中心城區(qū)城市綜合管廊與地鐵合建型式研究

農(nóng)興中 曾 毅

(1.廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司, 510010, 廣州; 2.廣州環(huán)城地下管廊建設(shè)投資有限公司, 510010, 廣州)

隨著城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,建筑密度越來(lái)越大,城市居民對(duì)水、電等各種需求隨之增加,各種市政配套設(shè)施,尤其是市政管線的密度也相應(yīng)不斷增加。外露的市政管線不僅對(duì)城市景觀影響較大,而且抗風(fēng)險(xiǎn)能力弱,容易因意外因素導(dǎo)致不能安全運(yùn)行。綜合管廊可有效地保障城市管道安全,減少城市道路的翻修破壞,減少交通擁堵,節(jié)省地下空間,促進(jìn)周邊土地升值,提高人民生活質(zhì)量和效率,從而帶來(lái)巨大的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益[1-3]。

綜合管廊具有投資高、建設(shè)周期長(zhǎng)、土建風(fēng)險(xiǎn)大、運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本高的特點(diǎn)[4]。然而,由于在先期規(guī)劃建設(shè)中未統(tǒng)籌規(guī)劃,考慮后期其他地下空間的建設(shè),忽視了城市地下空間的有限性,因此,一旦綜合管廊先期建設(shè)工程占據(jù)了有限的地下空間,則后續(xù)工程建設(shè)難度將大幅增加[5-6]。對(duì)此,可考慮將中心城區(qū)的綜合管廊與地鐵合建。

本文依托廣州地鐵11號(hào)線(以下簡(jiǎn)稱“11號(hào)線”)與綜合管廊合建結(jié)合建設(shè)項(xiàng)目(以下簡(jiǎn)稱“11號(hào)線管廊合建項(xiàng)目”),對(duì)結(jié)合建設(shè)的必要性、綜合管廊與地鐵的各種合建型式進(jìn)行了研究,并對(duì)11號(hào)線具體節(jié)點(diǎn)結(jié)合方案進(jìn)行討論。

1 工程概況與建設(shè)必要性

1.1 工程概況

11號(hào)線串接了琶洲、廣州東站、廣州火車站、白鴨潭等四大樞紐,連接了天河、白云、越秀、荔灣、海珠等中心城區(qū),串聯(lián)了世洲員村、南中軸及白鵝潭等近期重點(diǎn)發(fā)展區(qū)域,增加了廣州重點(diǎn)建設(shè)地區(qū)的交通覆蓋范圍。

廣州市中心城區(qū)地下綜合管廊工程如圖1所示。

圖1 廣州市中心城區(qū)地下綜合管廊工程示意圖

中心城區(qū)綜合管廊主要需求之一為220 kV和110 kV電力電纜,以連接已建及規(guī)劃建設(shè)的220 kV/110 kV主變電站,滿足中心城區(qū)的電力供應(yīng)以及架空線下地要求。科韻路支線綜合管廊需求為220 kV和110 kV電力電纜,以滿足金融城的電力供應(yīng)以及科韻路段的架空線下地。

綜合管廊的另一主要需求為供水管道。綜合管廊主線將串聯(lián)南洲水廠、西村水廠及石門(mén)水廠,能起到供水保障的作用,使周邊地塊的用水安全及舒適度大幅增加。

廣州市中心城區(qū)地下綜合管廊工程處于廣州市中心城區(qū),且綜合管廊大部分線路沿11號(hào)線路由敷設(shè)。廣州市中心城區(qū)地下綜合管廊工程采用與在建11號(hào)線合建的形式,與11號(hào)線同步設(shè)計(jì)、同步建設(shè)。綜合管廊區(qū)間采用盾構(gòu)法施工;綜合管廊工作井采用明挖法施工,且部分工作井同11號(hào)線車站的出入口、風(fēng)亭合建。綜合管廊工程線路長(zhǎng)度約為45.7 km,其中主線長(zhǎng)42.6 km,支線長(zhǎng)3.1 km;全線共設(shè)44座工作井(主線40座,支線4座),其中有12座工作井與11號(hào)線車站合建(包括共用場(chǎng)地但結(jié)構(gòu)分離的工作井)。各工作井的平均間距為1.04 km。

