济南绿色地铁技术探索与应用

刘海东 ，王 琳，潘 雷

（1. 济南轨道交通集团有限公司，济南 250014；2. 中国海洋大学，山东青岛 266100）

习近平总书记在十九届五中全会中，表达了要实现人类自然命运共同体、促进经济与绿色生态协调发展的强烈意愿。坚持绿色发展理念，实现人与自然共同体生态文明建设，是一项重大的时代命题。交通运输领域是碳排放大户，基于“2030年前二氧化碳排放达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”的愿景，寻找低碳发展路径，是交通运输行业的必然选择。绿色城市轨道交通符合低碳经济的理念，是低污染、节能、低二氧化碳排放量的城市公共交通设施，在满足运量大、干扰小、安全迅速、省时方便的同时，更加节能环保，更加注重“碳减排”和“固碳”。

1 济南轨道交通的建设与发展

1.1 济南轨道交通概况

山东省是沿海区域经济发展强省，济南作为其省会，城市发展面临交通拥堵、环境污染、资源紧缺等严重问题，急需发展轨道交通。然而，济南特殊的泉域水文地质环境是影响轨道交通建设的一道天然屏障，在历经20年分析论证后，济南首条地铁线路建成通车。如图1所示，目前济南轨道交通运营线路2条，运营里程47.7 km；在建线路1条，在建里程36.33 km；二期规划已批复尚未建设的线路为6条，共计159.6 km。

图1 济南轨道交通二期建设规划Figure 1 Jinan rail transit phase II construction plan

1.2 济南轨道交通建设理念

济南轨道交通将“安全、绿色、智慧、品质”作为建设理念，积极探索“人文地铁、艺术地铁”，打造契合齐鲁文化的城市景观线。“绿色地铁”在缓解交通拥堵和降低大气污染指数方面发挥一定作用，是解决济南地铁建设与保泉、护泉矛盾的根本选择。通过前瞻研究、统筹规划、科学设计、规范施工、智慧运营维护等手段，实现济南轨道交通的绿色、智能化建设。

1.3 绿色技术的综合运用

为实现“绿色+智能”地铁建设，在济南轨道交通一期规划的3条线路中，共采用了6大类近40项绿色建造技术，其中比较有代表性的有：高架站台光伏发电技术、高架车站清水混凝土施工技术、预制U型梁技术，盾构管片内径扩大应用于地铁施工技术、基坑降水原位回灌技术、大尺寸预制桩围护结构兼做主体结构施工技术、可调通风型站台门系统应用技术、雨水回收和中水处理系统等。结合绿色技术的应用，实现济南轨道交通的节能、节地、节水、节材、环境保护(“四节一环保”)的建设及运维目标。下面主要以1号线为例，对采用的“四节一环保”技术及其应用效果进行阐述。

2 “四节一环保”技术的应用

2.1 节约土地技术

2.1.1 高架车站景观及站房设计

济南轨道交通1号线高架车站在车站的下方设置设备用房，同时保证在车站与设备用房之间留有足够的空隙，最大程度保障了土地资源化和车站空间的通透感，7座高架车站共节约土地约2.8万 m2。高架车站遵循“一线一主题，一站一风景”“路中站外立面厚而不实，轻而不浮”的景观设计理念[1]，如图2所示。将清水混凝土作为构筑站内的建筑主体及外表面的主要材料，混凝土自然本色作为车站建筑物表面颜色，彰显了车站庄重、质朴的特点。

图2 高架车站外立面Figure 2 Elevated station facade

2.1.2 线网主变电所资源共享

从全线网角度统筹考虑，将不同线路的主变电所合设，减少主变电所数量，实现不同线路主变电所的资源共享，每个共享的主变电所可节省土地3 000 m2。

2.1.3 外电源建设投资控制

在初步设计阶段，1号线外电源的原设计方案：大杨庄主变电所外线线路分别由清河 220 kV变电站及王府庄220 kV变电站引入，如图3(a)所示。清河变电站距离大杨庄8.57 km，全线需完全建设电缆沟，本段建设投资高达1.28亿元。通过对设计方案的梳理，深入研究《地铁设计规范》[2]“为变电所供电的两个电源可来自上级不同的变电所，也可来自上级同一变电所的不同母线”的要求，最终明确了优化方案，即大杨庄主变电所两路电源均来自王府庄变电站，王府庄变电站扩建第二台主变电所，并完善110 kV主接线为双母线双分段，如图3(b)所示，既满足了《地铁设计规范》的要求，建设投资也大幅降低，修改后的方案可节约外电源建设造价约8 500余万元[3]。

图3 大杨庄主所供电方案Figure 3 Schematic diagram of power supply scheme of Dayang Village

2.2 节约建筑材料技术

2.2.1 清水混凝土技术

1号线全线车站采用清水混凝土(见图4)，节省了公共区装修材料，创新了轨道交通建筑设计理念。外装修面积降低约3×104m2，同时减少投资成本约3 000万元。将独特的“儒风素语”贯穿于枢纽、车站、区间桥梁、地面附属等系列公共空间设计中，运用简约朴素的清水混凝土天然雕饰，展现了厚重的齐鲁文化底蕴，体现了建筑美和结构美的高度融合，改善了车站的空间感受，提升了路中车站的景观效果。

图4 车站公共区装修效果Figure 4 Renderings of station public area decoration

2.2.2 预制叠合结构体系

1号线在国内首创了地铁车站预制叠合结构体系，提出了预制肋叠合墙、复合立柱、预应力叠合顶板关键技术，解决了预制桩三维精准定位、地下叠合结构变形控制与防水技术难题，实现了支护结构与主体结构的永临合一，提高了工程质量，节省混凝土使用量43%，降低了工程造价。

