雙分圓盾構(gòu)車站應(yīng)用及建筑形式研究

田 濤

(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

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的推進(jìn),城市軌道交通同樣快速發(fā)展。網(wǎng)絡(luò)化的軌道交通布局,實(shí)現(xiàn)了服務(wù)水平的不斷提高;面對(duì)城市建設(shè)空間的日益緊張,軌道交通建設(shè)條件愈發(fā)復(fù)雜。當(dāng)前我國(guó)修建地鐵車站主要工法包括明挖法、暗挖法以及明挖和暗挖結(jié)合法。當(dāng)遇到拆遷困難、用地緊張、控制線管線、文物保護(hù)、特殊地形、重要設(shè)施等重大工程控制性因素時(shí),傳統(tǒng)城市軌道交通車站施工工法無(wú)法滿足要求,盾構(gòu)法車站應(yīng)運(yùn)而生,以適應(yīng)愈發(fā)復(fù)雜的城市軌道交通建設(shè)環(huán)境。

國(guó)內(nèi)盾構(gòu)機(jī)設(shè)備制造取得突破性進(jìn)展,近年以來(lái)盾構(gòu)設(shè)備制造水平不斷提高,并在多項(xiàng)超級(jí)工程中得到成功應(yīng)用,也為盾構(gòu)法車站的實(shí)施提供了技術(shù)支撐。

1 盾構(gòu)法車站應(yīng)用分析

1.1 單圓盾構(gòu)

西班牙列菲亞地鐵站[1],由于穿越河床底及區(qū)域富水回填地層,車站站臺(tái)設(shè)置于地面相對(duì)較深處,埋深約54 m。站臺(tái)采用單圓疊側(cè)方式,區(qū)間與車站一體化施工;在車站采用明挖圓形豎井,與盾構(gòu)車站相連。

根據(jù)國(guó)內(nèi)目前的盾構(gòu)研究,也可考慮采用18 m單圓島式車站[2]或15 m單圓側(cè)式車站,輔以明挖或暗挖出入口通道,滿足車站使用條件。雖然國(guó)內(nèi)可生產(chǎn)相關(guān)設(shè)備,但過大的盾構(gòu)直徑導(dǎo)致設(shè)備生產(chǎn)費(fèi)用較高,車站較短時(shí),設(shè)備使用率太低,在國(guó)內(nèi)盾構(gòu)車站僅存在研究層面;單圓盾構(gòu)在掘進(jìn)長(zhǎng)度較長(zhǎng)的一體化公鐵隧道中反而應(yīng)用較廣泛。

1.2 雙分圓盾構(gòu)

雙分圓盾構(gòu)目前在深圳14號(hào)線嶂背站投入使用,“先隧后站”采用的是內(nèi)徑7.8 m,外徑8.5 m的盾構(gòu)。雙分圓盾構(gòu)應(yīng)用前景廣泛,根據(jù)需要采用島式和側(cè)式,在條件緊張時(shí),可考慮疊側(cè)布置。目前在國(guó)內(nèi)8.5 m外徑的盾構(gòu)應(yīng)用較為普遍,設(shè)備使用率較高,不用特殊制造,用于實(shí)施車站,設(shè)備投入費(fèi)用適中,能滿足大范圍應(yīng)用的需求。

1.3 三圓盾構(gòu)

三圓盾構(gòu)目前在日本有過數(shù)次應(yīng)用,施工條件一般極度緊張。三圓MF盾構(gòu)外徑有15.8 m×10 m,17.4 m×8.8 m等不同類型。國(guó)內(nèi)目前暫無(wú)三圓盾構(gòu)應(yīng)用案例,設(shè)備生產(chǎn)費(fèi)用較高,推廣應(yīng)用較難。

綜合比較,雙分圓盾構(gòu)更適用于在目前建設(shè)條件下的國(guó)內(nèi)軌道交通車站,應(yīng)用前景較廣泛,目前多個(gè)城市有雙分圓盾構(gòu)車站的研究及應(yīng)用的意向。

