上海軌道交通12號線工程設計難點與技術措施

高英林

(上海市隧道工程軌道交通設計研究院,200235,上?！谓淌诩壐呒壒こ處?

上海軌道交通12號線工程設計難點與技術措施

高英林

(上海市隧道工程軌道交通設計研究院,200235,上?！谓淌诩壐呒壒こ處?

上海市軌道交通12號線是經由上海中心城區的一條加密線路,不僅需要穿越密集居住區、歷史保護建筑、深樁基群、復雜的地下管線、運用中的高架道路的樁基及運營中的軌道交通線路區間,還要處理好與已運營線路的換乘問題,設計難度很高。從線路、建筑、結構、設備等方面簡要總結了設計中遇到的難題,以及相應的設計思路和所采取的主要技術措施。該線的施工和運營實踐表明,當時采用的設計方案是可行、有效的。

上海軌道交通12號線; 線路設計; 設計難點; 技術措施

Author′s address Shanghai Tunnel Engineering & Rail Transit Design and Research Insititute,200235,Shanghai,China

1 工程概況

上海軌道交通12號線是經由上海中心城區的一條加密線路,起自中心城西南部七莘路站,終于浦東北部金海路站,全長約40.417 km,共設32座地下車站,其中換乘站19座,線路走向及車站分布如圖1所示。東段工程(曲阜路站—金海路站) 于2013年底先期開通運營,西段工程(曲阜路站—金海路站) 于2015年底開通運營。

圖1 上海軌道交通12號線走向及車站分布示意圖

2 設計難點與技術措施

上海軌道交通12號線約有16 km線路位于上海市中心區,穿越城市核心區的密集居住區、歷史保護建筑、繁華商業區及蘇州河;在外圍區需要穿越大型工業區、黃浦江邊深樁基群、復雜的地下管線,同時,不得已近距離穿越內環高架橋樁基及運營線路(1號線、3號線) 樁基;換乘站多達19座,其中有13座是與已運營線路進行換乘的換乘站,與1號線(漕寶路站、陜西南路站、漢中路站) 、2號線(南京西路站) 、3號線(龍漕路站) 的換乘設施以前均未預留。這些問題增加了該線在線路走向、建筑布置、結構計算、設備選型及軌道減振降噪等方面的設計難度。

2.1 線路設計方面的難點與技術措施

(1) 線路穿越密集的高層居民區。在東陸路站—復興島站區間,線路正穿浦東“偉萊家園”多棟小高層居民住宅。該穿越范圍原為規劃道路,后因各種原因無法拆遷,線路穿越的難度很大。設計中進行了多個線路平面、縱斷面方案比選,通過線路平面局部調整、加大縱坡、壓深兩端車站埋深等措施得到了經濟合理的可行方案。

(2) 線路穿越密集優秀保護建筑區及老舊居民區。在漢中路站—南京西路站、南京西路站—陜西南路站兩個區間,線路穿越上世紀20～30年代的優秀保護建筑群及1～3層老舊居民區,這些區域對沉降、振動噪聲要求很高。通過線型調整或局部上、下重迭盡可能避開正穿這些建筑;綜合運用隧道盾構施工的厚漿系統、軌道結構的鋼彈簧浮置板等先進技術[3-4],達到有效減沉、減振、降噪的效果,最大限度地減少對上方住宅的影響。盾構施工中采用的厚漿系統,厚漿采用中粗砂作為主要材料,含砂量高達55%,具有比重大、稠度低、收縮性小等特點,可有效控制土體的后期沉降量。此漿液能在壓注初期就具有較高的屈服值,同時壓縮性和泌水性小,可有效控制地面沉降和隧道上浮。通過沉降監控量測數據得出厚漿系統對于控制地面后期沉降效果非常好,單條隧道穿越建筑物總沉降量可有效控制在為5 mm左右。軌道結構中采用鋼彈簧預制浮置板,中檔鋼彈簧浮置板道床鋪設由傳統現澆鋼筋籠工藝變為預制鋼彈簧浮置板工藝,浮置板由工廠預制,通過鋪軌小車散鋪到做好的基底上,通過剪力鉸連接為整體,最后頂升精調。降低了施工期和運營期的振動與噪聲影響,同時還縮短了施工時間。

