新一代高速鐵路地下站隧工程設計理念與方法

劉建友 呂 剛 岳 嶺

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

引言

隨著我國高速鐵路網的不斷加密,為滿足人們快速出行的需求,越來越多的線路需要穿越旅游景區、生態保護區、文物保護區、城市密集區等,這給地面站線的選擇帶來了很大困難。 以往高鐵建設多在城市郊區設站,線路避開了繁華市區,旨在引領城市的發展。 但對于大城市而言,這容易造成“攤大餅”式的發展模式,地面土地資源被擠壓,地下空間資源得不到有效利用,城市難以高效運轉。

當今國內外高鐵建設百花齊放,高鐵線路接入城市車站的方式及其車站的設計建造各具特色,主要有城市中心型、城市邊緣型和城市遠郊型3 類。 高鐵車站與城市發展以“站城一體開發”為導向,即“軌道交通和城市相輔相成、共同發展的開發模式”[1]。 這種發展模式以高鐵站為核心,強調“公共交通導向”,將其與城市辦公、商業、休閑功能結合,營造立體式城市空間,減少軌道交通建筑物對城市功能和景觀的割裂,提升土地利用效率和公共交通運輸效率。 綜上所述,一方面,人們期待高鐵車站引領城市發展,將高鐵站建設納入城市中長期發展版圖,建設初期將高鐵設在人口并不密集的區域,通過引入人口、資金、項目和基礎建設,形成新的副中心[2];另一方面,建設距離城市中心數十千米的遠郊型車站站點新城,雖然征拆成本低,對于中小城市來說雖然是尋求新的增長點的重要契機,但同樣也面臨巨大的投資回報風險。

在國內,上海虹橋火車站所在虹橋樞紐,是集航空、鐵路、輕軌、地鐵、公路運輸一體的華東地區最大的綜合交通樞紐,其商圈建設突出大交通、優貿易、全配套、特智慧、最低碳、崇人文的“六大發展理念”,是一體化發展的標桿[3];新建京沈高鐵北京星火站圍繞“人、機、料、法、環、測”6 方面因素,通過應用BIM+一體化156 智慧建造平臺,對結構安全、綠色施工、成本控制進行綜合評估[4];北京豐臺火車站首次采用雙層車場的建橋合一結構形式,具有商業、高速通道、城市公共交通等多種建筑功能,是繼上海虹橋站后站城一體化模式的再升級[5];雄安站匯聚京雄城際、京港高鐵、津雄城際,有機聯接樞紐與區域,并設計城市走廊、地下商業街、地下廣場等,保持城市土地一體不分割[6]。 此外,還有北京城市副中心站、天津于家堡站、武漢站、鄭州站、北京南站、南寧東站等一大批大型高鐵車站,均體現了人文關懷、環境保護以及地區特色[6-8]。

日本和歐洲的高鐵建設在20 世紀60 年代就已開始。 以日本為例,日本多山川、多地震,本質上是地少人多的國家,高鐵站建設與城市的關系注定是“站城一體”模式[9],主要存在兩種空間形式,一是“以樞紐站為中心的區域高度復合、聚集型開發”;二是“和軌道建設同步的沿線型開發模式”[10]。 前者類似于城市中心型車站建設模式,后者與城市邊緣型和城市遠郊型車站建設模式相似。 世界著名的商圈—東京都市圈匯聚了全日本30%以上的人口,新干線、市域鐵路、市郊鐵路、城市地鐵有機銜接,其密切的聯系提升了城市的效率,是名副其實地建立在鐵道交通之上的都市圈[11]。

上述城市高鐵車站規劃設計理念多與商業有關,且多為地面站房,不涉及重要文化遺產以及景區,文化保護的重要性程度較低。 而新建京張高鐵穿越城市核心區、文化保護區,是北京冬奧會交通保障設施,也是中國首條設計速度350 km/h 的智能化高速鐵路,對鐵路站隧工程的設計提出了更高的要求[12-15]。 基于上述問題,以京張高鐵工程建設為背景,通過清華園盾構隧道的智能修建、八達嶺地下長城站的暗挖修建,從環境融合、安全舒適、低碳環保等角度,剖析并提出新一代高速鐵路站隧工程的設計理念與方法,以期為未來我國高鐵建設邁向“人與自然和諧共生”的新臺階提供參考。

