暗挖地鐵車站通風(fēng)系統(tǒng)的布置與風(fēng)道的設(shè)計(jì)研究

童利紅，孫為東，孫俊利

(1.北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司，北京 100037;2.中鐵隧道勘測設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300133)

0 引言

隨著城市的發(fā)展，地鐵建設(shè)已成為解決城市交通擁堵問題的重要舉措之一。城市核心區(qū)房屋拆遷、地下管線改移和樹木伐移難度越來越大，道路交通導(dǎo)改越來越受到制約，地鐵車站和附屬結(jié)構(gòu)常常采用暗挖法進(jìn)行施工。根據(jù)設(shè)備的需求，暗挖雙層風(fēng)道結(jié)構(gòu)的寬度和高度都很大，是除車站主體結(jié)構(gòu)和渡線段外最大的結(jié)構(gòu)斷面，施工難度和施工風(fēng)險(xiǎn)大，施工工期長。

目前，有關(guān)風(fēng)道結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究主要集中在風(fēng)道大斷面結(jié)構(gòu)的施工技術(shù)和施工風(fēng)險(xiǎn)控制等方面。楊會(huì)軍［1］主要論述了淺埋暗挖法施工大跨度地鐵風(fēng)道的施工技術(shù)。楊威虎等［2］研究了大斷面暗挖地鐵風(fēng)道施工過程中的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。張會(huì)伍［3］分析研究了風(fēng)道的開挖方法及技術(shù)措施。另外，針對屏蔽門通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的風(fēng)道形式的研究，陳耀武［4］對該種通風(fēng)系統(tǒng)下風(fēng)道的布置形式、工程投資的定性分析和使用功能等進(jìn)行了比較和分析。劉磊等［5］論述了通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)模式下幾種不同形式活塞風(fēng)道方案的功能及經(jīng)濟(jì)性。張立琦［6］簡要介紹了該種模式的特點(diǎn)及風(fēng)道的基本形式等。本文針對集成閉式環(huán)控系統(tǒng)，介紹了暗挖車站通風(fēng)系統(tǒng)的4種布置形式(即單獨(dú)設(shè)置風(fēng)道形式、與區(qū)間合建形式、加長主體結(jié)構(gòu)與其結(jié)合設(shè)置形式和暗挖主體結(jié)構(gòu)增加1跨與其結(jié)合設(shè)置形式)，分析了不同布置形式下的建筑功能、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、投資造價(jià)差異和適用條件。設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)周邊環(huán)境條件，選擇適當(dāng)?shù)牟贾眯问?，?guī)避工程風(fēng)險(xiǎn)，減小施工難度。

1 暗挖風(fēng)道的設(shè)置方式

1.1 單獨(dú)設(shè)置的暗挖雙層風(fēng)道結(jié)構(gòu)

目前，暗挖雙層風(fēng)道通常是在車站主體結(jié)構(gòu)外單獨(dú)設(shè)置。若車站采用暗挖法施工，風(fēng)道通常兼作施工通道，與車站相接處需適當(dāng)挑高。根據(jù)風(fēng)道內(nèi)的設(shè)備、管線的尺寸和安裝檢修空間要求，暗挖雙層風(fēng)道的平面、縱剖面和橫剖面布設(shè)詳見圖1。

圖1 暗挖雙層風(fēng)道的典型布置圖(單位:mm)Fig.1 Typical layout of mined two-storey ventilation passage(mm)

1.2 車站主體加長布設(shè)風(fēng)道設(shè)備

風(fēng)道設(shè)備放在車站主體內(nèi)，出風(fēng)口放在車站外側(cè)或從車站頂出。目前風(fēng)道設(shè)備放在車站內(nèi)的做法常應(yīng)用在明挖車站，特別是帶配線的明挖站的設(shè)計(jì)，暗挖車站中應(yīng)用相對較少。風(fēng)道放在車站主體內(nèi)時(shí)，為避免站臺層設(shè)置風(fēng)道形成跨軌的復(fù)雜風(fēng)路和復(fù)雜結(jié)構(gòu)形式，一般采用將新風(fēng)道、排風(fēng)道均設(shè)置在站廳層的形式，即采用“單層風(fēng)道”形式。對于暗挖法車站，適當(dāng)加長車站以放置風(fēng)道內(nèi)的各種設(shè)備，并通過綜合調(diào)整站廳、站臺層設(shè)備管理用房布局，可以達(dá)到合理規(guī)模，具體形式見圖2。

