濟南軌道交通R1線工程新技術探索及應用

王國富， 王德超,2， 路林海， 劉海東， 潘 雷

(1. 濟南軌道交通集團有限公司， 濟南 250101； 2. 同濟大學土木工程博士后流動站， 上海 200092)

濟南軌道交通R1線工程新技術探索及應用

王國富1， 王德超1,2， 路林海1， 劉海東1， 潘 雷1

(1. 濟南軌道交通集團有限公司， 濟南 250101； 2. 同濟大學土木工程博士后流動站， 上海 200092)

R1線是濟南首條軌道交通線路，在工程建造過程中探索、應用了多項綠色技術，詳細介紹結構工程中的清水混凝土技術，深基坑支護及穩定性控制技術，混凝土剛性防水技術及預制構件應用技術；車輛基地上蓋物業開發和建筑廢棄物再利用技術；設備系統中的可調通風型站臺門和隧道嵌裝型蒸發冷凝技術等改造工藝，以及“海綿”設施應用、高架車站光伏發電和中壓能饋等自然資源利用技術，以期為后續濟南和其他城市軌道交通建設提供參考和借鑒。

濟南軌道交通； 綠色技術； 建筑工程； 設備系統

濟南軌道交通建設由于受泉水影響，經歷了漫長的準備時間，建設步伐與國內同等規模城市相比落后10余年，但正是由于起步晚，建設過程中可以充分發揮后發優勢，借鑒其他城市地鐵建設經驗，采用國內外最新的施工工藝和設備集成技術。本文系統地介紹R1線工程建造周期內結構工程以及設備系統采用的新技術，為后續濟南地鐵工程及其他城市軌道交通建設提供借鑒。

1 工程概況

R1線位于濟南西部新城區，南起池東站，北至演馬莊西站，南北向敷設。線路全長26.1 km，其中高架段16.2 km，過渡段0.2 km，地下段9.7 km。全線共設置車站11座，其中高架站7座，地下站4座，范村車輛綜合基地1處，控制中心1座。全線地面標高31.09～98.03 m，主要地貌單元類型有低山丘陵和沖洪積平原，地層巖性組合差異明顯；地下水位埋深在4.1～28.5 m，地下水類型主要為第四系孔隙水和巖溶裂隙水[1]。高架車站為3層框架結構；地下車站為地下2層島式車站(局部換乘節點為3層)，均采用明挖法施工。圖1為R1線站位平面圖。

圖1 R1線站位平面圖Fig.1 Line and station plan of R1

2 工程建設特點

2.1 泉城首條軌道交通線路

R1線開工建設標志著規劃了20余年的地鐵工程正式進入實施階段，濟南的軌道交通建設實現了歷史性轉折。

2.2 地鐵建設與泉水保護協同發展

泉水是濟南的靈魂，是全國乃至全世界人民的物質文化遺產，然而泉水在相當一段時間內卻成為軌道交通建設的障礙，軌道交通建設需與泉水保護協同發展。

2.3 地鐵建設周邊環境復雜

R1線高架段路中平行上跨多處既有市政橋，斜交上跨濟廣高速(單跨超過100 m)；地下段近距離下穿京滬鐵路框架涵、京臺高速橋樁、京滬高鐵橋樁、濟南西客站進出口匝道橋等重要建(構)筑物。R1線地下水埋深淺，單井涌水量大，對地鐵建設極為不利。同時，該區域存在一定數量充填-半充填溶洞，對高架段嵌巖樁樁基的穩定性存在不利影響[2]。

2.4 多項綠色建造技術綜合運用

以資源節約、效率優化、和諧相生、統籌共享、智慧預愿、修復再造為目標，R1線擬采用30余項綠色建造技術，已獲批住建部2016年科學技術項目和山東省住建廳科技示范工程。

3 結構工程特色與技術創新

3.1 高架車站清水混凝土外立面景觀設計

R1線高架車站遵循“一線一主題，一站一風景”、“綠色、節能、生態、環保”以及“路中站外立面厚而不實，輕而不浮”的景觀設計理念[3]，為節約城市用地，將車站外側的設備用房布置于車站下方，在設備用房與站廳層之間留有空隙，既節約了土地又保證了車站整體空間的通透感(見圖2)。