(3) 線路穿越大型工業廠區樁基群。在東陸路站—復興島站區間,線路穿越黃浦江兩岸的煤炭碼頭和中華造船廠。黃浦江東側的煤炭碼頭在本線路規劃階段就準備搬遷,但直到工程實施階段都沒有搬遷計劃,而線路通過區段有煤碼頭駁岸樁基群、煤炭堆場和運輸管廊。線路克服線型較差缺陷,采用連續反彎的S型布置,與駁岸樁基凈距控制在1～2 m擦肩而過;并通過嚴格控制地面煤碳堆載的高度(一般情況下,堆載高度達到20 m以上,通過計算要求限高在10 m以下),來確保地面超載的變化幅度在區間隧道能夠承受的范圍之內。黃浦江西側的中華造船廠大型塔吊及駁岸碼頭樁基群既深又密、且原始資料收集不全,為確保區間隧道能安全、精準地穿越,在資料不全的情況下,提出現場實地探測的同時,加深相鄰側車站的埋深(復興島站由原來的地下三層調整為地下四層),以確保線路安全穿越。

(4) 線路穿越既有城市道路高架橋。在隆昌路站—寧國路站區間、曲阜路站—漢中路站區間、大木橋路站—龍華中路站區間、龍漕路站—漕寶路站區間、虹漕路站—紅梅路站區間及虹莘路站—七莘路站區間,線路分別穿越了內環線高架(2次)、南北道路高架橋、滬閔路高架橋、中環地道及外環路高架橋等。為確保施工及運營的安全,通過調整線路平面線形與埋深進行多方案比較,獲得了可行且技術經濟較優的實施方案,在不中斷道路高架橋正常使用的條件下確保本工程的順利實施。

(5) 線路穿越已運營軌道交通線路。在巨峰路站—東陸路站區間,線路穿越6號線高架橋樁基,盾構區間結構與樁基凈距為4～5 m;在曲阜路站—漢中路站和南京西路站—陜西南路站區間,線路兩次下穿1號線區間隧道,1號線區間隧道為地下二層,12號線隧道為地下三層,兩者間凈距僅為2～3 m;在漢中路站—南京西路站區間,線路下穿2號線,2號線區間隧道為地下二層,12號線隧道為地下三層,兩者間凈距僅為1.5～2.0 m;在龍漕路站—漕寶路站區間,線路下穿1號線漕寶路站,1號線漕寶路站為地下二層車站,12號線線路從車站地下連續墻下穿越。上述線路定位均在收集到原始資料的基礎上,利用BIM等技術精確計算和考察地下建筑結構物之間的位置關系,在確保既有軌道交通線路運營安全的前提下保證本工程的安全施工[5]。

(6) 線路穿越狹窄道路。在漢中路站—南京西路站區間和陜西南路站—嘉善路站區間,線路(雙向) 受到地面道路兩側高層樁基的影響(本身地面道路比較狹窄),盾構區間雙向穿越寬度不夠,通過調整線路縱向坡度,雙向區間局部采用上下重迭的方式通過,雖然增加了施工難度,但在不影響地面建筑的情況下,確保了工程的順利建成。

(7) 線路穿越既有重要地下管線及箱涵。在巨峰路站—申江路口站區間,線路穿越原水箱涵(頂管) ;在巨峰路站—金海路站區間,線路穿越航空輸油管道;在大木橋路站北端,線路穿越大直徑雨水管;在虹莘路站西端,線路穿越大直徑煤氣管(非開挖施工) 。上述穿越的管道均存在很多不確定因素,一方面在資料的收集上存在難度,主要是缺乏準確的竣工資料;另一方面是大部分施工采用非開挖方式,造成實際誤差較大。所以在這些關鍵節點的設計上,盡可能地收集資料,必要時還必須現場挖樣洞獲取準確數據,再根據掌握的資料制定切實可行的設計方案,確保施工順利進行。

2.2 建筑設計方面的難點與技術措施

城市軌道交通建筑設計不同于一般的民用建筑設計,后者追求新穎華麗的外表,而前者是側重于在滿足車站使用功能的前提下,做好各專業的協調布置工作。本工程在初步設計階段就認真調研、總結了以往設計中存在的問題,在力求標準與要求統一的前提下,分標準站和換乘站進行專項設計。

(1) 在標準車站建筑設計中,重點研究的是在確保車站基本功能的前提下,如何結合車站所屬周邊環境條件,因地制宜地控制車站規模,提高車站實際使用率。在設計過程中,建筑專業根據其他各專業的要求,進行了模塊化設計,統一了車站結構與設備等各專業布置的基本原則,作為控制車站設計的標準[1]。