圖2 風(fēng)道設(shè)備放在暗挖主體結(jié)構(gòu)內(nèi)的剖面圖(單位:mm)Fig.2 Profile of ventilation passage installed within mined main station structure(mm)

1.3 風(fēng)道與區(qū)間結(jié)構(gòu)合建

風(fēng)道單獨(dú)設(shè)置時(shí)一般設(shè)置在正線線路以外。受出風(fēng)口位置所限，車站和區(qū)間均采用暗挖法施工，采用車站加長會(huì)導(dǎo)致車站規(guī)模增加較大時(shí)，可將風(fēng)道結(jié)構(gòu)與區(qū)間結(jié)構(gòu)合建，即新風(fēng)道、排風(fēng)道分別與線路的左線、右線區(qū)間隧道結(jié)合，新、排風(fēng)道位于上層，區(qū)間隧道位于下層，見圖3。

圖3 風(fēng)道與區(qū)間合建剖面圖(單位:mm)Fig.3 Combination of ventilation passage and running tunnel(mm)

1.4 車站主體增跨布設(shè)風(fēng)道設(shè)備

PBA工法是一種在優(yōu)先施工小導(dǎo)洞、梁和柱形成強(qiáng)有力的支撐體系后施工車站的頂板、中板和底板的暗挖工法，具有施工組織方便、安全可控和周邊沉降相對較小的特點(diǎn)，是大斷面結(jié)構(gòu)暗挖施工常用的施工工法。根據(jù)結(jié)構(gòu)的寬度，PBA工法可采用連續(xù)多跨的形式。雙層風(fēng)道的高度同車站高度，當(dāng)車站采用PBA工法暗挖施工時(shí)，可將車站主體結(jié)構(gòu)兩端局部增加1跨作為風(fēng)道，風(fēng)道與車站合并設(shè)置，見圖4。

圖4 風(fēng)道與PBA暗挖車站主體結(jié)構(gòu)合并設(shè)置的剖面圖(單位:mm)Fig.4 Additional span of Metro station used as ventilation passage(mm)

2 風(fēng)道設(shè)置方式對車站規(guī)模和布局的影響

不同的風(fēng)道設(shè)置方式，對車站的總體建筑規(guī)模和布局影響較大，車站周邊環(huán)境不同，風(fēng)道的設(shè)置方式也不同。為了分析風(fēng)道布置方式對車站建筑規(guī)模和布局的影響，以北京地鐵6號線西延工程廖公莊站為例，在公共區(qū)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)備管理用房區(qū)標(biāo)準(zhǔn)等相同條件下，不同方案按同深度進(jìn)行設(shè)計(jì)和比較分析。

2.1 工程概況

廖公莊站為8輛B型車編組車站，橫跨巨山路，主體結(jié)構(gòu)為雙層雙柱三跨島式形式，采用PBA暗挖法施工。車站站臺寬14 m，結(jié)構(gòu)覆土7～10 m，底板埋深約23 m。風(fēng)道既可單獨(dú)設(shè)置，也可結(jié)合主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

車站為牽引降壓混合變電所車站及信號集中站，除了常規(guī)管理、設(shè)備用房外，還設(shè)置了零星的便民服務(wù)設(shè)施用房，其余設(shè)備管理用房設(shè)置與北京市典型地鐵車站相同，公共區(qū)根據(jù)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》［7］、《城市軌道交通技術(shù)規(guī)范》［8］及《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》［9］的相關(guān)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.2 風(fēng)道單獨(dú)設(shè)置的建筑布置