2 雙分圓盾構(gòu)車站適應(yīng)性研究

2.1 客流適應(yīng)性分析

日本木場(chǎng)站開通于1967年,約22.4 m深。中間站臺(tái)采用雙分圓盾構(gòu),兩側(cè)采用明挖法施工。站臺(tái)區(qū)單側(cè)寬度僅3 m,在站臺(tái)兩端設(shè)置垂直電梯。

木場(chǎng)站在客流增長(zhǎng)到7.5萬(wàn)/d時(shí),擁堵較嚴(yán)重,存在安全隱患,后期采用擴(kuò)挖加固法進(jìn)行改造。在一側(cè)擴(kuò)建站臺(tái),增加樓扶梯及垂直電梯,提升站臺(tái)的寬度,應(yīng)對(duì)大客流沖擊。

通過木場(chǎng)站的案例可以發(fā)現(xiàn)初期客流不大時(shí),單純將樓扶梯設(shè)置在兩側(cè)豎井內(nèi),中間無(wú)樓扶梯,能滿足客流需求;當(dāng)客流增長(zhǎng)到一定量級(jí)后,站臺(tái)上下車客流較大,占用站臺(tái)寬度,出站客流橫向移動(dòng)距離過長(zhǎng),同時(shí)出地面樓扶梯能力不足,導(dǎo)致站臺(tái)擁堵。

2.2 盾構(gòu)車站客流承載能力分析

盾構(gòu)法車站站臺(tái)一般較普通車站局促,站臺(tái)有效面積更小,客流容納能力有限。以8 m內(nèi)徑6B雙分圓盾構(gòu)車站為例進(jìn)行分析:有效站臺(tái)長(zhǎng)度為120 m;站臺(tái)門長(zhǎng)度約為114 m;側(cè)站臺(tái)寬度為3.26 m,扣除站臺(tái)門安裝空間0.26 m后,有效凈寬為3 m;單側(cè)站臺(tái)有效面積約為114 m×3 m=342 m2,雙側(cè)站臺(tái)有效面積約為684 m2。

根據(jù)GB 50157—2013地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范[3]第9章,第9.3.2條的規(guī)定,站臺(tái)上人流密度ρ取0.33 m2/人～0.75 m2/人,規(guī)范條文解釋中,一般推薦取ρ=0.5 m2/人;經(jīng)計(jì)算雙分圓盾構(gòu)車站客流承載能力如表1所示。

表1 8 m內(nèi)徑6B雙分圓盾構(gòu)車站站臺(tái)容納能力計(jì)算

根據(jù)表1可知,高峰小時(shí)內(nèi),8 m內(nèi)徑6B雙分圓盾構(gòu)車站雙側(cè)站臺(tái)容納人數(shù)最多為2 072人,最少為912人,一般狀態(tài)下容納人數(shù)為1 368人。

因此,應(yīng)結(jié)合站臺(tái)的承載能力、樓扶梯的通行能力、車站全日客流的情況選擇是否采用盾構(gòu)車站。

2.3 站隧一體化分析

常規(guī)盾構(gòu)區(qū)間為外徑6.2 m,內(nèi)徑5.5 m。車站盾構(gòu)斷面為內(nèi)徑8 m,外徑8.7 m。車站與區(qū)間采用不同的盾構(gòu)直徑,在盾構(gòu)井處需進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)切換,機(jī)械利用率低,重復(fù)拆裝,影響施工進(jìn)度。

區(qū)間可考慮采用與站臺(tái)區(qū)相同尺寸的盾構(gòu)(內(nèi)徑8 m,外徑8.7 m),如盾構(gòu)機(jī)不用重復(fù)拆裝,可考慮采用車站盾構(gòu)掘進(jìn)區(qū)間或利用區(qū)間盾構(gòu)掘進(jìn)車站。區(qū)間盾構(gòu)尺寸較大,可將乘客疏散通道與檢修平臺(tái)分開設(shè)置。檢修平臺(tái)按常規(guī)盾構(gòu)疏散寬度900 mm設(shè)置;單獨(dú)設(shè)置乘客疏散通道,可考慮采用鋼筋混凝土防火墻分隔的獨(dú)立乘客疏散通道,有效分隔乘客疏散區(qū)與區(qū)間,提高疏散的安全性。同時(shí)將乘客疏散通道加寬,更有利于快速疏散。站隧一體化平面示意圖如圖1所示,區(qū)間斷面布置圖如圖2所示。