圖2 R1線景觀設計效果Fig.2 Landscape design of R1

車站建筑結構主體及外飾面均采用清水混凝土一次成型[4]，直接采用現澆混凝土的自然色作為飾面，凸顯了車站莊重、質樸的特點。現場以前大彥站作為試驗車站，針對施工中出現的混凝土砂線、泌水以及橋梁墩柱表觀顏色不一致、黑斑等現象，對清水混凝土配合比進行了優化，控制混凝土坍落度為120 mm，提高粗骨料(16～31.5 mm碎石)用量，減少砂率至40%。試驗方案優化后(見表1中方案2)，混凝土表觀光滑度及亮度均較好，高效減水劑的應用保證了混凝土的和易性，現場施工順利。

表1 清水混凝土配合比統計

3.2 預制U型梁截面優化及架梁技術

針對高架U型梁受力結構不合理、跨度很難突破30 m、易開裂、梁間接縫隔音效果差且與景觀不協調等問題，對U型梁采用混凝土性能、澆筑工藝、振搗工藝、脫模劑、養護工藝，預應力張拉順序及張拉應力分批控制等進行探索，改善了U型梁外觀，提高了梁體抗裂性能；通過對U型梁截面優化，降低了底板截面高度，優化配筋量3%，節約鋼材1 000 t；砼優化6%，減少4 000 m3，圖3為預制U型梁現場照片。

圖3 預制U梁現場Fig.3 Precast U beam

3.3 強富水砂卵石地層基坑支護技術

R1線王府莊站基坑地質條件自上而下依次為雜填土、黃土、粉質黏土、卵石層、粉質黏土、卵石層，基底大部分位于卵石層中，基坑開挖時易發生涌水或滲透破壞等問題，影響基坑開挖面的穩定性，同時也會引起基坑外的水位持續下降，導致周邊土體產生較大的固結沉降，使建筑物產生過大變形[5]。因此，王府莊站在基坑施工過程中充分利用基底以下粉質黏土層的隔水作用，對厚度小于3 m的隔水層采用袖閥管注水泥-水玻璃雙液漿的方式進行基底加固，有效控制了坑底加固效果。

在基坑圍護結構設計過程中對比分析了鉆孔灌注樁+止水帷幕、套管咬合樁和地下連續墻的施工方案，經過技術經濟比選，最終選擇套管咬合樁施工方案，表2為3種圍護結構的對比分析。套管咬合樁是一種新型的圍護結構，由于其樁芯相互咬合，解決了傳統排樁相切時防水效果差的問題[6]。同時，基于樁墻合一的理念，采用樁墻復合方案優化了主體結構側墻尺寸，節約了工程造價。套管咬合樁方案成功解決了常規工法在泥漿難以護壁的強滲透高富水卵石層中無法鉆進成樁、止水效果差的難題。王府莊站基坑已開挖完畢，監測結果顯示，套管咬合樁打設精度高、止水效果好，在濟南強富水砂卵石地層中得到成功應用。

3.4 深基坑圍護樁插入比及嵌巖深度優化

工程勘察設計初期，R1線在地質條件較差地段圍護樁的插入比設計相對保守，基本在0.7～0.8。結合濟南地層的實際情況及詳勘的地質參 數，采 用 數 值 模擬和理論分析手段對圍護樁的插入比進行了優化，現場工程應用結果顯示，圍護樁插入比在0.5～0.6可滿足基坑和支護結構穩定性的要求；同時，對圍護樁嵌入中風化巖層的深度進行了優化，由原設計的4～5 m調整為2～3 m，優化后既滿足了基坑穩定性要求，又降低了工程投資和施工難度，具有顯著的經濟效益和工程價值。

表2 圍護結構對比分析

3.5 泉域地層基坑封閉降水及原位回灌技術

R1線地下車站基坑范圍內卵石層、砂土層較厚，富含地下水且無穩定的隔水層。地鐵基坑施工如采用直接降水方案對地下水環境及周邊建筑物的穩定性造成較大影響，地下水資源浪費嚴重。

針對這一工程技術難題，軌道集團依托省部級課題《濟南地鐵富水地層基坑降水與回灌保泉關鍵技術應用研究》，將泉域范圍內不同深度地層的基坑降水回灌區域進行分區分級，將回灌區域劃分為非常適宜區，適宜區、較適宜區、不適宜區和非常不適宜區5類，并給出了相應的判定標準[7-8]。在此基礎上，自主研發了基坑降水原位回灌裝置(見圖4)，現場回灌試驗結果表明，王府莊和演馬莊西站等地下車站的回灌率可達到90%以上。