風(fēng)道單獨(dú)設(shè)置時(shí)，設(shè)在車站兩端，采用暗挖雙層結(jié)構(gòu)，最小長度為60 m，寬度為9.9 m，風(fēng)道區(qū)建筑面積約2 400 m2。車站為雙層雙柱三跨結(jié)構(gòu)形式，車站總長度為233.05 m，寬度為22.9 m，主體建筑面積為10 697 m2。車站主體結(jié)構(gòu)和風(fēng)道建筑面積合計(jì)為13 097 m2。站廳、站臺平面布置如圖5和圖6所示。

圖5 風(fēng)道單獨(dú)設(shè)置時(shí)站廳層和風(fēng)道上層平面布置圖(單位:m)Fig.5 Plan layout of concourse and upper storey of ventilation passage when separate ventilation passage is installed(m)

圖6 風(fēng)道單獨(dú)設(shè)置時(shí)站臺層和風(fēng)道下層平面布置圖(單位:m)Fig.6 Plan layout of concourse and lower storey of ventilation passage when separate ventilation passage is installed(m)

2.3 車站主體加長布設(shè)風(fēng)道設(shè)備的建筑布置

車站主體結(jié)構(gòu)橫斷面不變，加長車站將風(fēng)道設(shè)備設(shè)在車站主體結(jié)構(gòu)內(nèi)時(shí)，需要優(yōu)化調(diào)整部分站廳、站臺用房的布局，即將部分站廳的設(shè)備用房調(diào)整到站臺層，風(fēng)道設(shè)備主要布設(shè)在站廳層。

車站總長度為268 m，結(jié)構(gòu)寬度為22.9 m，主體結(jié)構(gòu)總面積(含風(fēng)道)為12 159 m2，其中風(fēng)道區(qū)總面積為1 378 m2。站廳、站臺平面圖如圖7和圖8所示。

2.4 風(fēng)道與區(qū)間結(jié)構(gòu)合建的的建筑布置

車站主體結(jié)構(gòu)形式不變，風(fēng)道與區(qū)間結(jié)構(gòu)合建，上層為風(fēng)道，下層為區(qū)間，局部風(fēng)路合流處設(shè)置風(fēng)道夾層上跨區(qū)間。按照風(fēng)道布置設(shè)備和管線必要空間的尺寸要求，新風(fēng)道結(jié)構(gòu)寬度為8.9 m，排風(fēng)道結(jié)構(gòu)寬度為7.6 m，區(qū)間結(jié)構(gòu)相應(yīng)增大。

風(fēng)道區(qū)建筑面積2 427 m2，車站與區(qū)間風(fēng)道區(qū)建筑面積合計(jì)為13 147 m2。站廳、站臺平面圖如圖9和圖10所示。

2.5 車站主體增跨布設(shè)風(fēng)道設(shè)備的建筑布置

車站主體長度不變，將車站主體結(jié)構(gòu)兩端局部增加1跨作為風(fēng)道，風(fēng)道與車站合并設(shè)置。車站總長度為233.05 m，3跨段結(jié)構(gòu)寬度為22.9 m，4跨段結(jié)構(gòu)寬度為30.8 m。小端4跨長度為36.7 m，大端4跨長度為42.1 m。風(fēng)道區(qū)面積為1 849 m2，主體結(jié)構(gòu)和風(fēng)道建筑面積合計(jì)為12 545 m2。站廳、站臺平面圖如圖11和圖12所示。

2.6 風(fēng)道設(shè)置方式對車站規(guī)模和布局的影響分析

針對上述4種風(fēng)道設(shè)置方式，主要建筑規(guī)模指標(biāo)統(tǒng)計(jì)如表1所示。

圖7 風(fēng)道設(shè)備設(shè)在車站主體結(jié)構(gòu)內(nèi)站廳層平面圖(單位:m)Fig.7 Plan layout of concourse when ventilation passage is installed within main station structure(m)

圖8 風(fēng)道設(shè)備設(shè)在車站主體結(jié)構(gòu)內(nèi)站臺層平面圖(單位:m)Fig.8 Plan layout of platform tunnel when ventilation passage is installed within main station structure(m)