3 基于雙分圓盾構(gòu)車站建筑形式研究

3.1 標(biāo)準(zhǔn)斷面形式

雙分圓盾構(gòu)內(nèi)徑根據(jù)側(cè)站臺(tái)需要確定。軌行區(qū)基本位于盾構(gòu)一側(cè),站臺(tái)位于盾構(gòu)另一側(cè)(見圖3)。站臺(tái)下方采用素混凝土回填,與軌道結(jié)合。軌行區(qū)上方設(shè)置軌頂排風(fēng)道,可考慮采用裝配式,提前在隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)預(yù)埋相關(guān)構(gòu)件;軌頂風(fēng)道下方安裝站臺(tái)門,隔離軌行區(qū)與側(cè)站臺(tái)。側(cè)站臺(tái)裝修后高度約為3 m;上部設(shè)置吊頂,排布相關(guān)專業(yè)管線,側(cè)面同樣可考慮安裝部分管線。雙分圓盾構(gòu)車站縱剖面示意圖見圖4。

3.2 雙分圓盾構(gòu)車站組成

雙分圓盾構(gòu)車站由兩側(cè)豎井結(jié)構(gòu)、中部盾構(gòu)站臺(tái)、外掛附屬等三部分組成。

1)兩側(cè)豎井結(jié)構(gòu)。兩側(cè)豎井結(jié)構(gòu)主要作為盾構(gòu)車站風(fēng)道區(qū)(包含活塞風(fēng)、機(jī)械風(fēng)、排風(fēng)、新風(fēng)等)、主要設(shè)備用房區(qū)(包含必要的設(shè)備用房,如強(qiáng)弱電設(shè)備用房等)、站廳公共區(qū)(付費(fèi)區(qū)、非付費(fèi)區(qū)等),同時(shí)在施工期間可以作為車站及區(qū)間盾構(gòu)工作井使用。盾構(gòu)豎井常規(guī)采用明挖法施工,也可考慮機(jī)械法豎向掘進(jìn)施工。

2)中部盾構(gòu)站臺(tái)。站臺(tái)為盾構(gòu)車站的主體,主要布置車站側(cè)站臺(tái),通過站臺(tái)門與軌行區(qū)分隔。側(cè)站臺(tái)寬度,根據(jù)GB 50157—2013地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范第9.3.2條的規(guī)定計(jì)算。站臺(tái)盾構(gòu)部分長(zhǎng)度與安全疏散口布置有關(guān),當(dāng)疏散口位于盾構(gòu)站臺(tái)中部時(shí),盾構(gòu)站臺(tái)部分較長(zhǎng),疏散均勻,日常使用便利,但附屬施工難度較大;當(dāng)疏散口位于盾構(gòu)站臺(tái)兩側(cè)豎井內(nèi)時(shí),車站盾構(gòu)部分長(zhǎng)度相對(duì)較短,疏散距離較長(zhǎng),站臺(tái)上客流橫向移動(dòng)較多,客流不大時(shí)使用較便利,附屬施工難度小。

3)外掛附屬。盾構(gòu)車站的外掛附屬主要包括站臺(tái)出入口、外掛風(fēng)亭、設(shè)備用房等。站臺(tái)出入口布置受盾構(gòu)車站整體方案影響,當(dāng)位于盾構(gòu)站臺(tái)區(qū)時(shí),需考慮在盾構(gòu)隧道壁提前預(yù)留相關(guān)條件,后期實(shí)施出入口;出入口可考慮采用明挖、暗挖法、機(jī)械法施工。當(dāng)出入口位于兩側(cè)明挖豎井內(nèi)時(shí),與豎井同步實(shí)施。風(fēng)亭一般位于明挖豎井兩側(cè),結(jié)合周邊道路設(shè)置,采用明挖法施工。設(shè)備用房一般結(jié)合風(fēng)亭布置于地下,當(dāng)場(chǎng)地具備條件時(shí)可考慮與地面建筑合建。

