軌道交通盾構(gòu)車站建筑設(shè)計(jì)問題研究

馬云良

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢 430063）

0 引言

隨著城市地鐵建設(shè)的蓬勃發(fā)展，傳統(tǒng)的地面明挖方法在地鐵車站建設(shè)中逐漸顯露出工期較長的問題。盾構(gòu)技術(shù)不僅能顯著縮減地面工程的范圍，還能實(shí)現(xiàn)車站與隧道的一體化施工，有效緩解地面交通壓力，改善施工條件，成為地鐵建設(shè)的重要發(fā)展方向。對此，文章聚焦盾構(gòu)技術(shù)在地鐵車站建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，通過文獻(xiàn)調(diào)研和工程案例分析，深入研究這一技術(shù)在解決地下復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下車站建設(shè)中的關(guān)鍵作用，期望為地鐵建設(shè)提供全面的設(shè)計(jì)思路和實(shí)際應(yīng)用方法，為未來地鐵車站建設(shè)項(xiàng)目提供參考。

1 軌道交通盾構(gòu)車站建設(shè)概述

1.1 盾構(gòu)車站定義及特點(diǎn)

盾構(gòu)車站是指利用盾構(gòu)技術(shù)建造的地鐵車站，與敞口站、明挖站相比，其具有建造周期短、施工對城市影響小的顯著優(yōu)點(diǎn)。盾構(gòu)車站的建設(shè)使用專門的隧道掘進(jìn)機(jī)，掘進(jìn)機(jī)頭部帶有圓形切頭，外表面裝有刀盤以切割土層。車站的結(jié)構(gòu)主要采用預(yù)制混凝土連續(xù)墻結(jié)構(gòu)，也稱“預(yù)制體”，這是盾構(gòu)法的關(guān)鍵技術(shù)之一。

常規(guī)的地鐵工程采用先站后隧盾構(gòu)法，即先開展地鐵車站主體施工，直至地鐵站施工至盾構(gòu)機(jī)械能夠入站、下井、穿行車站時(shí)，再實(shí)施隧道工程的施工[1]。相比常規(guī)車站建造方法，盾構(gòu)車站具有以下特點(diǎn)。

第一，建造快速，一次性完成站臺(tái)結(jié)構(gòu)，大幅度縮短建造周期。應(yīng)用先隧后站盾構(gòu)技術(shù)實(shí)現(xiàn)隧道的優(yōu)先貫通，降低了后續(xù)盾構(gòu)穿插對地鐵站主體框架建設(shè)的影響，在實(shí)現(xiàn)隧道區(qū)間優(yōu)先貫穿的同時(shí)，還可有效縮短隧道洞口、聯(lián)系通道、車站主體等部位的建設(shè)周期，并保證地鐵工程的作業(yè)質(zhì)量。第二，對城市影響小，只需要在地面建設(shè)少量豎井就能完成站臺(tái)的建造，不需要進(jìn)行大面積明挖，對地面交通影響較小。第三，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠，預(yù)制體結(jié)構(gòu)質(zhì)量好、結(jié)構(gòu)剛度高。第四，施工精度高，預(yù)制體可精確連接，確保運(yùn)營安全。第五，隔振降噪效果好，運(yùn)營產(chǎn)生的噪聲和振動(dòng)較小。

1.2 盾構(gòu)車站類型

根據(jù)與軌道線路的相對位置關(guān)系，盾構(gòu)車站可分為三種典型形式。

第一，島式站臺(tái)：車站站臺(tái)位于地下兩軌道之間，設(shè)兩個(gè)獨(dú)立的分離站臺(tái)，兩站臺(tái)間通過水平通道相連，形成分離島的站臺(tái)布置形式。出入口和站廳位于站臺(tái)兩端的水平投影上方，通過公共區(qū)樓扶梯與站臺(tái)之間的連通道與站臺(tái)相連，出入口及站臺(tái)最遠(yuǎn)點(diǎn)需滿足消防疏散要求，疏散點(diǎn)最遠(yuǎn)距離應(yīng)不超50m。這種形式的站臺(tái)面積大，客流組織靈活，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。其剖面示意圖如圖1～圖3 所示。

圖1 雙分圓分離島式車站-站廳層平面示意圖

圖2 雙分圓分離島式車站-站臺(tái)層平面示意圖

圖3 雙分圓分離島式車站-縱剖面示意圖

第二，側(cè)式站臺(tái)：車站站臺(tái)分別靠近地下軌道兩側(cè)設(shè)置，形成兩個(gè)側(cè)式站臺(tái)。出入口和站廳位于站臺(tái)兩端的水平投影上方，通過公共區(qū)樓扶梯與站臺(tái)直接相連。這種形式的站臺(tái)面積較小，客流組織簡單，僅能服務(wù)單向列車。其平面示意圖如圖4、圖5 所示。

