平原地區(qū)地鐵車輛基地場(chǎng)坪高程的確定

劉志雄

(中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,天津 300251)

1 概述

隨著我國城鎮(zhèn)化快速發(fā)展，城市開發(fā)強(qiáng)度高，大量硬質(zhì)鋪裝，改變了自然生態(tài)本底和水文特征。城市每逢遭遇高強(qiáng)度降雨時(shí)，大量降水在短時(shí)間內(nèi)形成地表徑流，大大增加了城市排水壓力，經(jīng)常出現(xiàn)“城內(nèi)看海”現(xiàn)象，“逢暴雨必澇”已成為中國城市的真實(shí)寫照。

車輛基地包括車輛段(停車場(chǎng))、綜合維修中心、物資總庫和培訓(xùn)中心以及必要的生產(chǎn)、生活、辦公等配套設(shè)施，是地鐵正常運(yùn)營所必需的設(shè)備和設(shè)施[1]。合理確定車輛基地場(chǎng)坪高程不僅關(guān)系到車輛基地設(shè)施安全及周邊市政的良好銜接，同時(shí)也是車輛基地設(shè)計(jì)的重要依據(jù)，直接決定了工程的合理性和投資大小，設(shè)計(jì)中必須高度重視[2]。

2 平原地區(qū)車輛基地場(chǎng)坪高程確定的影響因素

平原地區(qū)地勢(shì)平坦，地面高程變化小，河道的水位較高，導(dǎo)致平原地區(qū)淹水內(nèi)澇頻繁。地鐵車輛基地場(chǎng)坪高程的確定應(yīng)綜合考慮防洪排澇、線路設(shè)計(jì)、市政道路銜接、排水設(shè)計(jì)、工程投資等因素。

2.1 防洪排澇要求

(1)車輛基地站場(chǎng)線路路肩高程應(yīng)根據(jù)基地附近內(nèi)澇水位高程設(shè)計(jì)。

(2)沿海或江河附近地區(qū)車輛基地的車場(chǎng)線路路肩設(shè)計(jì)高程不應(yīng)小于1/100洪水頻率標(biāo)準(zhǔn)的潮水位、波浪爬高值和安全高之和[1]。

(3)路基是地鐵工程的重要組成部分，直接承受軌道和車輛荷載。路基工程作為土工結(jié)構(gòu)物，必須具有足夠的強(qiáng)度、穩(wěn)定性和耐久性。路基路肩高程應(yīng)高出線路通過地段的最高地下水位和最高地面積水水位，并應(yīng)加毛細(xì)水強(qiáng)烈上升高度和有害凍脹深度或蒸發(fā)強(qiáng)烈影響深度，再加0.5 m[3，13，15]。

2.2 線路設(shè)計(jì)要求

車場(chǎng)內(nèi)的庫線宜設(shè)在平坡道上，咽喉區(qū)道岔坡度不宜大于3.0‰。車輛段、停車場(chǎng)通過出入線與正線連接，是從地下正線過渡到地面上的連接線，應(yīng)保證列車進(jìn)入正線或由正線收車時(shí)安全、可靠、迅速，且運(yùn)行合理、經(jīng)濟(jì)。出入線的最大坡度宜采用40‰(不計(jì)各種坡度折減值)。地鐵車輛基地一般位于城市外圍，地形情況復(fù)雜，應(yīng)靠近正線并具備良好的接軌條件，受段場(chǎng)接軌站以及出、入段線長度的限制，應(yīng)控制車場(chǎng)線的軌面高程[4，14]。

2.3 市政道路銜接要求

車輛基地選址應(yīng)與城市總體規(guī)劃協(xié)調(diào)一致，車輛基地周邊應(yīng)有利于與城市道路連接，有利于城市電力、通信及各種管道的引入，并有良好排水條件[5]。為防止周邊雨水匯入車輛基地，一般情況車輛基地場(chǎng)坪高程應(yīng)高于周邊市政道路。因此，市政道路高程對(duì)車輛基地場(chǎng)坪高程影響重大。