為滿足遠(yuǎn)期管線接入數(shù)量增多的可能性需求,按照經(jīng)濟(jì)合理、規(guī)模可控的原則,結(jié)合盾構(gòu)施工工藝成熟度及施工機(jī)械數(shù)量等相關(guān)因素,確定綜合管廊采用內(nèi)徑5.4 m的單個(gè)圓形斷面。這樣即可直接利用成熟的盾構(gòu)施工工藝、相關(guān)機(jī)械設(shè)備及管片模具,降低建設(shè)成本。

1.2 合建的必要性與建設(shè)原則

由于中心城區(qū)用地緊張,若綜合管廊單獨(dú)實(shí)施需征用大量土地,耗費(fèi)大量資金。綜合管廊斷面面積較大,出地面檢修口及通風(fēng)口規(guī)模均相對(duì)較大,因此在老城區(qū)土地資源匱乏、施工用地緊張、管線遷改難度大的情況下,新建綜合管廊這種體量的構(gòu)筑物十分困難。若與地鐵建設(shè)結(jié)合,則可合并大量環(huán)節(jié),大大減少相關(guān)費(fèi)用。

本工程緊密結(jié)合11號(hào)線新線同步設(shè)計(jì)、同步建設(shè),具有以下幾點(diǎn)明顯的優(yōu)勢(shì):①綜合管廊大部分線路與11號(hào)線共用地下走廊,提高了地鐵沿線地下空間的利用率,減少對(duì)其他路由地下空間的占用。②綜合管廊與地鐵的地質(zhì)勘察、征借地、交通疏解、管線遷改和房屋拆遷等若干前期工作合并,大量減少了前期協(xié)調(diào)工作及相關(guān)費(fèi)用,大幅減少了土地資源占用,削弱了對(duì)現(xiàn)狀交通及地下管線的影響;據(jù)初步估算,可節(jié)約各項(xiàng)費(fèi)用約7億元。③11號(hào)線在綜合管廊項(xiàng)目之前已開(kāi)展了前期征拆工作,結(jié)合建設(shè)也保證了綜合管廊工程的可實(shí)施性和工期保障。

綜合管廊布置及與地下車站、區(qū)間隧道的交叉節(jié)點(diǎn)建設(shè)原則: ①綜合管廊列入近期實(shí)施內(nèi)容時(shí),應(yīng)明確綜合管廊、11號(hào)線地下車站及區(qū)間隧道的建設(shè)時(shí)序,并注意綜合管廊與地下車站交叉節(jié)點(diǎn)宜采用合建方案。②地下綜合管廊與地鐵工程的前期工程及土建工程同步招標(biāo),并一次建設(shè)到位,管廊所納入的各類公用管線可根據(jù)發(fā)展需要逐步敷設(shè)。③綜合管廊工程應(yīng)緊密結(jié)合地鐵工程建設(shè)同步實(shí)施,出地面口應(yīng)盡量結(jié)合車站附屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2 綜合管廊與地鐵合建型式

合建型式可分為共建共構(gòu)和共建非共構(gòu)兩大類。11號(hào)線合建管廊項(xiàng)目選擇共建共構(gòu)型式,即綜合管廊與結(jié)構(gòu)結(jié)合。該型式還可以分為與車站主體結(jié)構(gòu)結(jié)合、與車站附屬結(jié)構(gòu)結(jié)合和與區(qū)間隧道結(jié)合三類。其中,綜合管廊與區(qū)間隧道結(jié)合的共建共構(gòu)型式相對(duì)簡(jiǎn)單,但協(xié)調(diào)統(tǒng)籌難度大,故本項(xiàng)目未采用該型式。

2.1 型式一

型式一即綜合管廊與地鐵車站主體結(jié)構(gòu)結(jié)合型式。型式一的典型結(jié)構(gòu)如圖2所示。由圖2可見(jiàn),型式一的地鐵車站部分采用了多跨多層主體結(jié)構(gòu),并與綜合管廊結(jié)合為一體。