圖4 基坑降水原位回灌裝置Fig.4 In situ recharge device of foundation pit dewatering

3.6 混凝土剛性防水技術

通過大量的現場調研及施工經驗總結表明，側墻防水在施工過程中可能會存在卷材被鋼筋扎穿，搭接不到位，密封不實等現象；施工單位進行主體結構澆筑時因過度依賴側墻防水，而忽視對混凝土澆筑質量的控制，導致混凝土出現較大裂縫。上述情況往往會導致“雙保險”的防水體系同時失效，主體結構防水效果無法保證，且增加了工程造價，延長了施工工期。因此，有必要探索以混凝土自防水為主的防水體系，通過優化混凝土參數配比，嚴格控制混凝土澆筑工藝，盡量避免混凝土的荷載裂縫和溫度裂縫，達到僅采用混凝土自防水即可實現主體結構防水的目的。在R1線車站結構施工過程時，選擇了玉符河—王府莊站入地段進行探索性試驗以驗證混凝土自防水效果。

3.7 預制疏散平臺技術

目前使用的疏散平臺多為鋼架組合結構、管片鉆孔螺栓連接、復合材料板面，這種疏散平臺存在施工復雜，耐久性差，振動荷載作用下連接易松動，鉆孔造成管片結構損傷等缺點。基于此，自主研發了一種盾構區間隧道預制疏散平臺，該疏散平臺支架的螺栓孔和凸出的榫頭均為預制而成，同時在盾構管片上預留螺栓孔和圓形榫槽，可實現疏散平臺支架的現場快速拼裝。改善了施工環境，提高了安裝效率，效果顯著，優勢明顯。

3.8 預制樁及疊合結構在基坑支護中的應用

基于推進地鐵車站構件預制化進程，實現圍護與主體結構相結合的設計理念[9]，在R1線演馬莊西站試驗了自主研發的新工法，圖5為新工法效果圖。該工法基坑圍護結構采用700 mm×700 mm的預制方樁，樁間距1 500 mm，先用長螺旋鉆機成孔并注入一定體積的水泥土漿，然后植入預制方樁，樁側留有預埋件，后期與側墻疊合作為加強肋；車站頂板采用預制和現澆疊合的方式，將第一道混凝土支撐與預制板相結合作為現澆部分的底模；車站中部設置400 mm×400 mm的預制方樁作為臨時立柱，待主體結構施工完成后，預制立柱后包混凝土作為車站的永久結構柱，車站結構其余施工工藝與明挖順作法相同。

圖5 預制樁疊合結構效果Fig.5 Precast pile composite structure

該工法采用預制方樁作為基坑圍護結構，不僅提高了成樁效率，而且將成孔時的渣土作為包裹預制樁的水泥土原材料，實現了棄土的資源化再利用(樁長24 m，用渣土量5 m3)；將部分預制構件應用于地下工程，實現永臨結合，縮短了施工工期，節約了施工成本。

4 車輛基地上蓋及周邊物業一體化開發

地鐵車輛段占地面積大，利用上部空間進行物業開發，結合規劃開發成住宅及公建設施，可充分開發商業利用價值，提高軌道交通和周邊土地的綜合效應，帶動周邊地塊的經濟發展，完善整個區域的城市功能[10]。范村車輛基地位于趙營站的東南側，占地面積50 hm2，基于車輛基地的地理位置、規模與城市總體規劃、專項規劃、地區規劃發展協調考慮，在車輛基地檢修庫和運用庫進行上蓋物業開發，其中，運用庫上蓋11層，檢修庫上蓋6層，業態以住宅為主，另有少量公寓及配套設施，同時在車輛基地北側的空白地區進行一體化物業開發。圖6為范村車輛基地物業開發效果圖。

圖6 車輛基地物業開發效果圖Fig.6 Real estate development above subway vehicle base

5 建筑廢棄物再利用及柱錘強夯技術

范村車輛基地場地內近10萬m3的房屋拆遷建筑垃圾，垃圾外運不僅影響建設工期、增加建設成本，還占用土地資源、惡化市區環境。車輛基地需采用大量C類土回填和強夯，遵循減量化、資源化、無害化和產業化的原則，將此類建筑垃圾進行回填利用，強夯后的地基承載力不僅有了大幅度提高，而且還降低了對周邊環境的影響，充分體現了節地、節材和環保的建設理念。

此外，車輛基地北側為U型梁預制場，為了解決U型梁預制和車輛基地強夯振動之間的矛盾，采用柱錘強夯技術，柱錘高徑比大、與地面接觸面小，靜壓力大，影響深度增大，振動的傳播以垂直向為主，面波傳播為輔。柱錘強夯技術，降低了對周圍環境和U型梁施工的影響，提高了強夯的處理效果。