(2) 在換乘車站建筑設計中,重點研究的是如何結合既有車站的布置,最大化換乘的便捷性。在本工程中,換乘車站中相對較為簡單的二線“十”字換乘(如與4號線換乘的大連路站、與10號線換乘的天潼路站、與8號線換乘的曲阜路站、與9號線換乘的嘉善路站、與4號線換乘的大木橋路站) 及相對較為復雜的二線通道換乘站和三線換乘站(如與6號線通道換乘的巨峰路站、與1和13號線換乘的漢中路站、與1和10號線換乘的陜西南路站、與3號線換乘的龍漕路站、與1號線換乘的漕寶路站等) 。其中,巨峰路站、漢中路站、陜西南路站、龍漕路站及漕寶路站的建筑設計進行了多方案的研究與論證,最終使換乘通道達到了最優,獲得了乘客的一致好評。

2.3 結構設計方面的難點與技術措施

本工程在結構設計中,主要難點體現在三個方面:

(1) 如何設計地面建筑密集區(車站基坑緊鄰地面居民住宅) 的地下車站基坑結構,以有效地控制沉降與變形;

(2) 如何解決新老車站的結構銜接問題;

(3) 當區間隧道穿越復雜地層時,如何減少施工擾動對地面建筑的影響及控制地面沉降。

2.3.1 地面建筑密集區的地下車站基坑設計

東陸路站為地下三層車站,周邊有多棟6層居民住宅,最近距離僅3 m左右,車站基坑開挖深度達到19 m;客運中心站,車站長度近500 m,沿車站長度方向為上世紀20～30年代的二層磚木結構居民住宅,車站基坑開挖對上述房屋帶來沉降影響;漢中路三線換乘樞紐站,基坑最大開挖深度達32 m,而車站周邊有多棟高層建筑(辦公樓與居民樓),其中12號線西端頭(開挖深度達25.6 m)距離金峰大廈裙房僅3～4 m、距離金峰大廈基礎約15～16 m,東端頭與恒通大廈地下室重疊,車站地下墻施工時需清除恒通大廈地下室原圍護樁;南京西路站沿線為靜安區老式石庫門里弄房(保護建筑),車站基坑距離保護建筑距離不到20 m,而車站基坑開挖深度確達到約26 m,設計控制沉降與變形的要求極高;嘉善路站和大木橋路站都是地下三層站,車站基坑開挖深度均在24～26 m之間,基坑周邊(距離約15～20 m之間) 地面建筑為高層住宅和多層住宅,均在基坑一倍開挖深度范圍之內,特別是大木橋路站周邊的多棟4層居民住宅(20世紀50～60年代建造),車站基坑施工影響較大。針對周邊環境保護要求高的難點,在基坑設計中提出了多方面的、以減少基坑變形為目的的控制措施,如增設封堵墻、增大支撐剛度、采用伺服支撐體系、控制降水速度與實際降水量等,確保了車站施工的順利完成。

2.3.2 新老車站的結構銜接問題

本工程中,漢中路站、陜西南路站、龍漕路站及漕寶路站等均存在改造既有車站結構的問題。

(1) 漢中路站為三線換乘站(1、12、13號線),需對原1號線車站進行側墻與內部中板樓扶梯改造。首先,需將1號線與12號線、13號線連接的換乘通道部位打開約20 m寬的門洞來保證換乘客流的順利通過;其次,根據三線換乘客流的要求,對原1號線漢中路站站廳至站臺的樓扶梯進行改造,將原來三組樓扶梯中的一組剪刀樓梯(中間部位) 封掉,在其兩側各增設一組上下自動扶梯,使原來三組調整為四組,并增加自動扶梯的數量,以滿足高峰時段換乘大客流的需求。地鐵1號線是上世紀90年代設計建設的工程,受當時建設條件的限制,整個車站結構設計相對比較單薄,這次改造需對起“傷筋動骨”,但前提原則是確保結構的安全。結合原始資料,對車站整體結構進行了強度與穩定性驗算,提出了加固、補強措施,確保了車站的安全與使用。

