濟南綠色地鐵技術探索與應用

劉海東 ，王 琳，潘 雷

（1. 濟南軌道交通集團有限公司，濟南 250014；2. 中國海洋大學，山東青島 266100）

習近平總書記在十九屆五中全會中，表達了要實現人類自然命運共同體、促進經濟與綠色生態協調發展的強烈意愿。堅持綠色發展理念，實現人與自然共同體生態文明建設，是一項重大的時代命題。交通運輸領域是碳排放大戶，基于“2030年前二氧化碳排放達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和”的愿景，尋找低碳發展路徑，是交通運輸行業的必然選擇。綠色城市軌道交通符合低碳經濟的理念，是低污染、節能、低二氧化碳排放量的城市公共交通設施，在滿足運量大、干擾小、安全迅速、省時方便的同時，更加節能環保，更加注重“碳減排”和“固碳”。

1 濟南軌道交通的建設與發展

1.1 濟南軌道交通概況

山東省是沿海區域經濟發展強省，濟南作為其省會，城市發展面臨交通擁堵、環境污染、資源緊缺等嚴重問題，急需發展軌道交通。然而，濟南特殊的泉域水文地質環境是影響軌道交通建設的一道天然屏障，在歷經20年分析論證后，濟南首條地鐵線路建成通車。如圖1所示，目前濟南軌道交通運營線路2條，運營里程47.7 km；在建線路1條，在建里程36.33 km；二期規劃已批復尚未建設的線路為6條，共計159.6 km。

圖1 濟南軌道交通二期建設規劃Figure 1 Jinan rail transit phase II construction plan

1.2 濟南軌道交通建設理念

濟南軌道交通將“安全、綠色、智慧、品質”作為建設理念，積極探索“人文地鐵、藝術地鐵”，打造契合齊魯文化的城市景觀線。“綠色地鐵”在緩解交通擁堵和降低大氣污染指數方面發揮一定作用，是解決濟南地鐵建設與保泉、護泉矛盾的根本選擇。通過前瞻研究、統籌規劃、科學設計、規范施工、智慧運營維護等手段，實現濟南軌道交通的綠色、智能化建設。

1.3 綠色技術的綜合運用

為實現“綠色+智能”地鐵建設，在濟南軌道交通一期規劃的3條線路中，共采用了6大類近40項綠色建造技術，其中比較有代表性的有：高架站臺光伏發電技術、高架車站清水混凝土施工技術、預制U型梁技術，盾構管片內徑擴大應用于地鐵施工技術、基坑降水原位回灌技術、大尺寸預制樁圍護結構兼做主體結構施工技術、可調通風型站臺門系統應用技術、雨水回收和中水處理系統等。結合綠色技術的應用，實現濟南軌道交通的節能、節地、節水、節材、環境保護(“四節一環保”)的建設及運維目標。下面主要以1號線為例，對采用的“四節一環保”技術及其應用效果進行闡述。

2 “四節一環保”技術的應用

2.1 節約土地技術

2.1.1 高架車站景觀及站房設計

濟南軌道交通1號線高架車站在車站的下方設置設備用房，同時保證在車站與設備用房之間留有足夠的空隙，最大程度保障了土地資源化和車站空間的通透感，7座高架車站共節約土地約2.8萬 m2。高架車站遵循“一線一主題，一站一風景”“路中站外立面厚而不實，輕而不浮”的景觀設計理念[1]，如圖2所示。將清水混凝土作為構筑站內的建筑主體及外表面的主要材料，混凝土自然本色作為車站建筑物表面顏色，彰顯了車站莊重、質樸的特點。