1 環境融合的設計理念與方法

1.1 風景名勝區“站景融合”設計

根據“方便旅客”“文物保護”“景觀優美”“文化傳承”的原則,提出了風景名勝區高鐵車站“站景融合”的設計理念和消隱設計方法,使站藏于山,實現在風景名勝區內設置地下車站,極大地方便了游客的出行。

(1)站景一體

京張高鐵八達嶺長城站位于八達嶺長城核心景區內,根據八達嶺長城文物管理相關法規的要求,禁止在核心區地表設置大規模的建筑;同時受到軌道平面線路標高限制,隧道仍必須深埋于平均60 m 深的地下巖土中。 因此,為了最大限度保護長城古跡以及周邊生態景觀,對原景區滾天溝停車場的功能定位和空間布局進行重新整合,將停車場地面空間重新定位為文化廣場與車站的融合;為最大限度縮減地面站房的建筑面積和高度,在地勢較高的東側僅設置兩層站房,主要承擔售票、旅客進出站廳以及客運辦公的功能;車站主體結構則深埋于停車場下方,包含旅客候車廳、站臺層和設備間等。 地面站房和地下站廳的溝通采用疊層式通道,使進出站旅客分流且互不干擾,極大方便高鐵乘客上下站(見圖1)。 由圖1 可知,車站整體隱約呈現“神龍見首不見尾”的恢弘低調之態勢,隱于山間而又融于自然。

圖1 京張高鐵八達嶺長城站透視

為盡量減少對環境影響,以“形隱于山”為設計理念,站區房屋與站房合建,并設置在地下空間。 站房建筑造型設計將站房與自然環境融為一體,既適當地顯示出交通建筑的標志性和現代特征,又不對歷史人文和自然景觀造成影響,儼然成為了承載文化底蘊的新地標。

經過前期車站總體建筑形式方案的研判比選,選擇采用最適宜的三層三縱的站景一體群洞方案,在適應山體地勢的前提下,做到了結構安全性、施工便捷性、運營環境舒適性、文化承載優越性“四性”綜合優化,為新一代的環境友好型高鐵車站建設提供了新導向。

(2)視覺消隱

作為“神龍之首”的地面站房,其視覺消隱的首要前提是要順應自然、融入自然。 因此,在結構設計方面,為了在視覺上補償山體開挖的缺失以及消除建筑對周邊優美環境的影響,地面站房設計充分考慮周邊自然地形,依山而建。 承長城之文化,參考長城垛口的凹凸錯落構型(見圖2),將站房化整為零,分解成“中間高兩邊低”3 個層高6 m 的“塊體”,在最大程度地減少建筑體量的同時,又能充分利用靠山一側已開挖山體釋放出一個下沉廣場,引陽光入地下,極大提升車站地下空間的品質。 在外觀設計方面,站房立面材料以石材為主,顏色與周邊山體裸露巖石和長城墻體的顏色接近,墻面肌理由山體向外逐漸過渡;站房第五立面—屋頂采用草皮綠化,隱逸山間,站房與周邊自然環境渾然天成,突出其文化承載屬性的同時,也很好地與自然和諧共生(見圖3)。

圖2 八達嶺長城垛口

圖3 視覺消隱設計

1.2 高鐵進城“隧城融合”設計

在北京北部城區,原京包線途經的五道口、四道口、雙清路道口3 個平交鐵路口的擁堵歷史由來已久。清華園隧道修建前(2016 年),統計數據顯示,按北京北站的運輸能力,每天要有不少于50 列火車通過五道口,以每次道口鐵柵欄關閉時間6 min 計算,道口每天至少有5 h 以上的時間處于關閉狀態。 為了縫合老京包鐵路對城市的分割,緩解地面交通壓力,改善出行環境,提出了高鐵進城“隧城融合”的設計理念和縫合設計方法,實現了高速鐵路進城目標。