圖9 風(fēng)道與區(qū)間合建的站廳層平面圖(單位:m)Fig.9 Plan layout of concourse when ventilation passage is combined with running tunnel(m)

圖10 風(fēng)道與區(qū)間合建的站臺層平面圖(單位:m)Fig.10 Plan layout of platform tunnel when ventilation passage is combined with running tunnel(m)

圖11 風(fēng)道與車站主體合并設(shè)置時(shí)站廳層平面圖(單位:m)Fig.11 Plan layout of concourse when ventilation passage is combined with main station structure(m)

圖12 風(fēng)道與車站主體合并設(shè)置時(shí)站臺層平面圖(單位:m)Fig.12 Plan layout of platform tunnel when ventilation passage is combined with main station structure(m)

表1 不同風(fēng)道布設(shè)方式的主要建筑規(guī)模指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表Table 1 Main indices of architectural scale under different layout modes of ventilation passagess

通過對表1進(jìn)行分析可得出以下結(jié)論:

1)風(fēng)道單獨(dú)設(shè)置和與區(qū)間結(jié)構(gòu)合并設(shè)置時(shí)，由于風(fēng)路轉(zhuǎn)換空間、層間樓梯和檢修通道不能共享等因素的影響，風(fēng)道面積較大，車站建筑總面積也較大。表1內(nèi)的風(fēng)道面積是按設(shè)備需求的最小長度進(jìn)行分析的，實(shí)際工程受風(fēng)井布設(shè)位置制約常常需要加長。

2)風(fēng)道單獨(dú)設(shè)置和與區(qū)間結(jié)構(gòu)合并設(shè)置時(shí)，車站主體結(jié)構(gòu)內(nèi)大、小系統(tǒng)風(fēng)路、供電、動(dòng)照、消防和環(huán)控水管等管線均需通過風(fēng)道與主體結(jié)構(gòu)的接口處進(jìn)入風(fēng)道，該處結(jié)構(gòu)斷面局促，是管線綜合瓶頸點(diǎn)。各種管線、管路通過采用減少間距、取消支架、合用管槽和占用檢修空間等辦法通過瓶頸位置，設(shè)備的安裝難度、運(yùn)行可靠度及管線檢修、維護(hù)的難度都很大。

3)車站主體結(jié)構(gòu)適當(dāng)加長或局部增加1跨布設(shè)風(fēng)道設(shè)備時(shí)，風(fēng)道面積較小，車站建筑總面積也較小。與風(fēng)道單獨(dú)設(shè)置相比，車站局部增加1跨方案風(fēng)道面積減少23%以上，車站主體加長方案風(fēng)道面積減少40%以上，車站總面積減少900 m2左右。

4)車站主體結(jié)構(gòu)適當(dāng)加長或局部增加1跨布設(shè)風(fēng)道設(shè)備時(shí)，設(shè)備布置緊湊、空間利用充分、無需上下層風(fēng)路轉(zhuǎn)換空間。同時(shí)，避免了管線均由風(fēng)道與車站接口處穿越的情況，管線可以根據(jù)各自功能需求布設(shè)，減少了管線長度，降低了設(shè)備投資和功耗，提高了可靠度及維護(hù)便捷性。

3 風(fēng)道設(shè)置方式對結(jié)構(gòu)和造價(jià)的影響

為研究不同風(fēng)道設(shè)置方式的結(jié)構(gòu)形式對工程造價(jià)的影響，仍以北京地鐵6號線西延工程廖公莊站為例進(jìn)行綜合比較分析。

3.1 水文地質(zhì)條件

車站結(jié)構(gòu)底板埋深約23 m，結(jié)構(gòu)覆土厚7.7 m。主體結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)自上而下依次穿越卵石⑤和卵石⑦層。拱頂位于卵石⑤中，地基持力土層為卵石⑦層。卵石⑦層屬低壓縮性土層，分布連續(xù)、穩(wěn)定、均勻，且無軟弱下臥層，可作為良好的天然地基持力土層，地基承載力特征值為600～800 kPa。