圖4 雙分圓側(cè)式車站-站廳層平面示意圖

圖5 雙分圓側(cè)式車站-站臺(tái)層平面示意圖

第三，混合站臺(tái)：車站站臺(tái)兼具島式和側(cè)式布置，可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。這種形式適用性強(qiáng)，既能保證站臺(tái)面積，又具備合理的結(jié)構(gòu)。

此外，按照盾構(gòu)車站的結(jié)構(gòu)，還可分為單拱雙層站臺(tái)、雙拱雙層站臺(tái)、三聯(lián)體系站臺(tái)等類型。不同的結(jié)構(gòu)具有不同的建造難度和建造速度。

1.3 盾構(gòu)車站建設(shè)過程介紹

盾構(gòu)車站的建設(shè)過程可概括為四個(gè)階段。

第一，站前預(yù)制片開挖：這一階段需要進(jìn)行站前預(yù)制片的開挖，形成一個(gè)足夠大的豎井，以便后期盾構(gòu)機(jī)的進(jìn)入，同時(shí)應(yīng)做好支護(hù)工作，確保井壁的穩(wěn)定。第二，啟動(dòng)井進(jìn)口拱架裝配：在預(yù)制片開挖形成的豎井井口處，需要安裝拱架和導(dǎo)槽等輔助設(shè)備，引導(dǎo)盾構(gòu)機(jī)的進(jìn)入。第三，盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入及掘進(jìn)：盾構(gòu)機(jī)通過豎井進(jìn)入地下，然后執(zhí)行隧道掘進(jìn)作業(yè)。根據(jù)預(yù)定的線位進(jìn)行盾構(gòu)掘進(jìn)，同時(shí)安裝預(yù)制片，形成車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)。第四，二襯結(jié)構(gòu)施工：在盾構(gòu)掘進(jìn)完成車站結(jié)構(gòu)后，需要進(jìn)行二襯結(jié)構(gòu)施工。

2 軌道交通盾構(gòu)車站建筑設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題

盾構(gòu)車站位于地下，地下水環(huán)境、周圍地層情況、上部建筑荷載以及車站規(guī)模、布局、結(jié)構(gòu)形式的選擇等皆是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)全面考慮的問題。一般采用預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)、現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)或組合結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)追求高度的經(jīng)濟(jì)實(shí)用性，應(yīng)使車站空間布局合理、結(jié)構(gòu)體量小、施工難度低、建造速度快。同時(shí)，與周圍環(huán)境建筑的耐震性和疊合銜接，車站未來的改造擴(kuò)建需求也是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的問題。

2.2 防排澇設(shè)計(jì)問題

車站的地下水防治和排澇系統(tǒng)設(shè)計(jì)極為重要。需進(jìn)行水文地質(zhì)勘查，了解地下水埋深及水質(zhì)情況，并設(shè)置合理的排水系統(tǒng)，將水位控制在安全范圍內(nèi)。車站關(guān)鍵設(shè)備部位的防水保護(hù)、站廳層設(shè)計(jì)的合理排水坡度、如何避免積水、如何預(yù)留必要的檢修井和管道以便后期車站防澇系統(tǒng)的維護(hù)與檢修、站廳與站臺(tái)接口的設(shè)計(jì)排水過渡、如何防止水涌入站臺(tái)等皆是防排澇設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的問題。

2.3 通風(fēng)設(shè)計(jì)問題

車站必須具備良好的通風(fēng)能力，如何確保站內(nèi)空氣流通順暢，避免積聚廢氣、如何選用通風(fēng)模式進(jìn)行空氣流場模擬計(jì)算、如何合理布置風(fēng)道和風(fēng)機(jī)位置并計(jì)算新風(fēng)量、怎么考慮進(jìn)出站口處的空氣流動(dòng)、怎么確保通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)營期間的清洗便利是通風(fēng)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮到的問題。

2.4 采光設(shè)計(jì)問題

地下車站采光相對困難。如何合理設(shè)計(jì)照明系統(tǒng)、如何設(shè)計(jì)車站站臺(tái)和內(nèi)部通道等區(qū)域的照明、如何確保重點(diǎn)區(qū)域如車站站廳等位置的照度符合國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，是采光設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮到的問題。另外，采光設(shè)計(jì)如何與節(jié)能設(shè)計(jì)相協(xié)調(diào)，如何采取措施減少光污染和能源浪費(fèi)也是采光設(shè)計(jì)中應(yīng)重點(diǎn)考慮的問題。