圖2 高架車站外立面Figure 2 Elevated station facade

2.1.2 線網主變電所資源共享

從全線網角度統籌考慮，將不同線路的主變電所合設，減少主變電所數量，實現不同線路主變電所的資源共享，每個共享的主變電所可節省土地3 000 m2。

2.1.3 外電源建設投資控制

在初步設計階段，1號線外電源的原設計方案：大楊莊主變電所外線線路分別由清河 220 kV變電站及王府莊220 kV變電站引入，如圖3(a)所示。清河變電站距離大楊莊8.57 km，全線需完全建設電纜溝，本段建設投資高達1.28億元。通過對設計方案的梳理，深入研究《地鐵設計規范》[2]“為變電所供電的兩個電源可來自上級不同的變電所，也可來自上級同一變電所的不同母線”的要求，最終明確了優化方案，即大楊莊主變電所兩路電源均來自王府莊變電站，王府莊變電站擴建第二臺主變電所，并完善110 kV主接線為雙母線雙分段，如圖3(b)所示，既滿足了《地鐵設計規范》的要求，建設投資也大幅降低，修改后的方案可節約外電源建設造價約8 500余萬元[3]。

圖3 大楊莊主所供電方案Figure 3 Schematic diagram of power supply scheme of Dayang Village

2.2 節約建筑材料技術

2.2.1 清水混凝土技術

1號線全線車站采用清水混凝土(見圖4)，節省了公共區裝修材料，創新了軌道交通建筑設計理念。外裝修面積降低約3×104m2，同時減少投資成本約3 000萬元。將獨特的“儒風素語”貫穿于樞紐、車站、區間橋梁、地面附屬等系列公共空間設計中，運用簡約樸素的清水混凝土天然雕飾，展現了厚重的齊魯文化底蘊，體現了建筑美和結構美的高度融合，改善了車站的空間感受，提升了路中車站的景觀效果。

圖4 車站公共區裝修效果Figure 4 Renderings of station public area decoration

2.2.2 預制疊合結構體系

1號線在國內首創了地鐵車站預制疊合結構體系，提出了預制肋疊合墻、復合立柱、預應力疊合頂板關鍵技術，解決了預制樁三維精準定位、地下疊合結構變形控制與防水技術難題，實現了支護結構與主體結構的永臨合一，提高了工程質量，節省混凝土使用量43%，降低了工程造價。

2.3 節約用水技術

車站及車輛段、停車場均采用了節水型衛生潔具。在車輛段檢修主廠房及廠前區辦公樓，采用了雨水回收、中水利用設施，可實現雨水回收4 200 m3/年，中水利用4萬m3/年。在高架車站設置了屋面雨水回收系統，1號線的7座高架車站每年可回收雨水1 675.8 m3。

2.4 節約能源技術

2.4.1 空調通風系統節能技術

全線網采用了可調通風型站臺門系統[4](見圖5)，充分發揮了屏蔽門與安全門系統的特長。夏季可調整通風型站臺門轉換為屏蔽門，對于降低公共區空調冷負荷具有一定作用；過渡季和冬季則調整轉換為安全門，充分利用列車運行的活塞風，對區間隧道及站臺進行有效的通風換氣，降低了車站公共區的環境溫度，減少了公共區的風機開啟時間。每個地下車站年綜合運行費用可比閉式系統節約99.85萬元。

圖5 可調通風型站臺門立面Figure 5 Elevation of adjustable ventilated platform door

采用了蒸發冷凝冷水機組(見圖6)，相比傳統的冷水機組，能效系數COP由3.3提升到5.0，進一步降低了空調系統能耗，每年每座地鐵車站每個空調季可節約費用10萬元以上。

圖6 蒸發冷凝系統原理Figure 6 Schematic diagram of evaporative condensation

2.4.2 再生能量吸收技術

在通常情況下，再生或電阻制動是地鐵車輛的主要電制動方式，圖7為地鐵再生制動能量吸收裝置。當車站其他車輛和本列車的用電設備不能全部吸收列車再生制動所產生的制動電流時，再生制動能量吸收裝置開始發揮作用，過多的再生電流被有效吸收，從而將車輛再生電流控制在穩定水平，保證地鐵電制動性能充分發揮。濟南地鐵全線網采用了再生能量吸收技術，用此原理在牽引混合變電所中設置再生能量吸收裝置，使車輛制動能量有效回收，地鐵車輛牽引能耗大幅降低。1號線列車制動中壓能饋系統平均制動能量回收率達30%，每年可節電約 2 000 kW·h。