2.4 排水設(shè)計(jì)要求

車輛基地需做好排水設(shè)計(jì)，確保排水通暢，避免站場(chǎng)路基被雨水浸泡而引起基床翻漿冒泥等病害。站場(chǎng)路基排水系統(tǒng)一般采用重力自流排水方式，有條件時(shí)應(yīng)排入城市管網(wǎng)排水系統(tǒng)或附近河溝。

2.5 工程投資要求

車輛基地場(chǎng)坪高程直接決定著土石方以及擋墻的工程數(shù)量[6]，過高(填方)或者過低(挖方)都將明顯增加工程投資。因此，車輛基地場(chǎng)坪高程的設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮土石方調(diào)配情況，以降低工程造價(jià)。

2.6 重要參照

車輛基地場(chǎng)坪高程的設(shè)計(jì)需考慮周邊地塊高程情況，應(yīng)美觀協(xié)調(diào)[6]。同區(qū)域內(nèi)其他地鐵線路車輛基地的場(chǎng)坪高程、附近鐵路場(chǎng)站或?qū)Ｓ镁€編組站的場(chǎng)坪高程、附近公路橋涵高程等及其確定依據(jù)，可作為場(chǎng)坪高程設(shè)計(jì)的重要參考依據(jù)。

3 石家莊市北樂鄉(xiāng)車輛基地場(chǎng)坪高程設(shè)計(jì)

以石家莊市軌道交通3號(hào)線二期工程北樂鄉(xiāng)車輛基地場(chǎng)坪高程的設(shè)計(jì)為例，分析研究平原地區(qū)地鐵車輛基地場(chǎng)坪高程的確定。

3.1 車輛基地選址概況[7]

北樂鄉(xiāng)車輛基地位于石家莊市東三環(huán)附近，車輛段呈南北向長條形布置，地塊南北長約1 250 m，寬154～407 m，為滹沱河沖洪積形成，經(jīng)過多年的人工整治和城市建設(shè)，地表已被建筑物、耕地等覆蓋，無明顯的沖洪積扇地形特征，地勢(shì)平坦，現(xiàn)狀地面高程平均為59.5 m。見圖1。

圖1 北樂鄉(xiāng)車輛基地地理位置示意

3.2 防洪排澇要求

車輛基地周邊水系有滹沱河、環(huán)城水系和汪洋溝等。滹沱河位于石家莊市區(qū)北部，河道南側(cè)的石黃高速為主城區(qū)的防洪堤，防洪能力達(dá)200年一遇。北樂鄉(xiāng)車輛基地位于石黃高速公路防洪大堤以南6 km，場(chǎng)坪高程的確定應(yīng)重點(diǎn)考慮排澇要求；環(huán)城水系為車輛基地西側(cè)的退水明渠，斷面寬度20～30 m，最大深度4.5 m；車輛基地東側(cè)汪洋溝的斷面寬度為15～28 m，最大深度6.0 m，汪洋溝為區(qū)域主要排澇渠道。北樂鄉(xiāng)車輛基地周邊水系分布見圖2。

圖2 北樂鄉(xiāng)車輛基地周邊水系分布示意

城市內(nèi)澇數(shù)值模型嚴(yán)重地依賴地區(qū)的地理特征和排水系統(tǒng)信息[8]。結(jié)合氣象水文資料、車輛基地周邊水系以及現(xiàn)場(chǎng)走訪調(diào)查，確定暴雨積水深度，作為場(chǎng)坪高程設(shè)計(jì)參照依據(jù)[10]。

自1919年至2011年，經(jīng)驗(yàn)頻率值為25%時(shí)年降雨量為595.9 mm，經(jīng)驗(yàn)頻率值為50%時(shí)年降雨量為492 mm，經(jīng)驗(yàn)頻率值為75%時(shí)年降雨量為399.4 mm。在1919年至2011年降雨中，年降雨量大于1 000 mm的極端降雨出現(xiàn)的年份分別是1932年、1963年、1996年，即大致每30年即會(huì)出現(xiàn)一次極端降雨，且在極端降雨的第二年或者第三年即會(huì)出現(xiàn)年降雨小于年平均降雨的枯水年[7]。石家莊地區(qū)歷年年降水量統(tǒng)計(jì)如圖3所示。