圖2 型式一的典型結(jié)構(gòu)示意圖

型式一的優(yōu)點(diǎn):綜合管廊與地鐵車站結(jié)構(gòu)結(jié)合為一體,能大幅減少對(duì)土地資源的占用,減小拆遷征地壓力,還能減少地下結(jié)構(gòu)的開(kāi)挖量,進(jìn)而減少對(duì)周圍建筑結(jié)構(gòu)的影響,從而避免二者分別施工時(shí)對(duì)周邊結(jié)構(gòu)的二次擾動(dòng)。

型式一的缺點(diǎn):地鐵設(shè)備與管廊設(shè)備密集布置,對(duì)設(shè)備安裝的要求提高;設(shè)備相互干擾的可能性增大。為保障運(yùn)營(yíng)安全,當(dāng)建設(shè)此型式綜合管廊時(shí),天然氣管道及蒸汽介質(zhì)熱力管道不應(yīng)納入綜合管廊。此外,由于地鐵與綜合管廊分屬不同的運(yùn)營(yíng)單位,還需要合理劃分建設(shè)費(fèi)用與運(yùn)營(yíng)費(fèi)用,并合理分配二者的管理區(qū)域,以免出現(xiàn)責(zé)任不清的情況。

2.2 型式二

型式二即綜合管廊與地鐵車站附屬結(jié)構(gòu)結(jié)合的型式。綜合管廊工作井布置位置可以與風(fēng)亭和出入口等附屬結(jié)構(gòu)結(jié)合,布置在附屬結(jié)構(gòu)口部?jī)?nèi)側(cè)、外側(cè)或者下方。型式二中綜合管廊工作井布置在附屬結(jié)構(gòu)口部?jī)?nèi)側(cè)的典型結(jié)構(gòu)如圖3所示。在圖3的車站節(jié)點(diǎn),綜合管廊工作井與地鐵車站附屬結(jié)構(gòu)相結(jié)合,綜合管廊工作井施工場(chǎng)地與車站附屬施工場(chǎng)地也相結(jié)合。

圖3 型式二的典型結(jié)構(gòu)示意圖

型式二的優(yōu)點(diǎn):在空間上,型式二的綜合管廊工作井與地鐵車站主體脫離,與附屬結(jié)構(gòu)共構(gòu),對(duì)車站影響較小;在時(shí)間上,綜合管廊工作井施工與地鐵施工總體同步,可利用地鐵車站先期的施工準(zhǔn)備條件,能節(jié)省大量的前期準(zhǔn)備工作。

型式二的缺點(diǎn):與型式一相比,型式二的開(kāi)挖量與占地面積較大;后期的施工會(huì)受到先期建成結(jié)構(gòu)的影響。

2.3 合建型式的比選

綜合管廊與地鐵車站合建型式的對(duì)比如表1所示。11號(hào)線管廊合建項(xiàng)目考慮到前期協(xié)同籌劃不足,為了減少相互干擾,又為了很好地利用地鐵建設(shè)的優(yōu)勢(shì)、實(shí)現(xiàn)同步建設(shè),沿11號(hào)線敷設(shè)的綜合管廊除少量節(jié)點(diǎn)采用與車站主體結(jié)構(gòu)結(jié)合型式外,主要采用了與地鐵車站附屬結(jié)構(gòu)相結(jié)合的型式。