2.5 節(jié)能設(shè)計(jì)問題

車站建筑如何采用高效的照明系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)等是節(jié)能設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的問題。應(yīng)選擇節(jié)能設(shè)備，并優(yōu)化其控制策略和運(yùn)行模式，最大限度地節(jié)約能源。采用太陽能等可再生能源是車站節(jié)能設(shè)計(jì)手段之一。此外，車站運(yùn)營期間應(yīng)定期對設(shè)備進(jìn)行檢修，確保其處于最佳工作狀態(tài)，保持節(jié)能效果。

2.6 安全防災(zāi)設(shè)計(jì)問題

地下車站安全防災(zāi)設(shè)計(jì)尤為重要。如何設(shè)置完善的消防監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)、應(yīng)急指示系統(tǒng)是安全設(shè)計(jì)的重點(diǎn)問題。另外，應(yīng)規(guī)劃必要的消防卷簾、逃生門和疏散通道，重要部位需采用防火材料進(jìn)行建設(shè)。

3 軌道交通盾構(gòu)車站建筑設(shè)計(jì)策略

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略

采用模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)思想，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)體量小、施工簡單、建造速度快等目標(biāo)。合理布置結(jié)構(gòu)元素，對于重要部位及設(shè)備區(qū)，應(yīng)考慮日常運(yùn)行維修的空間，同時(shí)考慮擴(kuò)建需要，預(yù)留結(jié)構(gòu)接口。采用先進(jìn)的建模分析技術(shù)，對結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行模擬計(jì)算和優(yōu)化，確定合理經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需考慮車站與周圍環(huán)境建筑的協(xié)調(diào)關(guān)系，采取有效措施避免結(jié)構(gòu)間的互相影響，注意結(jié)構(gòu)與地基基礎(chǔ)的順暢銜接。對于預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)，應(yīng)控制單塊體量，便于吊裝和運(yùn)輸，精心設(shè)計(jì)連接部位，確保質(zhì)量。對于主要結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵部位，采用監(jiān)測和檢測手段，實(shí)時(shí)掌握結(jié)構(gòu)性能。

3.2 防排澇設(shè)計(jì)策略

根據(jù)水文地質(zhì)情況，設(shè)計(jì)完善的防澇排水系統(tǒng)，對車站周圍地下水環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，確保地下水位處于安全范圍內(nèi)。對電力及信號(hào)設(shè)備等關(guān)鍵系統(tǒng)區(qū)域進(jìn)行防水保護(hù)，采用防水材料，確保這些設(shè)備在發(fā)生漏水事故時(shí)仍可正常運(yùn)行。對站廳的地坪系統(tǒng)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，設(shè)置適當(dāng)?shù)呐潘露?，防止地面積水，并設(shè)置地漏、排水管網(wǎng)等排水系統(tǒng)。設(shè)置必要的防澇維護(hù)系統(tǒng)，如各種管網(wǎng)的檢修井、抽水系統(tǒng)等，以便在運(yùn)營期間進(jìn)行防澇檢修。站廳與站臺(tái)、通道的連接處需設(shè)置排水過渡，防止站廳積水經(jīng)過連接口涌入站臺(tái)，影響列車運(yùn)行。采用先進(jìn)的防水材料和技術(shù)，如水膨潤土、防水混凝土等，提高防澇系統(tǒng)的可靠性。對車站防澇系統(tǒng)的功能進(jìn)行測試，找出問題并進(jìn)行優(yōu)化。

3.3 通風(fēng)采光設(shè)計(jì)策略

對于地面站廳區(qū)域，采用自然通風(fēng)。合理布置出入口，利用空氣流動(dòng)進(jìn)行通風(fēng)換氣。對于地下站臺(tái)等區(qū)域，采用機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)。進(jìn)行通風(fēng)空氣流場模擬計(jì)算，合理布置風(fēng)道、風(fēng)機(jī)類型及風(fēng)量，滿足新風(fēng)需求。采用節(jié)能型的風(fēng)機(jī)設(shè)備，在滿足通風(fēng)需要的同時(shí)盡可能節(jié)約能源。對于站廳區(qū)域，可采用采光頂棚、巨型天窗等手段改善采光效果；在地下區(qū)域可設(shè)置LED 節(jié)能照明系統(tǒng)，采取調(diào)光、感應(yīng)控制等策略，合理控制亮度，避免浪費(fèi)電能。對通風(fēng)系統(tǒng)和照明系統(tǒng)進(jìn)行全生命周期成本分析，選擇性價(jià)比高的方案。采用建筑信息模型（BIM）技術(shù)，模擬通風(fēng)和照明效果，指導(dǎo)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。另外，通風(fēng)、采光系統(tǒng)運(yùn)營期間應(yīng)定期檢查保養(yǎng)設(shè)備，確保其正常發(fā)揮作用。