(2) 陜西南路站為三線換乘站(1、10、12號線“Z”字型換乘),涉及改造的最大難點是12號線與1號線的換乘通道的連接。根據以往經驗,對于換乘客流相對比較大(特別是在早高峰時段) 的換乘站,其換乘通道寬度應該不小于10 m。而1號線車站現有空間只有約5 m左右,即使打通也滿足不了換乘需求。因此,在設計過程中,從既有車站內部與外部兩方面同時考慮,在既有車站內部對車站端部設備、管理用房進行改造與調整,壓縮內部空間、搬移內部電梯、合并車站控制室及設備管線等,增加換乘通道的寬度;在既有車站外部,為確保原車站1號出入口的正常使用,通過對車站相鄰的“巴黎春天”商場地下室的空間置換(將地下設備用房部分搬移至房屋頂部),換取地下部分空間為車站1號口進、出廳用,這樣既保證了原1號口部未變,又巧妙地解決了地下換乘通道寬度問題。

(3) 對于龍漕路站,12號線地下站與3號線高架站的換乘連接使其在進行結構設計面臨兩大難題。一是車站基坑與高架樁基緊貼(圍護結構與樁基凈距1 m左右),地下車站基坑開挖深度達到16 m左右,嚴重影響到原有樁基的實際承載力,所以在設計中必須考慮對相鄰樁基進行加固處理,通過增加樁基、擴大承臺基礎等技術措施來減少地下車站基坑施工對高架結構的影響。二是對原有3號線高架站地面站廳結構進行改造,主要體現在,在確保原有框架結構受力狀況不變的前提下,對地面站廳的設備、管理用房及樓梯位置、側墻門洞等進行調整。

(4) 在漕寶路站,12號線與1號線車站通過通道換乘,由于1號線漕寶路站是整個1號線中比較小的車站,且南北站廳不連貫,早晚高峰客流對車站壓力較大,因此如何解決換乘對既有車站運營客流的影響是該換乘車站設計的重點。為此,結合1號線車站實際客流進出站的規律,采用單向人流組織方式,解決在有限的通道寬度內的人流沖突問題。即:采用內凈為6.0 m×4.0 m的矩形頂管連接1號線漕寶路站的北站廳,采用內凈為4.0 m×3.5 m的矩形頂管沿1號線漕寶路站西側將南、北兩廳溝通起來,從而使換乘客流能以逆時針的形式進行換乘,較好地解決了高峰客流換乘對撞的現象,同時也改善了原1號線漕寶路站的乘車狀況。

2.3.3 施工擾動對地面建筑影響和地面沉降控制

在城市中心區進行軌道交通建設,不可避免地會出現區間隧道穿越(凈距離) 地下重要構筑物及地面建筑物的情況。本工程在區間隧道設計中就多次遇到此情況,如:區間隧道(盾構法施工) 穿越黃浦江兩岸煤炭碼頭樁基和中華造船廠船塢樁基及碼頭樁基;穿越1號線(2次) 、2號線(1次) 區間隧道;近距離穿越龍華古塔;基本正面穿越“偉萊家園”地面小高層樁基(側穿) ;大面積穿越靜安區舊式民宅及歷史風貌保護區建筑和“長樂坊”舊式別墅。在本工程的區間隧道設計中,運用控制地層損失率的計算方法,對盾構隧道施工提出了推進速度與注漿量的限制,同時運用BIM手段時時了解地下盾構施工位置與上方地面建(構) 筑物之間的關系,從而全面掌握整個盾構推進過程中地面沉降與隆起的情況,確保了地面建(構) 筑物的安全與穩定。

2.4 設備設計方面的難點與技術措施

(1) 換乘站設備的資源共享問題。本線的最大特點是換乘站多,設備設資源共享顯得尤為重要,科學合理的設計可為后期的運營管理提供極大的便利。因此,在設計中凡是換乘車站的車控室均按二線合并設計思路考慮,這給設備設計帶來了較大的難度。設計不但要考慮新裝設備,還要改造原有的舊設備,并要確保兩者之間的相互兼容性[6]。

(2) 控制中心的設計難點。本線的控制中心位于地處中山北路的8號線控制中心內(與8、10號線共享) 。在12號線工程設計中對原有的控制中心進行了調整,增加了設備用房,重新改造、布置了控制中心調度大廳,并按功能與便于管理等要求考慮,將8、12號線調度大廳布置在一個大空間內,10號線(無人駕駛系統) 則相對獨立布置。由于8號線已投入運營多年,部分設備出現老化(特別是顯示屏等) 、新老設備品牌不同等均給設計帶來很多問題,而更新全部設備費用較大,為此在設計中在保障最大程度地利用原有設備的基礎上,力求整個調度大廳的完整與統一,取得了較好的實際使用效果。

