法施工，結構斷面如圖13所示。

3.2.3 車站局部增設1跨布設風道設備的結構形式

車站局部增設1跨后變為三柱四跨結構，采用PBA暗挖法施工，結構斷面如圖14所示。

3.2.4 風道設置方式的施工影響

風道設置方式不同，施工工法不同，車站工程籌劃也不同，對工程實施影響較大，不同風道設置方式的特點、應用條件和功能比較如表2所示。

圖13 雙柱三跨PBA暗挖車站的結構剖面圖(單位:mm)Fig.13 Profile of double-column three-span Metro station constructed by PBA method(mm)

3.3 經濟技術分析

以上4種風道布置方案的造價差異主要體現在雙層三跨(四跨)PBA暗挖主體結構的工程量、單獨設置風道的工程量、與區間合建風道的工程量、豎井形式與數量等單項工程造價和數量方面。按照《北京市建設工程概算定額》［10］對各分項按工程概算單價進行統計，主要計算結果見表3。

圖14 三柱四跨PBA暗挖車站的結構剖面圖(單位:mm)Fig.14 Profile of 3-column 4-span Metro station constructed by PBA method(mm)

表2 不同風道設置方式的特點、應用條件和功能比較Table 2 Features，application conditions and functions under different layout modes of ventilation passages

表3 各風道布置方案工程造價對比Table 3 Construction costs under different layout modes of ventilation passages

從表3分析可得出以下結論:

1)車站主體結構工程總造價，方案4造價最低，方案3造價最高，兩者相差3 155.52萬元，可見不同的風道設置方案對車站整體造價有較大影響。若以單獨設置風道方案為基準，與主體結構結合設置的2種方案比較，方案2比其造價高3.8%，方案4比其低4.8%。

2)方案1的造價是按高風亭且風道長度最短的條件計算的，若采用低風亭或受條件制約加長，造價會更高。

4 結論與建議

通過以上分析，認為方案2和方案4在建筑布局、使用功能、結構、工籌、規模指標及經濟性、用地等方面比方案1和方案3有一定優勢，條件適用時，可優先采用。暗挖風道的布置形式與車站周邊環境密切相關，設計時需綜合考慮各方面的因素選擇合理的方案，盡量規避重大風險，以利于施工組織。

［1］ 楊會軍.淺埋暗挖大跨地鐵風道施工技術［J］.鐵道工程學報，2012(1):85－89.(YANG Huijun.Shallow excavation technology of large span wind tunnel of subway station［J］.Journal of Railway Engineering Society，2012(1):85 －89.(in Chinese))

［2］ 楊威虎，杜江，劉煥強.雙層雙跨平頂直墻暗挖地鐵風道二次襯砌施工關鍵技術［J］.隧道建設，2008，28(4):72 － 75，95.(YANG Weihu，DU Jiang，LIU Huanqiang.Key technology for construction of secondary lining of mined metro ventilation gallery with double story，double span，flat roof and upright wall［J］.Tunnel Construction，2008，28(4):72 －75，95.(in Chinese))

［3］ 張會伍.大斷面地鐵車站通風道暗挖施工技術［J］.市政技術，2011(2):75 －77.(ZHANG Huiwu.Shield tunneling technology of ventilation tunnel in a large cross section subway station［J］.Municipal Engineering Technology，2011(2):75 －77.(in Chinese))

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［5］ 劉磊，張良焊.地鐵屏蔽門通風空調系統活塞風道方案研究［J］.暖通空調，2011(6):41 －43.(LIU Lei，ZHANG Lianghan.Schemes of piston ventilation shafts in underground railway stations with platform screen doors［J］.Heating Ventilating and Air-conditioning，2011(6):41 －43.(in Chinese))

［6］ 張立琦.地鐵通風空調集成閉式系統風道設計淺析［J］.暖通空調，2010(7):74－75.(ZHANG Liqi.Air ducting design of closed integrated ventilation and air conditioning system in underground railway［J］.Heating Ventilating and Air-conditioning，2010(7):74 －75.(in Chinese))

［7］ 北京城建設計研究總院有限責任公司，中國地鐵咨詢有限責任公司.GB 5015—2013地鐵設計規范［S］.北京:中國計劃出版社，2014.(Beijing Urban Construction Design＆ Development Group Co.，Limited，China Metro Engineering Consulting Corporation.GB 50157—2013 Code for design of Metro［S］.Beijing:China Planning Press，2014.(in Chinese))

［8］ 中華人民共和國住建部地鐵與輕軌研究中心.GB 50490—2009城市軌道交通技術規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2009.(The people’s Republic of China Ministry of Housing and Urban Rural Development，Research Center of Metro and Light Rail.GB 50490—2009 Technical code of urban rail transit［S］.Beijing:China Architecture ＆ Building Press，2009.(in Chinese))

［9］ 公安部天津消防研究所.GB 50016—2006建筑設計防火規范［S］.北京:中國計劃出版社，2006.(Tianjin Fire Research Institute.GB 50016—2006 Code of design on building fire protection and prevention［S］.Beijing:China Planning Press，2006.(in Chinese))

［10］ 北京市建委.京建市［2006］197號《北京市建設工程概算定額》［M］.第十三冊:地鐵工程.北京:中國建筑工業出版社，2006.(Beijing Municipal Construction Committee.The 197th regulation ofconstruction in Beijing，Quota of budgetary estimate of construction projects in Beijing［M］.the 13th volume:Subway Engineering.Beijing:China Architecture ＆ Building Press，2006.(in Chinese))