3.4 節(jié)能設(shè)計(jì)策略

采用自然通風(fēng)、采光等手段，盡可能減少機(jī)械空調(diào)和照明系統(tǒng)的使用。選擇節(jié)能型的空調(diào)、通風(fēng)、給水等系統(tǒng)。在條件允許的情況下，采用太陽能等可再生能源作為車站輔助能源。制定科學(xué)合理的運(yùn)行策略和控制模式，提高能源利用效率。加強(qiáng)對設(shè)備系統(tǒng)的監(jiān)測和維護(hù)保養(yǎng)，使其處于最佳工作狀態(tài)，保持節(jié)能效果。應(yīng)用智能控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)能源系統(tǒng)的精細(xì)化管理。

3.5 安全防災(zāi)設(shè)計(jì)策略

設(shè)置完善的消防監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)、應(yīng)急指示系統(tǒng)和疏散系統(tǒng)。使用防火材料，在重點(diǎn)區(qū)域設(shè)置手提滅火器等消防設(shè)施，設(shè)置自動(dòng)滅火系統(tǒng)，在發(fā)生火災(zāi)時(shí)可快速作出反應(yīng)；合理規(guī)劃必要的醫(yī)療急救和消防救援通道、區(qū)域，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)，建立智能化安防系統(tǒng)。

4 案例分析

4.1 國內(nèi)外典型案例

北京地鐵大興國際機(jī)場站是我國一個(gè)具有代表性的盾構(gòu)地鐵站案例。施工人員先進(jìn)行地面開挖，然后逐步下沉至站點(diǎn)位置，形成車站的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。主體結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土，局部采用預(yù)制結(jié)構(gòu)。預(yù)制構(gòu)件體量控制合理，有利于運(yùn)輸?shù)跹b。結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，站內(nèi)空間布局靈活。站廳通風(fēng)采用自然風(fēng)，站臺(tái)采用機(jī)械排風(fēng)。站廳設(shè)置巨型玻璃天窗，改善采光效果。站臺(tái)照明以節(jié)能的燈帶和燈槽照明為主。防澇系統(tǒng)包含排水溝、地漏和抽水設(shè)備，站廳和站臺(tái)連接處設(shè)置防水堤，以防水涌入站臺(tái)。

倫敦地鐵銀禧線是典型的盾構(gòu)地鐵線路，其Paddington 站采用單跨明挖法施工。結(jié)構(gòu)采用預(yù)制混凝土匣子結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了快速建造。預(yù)制匣子結(jié)構(gòu)連接設(shè)計(jì)合理，施工質(zhì)量高。站廳采光利用頂部大面積天窗，采光效果良好，站臺(tái)照明采用節(jié)能燈帶。防澇系統(tǒng)包含排水溝、地漏和自動(dòng)抽水等設(shè)備，運(yùn)行可靠。通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)置地面進(jìn)風(fēng)口、風(fēng)道和風(fēng)機(jī)，保證新風(fēng)量。該站的結(jié)構(gòu)、通風(fēng)采光、防澇、節(jié)能等各個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)質(zhì)量較好。

4.2 案例啟示

通過上述兩種盾構(gòu)車站設(shè)計(jì)案例的分析，可以看出采用靈活方便的預(yù)制結(jié)構(gòu)或與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)組合的結(jié)構(gòu)形式，重視通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)相結(jié)合的策略，利用頂棚天窗改善采光效果，利用節(jié)能型的燈帶和燈槽進(jìn)行照明，設(shè)置高效的防澇系統(tǒng)，注意車站節(jié)能性能等經(jīng)驗(yàn)都是值得參考的。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，還需要根據(jù)不同車站的實(shí)際情況，采用適用的技術(shù)手段，使各項(xiàng)建筑系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更加合理化。

5 結(jié)語

隨著城市軌道交通建設(shè)的快速發(fā)展，盾構(gòu)地鐵站將越來越普遍。文章從建筑設(shè)計(jì)角度，圍繞結(jié)構(gòu)、防澇、通風(fēng)、采光、節(jié)能和安全等系統(tǒng)設(shè)計(jì)，對盾構(gòu)車站建筑設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題和策略進(jìn)行了分析，并對典型案例進(jìn)行分析，可為此類車站項(xiàng)目的設(shè)計(jì)提供參考。今后，還需深入研究新材料、新技術(shù)在盾構(gòu)車站建設(shè)中的應(yīng)用，以提高設(shè)計(jì)工作水平，提高此類車站的安全性、舒適性和智能化水平。