(1)移路入隧

新建清華園隧道沿原京包沿線穿越北京市核心區,全長6.02 km,埋深大于44 m,采用?12.64 m 的大直徑泥水平衡盾構機掘進,依次下穿院南路、北三環、知春路、北四環、成府路、雙清路、清華東路7 條重要城市道路和106 條重要市政管線,是我國當前開挖直徑最大的單洞雙線高鐵盾構隧道[16]。 隧道穿越地層之復雜、重要建(構)筑物之多、開挖風險之大、建設標準之高國內罕見。 但復雜中也體現著 “移路入隧”盾構法施工的諸多優越性。 一方面,隧道敷設于原線正下方,可以很大程度減少線路繞避高層建筑帶來的麻煩,為選線、征拆減輕大量工作,最大限度減少對既有管網、市政道路、公交站臺、人行天橋等基礎設施的破壞;另一方面,噪聲源也隨鐵路深埋被轉移至地下深處,降低高鐵運營對周邊環境的噪聲和振動污染,高鐵運營和市民社區生活互不干擾。

(2)原路改造

“移路入隧”釋放了城市空間,但原有鐵路線將城市分割,難免略顯突兀。 為響應綠色共享型城市建設的號召,發揮城市文化特色優勢,將老京包鐵路地面線拆除改造成京張遺址公園和城市綠色長廊,徹底結束車流人流需從道口繞經的歷史,使城市區域聯系更為通暢,真正實現了對城市的縫合(見圖4)。

圖4 隧城融合

鐵路變公園,公園載文化;文化托城市,城市展魅力。 新一代高鐵進城的“隧城融合”設計理念和針對原有鐵路的縫合設計方法,旨在“以人為本,高效便捷”,保障京包蘭高速通道進京通路暢通,方便市民市域出行,釋放更多城市綠色休閑空間的同時,而又能留住老一代人的鄉愁與記憶。

2 安全舒適的設計理念與方法

安全是工程建設的首要前提,尤其對于深埋的地下工程。 京張高鐵作為冬奧交通保障線、京津冀一體化發展的經濟服務線,是向世界展示我國高鐵建設最新成果的一張名片,安全保障更是重中之重。 安全舒適的乘車體驗將給旅客留下美好印象。 為此,基于京張高鐵的站隧工程,提出安全舒適的設計理念和方法。

2.1 安全環境營造

(1)結構安全

結構設計合理是保證安全的前提。 京張高鐵八達嶺長城站站臺層為超大跨過渡段、三連拱段和三連拱小凈距段相結合的形式,在充分考慮圍巖尺寸效應和圍巖松動圈放大效應后,采用超大跨隧道預應力錨網噴支護體系,重點分析超預應力錨桿-錨索協同作用原理,最后在設計襯砌厚度僅為60 cm 的情況下,實現了在最大埋深102 m、單洞最大跨度32.7 m 下的襯砌結構穩定,如圖5 所示。 傳統山嶺隧道施工“重二襯、輕初支”[17],在遇到復雜圍巖環境時,一味地加大襯砌厚度往往達不到理想的效果。 有別于傳統設計理念,讓支護體系輕量化,充分發揮圍巖自承載能力成為大跨段隧道修建的主題,利用預應力錨桿-錨索協同體系將淺層圍巖荷載轉移到深層圍巖[18]。

圖5 超大跨度隧道開挖順序及錨桿-錨索協同支護結構

此外,定量化、精細化的耐久性設計是實現襯砌結構300 年長壽命安全服役的保證。 首先,對長壽命支護結構體系進行設計,利用耐久性定量化設計方法和預測模型對體系服役壽命進行合理評估[19];然后分別對注漿加固、錨桿、錨索、噴射混凝土和二襯的受力機理進行單獨的耐久性分析,明確各支護結構的工程參數和施工時所需注意的事項,關注短板效應,總體實現各要素協同。 如圖6 所示,實測結果表明,在八達嶺的三連拱段中洞最大拱頂沉降為30.9 mm,并保持穩定,證明了網錨噴支護體系的安全性。

圖6 拱頂沉降監測

京張高鐵清華園隧道在城市核心區穿越大埋深復雜地層,同樣對管片結構的安全性提出了高要求。 一方面,城市施工工期短,要求盾構機快速通過;另一方面,要保證拼裝結構的高精度和耐久性,以此保證列車行車安全。 鑒于此,提出城市地區大直徑盾構隧道全預制拼裝的結構構件化設計方法,如圖7 所示[20]。 盾構管片、軌下結構、電纜槽和水溝等均采用工廠化預制,并研發軌下結構拼裝機器人,使盾構掘進與軌下結構拼裝同步作業,大大提升施工效率。