6 設備系統新技術推廣應用

6.1 可調通風型站臺門技術

可調通風型站臺門系統是在傳統站臺門固定門或滑動門上部設置帶可控風閥的通風口的一種空調制式。圖7為可調通風型站臺門立面圖，圖8為站臺門上可調風閥及風口結構圖。空調季節站臺門上的通風口關閉，系統采用傳統站臺門系統運行；非空調季節站臺門風口開啟，系統采用開式系統運行。整合了站臺門系統與閉式系統節能優勢的可調通風型站臺門系統，可以適用于多種氣候分區，實現全年節能運行[11]。

圖7可調通風型站臺門立面Fig.7 Adjustable ventilation platform door

圖8 站臺門上可調風口風閥結構Fig.8 Adjustable wind valve structure on the platform

6.2 隧道嵌裝型蒸發冷凝技術

隧道嵌裝型蒸發冷凝空調系統如圖9所示，由直膨壓縮裝置和壓縮冷水裝置、嵌裝型蒸發式冷凝裝置、直膨型空調箱、安全及智能控制系統、蒸發冷凝水質檢測系統等組成。將蒸發冷凝裝置嵌裝在排風道中，利用地鐵排風進行冷凝排熱，省去了冷凍水管路、冷凍水泵、分集水器等設備。具有取消冷卻塔、節省土建投資、降低運行能耗等優點。R1線4個地下站采用隧道嵌裝式全工況高效能空調系統，一個空調季可以節省能耗、水耗費用約50萬元。同時，取消了冷卻塔、制冷機房，節省了大量土建投資。

圖9 隧道嵌裝型蒸發冷凝系統示意Fig.9 Tunnel mounted evaporative condensation system

6.3 “海綿”設施應用技術

R1線高架車站、區間、車輛基地等地上建筑及設施采用源頭削減、中途轉輸、末端調蓄等技術，提高對徑流雨水的滲透、調蓄、凈化、利用和排放能力，實現“海綿”功能。

6.3.1 高架區間“海綿”設施應用技術

R1線高架區間間隔約30 m設置2根雨水立管，每根雨水立管匯水面積150 m2，收集雨量8.31 m3。圖10為儲水箱加雨水花園方式，收集的高架區間雨水用于綠化灌溉，可節省大量園林綠化用水。

圖10 儲水箱加雨水花園Fig.10 Water storage tank and rain garden

6.3.2 車輛基地“海綿”設施應用技術

R1線范村車輛基地總匯水面積約為50 hm2，在基地東南側及北側的綠地上分別設置2個占地200 m2雨水收集模塊，收集列檢庫等大型屋面虹吸排水系統約1 000 m3雨水量，并接入中水系統作為基地綠化、洗車用水；場前區辦公樓屋面采用屋頂綠化，既降低了屋面徑流系數，又減少了辦公區熱島效應；設置下沉綠化帶、植草溝等海綿設施，消納車行道的徑流雨水。通過上述措施，實現車輛基地對徑流雨水的“自然積存、自然滲透、自然凈化”功能。

6.4 高架車站光伏發電技術

R1線高架車站采用光伏發電系統，不僅可以降低運營成本，推動該技術在軌道交通領域的發展，也可為其他城市提供借鑒。R1線共設置7座高架車站，標準高架車站屋頂總面積3 056 m2，其中光伏可用面積2 033 m2，標準車站剖面參見圖11[12]。

圖11 標準車站剖面Fig.11 Standard station profile

根據光伏組件年總輻照量與傾角、陣列間距與傾角的關系，濟南地區光伏板安裝傾角為12°，光伏發電系統的凈現值和發電量較高，且初始投資和回收期適中，能較好地兼顧經濟效益和社會效益。

R1線7座高架車站配電變壓器容量均為2×400 kVA，光伏發電系統的最大上網功率約為114.4 kW，不能滿足車站全部負荷用電需求。基于供電可靠性要求，高架車站光伏發電系統應采用低壓并網方式。白天車站負荷優先使用光伏發電的電能，不足時由電網補給；在夜間或陰雨天光伏系統不能發電時，車站負荷由電網供電。

6.5 中壓能饋技術

軌道交通車輛所采用的電制動方式一般包括再生制動和電阻制動兩種方式。采用再生制動能量吸收裝置以后，當處于再生制動工況下的列車產生的制動電流不能完全被其他車輛和本車的用電設備吸收時，線路上設置的再生制動能量吸收裝置投入工作，吸收多余的再生電流，使車輛再生電流持續穩定，以最大限度發揮電制動性能。