圖3 石家莊地區(qū)歷年年降水量統(tǒng)計(jì)[7]

根據(jù)日暴雨觀測(cè)數(shù)據(jù)，推算城市區(qū)域內(nèi)澇水位[8]。

假定：(1)雨澇同頻；(2)不考慮內(nèi)澇水外排；(3)汛期土壤濕潤滿蓄，不考慮下滲損失；(4)不考慮外河洪水，僅考慮本地降雨致澇，則最高內(nèi)澇水位即可簡化為簡單的線性疊加，采用下式計(jì)算

(1)

根據(jù)北樂鄉(xiāng)車輛基地附近崗上水文觀測(cè)站相關(guān)觀測(cè)數(shù)據(jù)，1972～2015年間，日最大降雨量發(fā)生在1996年，達(dá)到149.7 mm。見圖4。

圖4 車輛基地附近崗上水文觀測(cè)站日暴雨觀測(cè)記錄數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

根據(jù)式(1)估算北樂鄉(xiāng)車輛基地區(qū)域最大積水深度0.1497×3/1=0.4491 m，區(qū)域內(nèi)澇水位為59.9491 m≈60.0 m。

ZP=59.5+0.1497×3/1=59.9491 mm

通過現(xiàn)場(chǎng)走訪調(diào)查，北樂鄉(xiāng)車輛基地區(qū)域歷史最高積水深約0.5 m，與計(jì)算結(jié)果基本吻合。

3.3 線路設(shè)計(jì)要求

北樂鄉(xiāng)車輛基地的接軌站北樂鄉(xiāng)站為地下一層島式車站，站中心高程為49.495 m；車輛段出入線長約950 m，最大坡率為30‰，同時(shí)滿足信號(hào)轉(zhuǎn)換時(shí)車輛臨時(shí)停車的緩坡設(shè)置要求。北樂鄉(xiāng)車輛基地出入線平、縱斷面見圖5。

圖5 北樂鄉(xiāng)車輛基地出入線平、縱斷面[9]

北樂鄉(xiāng)車輛基地與正線接軌條件良好，出入段長度適宜，線路設(shè)計(jì)條件不是場(chǎng)坪高程確定的控制因素。

3.4 市政道路銜接要求(圖6)

北樂鄉(xiāng)車輛基地周邊有東三環(huán)路、信工路和東樂街。其中，東三環(huán)路為現(xiàn)狀道路、信工路正在實(shí)施，東樂街為規(guī)劃道路。

(1)東三環(huán)路

東三環(huán)路路基和大中橋及涵洞設(shè)計(jì)洪水位頻率1/100。北樂鄉(xiāng)車輛基地附近東三環(huán)路(K69+500～K70+500)路面設(shè)計(jì)高程60.068～58.928 m。

(2)信工路

信工路規(guī)劃路面高程59.20～59.48 m，現(xiàn)狀地面高程58.4～59.15 m，道路規(guī)劃高程呈西高東底。

(3)東樂街

東樂街規(guī)劃路面高程58.8～59.2 m，現(xiàn)狀地面高程58.4～58.86 m，道路規(guī)劃高程呈北高南低。

圖6 北樂鄉(xiāng)車輛基地周邊市政道路規(guī)劃

東三環(huán)路為快速路，車輛基地主、次出入口分別接信工路和東樂街，按照市政道路銜接要求，車輛基地場(chǎng)坪高程宜大于59.48 m。

3.5 排水設(shè)計(jì)要求(圖7)

北樂鄉(xiāng)車輛基地附近區(qū)域雨水排水規(guī)劃中，沿信工路東西向敷設(shè)4.2 m×1.8 m的鋼筋混凝土雨水方溝，溝底高程55.617～55.269 m，呈西高東底。沿東樂街南北向敷設(shè)內(nèi)徑1.25 m的排水管，由南向北向匯入信工路的排水干管。