綜上,提出一種大直徑盾構隧道全預制的設計理念,制定了盾構隧道預制構件的劃分原則,設計了軌下結構與管片高可靠的連接方式,探明了軌下結構的穩定性特征和變形規律,研發了基于軌下結構自穩定的設計方法;發明了一種3 塊式(1 塊中箱涵+2 塊邊箱涵)軌下結構,中箱涵為乘客提供了防災救援疏散通道,邊箱涵提供運營通風和防災通風風道,提高了隧道空間利用效率,解決了城市建筑密集區隧道防災通風和救援疏散難題。

將管片的標準塊、鄰接塊和封頂塊,軌下結構的邊箱涵和中箱涵、電纜槽和水溝隧道等結構化整為零,視為最基本構件,通過預制工廠的標準化生產,嚴格控制各構件的質量。 軌下機器人將除管片外的基本構件進行精確安裝。 為防止軌下結構與盾構管片受力均勻,在軌下結構下部設置300 mm×300 mm 凸臺,采用微膨脹硫鋁酸鹽水泥漿從預留注漿孔對縫隙進行填充。 在此過程中,也可以對中箱涵與圓形隧道結構的水平軸線和豎直軸線進行微調,使其盡可能地接近于理想水平。

(2)防災救援系統

以往防災設計考慮不足,尤其在長大隧道和具有規模的地下建筑群,一旦發生地震、火災、滲水、列車脫軌、碰撞等事故,將造成嚴重的經濟損失。 以火災逃生救援為例,國內外鐵路隧道及隧道群防災設計普遍遵循“事故導向安全”原則[21],在隧道內起火的列車應盡量快速駛出隧道,方便在空曠地帶疏散旅客;當列車無法駛出隧道時,列車應盡量停在救援通道口附近進行旅客疏散。 近年來,隧道建設相關部門對高鐵防災救援疏散做了更詳細的方針指導,強調“以人為本、安全疏散、自救為主、方便救援”[22],建立健全防災救援土建設施、排煙控制設施,完善實時監測預警系統,優化人員安全疏散路線。

針對京張高鐵八達嶺長城站的埋深大,車站層次多、洞型復雜、洞室數量大、交叉節點密集等特點,提出了因地制宜、更加快速有效的安全疏散設計理念,結合施工輔助坑道,在車站兩端設置跨軌通道,形成獨特的地下洞群“救援環島”,如圖8 所示。 類似于公路環島,當救援車輛從不同輔助坑道進入車站洞群時,規定以“環島”的中心圈以單一方向旋轉行駛,避免了車輛沖突,提升救援效率。 除了使用輔助坑道疏散,還單獨設置了緊急步行通道,和正常電動扶梯通道分離,保證火災情況下緊急步行通道暢通,使旅客有效自行向地面疏散。

圖8 八達嶺長城站救援環島示意

2.2 舒適環境營造

我國地下軌道交通建設已取得巨大成就,但多數車站建造風格千篇一律,一大批重要車站錯失了向國際展示中華文化底蘊的良機。 每座車站應該成為人文交流的紐帶,既要體現文化積淀,又應具國際化與包容性,這對新一代高鐵站隧工程設計建造提出了更高的要求。 為此,提出高鐵地下車站舒適環境營造的設計理念與方法。 除了解決復雜的修建技術難題,如何弱化地下密閉空間沉悶、單調的空間感受,提升環境品質,成為了八達嶺長城站室內空間環境設計的又一個重難點。

(1)聲環境

八達嶺長城站作為深埋洞群式巖質地下車站,其建筑空間環境封閉、距地面高差大,物理環境、心理環境與地面建筑及淺層地下建筑差別大。 這些物理環境特性和技術因素決定了常規建筑聲學設計方法和控制參數不能有效滿足八達嶺長城站對建筑聲環境設計依據的要求,現行建筑設計規范、設計標準、設計方法等不能簡單套用。 八達嶺長城站主體為地下雙層四洞分離式群洞穹頂車站,站臺層由3 個單洞隧道組成。 狹長空間的聲環境,極易出現混響時間過長、語言清晰度極低等嚴重聲學缺陷。

