双分圆盾构车站应用及建筑形式研究

田 涛

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,湖北 武汉 430063)

0 引言

随着我国城市化进程的推进,城市轨道交通同样快速发展。网络化的轨道交通布局,实现了服务水平的不断提高;面对城市建设空间的日益紧张,轨道交通建设条件愈发复杂。当前我国修建地铁车站主要工法包括明挖法、暗挖法以及明挖和暗挖结合法。当遇到拆迁困难、用地紧张、控制线管线、文物保护、特殊地形、重要设施等重大工程控制性因素时,传统城市轨道交通车站施工工法无法满足要求,盾构法车站应运而生,以适应愈发复杂的城市轨道交通建设环境。

国内盾构机设备制造取得突破性进展,近年以来盾构设备制造水平不断提高,并在多项超级工程中得到成功应用,也为盾构法车站的实施提供了技术支撑。

1 盾构法车站应用分析

1.1 单圆盾构

西班牙列菲亚地铁站[1],由于穿越河床底及区域富水回填地层,车站站台设置于地面相对较深处,埋深约54 m。站台采用单圆叠侧方式,区间与车站一体化施工;在车站采用明挖圆形竖井,与盾构车站相连。

根据国内目前的盾构研究,也可考虑采用18 m单圆岛式车站[2]或15 m单圆侧式车站,辅以明挖或暗挖出入口通道,满足车站使用条件。虽然国内可生产相关设备,但过大的盾构直径导致设备生产费用较高,车站较短时,设备使用率太低,在国内盾构车站仅存在研究层面;单圆盾构在掘进长度较长的一体化公铁隧道中反而应用较广泛。

1.2 双分圆盾构

双分圆盾构目前在深圳14号线嶂背站投入使用,“先隧后站”采用的是内径7.8 m,外径8.5 m的盾构。双分圆盾构应用前景广泛,根据需要采用岛式和侧式,在条件紧张时,可考虑叠侧布置。目前在国内8.5 m外径的盾构应用较为普遍,设备使用率较高,不用特殊制造,用于实施车站,设备投入费用适中,能满足大范围应用的需求。

1.3 三圆盾构

三圆盾构目前在日本有过数次应用,施工条件一般极度紧张。三圆MF盾构外径有15.8 m×10 m,17.4 m×8.8 m等不同类型。国内目前暂无三圆盾构应用案例,设备生产费用较高,推广应用较难。

综合比较,双分圆盾构更适用于在目前建设条件下的国内轨道交通车站,应用前景较广泛,目前多个城市有双分圆盾构车站的研究及应用的意向。

2 双分圆盾构车站适应性研究

2.1 客流适应性分析

日本木场站开通于1967年,约22.4 m深。中间站台采用双分圆盾构,两侧采用明挖法施工。站台区单侧宽度仅3 m,在站台两端设置垂直电梯。

木场站在客流增长到7.5万/d时,拥堵较严重,存在安全隐患,后期采用扩挖加固法进行改造。在一侧扩建站台,增加楼扶梯及垂直电梯,提升站台的宽度,应对大客流冲击。

通过木场站的案例可以发现初期客流不大时,单纯将楼扶梯设置在两侧竖井内,中间无楼扶梯,能满足客流需求;当客流增长到一定量级后,站台上下车客流较大,占用站台宽度,出站客流横向移动距离过长,同时出地面楼扶梯能力不足,导致站台拥堵。

2.2 盾构车站客流承载能力分析

盾构法车站站台一般较普通车站局促,站台有效面积更小,客流容纳能力有限。以8 m内径6B双分圆盾构车站为例进行分析:有效站台长度为120 m;站台门长度约为114 m;侧站台宽度为3.26 m,扣除站台门安装空间0.26 m后,有效净宽为3 m;单侧站台有效面积约为114 m×3 m=342 m2,双侧站台有效面积约为684 m2。

根据GB 50157—2013地铁设计规范[3]第9章,第9.3.2条的规定,站台上人流密度ρ取0.33 m2/人～0.75 m2/人,规范条文解释中,一般推荐取ρ=0.5 m2/人;经计算双分圆盾构车站客流承载能力如表1所示。

表1 8 m内径6B双分圆盾构车站站台容纳能力计算

根据表1可知,高峰小时内,8 m内径6B双分圆盾构车站双侧站台容纳人数最多为2 072人,最少为912人,一般状态下容纳人数为1 368人。

因此,应结合站台的承载能力、楼扶梯的通行能力、车站全日客流的情况选择是否采用盾构车站。

2.3 站隧一体化分析

常规盾构区间为外径6.2 m,内径5.5 m。车站盾构断面为内径8 m,外径8.7 m。车站与区间采用不同的盾构直径,在盾构井处需进行盾构机切换,机械利用率低,重复拆装,影响施工进度。

区间可考虑采用与站台区相同尺寸的盾构(内径8 m,外径8.7 m),如盾构机不用重复拆装,可考虑采用车站盾构掘进区间或利用区间盾构掘进车站。区间盾构尺寸较大,可将乘客疏散通道与检修平台分开设置。检修平台按常规盾构疏散宽度900 mm设置;单独设置乘客疏散通道,可考虑采用钢筋混凝土防火墙分隔的独立乘客疏散通道,有效分隔乘客疏散区与区间,提高疏散的安全性。同时将乘客疏散通道加宽,更有利于快速疏散。站隧一体化平面示意图如图1所示,区间断面布置图如图2所示。