圖7 再生能量吸收裝置原理Figure 7 Schematic diagram of regenerative energy absorption device

2.4.3 分布式光伏發電技術

隨著光伏市場的日漸成熟，光伏組件的價格也日趨降低；光伏發電并網不僅技術上可行，還能取得一定的經濟效果。國內在建和規劃設計中的軌道交通工程，都在積極探索利用車輛段、停車場設置兆瓦級的大容量光伏發電并網系統。濟南地鐵高架車站采用光伏發電系統，其標準車站設置的光伏板剖面如圖8所示[5]。這不僅可以降低城市軌道交通運營成本[6]，推動光伏發電技術在軌道交通領域中發展，而且對其他需進行軌道交通建設的城市具有一定的參考價值。1號線共設置7座高架車站，標準高架車站的屋頂總面積3 056 m2，其中光伏可用面積2 033 m2。

圖8 車站設置光伏板剖面Figure 8 Station profile setting up photovoltaic panels

2.4.4 非晶合金配電變壓器

采用非晶合金變壓器，可使變壓器損耗占系統損耗比例大幅降低，空載損耗明顯減少，在節省配電設備能源以及運行成本方面發揮重要作用。通過核算，每年減少能耗約210萬kW·h，大約10年就可收回當年購買非晶合金變壓器多付出的成本。

2.4.5 供電系統的節能效果

如前所述，供電系統采用了再生能量吸收裝置、非晶合金變壓器、分布式光伏發電等節能設備和技術，實現了節約電耗、減少碳排放的目標。由表1分析可知，1號線每年可節電774.03萬kW·h，約占全線一年用電量的10%～15%，處于國內先進水平；碳粉塵排放量減少1 914.96 t，CO2年排量減少7 019.36 t。

表1 供電系統節能效果匯總分析Table 1 Summary analysis of energy-saving effect of power supply system

2.5 環境保護技術

泉水是大自然賜予濟南的財富，濟南地鐵以確保泉水保護萬無一失為前提，歷經20年的分析論證和規劃設計、建設，以科學的態度、堅定的信念、先進的技術，開創了泉城地鐵時代，解決了泉域地區地下水量大、承壓水頭高、高強度富水巖溶地層以及濟南地區典型豎向透水黏性土等諸多復雜工程技術難題。根據濟南泉域地層深度值的大小，將坑基降水回灌區分為極適宜區、一般適宜區、相對適宜區、非適宜區和極不適宜區五類，同時制定了不同區域對應的判定標準[7]。研發深基坑降水回灌一體化裝置及配套關鍵技術(見圖 9)，有效降低地下水資源浪費，減小地鐵工程建設對泉域地區地下水的影響。基坑降水回灌技術的回灌率達85 %以上，累計回灌地下水約4 500萬m3。

圖9 基坑降水原位回灌裝置Figure 9 In situ recharge device of foundation pit dewatering

3 結論與展望

1) 城市軌道交通系統在建設、運營階段都是資源消耗大戶，如何建設“安全、便捷、高效、綠色、經濟”的軌道交通系統，成為規劃設計、建設管理、運營維護中的一個重要研究課題，也是行業發展的方向和追求的目標。

2) 濟南軌道交通秉承資源節約、效率優化、和諧相生、統籌共享、智慧預愿、修復再造的“綠色地鐵”建設理念，采用了近40項“四節一環保”的技術措施，打造了綠色地鐵。

3) 在二期規劃線路建設中，濟南地鐵將繼續聚焦軌道交通綠色產業前沿技術，在已采用的綠色節能技術的基礎上不斷創新，通過建設高星級綠色建筑、加強低影響開發雨水系統的應用、建設高效制冷機房等措施，進一步節能降耗，助力打造“生態濟南”，推動綠色城市建設。