(3) 主變電所的設計難點。本工程的主變電所設計可謂一波三折；在初設階段,考慮在線路東、西兩端各設立一個主變電所；其中,東端本著資源共享的原則,利用8號線控江路主變電所的預留空間設置12號線主變電所,但需鋪設約1.8 km的電纜連線。但在設計深化過程中發現，這“1.8 km的電纜連線”實施難度極大,無論從線位的選擇、安全的保障及日常的維護等方面都存在諸多的問題,為此不得已放棄這一方案。而重新選擇合適的主變電所位置談何容易,且需有外接可供的電源。然而主變電所是本工程中不可或缺的。為此，在外部條件不能解決的情況下,想到了上海整個軌道交通網絡的供電系統。經調查，發現距離12號線相對較近的6號線巨峰路站主變電所有接入的可能。后經深入研究，確定對巨峰路站變電所進行改造、擴容,并通過巨峰路換乘車站的連接,較圓滿地實現了12號線主變與6號線共享主變所。但是，隨著后續18號線工程的完成,發現控江路主變電所電纜通道可通過18號線區間隧道實現連接。因此,12號線的主變電所最終還是設在控江路主變電所。西端主變電所最初考慮設在4號線大木橋路主變電所旁。但隨著設計的不斷深化,同樣發現其受到選址地周邊條件的變化以及外接電源來源等問題的影響,導致該設計方案難以實現。后經與區規劃、市供電等部門的協商,重新選擇了位于浦江南路站(現稱龍華中路站) 旁的空地內設置地下變電所。然而，在完成全部設計進入施工階段時,此方案卻受到了周邊居民的極力阻擾,最終導致該變電所工程無法實施。此時剩下的工期已經不多了,為確保12號線能按時順利建成,設計方再次從內部網絡資源挖潛力,提出了通過改造13號線江月路主變電所和8號線長清路主變電所來為12號線送電的方案,從而保證了12號線工程全線開通運營的要求。

3 結語

上海軌道交通12號線工程的建設是在根據實際情況不斷優化設計、不斷應用新技術解決所面臨的多個難題過程中推進的。在工程實施期間,沒有出現重大事故。該線運營至今狀況良好,沿線居民投訴很少。實踐證明,本文所介紹的設計中選擇的各項技術措施是有效的,可供類似條件的軌道交通線路設計參考。

[1] 上海市隧道工程軌道交通設計研究院.上海軌道交通12號線工程可行性研究報告[R].上海:上海市隧道工程軌道交通設計研究院,2007.

[2] 上海市隧道工程軌道交通設計研究院.上海市軌道交通12號線工程總體設計[R].上海:上海市隧道工程軌道交通設計研究院,2007.

[3] 上海市隧道工程軌道交通設計研究院.上海市軌道交通12號線工程初步設計[R].上海:上海市隧道工程軌道交通設計研究院,2008.

[4] 上海市隧道工程軌道交通設計研究院.上海市軌道交通12號線工程初步設計(調整) [R].上海:上海市隧道工程軌道交通設計研究院,2010.

[5] 李江濤.鋼彈簧浮置板軌道結構施工工藝分析[J].城市軌道交通研究,2014,(5):121-123.

[6] 劉查琳.城市地鐵如何更好地應用BIM技術——淺談上海軌道交通12號線BIM技術應用[J].上海市政公路(電子版),2016(4):1.

Difficulties in the Design of Shanghai Rail Transit Line 12 and Technical Measures

GAO Yinglin

Shanghai metro Line 12 is a line to increase the density of metro network, it crosses through the central urban areas of Shanghai, featuring the dense residential areas, historical protecting buildings, deep pile groups, complex underground pipelines, piled foundations for viaducts and urban rail transit line intervals in operation. The line has to deal with the transfer problems among lines in operation, so there are many difficulties in the design. In this paper, the difficulties in the design are summarized related to lines,buildings,structures, equipment and so on, corresponding design ideas and main technical measures are discussed. The construction and operation of the line shows that the design scheme adopted at that time is feasible and effective.

Shanghai rail transit Line 12; line design; design difficulties; technical measures

U 231.1

10.16037/j.1007-869x.2017.01.030

2016-09-20)