結合八達嶺站的結構特點,提煉出3 種不同的聲學方案,包括創新材料的研發、表達傳統風格圖樣的方案設計等。 模擬軟件采用CATT,其用以模擬聲學行為有關的室內封閉聲場及室外開放聲場、半封閉半開放的混合聲場。 通過復雜地下空間聲環境仿真模擬、隧道洞壁吸聲降噪技術和群洞布局的隔噪效果等措施,擬將地下站聲學環境,站臺區噪聲強度控制在80 dB 以內,將500 Hz 頻率聲音混響時間控制在1.5 s以內,語言清晰度RASTI 指數控制在0.45 以上,以滿足旅客正常語言交流及站內廣播的清晰播放。 經過多方比選論證,室內裝修最終選擇了“吸音砂巖板”與“吸音涂料”組合的降噪方案。 為達到建筑藝術與室內聲環境的和諧統一,設計對兩種吸音材料在空間內多種布局方式進行了分析模擬,最終確定了3 m 高墻裙與局部空間吸音涂料的內裝方案。

(2)視覺環境

視覺環境營造在很大程度上影響游客的舒適程度,尤其是燈光設計,對建筑物整體美觀發揮重要作用。 為滿足新時代條件下節能減排的要求,落實綠色辦奧運的重要指示精神,扎實推進京張高鐵建設“精品工程、智能京張”及暢通融合、綠色溫馨、經濟藝術、智能便捷的客站建設要求,打造保護環境和節約能源的示范工程,全面提升節能減排管理現代化水平,對高鐵地下車站的視覺環境設計理念和思路進行分析并提出技術對策。

八達嶺長城站牌匾設計在形態上寄托了對中國古典精神的思考和延展,邊框應依據長城垛口凹凸錯落之鋸齒元素,加以金屬條裝飾,底紋陰刻雄偉的長城藝術壁畫,如圖9 所示。 進站候車廳墻面藝術裝飾壁畫雕刻八達嶺長城山水長卷,藝術品的展示既不突兀,又巧妙地與站房內建筑語言融合。 進出站通道墻面壁畫沿用一樓候車廳的山水、長城主題長卷作為觀賞藝術裝飾壁畫。 京張高鐵是中國唯一一條穿過長城的高鐵線路,在上下兩通道中運用風景長卷,旅客在進出站都能感受到綿延不絕的長城穿梭在崇山峻嶺中的景象。砂巖墻面作為壁畫展示區,選用吸音降噪材料,利用天然的砂巖色彩與機理營造自然巖層的視覺體驗,壁畫采用含蓄的表現手法,與室內、建筑設計理念融合在一起,如圖10 所示。

圖9 八達嶺長城站地下站壁畫實景

圖10 八達嶺長城站候車環境營造

燈光設計方面,八達嶺地下車站采用功率密度低、均勻度差的LED 線性格柵燈帶和功率密度高、均勻度好的LED 面光燈,通過設置高透過率的透光材質改善發光燈箱的光學設計,以“點”“線”“面”的組合照明形式,對不同功能區燈具形式、照度及色溫的細節進行調整,勾勒出老京張線的“人”字主題,優化了空間視覺效果,使遠看光線更加柔和、燈具向下照明的效率更高、更容易維護且容易達到了綠色節能的良好效果。

(3)溫感環境

鐵路隧道內空氣溫度是隨時間和空間變化的三維非穩態問題。 隧道空氣的主要熱量得失途徑主要有與周圍圍巖的熱交換、制冷設備熱量交換、與列車牽引產熱以及車身熱量的交換、列車活塞風帶入的熱量交換等,許多因素都是隨時空變化的。 為了營造適宜的溫感環境,必須先建立車站傳熱物理模型,對地下洞室群進行溫度分布模擬計算,以對近遠期風機、制冷設備規模和數量有整體的認識。 氣象學上,人的體感溫度不僅受氣溫的影響,還受風速、空氣濕度影響。 因此,考慮列車活塞風因素,對通道面積、行車車速、發車對數等進行參數分析,根據體感溫度的通用公式,營造出舒適的溫感環境。

3 低碳環保的設計理念與方法

2020 年11 月,中國建筑節能協會能耗專委會發布的《中國建筑能耗研究報告(2020)》 顯示[23],2018 年全國建筑全過程碳排放總量為49.3 億tCO,占全國碳排放的比重為51.3%,其中建材生產占比28.3%,建筑施工占比1%,建筑運營占比21.9%。 當前大多數隧道及地下工程結構設計的理念仍是在確保工程安全的條件下降低建造成本,以最低的成本確保工程安全。 但隨著我國碳達峰、碳中和戰略的實施,減少碳排放已經逐漸成為未來工程建設追求的目標,其核心在于技術創新、制度創新和人類觀念的扭轉。 因此,在工程設計方案比選的過程中,碳排放最小將逐漸替換以往經濟成本最低的比選原則。