抗浮設(shè)防水位按55.0 m標(biāo)高考慮，設(shè)防水位位于地面以下約9.6 m處。

3.2 風(fēng)道設(shè)置方式的結(jié)構(gòu)形式

3.2.1 風(fēng)道單獨(dú)設(shè)置和與區(qū)間結(jié)構(gòu)合并設(shè)置的結(jié)構(gòu)形式

風(fēng)道單獨(dú)設(shè)置時(shí)，結(jié)構(gòu)開挖內(nèi)凈空尺寸為8 m(寬)×10.6 m;風(fēng)道與區(qū)間結(jié)構(gòu)合并設(shè)置，結(jié)構(gòu)開挖內(nèi)凈空尺寸為7.3 m(寬)×11.81 m和6.0 m(寬)×11.81 m。通常采用CRD工法施工。

3.2.2 車站加長布設(shè)風(fēng)道設(shè)備的結(jié)構(gòu)形式

車站主體為雙層雙柱三跨島式車站，采用PBA暗挖法施工，結(jié)構(gòu)斷面如圖13所示。

3.2.3 車站局部增設(shè)1跨布設(shè)風(fēng)道設(shè)備的結(jié)構(gòu)形式

車站局部增設(shè)1跨后變?yōu)槿目缃Y(jié)構(gòu)，采用PBA暗挖法施工，結(jié)構(gòu)斷面如圖14所示。

3.2.4 風(fēng)道設(shè)置方式的施工影響

風(fēng)道設(shè)置方式不同，施工工法不同，車站工程籌劃也不同，對工程實(shí)施影響較大，不同風(fēng)道設(shè)置方式的特點(diǎn)、應(yīng)用條件和功能比較如表2所示。

圖13 雙柱三跨PBA暗挖車站的結(jié)構(gòu)剖面圖(單位:mm)Fig.13 Profile of double-column three-span Metro station constructed by PBA method(mm)

3.3 經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析

以上4種風(fēng)道布置方案的造價(jià)差異主要體現(xiàn)在雙層三跨(四跨)PBA暗挖主體結(jié)構(gòu)的工程量、單獨(dú)設(shè)置風(fēng)道的工程量、與區(qū)間合建風(fēng)道的工程量、豎井形式與數(shù)量等單項(xiàng)工程造價(jià)和數(shù)量方面。按照《北京市建設(shè)工程概算定額》［10］對各分項(xiàng)按工程概算單價(jià)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，主要計(jì)算結(jié)果見表3。

圖14 三柱四跨PBA暗挖車站的結(jié)構(gòu)剖面圖(單位:mm)Fig.14 Profile of 3-column 4-span Metro station constructed by PBA method(mm)

表2 不同風(fēng)道設(shè)置方式的特點(diǎn)、應(yīng)用條件和功能比較Table 2 Features，application conditions and functions under different layout modes of ventilation passages

表3 各風(fēng)道布置方案工程造價(jià)對比Table 3 Construction costs under different layout modes of ventilation passages

從表3分析可得出以下結(jié)論:

1)車站主體結(jié)構(gòu)工程總造價(jià)，方案4造價(jià)最低，方案3造價(jià)最高，兩者相差3 155.52萬元，可見不同的風(fēng)道設(shè)置方案對車站整體造價(jià)有較大影響。若以單獨(dú)設(shè)置風(fēng)道方案為基準(zhǔn)，與主體結(jié)構(gòu)結(jié)合設(shè)置的2種方案比較，方案2比其造價(jià)高3.8%，方案4比其低4.8%。

2)方案1的造價(jià)是按高風(fēng)亭且風(fēng)道長度最短的條件計(jì)算的，若采用低風(fēng)亭或受條件制約加長，造價(jià)會(huì)更高。

4 結(jié)論與建議

通過以上分析，認(rèn)為方案2和方案4在建筑布局、使用功能、結(jié)構(gòu)、工籌、規(guī)模指標(biāo)及經(jīng)濟(jì)性、用地等方面比方案1和方案3有一定優(yōu)勢，條件適用時(shí)，可優(yōu)先采用。暗挖風(fēng)道的布置形式與車站周邊環(huán)境密切相關(guān)，設(shè)計(jì)時(shí)需綜合考慮各方面的因素選擇合理的方案，盡量規(guī)避重大風(fēng)險(xiǎn)，以利于施工組織。