表1 綜合管廊與地鐵車站合建型式的對(duì)比

3 不同合建型式的部分典型案例

3.1 采用型式一的典型案例

11號(hào)線梓元崗站與綜合管廊采用型式一合建。梓元崗站為東西走向,位于老城區(qū)三元里大道與機(jī)場(chǎng)路交匯處,且毗鄰梓元崗社區(qū),拆遷征地極困難。鄰近社區(qū)的房屋使用時(shí)間均超過(guò)40年,房屋外墻已出現(xiàn)較多貫穿性裂縫,自身穩(wěn)定性極差。梓元崗站為地下4層島式車站,全長(zhǎng)280.8 m,站臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)段寬為43.2 m。梓元崗站分東站廳、西站廳及暗挖部分等3大部分,設(shè)置5個(gè)出入口和2個(gè)風(fēng)亭組。梓元崗站采用明挖順做法,站臺(tái)層隧道為暗挖法施工。車站附屬結(jié)構(gòu)采用明暗挖結(jié)合施工。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況確定,11號(hào)線管廊合建項(xiàng)目的梓元崗站合建最終方案為:只在西端站廳局部同綜合管廊21#工作井及其管廊結(jié)構(gòu)共構(gòu),管廊其他部分采用盾構(gòu)施工。該方案總體上對(duì)車站主體結(jié)構(gòu)影響較小。21#工作井為4層兩端始發(fā)井,深約36.8 m,采用明挖法施工。21#工作井與梓元崗站的位置關(guān)系如圖4所示。

與僅建設(shè)地鐵車站的方案相比,11號(hào)線管廊合建項(xiàng)目的梓元崗站永久用地僅增加550 m2,小于梓元崗站拆遷面積的1/10;與非共構(gòu)型式對(duì)比,采用型式一后,梓元崗站用地減少約1/2,而且減小了二次施工對(duì)周邊老舊房屋的影響,降低了施工風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 型式二的典型案例

型式二是常用建設(shè)型式,其車站與管廊共建布置的靈活性強(qiáng)[7]。型式二的典型合建平面如圖5所示。

a) 工作井位于附屬外側(cè)

相比主體結(jié)構(gòu),出入口及風(fēng)亭等車站附屬結(jié)構(gòu)的尺寸小,且覆土厚度一般僅為4.6～5.0 m。位于附屬外側(cè)的工作井與區(qū)間獨(dú)立工作井基本一致,僅出地面的通風(fēng)口及人員出入口同地鐵出入口等附屬結(jié)構(gòu)相結(jié)合。這樣工作井可不受車站附屬埋深影響。工作井的尺寸按照滿足盾構(gòu)始發(fā)、過(guò)站、吊出的要求設(shè)置。管廊人員出入口與地鐵出入口之間設(shè)置防火墻及防火門(mén)分隔;風(fēng)口設(shè)置應(yīng)保證與地鐵出入口的防火防煙間距。位于車站附屬內(nèi)側(cè)的工作井區(qū)間需下穿車站附屬結(jié)構(gòu),會(huì)受車站附屬結(jié)構(gòu)埋深影響。

3.2.1 綜合管廊與附屬結(jié)構(gòu)結(jié)合于內(nèi)側(cè)

廣州東站站為廣州地鐵1、3、11及18號(hào)線的換乘站,共有3條既有線與1條在建線路通過(guò),地下空間緊張。該站于1998年完成1號(hào)線站層相關(guān)建設(shè),于2005年開(kāi)通運(yùn)行3號(hào)線。目前已有結(jié)構(gòu)已建成多年。可見(jiàn):若綜合管廊與廣州東站站主體結(jié)合,則協(xié)調(diào)難度較大;而且管廊過(guò)于靠近已有線路會(huì)大幅增加施工風(fēng)險(xiǎn)。由此廣州東站采用了型式二的合建方案。為滿足11號(hào)線管廊合建項(xiàng)目需求,廣州東站站在東端新建擴(kuò)大段。與附屬結(jié)構(gòu)結(jié)合于內(nèi)側(cè),工作井結(jié)構(gòu)受車站附屬埋深影響,施工難度增加,但相對(duì)與附屬結(jié)構(gòu)結(jié)合于外側(cè),對(duì)施工用地的節(jié)省較大,管廊與車站結(jié)構(gòu)的距離也在可控范圍。且采用與附屬結(jié)構(gòu)結(jié)合于內(nèi)側(cè)方案,該工作井建設(shè)沒(méi)有新增拆遷。因此,綜合管廊14#工作井采用與廣州東站站1號(hào)出入口結(jié)構(gòu)結(jié)合于內(nèi)側(cè)的方案。