根據李啟明等對低碳建筑概念的分析[24],建筑的碳排放量由建造碳排量、使用碳排量、拆除碳排量三者構成,貫穿建筑全生命周期。 對應于地下工程,建造碳排放主要涉及建筑材料生產、施工;使用碳排量主要涉及運營期的暖通、用電、供水和綠化等;拆除碳排放主要涉及材料回收與處理過程及其用水用電。 最大限度地減少溫室氣體排放是低碳經濟所追尋的目標,但是這要基于低污染、低能耗、人類能夠擁有健康、舒適的生活環境的前提,犧牲人類健康去追求低碳,是沒有意義的。 因此,本節將從實際應用的角度,對京張高鐵新一代地下站隧工程的低碳環保設計進行分析。

3.1 基于BIM 的環保高效全過程管理理念

前述提到清華園盾構隧道管片全預制拼裝的模塊化與構件化,實質上是裝配式建筑的一種形式。 裝配式建筑將建筑物拆分成若干混凝土預制構件(簡稱PC),充分利用可靠的連接節點,將預制構件拼裝組合成建筑物,實現現場施工向工廠化生產的轉變,以削弱天氣環境等因素對施工條件的影響,具有節能、環保、節約勞動力等優點,符合“適用、經濟、綠色、美觀”的建筑方針。

清華園隧道采用“裝配式管片結構設計理念”,即發揮BIM 建筑信息模型頂層設計的優勢,統籌兼顧設計、生產、建造、運維全生命周期,實現設計與施工的可視化,防止裝配過程中出現干涉;合理劃分現澆與預制部分,減少砌筑工程量,實現零抹灰,提升施工作業環境質量,克服傳統結構設計與施工相分離的不足。

此外,京張高鐵項目還搭建了基于BIM 主導的綠色修建協同設計管理平臺,發揮數字孿生功能,集力學分析、能耗分析、可視化分析、防災救援分析、舒適環境分析于一體,使項目各專業的設計人員能夠在集中統一的環境下工作,隨時獲取所需的項目信息,實現各設計專業之間信息溝通順暢、實時統一,提高工作效率,確保設計工作合理、有序、高效。

3.2 基于環境友好的綠色環保施工理念

隧道粉塵是困擾隧道綠色施工的一大難題,不僅嚴重危害長期暴露在粉塵環境施工的工人健康,而且排出洞外的粉塵會對景區空氣造成污染。 針對以上難題,新八達嶺隧道采用大功率的除塵凈化設備XA3000,如圖11 所示,保證了PM0.5 以上粉塵90%以上的去除率以及0.1 mg/m3的空氣清潔度,不但保護了掌子面施工人員的作業環境,還減少了隧道施工排放到景區的粉塵量,解決了施工揚塵對環境的污染問題,實現了綠色施工。

圖11 XA3000 大功率除塵設備

水處理方面,為貫徹“綠水青山就是金山銀山”的生態理念,嚴格遵循“堵水限排”原則,首先在富水段進行徑向帷幕注漿,最大程度減少地下水下滲。 對于未能封堵住的地下水,為了防止隧道施工對水環境造成污染,為二襯滲入的清水和掌子面滲出的污水設置不同的導流通道,實現了清污分流的排水方式;研發高效的污水處理系統,施工期產生的污水中的有機物、懸浮物、氨氮磷等污染元素通過曝氣生物濾池得以去除;同時創新性地提出了地下車站清污分離的排水系統設計方案,解決了車站運營期地下水保護和污水處理的問題,如圖12 所示。