［1］ 楊會(huì)軍.淺埋暗挖大跨地鐵風(fēng)道施工技術(shù)［J］.鐵道工程學(xué)報(bào)，2012(1):85－89.(YANG Huijun.Shallow excavation technology of large span wind tunnel of subway station［J］.Journal of Railway Engineering Society，2012(1):85 －89.(in Chinese))

［2］ 楊威虎，杜江，劉煥強(qiáng).雙層雙跨平頂直墻暗挖地鐵風(fēng)道二次襯砌施工關(guān)鍵技術(shù)［J］.隧道建設(shè)，2008，28(4):72 － 75，95.(YANG Weihu，DU Jiang，LIU Huanqiang.Key technology for construction of secondary lining of mined metro ventilation gallery with double story，double span，flat roof and upright wall［J］.Tunnel Construction，2008，28(4):72 －75，95.(in Chinese))

［3］ 張會(huì)伍.大斷面地鐵車站通風(fēng)道暗挖施工技術(shù)［J］.市政技術(shù)，2011(2):75 －77.(ZHANG Huiwu.Shield tunneling technology of ventilation tunnel in a large cross section subway station［J］.Municipal Engineering Technology，2011(2):75 －77.(in Chinese))

［4］ 陳耀武.車站暗挖風(fēng)道的優(yōu)化配置［J］.都市快軌交通，2005(3):68 － 71.(CHEN Yaowu.Optimal allocation of wind tunnel excavation of metro station［J］.Urban Rapid Rail Transit，2005(3):68 －71.(in Chinese))

［5］ 劉磊，張良焊.地鐵屏蔽門通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)活塞風(fēng)道方案研究［J］.暖通空調(diào)，2011(6):41 －43.(LIU Lei，ZHANG Lianghan.Schemes of piston ventilation shafts in underground railway stations with platform screen doors［J］.Heating Ventilating and Air-conditioning，2011(6):41 －43.(in Chinese))

［6］ 張立琦.地鐵通風(fēng)空調(diào)集成閉式系統(tǒng)風(fēng)道設(shè)計(jì)淺析［J］.暖通空調(diào)，2010(7):74－75.(ZHANG Liqi.Air ducting design of closed integrated ventilation and air conditioning system in underground railway［J］.Heating Ventilating and Air-conditioning，2010(7):74 －75.(in Chinese))

［7］ 北京城建設(shè)計(jì)研究總院有限責(zé)任公司，中國地鐵咨詢有限責(zé)任公司.GB 5015—2013地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國計(jì)劃出版社，2014.(Beijing Urban Construction Design＆ Development Group Co.，Limited，China Metro Engineering Consulting Corporation.GB 50157—2013 Code for design of Metro［S］.Beijing:China Planning Press，2014.(in Chinese))

［8］ 中華人民共和國住建部地鐵與輕軌研究中心.GB 50490—2009城市軌道交通技術(shù)規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2009.(The people’s Republic of China Ministry of Housing and Urban Rural Development，Research Center of Metro and Light Rail.GB 50490—2009 Technical code of urban rail transit［S］.Beijing:China Architecture ＆ Building Press，2009.(in Chinese))

［9］ 公安部天津消防研究所.GB 50016—2006建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范［S］.北京:中國計(jì)劃出版社，2006.(Tianjin Fire Research Institute.GB 50016—2006 Code of design on building fire protection and prevention［S］.Beijing:China Planning Press，2006.(in Chinese))

［10］ 北京市建委.京建市［2006］197號《北京市建設(shè)工程概算定額》［M］.第十三冊:地鐵工程.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2006.(Beijing Municipal Construction Committee.The 197th regulation ofconstruction in Beijing，Quota of budgetary estimate of construction projects in Beijing［M］.the 13th volume:Subway Engineering.Beijing:China Architecture ＆ Building Press，2006.(in Chinese))