14#工作井與廣州東站站1號(hào)出入口位置關(guān)系如圖6所示。1號(hào)出入口位于廣園路北側(cè)燕嶺公園內(nèi),平行14#工作井設(shè)置。14#工作井長(zhǎng)度為28.7 m,標(biāo)準(zhǔn)段寬度為13.9 m,覆土厚度為0.40 m～3.22 m,為地下四層單跨箱形混凝土結(jié)構(gòu),出入口為地下一層結(jié)構(gòu),與管廊主體結(jié)構(gòu)合建。頂、中、底板與內(nèi)襯墻形成為一閉合框架,頂、中、底板設(shè)計(jì)為梁板體系;圍護(hù)結(jié)構(gòu)與風(fēng)井主體結(jié)構(gòu)采用復(fù)合式結(jié)構(gòu),主體結(jié)構(gòu)采用明挖順筑法施工;管廊井兩端均接盾構(gòu)區(qū)間。

a) 平面圖

3.2.2 綜合管廊與附屬結(jié)構(gòu)結(jié)合于外側(cè)

11號(hào)線鶴洞東站主體結(jié)構(gòu)比綜合管廊盾構(gòu)晚1年施工,難以采用綜合管廊與主體結(jié)構(gòu)的共建共構(gòu)型式。若采用綜合管廊與附屬結(jié)構(gòu)結(jié)合于內(nèi)側(cè)的方案,則需采用暗挖施工,施工難度較大。綜合考慮土地征遷可行性、施工難度和施工安全等因素,以及對(duì)周圍建筑及城市交通的影響,最終采用綜合管廊與附屬結(jié)構(gòu)結(jié)合于外側(cè)的方案。

綜合管廊34#工作井位于荔灣區(qū)芳村大道南西側(cè),與11號(hào)線鶴洞東站1號(hào)出入口合建,并與廣州鶴洞東站主體共用圍護(hù)結(jié)構(gòu)。34#工作井與鶴洞東站1號(hào)出入口位置關(guān)系如圖7所示。鶴洞東站為地下三層島式車站。工作井為地下5層,全長(zhǎng)19.25 m,寬19.3 m,基坑開(kāi)挖深度為32.5～35.5 m。34#工作井需在管廊通過(guò)一年后方可開(kāi)挖。33#工作井為始發(fā)井,已施工至底板;34#工作井為過(guò)站井。為了不影響綜合管廊的施工,需在盾構(gòu)到達(dá)前完成34#工作井的圍護(hù)樁,待盾構(gòu)通過(guò)后再開(kāi)挖34#工作井,即“先隧后井”施工。綜合管廊34#工作井圍護(hù)樁施工時(shí),已完成鶴洞東主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工。

a) 平面圖

4 結(jié)論

1) 城市中心城區(qū)綜合管廊的地面實(shí)施條件及地下空間受到較大限制。綜合管廊與地鐵相結(jié)合,同步規(guī)劃、同步設(shè)計(jì)和同步實(shí)施,統(tǒng)一布局、統(tǒng)籌考慮,可有效減少對(duì)地上和地下資源的占用,合理利用地下空間資源。管廊與地鐵結(jié)合建設(shè)需要在前期項(xiàng)目規(guī)劃中充分考慮,避免因后期線路更改、站點(diǎn)更換導(dǎo)致合建難度大幅提升,甚至無(wú)法合建。

2) 管廊與地鐵結(jié)合建設(shè)宜優(yōu)先采用共建共構(gòu)的結(jié)合型式,可以大幅節(jié)省造價(jià),最大程度地發(fā)揮共同建設(shè)的優(yōu)點(diǎn),若受空間、地質(zhì)和施工時(shí)序等條件限制時(shí),可以靈活運(yùn)用與車站附屬結(jié)構(gòu)的共建共構(gòu)或共建非共構(gòu)方案,充分發(fā)揮車站主體結(jié)構(gòu)和附屬結(jié)構(gòu)建設(shè)的時(shí)間和空間轉(zhuǎn)換條件。

3) 針對(duì)局部節(jié)點(diǎn),需因地制宜,進(jìn)行管廊(井)與主體和附屬結(jié)構(gòu)的不同位置結(jié)合方式的方案比選,分析不同合建方案的用地、施工和協(xié)調(diào)難度等因素,選擇合理的結(jié)合方案。