3 基于双分圆盾构车站建筑形式研究

3.1 标准断面形式

双分圆盾构内径根据侧站台需要确定。轨行区基本位于盾构一侧,站台位于盾构另一侧(见图3)。站台下方采用素混凝土回填,与轨道结合。轨行区上方设置轨顶排风道,可考虑采用装配式,提前在隧道结构内预埋相关构件;轨顶风道下方安装站台门,隔离轨行区与侧站台。侧站台装修后高度约为3 m;上部设置吊顶,排布相关专业管线,侧面同样可考虑安装部分管线。双分圆盾构车站纵剖面示意图见图4。

3.2 双分圆盾构车站组成

双分圆盾构车站由两侧竖井结构、中部盾构站台、外挂附属等三部分组成。

1)两侧竖井结构。两侧竖井结构主要作为盾构车站风道区(包含活塞风、机械风、排风、新风等)、主要设备用房区(包含必要的设备用房,如强弱电设备用房等)、站厅公共区(付费区、非付费区等),同时在施工期间可以作为车站及区间盾构工作井使用。盾构竖井常规采用明挖法施工,也可考虑机械法竖向掘进施工。

2)中部盾构站台。站台为盾构车站的主体,主要布置车站侧站台,通过站台门与轨行区分隔。侧站台宽度,根据GB 50157—2013地铁设计规范第9.3.2条的规定计算。站台盾构部分长度与安全疏散口布置有关,当疏散口位于盾构站台中部时,盾构站台部分较长,疏散均匀,日常使用便利,但附属施工难度较大;当疏散口位于盾构站台两侧竖井内时,车站盾构部分长度相对较短,疏散距离较长,站台上客流横向移动较多,客流不大时使用较便利,附属施工难度小。

3)外挂附属。盾构车站的外挂附属主要包括站台出入口、外挂风亭、设备用房等。站台出入口布置受盾构车站整体方案影响,当位于盾构站台区时,需考虑在盾构隧道壁提前预留相关条件,后期实施出入口;出入口可考虑采用明挖、暗挖法、机械法施工。当出入口位于两侧明挖竖井内时,与竖井同步实施。风亭一般位于明挖竖井两侧,结合周边道路设置,采用明挖法施工。设备用房一般结合风亭布置于地下,当场地具备条件时可考虑与地面建筑合建。

3.3 双分圆盾构车站布置形式

1)浅埋盾构车站-同层双分圆。本方案适应埋深相对较浅的车站,埋深范围为22 m～35 m左右。

本布置方案主要依托两侧竖井设置公共区,设置分离厅,可结合条件选择侧式或分离岛式。出入口需满足消防疏散要求,疏散点间距不超50 m[4]:采用侧式时,在单侧盾构站台设置不少于2组楼扶梯联通站厅(共4组),每侧站台设置2部垂梯,分别连通两侧站厅(见图5,图6);采用分离岛式时,在盾构站台中部采用横向通道联系两侧站台,在两条盾构之间设置2组共用楼扶梯联系站厅(见图7,图8)。在站台门外侧竖井内布置基本设备用房。

每侧分离厅,分别设置两个出入口,满足日常通行、消防疏散,并兼顾过街的功能。每个分离厅内分别布置付费区与非付费区;付费区内设置2组楼扶梯及2部垂梯联系站台。付费区与非付费区分别贯通,满足乘客进出站及选择乘坐站台的需求。可结合周边条件设置出入口及风亭。

2)深埋盾构车站-叠侧双分圆盾构车站。本方案适应埋深相对较深的车站,埋深范围为35 m～50 m左右。

周边场地条件差时,可考虑双分圆叠侧方案(见图9,图10),可有效减少两侧竖井结构规模。盾构站台区宽度较小,仅8 m宽,可适应极端条件下车站建设条件。站台两侧设置疏散楼梯,解决应急疏散的需求。区间之间需考虑安全间距,重叠布置可充分利用车站埋深,同时减少深埋明挖部分建设投资。

车站利用两侧明挖竖井设置公共区,采用分离厅。在地下1层可局部扩挖,形成扩大站厅,设置设备用房、出入口及风亭,并满足过街需求。或结合场地条件设置地面站厅及地面设备用房,适应性良好。

4 结语

总体来看,双分圆车站在目前国内轨道交通建设的背景下,可解决特别困难情况下的车站建设,减少前期工程施工及协调的时间,有效的缩短整体工期,应用情景值得期待。双分圆盾构车站采用同层侧式、分离岛式或叠侧,主要取决于现场条件(道路宽度、周边实施条件、场地条件、管线及拆迁情况)和线路条件(线路埋深、线路穿越条件等),可根据实际条件选择适宜的布置形式。

目前盾构车站的广泛应用仍存在一些短板,如车站附属出入口的实施,仍需考虑明挖或暗挖施工,整体机械化水平有待提高。在双碳、绿色的时代背景下,设计方案应结合施工机械制造同步研究,实现盾构车站附属出入口等机械化施工,进一步提升车站整体的装配比例,推动轨道交通的建设进入一个新的时代。