R1線在牽引混合變電所中共設置9套再生能量吸收裝置，回收車輛制動能量，減少了大量牽引能耗。

6.6 非晶合金變壓器應用技術

非晶合金變壓器應用在軌道交通動力照明供電系統中。由于車站配電變壓器根據機電設備最大工況進行容量選擇，運營中動力照明負荷率較低，空載損耗尤為突出，從而造成系統損耗率較高。采用非晶合金變壓器可以有效降低系統損耗中的變壓器損耗，可有效降低空載損耗，節約配電設備的能源和運行費用。

R1線供電系統配電變壓器采用非晶合金變壓器，空載損耗較常規的S10系列變壓器下降了75%～80%，可節省電費約594萬元(按30年使用壽命計算)。

7 結語

1) R1線是泉城首條軌道交通線路，周邊環境極其復雜，線網規劃及工程施工注重地鐵建設與泉水保護協調發展，運用了多項綠色建造技術，是住建部和山東省科技示范工程。

2) 套管咬合樁技術、基坑封閉降水及原位回灌技術、圍護樁結構優化技術、混凝土剛性防水技術的應用在很大程度上解決了土建工程中存在的施工技術難題，且節約了大量的工程投資。

3) 預制U梁技術、預制疏散平臺技術和預制樁疊合結構技術的應用，可有效改善施工環境，降低噪聲污染，提高施工效率，推動產業化的發展。

4) 可調通風型站臺門技術、隧道嵌裝型蒸發冷凝技術、“海綿”設施應用技術、高架車站光伏發電技術、中壓能饋技術、非晶合金變壓器技術的應用，可有效降低地鐵運行能耗，充分利用自然資源，節省大量工程投資，具有較高的經濟和社會效益。

5) 從結構工程、車輛基地物業開發和設備系統等方面對R1線工程新技術進行了探索，可為后續和其他城市軌道交通建設新技術的采用提供借鑒和參考。

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ExplorationandApplicationofNewTechnologiesinLineR1ofJi’nanRailTransit

WANGGuofu1,WANGDechao1,2,LULinhai1,LIUHaidong1,PANLei1

(1.Ji’nan Rail Transit Group Co., Ltd., Ji’nan 250101; 2. Mobile Post-doctoral Station in Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092)

Many environmental-friendly construction technologies have been applied to Line R1, the first rail transit line in Ji’nan, such as bare concrete technology, deep foundation pit supporting and stability control, concrete rigid waterproof and the use of prefabricated parts in the structural engineering, development of real estates above the subway vehicle base and recycling of construction waste, modification of adjustable ventilation platform doors, tunnel embedded evaporation condensation technique, etc., in the equipment system, as well as the natural resource utilization technologies like the use of the “sponge” facility, photovoltaic power generation in elevated railway stations and medium-voltage regeneration.

Ji’nan rail transit; new technology; structural engineering; equipment system

10.3969/j.issn.1672-6073.2017.06.002

U239.5

A

1672-6073(2017)06-0007-07

2016-12-15

2017-02-23

王國富，男，博士，研究員，從事巖土工程、結構工程相關理論和技術研究工作，metr_jinan@126.com

山東省自然科學基金項目(ZR2016EEQ25, ZR2016EE Q028)；濟南市博士后創新項目；山東省住建廳科技項目(2017-K2-011，2017-K4-008)

(編輯：曹雪明)

全球首條虛擬軌道列車示范線在湖南運行

智能軌道快運系統由中車株洲電力機車研究所有限公司首創，是一種采用虛擬軌跡跟隨、高效電傳動技術的全新軌道交通運輸系統。其所用虛擬軌道列車整車采用儲能電池充電，在首站和末站建設充電站。該示范線安裝特種變壓器，單次充電10min可保障滿載行駛25km。

智軌列車長達30多m，雖然是馬路上的“巨無霸”，但它卻是一個靈活的“胖子”。列車采用了多軸轉向系統等設計方式，對虛擬軌跡進行智能跟蹤控制，使整臺列車轉彎半徑與普通公交車相當，且比普通公交車輛的通道寬度更小，這解決了超長車身帶來的轉彎難題。同時，智軌列車采用類似高鐵的雙車頭設計，省卻了掉頭的麻煩。

智軌列車采用標準的3節編組時，智軌列車最大載客307人，5節編組時可載客超過500人，能有效解決普通公交車載客量小的缺陷，大大提高運力。智軌列車試驗線目前正在進行調試，預計2018年上半年正式載客運行。

摘編自http：//www．umt1998．com/20171023