圖7 北樂鄉(xiāng)車輛基地周邊道路雨水排水規(guī)劃

規(guī)劃雨水管網(wǎng)的排水量已經(jīng)考慮了北樂鄉(xiāng)車輛基地區(qū)域，合理設(shè)置場(chǎng)坪高程，實(shí)現(xiàn)站場(chǎng)路基排水系統(tǒng)順利接入市政排水管網(wǎng)。

3.6 重要參照

(1)石家莊地鐵1號(hào)線西兆通車輛基地場(chǎng)坪高程設(shè)置[11](圖8)

西兆通車輛基地位于石家莊市西兆通鎮(zhèn)的東兆通村以北，規(guī)劃天山大街以東，秦嶺大街以西，天河路以北，既有石黃高速公路以南地塊，現(xiàn)狀地面高程66.15～67.48 m。綜合考慮市政道路高程、出入線坡度要求以及場(chǎng)區(qū)土方工程數(shù)量等因素，確定場(chǎng)坪高程為67.50 m。

圖8 石家莊地鐵1號(hào)線西兆通車輛基地平面

(2)既有鐵路設(shè)施

距離北樂鄉(xiāng)車輛基地最近距離約400 m處的石家莊煉油廠鐵路專用線邱頭鎮(zhèn)編組站，路肩高程為58.80 m，地面高程58.40 m，路肩高程高于地面約0.4 m。現(xiàn)場(chǎng)走訪調(diào)查反映，歷史上曾發(fā)生編組站內(nèi)澇水淹情況。

3.7 車輛基地場(chǎng)坪高程的確定

通過以上分析，對(duì)北樂鄉(xiāng)車輛基地場(chǎng)坪高程研究了3個(gè)方案。

(1)方案一：現(xiàn)狀地面平均高程值59.5 m+區(qū)域內(nèi)澇積水深度0.5 m+安全值0.5 m=計(jì)算內(nèi)澇水位60.0 m+安全值0.5 m=60.5 m，場(chǎng)坪高程定為60.5 m，軌面高程為61.15 m；該方案車輛基地場(chǎng)坪高程比周邊規(guī)劃道路高約1.2 m，與東三環(huán)輔路路基段高程基本一致。滿足規(guī)范要求，安全值取0.5 m，填土方量約43萬m3。

(2)方案二：現(xiàn)狀地面平均高程值59.5 m+區(qū)域內(nèi)澇積水深度0.5 m=計(jì)算內(nèi)澇水位60.0 m，場(chǎng)坪高程定為60.0 m，軌面高程為60.65 m；該方案車輛基地場(chǎng)坪高程比周邊規(guī)劃道路高約0.7 m，與東三環(huán)輔路路基段低0.5 m左右。本方案為了盡量減少土方，未考慮安全值，填土方量約26萬m3。

(3)方案三：現(xiàn)狀地面平均高程值59.5 m+區(qū)域內(nèi)澇積水深度0.5 m+波浪及雍水高0.5+安全值0.5 m=61.0 m，場(chǎng)坪高程定位61.0 m，軌面高程為61.65 m；該方案車輛基地場(chǎng)坪高程比周邊規(guī)劃道路高約1.7 m，比東三環(huán)輔路路基段高約0.5 m。本方案填土方量約60萬m3。

綜合考慮現(xiàn)狀地面高程、周邊市政道路高程、既有東三環(huán)路基段高程、積水位、安全值等多方面因素，推薦方案一，北樂鄉(xiāng)車輛基地場(chǎng)坪高程為60.5 m，軌面高程為61.15 m。

4 結(jié)語

近年來極端氣候頻現(xiàn)，城市內(nèi)澇嚴(yán)重，地鐵車輛基地場(chǎng)坪高程關(guān)系到工程投資的經(jīng)濟(jì)合理性和基礎(chǔ)設(shè)施的安全性，綜合考慮區(qū)域用地規(guī)劃、市政道路銜接、城市防洪排澇要求、正線接軌線路設(shè)計(jì)要求、排水設(shè)計(jì)等影響因素，通過數(shù)學(xué)模型理論計(jì)算區(qū)域內(nèi)澇水位，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)走訪調(diào)查情況，同時(shí)參照重要案例，最終經(jīng)方案比較后確定了車輛基地場(chǎng)坪高程。

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