圖12 八達嶺長城站曝氣生物濾池(G-BAF)廢水處理系統

噪聲與振動控制方面,為保護八達嶺景區的文物以及控制施工引起的對景區的噪聲影響,采用微震微損傷控制爆破技術起爆圍巖,降低圍巖損傷與噪聲強度。

廢物回收利用是使經濟和環保效益最大化的重要一環。 京張高鐵山嶺隧道施工將起爆圍巖進行回收,重點收集等級較高的圍巖,通過碎石場進一步處理形成軌道、站房以及路基邊坡砌體材料、混凝土骨料等建筑材料,解決了建材運輸距離長、成本高、隧道棄渣堆放難等難題;針對北京海淀區清華園隧道城市泥水大盾構掘進廢漿量大、泥水分離困難、無處理場地、泥漿制造量大等難題,應用泥漿綜合處理技術,通過ZXSⅡ—2500/20 泥水處理設備使粒徑在50 μm 以下的粉質黏土顆粒得到有效分離,保證了形成泥膜的顆粒級配。

3.3 基于節能減排的低碳環保運營理念

京張高鐵站隧工程在多方面進行了全壽命周期的減碳技術探索。 如祝振南等對能源管片隧道初步探索[25],鑒于隧道結構可兼作淺層地熱換熱構件,以清華園隧道3 環27 個能源管片為工程背景,從選材、預制和現場安裝等方面對地熱利用型能源盾構隧道的施工方法進行了系統梳理,如圖13 所示。 能源隧道在城市的作用在于當其組網廣泛分布在城市淺層地表時,可以通過在隧道襯砌中預先埋置的熱交換管將地鐵運行廢熱轉移至土層中,解決地鐵廢熱停滯問題,還可以將廢熱提取向建筑供暖,可減少煤炭供暖產生的碳排放。

在隧道照明方面,八達嶺地下車站采用智能LED供電系統,分時段、分位置調節光照時間與強度;在需要提高亮度的部位,采用高反射率的壁面鋪貼材料以及具有高透射率的燈面板;將太陽光通過下沉廣場引入隧洞群地下一層,減少洞群內外亮度差;采用集約化辦公理念,提高集中辦公率,減少光源分布;合理布局供電線路長度,減少線路損耗等。

運營通風方面,研發洞群智能通風控制系統,根據旅游旺季和淡季、高峰期和正常運營期,對洞群通風流量進行監測;合理利用上下行列車活塞風進行洞內空氣調節,以最高效節能的方式使得進排風能夠自動交換。

運營期水處理方面,設計了清污分離的排水系統。對于少量入滲隧道與地下洞室群的地下水,通過清水排水系統回饋給大自然,而消防廢水、沖洗廢水、生活污水等車站運營產生的污水則進入市政污水處理系統,實現了生態水資源與運營水資源的分離,保護鐵路沿線的青山綠水,有效落實文明施工要求。

4 結論

京張高鐵是我國第一條智能高鐵,其中清華園隧道、八達嶺長城站、崇禮支線正盤臺隧道是整個項目的重難點,對環境保護、修建技術、文物保護的要求較高,具有劃時代的意義。 對項目實施以來的與站隧工程相關的設計理念與方法進行了研究總結,得出如下結論。

(1)提出環境融合的設計理念和方法。 通過對八達嶺長城站地下洞室群和清華園隧道的設計思路進行分析,明確了與長城文化、景區生態環境相聯系的“站景融合”設計理念與消隱設計方法,以及針對原京張鐵路線對城市的分割提出的“隧城融合”和縫合設計方法。

(2)提出安全舒適的設計理念與方法。 地下站隧工程的安全應該涉及結構受力安全與防災救援線路布局合理,八達嶺長城站超大跨預應力錨桿-錨索協同支護體系、盾構管片與軌下結構的工廠化高精度生產、八達嶺長城站地下洞群“環島”救援路線與旅客自行疏散緊急步道,開辟了站隧工程安全設計修建新模式;提出考慮聲覺、視覺、溫感3 個方面的高鐵地下車站舒適環境營造方法。

(3)提出低碳環保的設計理念與方法。 提出基于BIM 的環保高效全過程管理理念,利用BIM 建筑信息模型頂層設計以及協同管理的優勢,促進裝配式結構智能建造技術以及綠色建造的集約化分析方法的進步;從施工排水設計、空氣凈化、污水處理、泥水循環利用等角度,提出環境友好型的綠色環保施工理念;提出基于節能減排的低碳環保運營理念,合理利用襯砌熱交換技術、LED 智能調控技術以及列車進出站活塞風等,減少了用電量與碳排放,為高鐵地下站隧系統能量的合理高效利用提供了新的思路。