2.3 节约用水技术

车站及车辆段、停车场均采用了节水型卫生洁具。在车辆段检修主厂房及厂前区办公楼，采用了雨水回收、中水利用设施，可实现雨水回收4 200 m3/年，中水利用4万m3/年。在高架车站设置了屋面雨水回收系统，1号线的7座高架车站每年可回收雨水1 675.8 m3。

2.4 节约能源技术

2.4.1 空调通风系统节能技术

全线网采用了可调通风型站台门系统[4](见图5)，充分发挥了屏蔽门与安全门系统的特长。夏季可调整通风型站台门转换为屏蔽门，对于降低公共区空调冷负荷具有一定作用；过渡季和冬季则调整转换为安全门，充分利用列车运行的活塞风，对区间隧道及站台进行有效的通风换气，降低了车站公共区的环境温度，减少了公共区的风机开启时间。每个地下车站年综合运行费用可比闭式系统节约99.85万元。

图5 可调通风型站台门立面Figure 5 Elevation of adjustable ventilated platform door

采用了蒸发冷凝冷水机组(见图6)，相比传统的冷水机组，能效系数COP由3.3提升到5.0，进一步降低了空调系统能耗，每年每座地铁车站每个空调季可节约费用10万元以上。

图6 蒸发冷凝系统原理Figure 6 Schematic diagram of evaporative condensation

2.4.2 再生能量吸收技术

在通常情况下，再生或电阻制动是地铁车辆的主要电制动方式，图7为地铁再生制动能量吸收装置。当车站其他车辆和本列车的用电设备不能全部吸收列车再生制动所产生的制动电流时，再生制动能量吸收装置开始发挥作用，过多的再生电流被有效吸收，从而将车辆再生电流控制在稳定水平，保证地铁电制动性能充分发挥。济南地铁全线网采用了再生能量吸收技术，用此原理在牵引混合变电所中设置再生能量吸收装置，使车辆制动能量有效回收，地铁车辆牵引能耗大幅降低。1号线列车制动中压能馈系统平均制动能量回收率达30%，每年可节电约 2 000 kW·h。

图7 再生能量吸收装置原理Figure 7 Schematic diagram of regenerative energy absorption device

2.4.3 分布式光伏发电技术

随着光伏市场的日渐成熟，光伏组件的价格也日趋降低；光伏发电并网不仅技术上可行，还能取得一定的经济效果。国内在建和规划设计中的轨道交通工程，都在积极探索利用车辆段、停车场设置兆瓦级的大容量光伏发电并网系统。济南地铁高架车站采用光伏发电系统，其标准车站设置的光伏板剖面如图8所示[5]。这不仅可以降低城市轨道交通运营成本[6]，推动光伏发电技术在轨道交通领域中发展，而且对其他需进行轨道交通建设的城市具有一定的参考价值。1号线共设置7座高架车站，标准高架车站的屋顶总面积3 056 m2，其中光伏可用面积2 033 m2。

图8 车站设置光伏板剖面Figure 8 Station profile setting up photovoltaic panels

2.4.4 非晶合金配电变压器

采用非晶合金变压器，可使变压器损耗占系统损耗比例大幅降低，空载损耗明显减少，在节省配电设备能源以及运行成本方面发挥重要作用。通过核算，每年减少能耗约210万kW·h，大约10年就可收回当年购买非晶合金变压器多付出的成本。

2.4.5 供电系统的节能效果

如前所述，供电系统采用了再生能量吸收装置、非晶合金变压器、分布式光伏发电等节能设备和技术，实现了节约电耗、减少碳排放的目标。由表1分析可知，1号线每年可节电774.03万kW·h，约占全线一年用电量的10%～15%，处于国内先进水平；碳粉尘排放量减少1 914.96 t，CO2年排量减少7 019.36 t。

表1 供电系统节能效果汇总分析Table 1 Summary analysis of energy-saving effect of power supply system

2.5 环境保护技术

泉水是大自然赐予济南的财富，济南地铁以确保泉水保护万无一失为前提，历经20年的分析论证和规划设计、建设，以科学的态度、坚定的信念、先进的技术，开创了泉城地铁时代，解决了泉域地区地下水量大、承压水头高、高强度富水岩溶地层以及济南地区典型竖向透水黏性土等诸多复杂工程技术难题。根据济南泉域地层深度值的大小，将坑基降水回灌区分为极适宜区、一般适宜区、相对适宜区、非适宜区和极不适宜区五类，同时制定了不同区域对应的判定标准[7]。研发深基坑降水回灌一体化装置及配套关键技术(见图 9)，有效降低地下水资源浪费，减小地铁工程建设对泉域地区地下水的影响。基坑降水回灌技术的回灌率达85 %以上，累计回灌地下水约4 500万m3。

图9 基坑降水原位回灌装置Figure 9 In situ recharge device of foundation pit dewatering

3 结论与展望

1) 城市轨道交通系统在建设、运营阶段都是资源消耗大户，如何建设“安全、便捷、高效、绿色、经济”的轨道交通系统，成为规划设计、建设管理、运营维护中的一个重要研究课题，也是行业发展的方向和追求的目标。

2) 济南轨道交通秉承资源节约、效率优化、和谐相生、统筹共享、智慧预愿、修复再造的“绿色地铁”建设理念，采用了近40项“四节一环保”的技术措施，打造了绿色地铁。

3) 在二期规划线路建设中，济南地铁将继续聚焦轨道交通绿色产业前沿技术，在已采用的绿色节能技术的基础上不断创新，通过建设高星级绿色建筑、加强低影响开发雨水系统的应用、建设高效制冷机房等措施，进一步节能降耗，助力打造“生态济南”，推动绿色城市建设。