3.3 雙分圓盾構(gòu)車站布置形式

1)淺埋盾構(gòu)車站-同層雙分圓。本方案適應(yīng)埋深相對(duì)較淺的車站,埋深范圍為22 m～35 m左右。

本布置方案主要依托兩側(cè)豎井設(shè)置公共區(qū),設(shè)置分離廳,可結(jié)合條件選擇側(cè)式或分離島式。出入口需滿足消防疏散要求,疏散點(diǎn)間距不超50 m[4]:采用側(cè)式時(shí),在單側(cè)盾構(gòu)站臺(tái)設(shè)置不少于2組樓扶梯聯(lián)通站廳(共4組),每側(cè)站臺(tái)設(shè)置2部垂梯,分別連通兩側(cè)站廳(見圖5,圖6);采用分離島式時(shí),在盾構(gòu)站臺(tái)中部采用橫向通道聯(lián)系兩側(cè)站臺(tái),在兩條盾構(gòu)之間設(shè)置2組共用樓扶梯聯(lián)系站廳(見圖7,圖8)。在站臺(tái)門外側(cè)豎井內(nèi)布置基本設(shè)備用房。

每側(cè)分離廳,分別設(shè)置兩個(gè)出入口,滿足日常通行、消防疏散,并兼顧過街的功能。每個(gè)分離廳內(nèi)分別布置付費(fèi)區(qū)與非付費(fèi)區(qū);付費(fèi)區(qū)內(nèi)設(shè)置2組樓扶梯及2部垂梯聯(lián)系站臺(tái)。付費(fèi)區(qū)與非付費(fèi)區(qū)分別貫通,滿足乘客進(jìn)出站及選擇乘坐站臺(tái)的需求。可結(jié)合周邊條件設(shè)置出入口及風(fēng)亭。

2)深埋盾構(gòu)車站-疊側(cè)雙分圓盾構(gòu)車站。本方案適應(yīng)埋深相對(duì)較深的車站,埋深范圍為35 m～50 m左右。

周邊場(chǎng)地條件差時(shí),可考慮雙分圓疊側(cè)方案(見圖9,圖10),可有效減少兩側(cè)豎井結(jié)構(gòu)規(guī)模。盾構(gòu)站臺(tái)區(qū)寬度較小,僅8 m寬,可適應(yīng)極端條件下車站建設(shè)條件。站臺(tái)兩側(cè)設(shè)置疏散樓梯,解決應(yīng)急疏散的需求。區(qū)間之間需考慮安全間距,重疊布置可充分利用車站埋深,同時(shí)減少深埋明挖部分建設(shè)投資。

車站利用兩側(cè)明挖豎井設(shè)置公共區(qū),采用分離廳。在地下1層可局部擴(kuò)挖,形成擴(kuò)大站廳,設(shè)置設(shè)備用房、出入口及風(fēng)亭,并滿足過街需求?；蚪Y(jié)合場(chǎng)地條件設(shè)置地面站廳及地面設(shè)備用房,適應(yīng)性良好。

4 結(jié)語(yǔ)

總體來(lái)看,雙分圓車站在目前國(guó)內(nèi)軌道交通建設(shè)的背景下,可解決特別困難情況下的車站建設(shè),減少前期工程施工及協(xié)調(diào)的時(shí)間,有效的縮短整體工期,應(yīng)用情景值得期待。雙分圓盾構(gòu)車站采用同層側(cè)式、分離島式或疊側(cè),主要取決于現(xiàn)場(chǎng)條件(道路寬度、周邊實(shí)施條件、場(chǎng)地條件、管線及拆遷情況)和線路條件(線路埋深、線路穿越條件等),可根據(jù)實(shí)際條件選擇適宜的布置形式。

目前盾構(gòu)車站的廣泛應(yīng)用仍存在一些短板,如車站附屬出入口的實(shí)施,仍需考慮明挖或暗挖施工,整體機(jī)械化水平有待提高。在雙碳、綠色的時(shí)代背景下,設(shè)計(jì)方案應(yīng)結(jié)合施工機(jī)械制造同步研究,實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)車站附屬出入口等機(jī)械化施工,進(jìn)一步提升車站整體的裝配比例,推動(dòng)軌道交通的建設(shè)進(jìn)入一個(gè)新的時(shí)代。