地鐵車輛段綜合開發(fā)關鍵設計問題及應對措施研究

張 明

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢 430063）

1 引言

地鐵車輛段承擔列車的檢修、停放和維護保養(yǎng)工作，具有占地面積大、建筑密度小、用地強度低等特點，與近年來倡導的土地綜合、集約、高效利用理念相違背，車輛段綜合開發(fā)是解決這一沖突的有效方法。地鐵車輛段綜合開發(fā)儼然已成為我國大中城市國土空間規(guī)劃、城市結(jié)構(gòu)優(yōu)化、土地集約利用的重要發(fā)展方向，為城市發(fā)展帶來了巨大的社會效益和經(jīng)濟效益。但目前我國在該領域仍處于探索和發(fā)展階段，仍有很多問題需要解決。車輛段綜合開發(fā)需要處里好軌道交通層和上蓋開發(fā)層之間的突出矛盾，主要包括以下方面：①協(xié)調(diào)蓋下車輛段封閉空間消防問題，開展綜合開發(fā)導致的通風、排煙系統(tǒng)性能優(yōu)化設計；②為提高綜合開發(fā)品質(zhì)，降低環(huán)境影響，采取有效的減振降噪措施；③處理好綜合開發(fā)土建工程與車輛段綜合管線的空間布置關系。本文將從以上幾個方面重點分析車輛段綜合開發(fā)存在的關鍵設計問題，并給出建議措施，以指導相關技術研究或工程建設。

2 特殊消防設計

2.1 消防設計問題

車輛段綜合開發(fā)相當于在工業(yè)建筑上部建設民用建筑，兩者作為一個整體進行實施，分開進行管理。由于車輛段層高較高、蓋下空間大，防火分隔困難，火災煙氣羽流不受限，容易造成火勢蔓延。另外，蓋下軌道線路復雜，消防車及救援設施不能直接進入庫內(nèi)、咽喉等區(qū)域，只能在消防車道內(nèi)開展救援，因而在設計階段就應采取有效措施保證消防救援區(qū)域的安全?；谥T多復雜因素的綜合影響，且工業(yè)建筑和上部民用建筑都把蓋板平臺作為安全區(qū)域，因而須分別對蓋板上部和下部進行防火措施設計，綜合考慮在同一個建筑里采取不同類型的消防措施。此外，針對車輛段綜合開發(fā)項目沒有完全可依托的消防設計標準的問題，只能參照相關工業(yè)建筑與民用建筑消防設計規(guī)范進行特殊性能化設計，采取特殊消防措施。

2.2 應對措施

2.2.1 設置機械排煙和誘導排煙系統(tǒng)

（1）自然排煙。對于庫外上蓋開發(fā)部分，當有條件時，可在車道、咽喉區(qū)等上部開設排煙孔或排煙窗，采取自然排煙的方式，如圖1所示。另外，根據(jù)GB 50157-2013《地鐵設計規(guī)范》，當距蓋板邊緣距離小于30 m時，認為該區(qū)域滿足自然排煙條件，也可采用自然排煙方式。通常當采用自然排煙方式時，要求排煙孔開口面積不小于該排煙區(qū)域面積的25%。

（2）機械排煙。對于進行上蓋開發(fā)的單體建筑或不具備開孔條件的庫外區(qū)域，可采用機械排煙系統(tǒng)，把火災產(chǎn)生的煙氣和熱量通過排煙口排至室外，同時在火災區(qū)域形成負壓，防止煙氣向其他區(qū)域蔓延，如圖1所示。

（3）誘導排煙。誘導排煙也可視為機械排煙的一種，但其與管排方式有較大區(qū)別，是指在不具備開孔條件的上蓋開發(fā)庫外區(qū)域，沿一定方向設置射流風機群，如圖2所示。當煙氣從風機口以速度V0射入一個不受限制的空間時，形成自由射流，射流邊界與周邊煙氣形成紊流動量交換，煙氣被不斷卷入射流系統(tǒng)，煙氣流動的速度場從中心向四周逐漸衰減（V0＞V1＞V2），射流范圍沿射程方向不斷擴大，再通過多組風機的誘導，起到很好的排煙作用。該方式可以避免因設置機械排煙管道對蓋板凈空高度及層高的影響。對于不具備開孔條件，無法滿足自然排煙要求的區(qū)域，可以增設機械排煙或誘導排煙設備。

2.2.2 增加防火分隔

圖1 自然排煙及機械排煙措施

圖2 誘導排煙系統(tǒng)圖

對于蓋下單體，火災危險性主要來源于車輛，通常1節(jié)地鐵列車車廂的地板面積約為50 m2，總火災荷載約為13 725.2 MJ，火災荷載密度約為274.5 MJ/m2。典型列車火災荷載如表1所示，由表1可知，地鐵列車火災荷載密度大，加之蓋下停放車輛多，因此，為避免不同區(qū)域間火災的蔓延，有效的措施之一就是在蓋下建筑（如停車列檢庫、檢修庫等）內(nèi)部及外圍沿軌道方向設置防火隔墻。

表1 地鐵列車典型火災荷載

對于防火隔墻的耐火極限要求，一是基于GB 51298-2018《地鐵設計防火標準》對車輛段中消防車道與停車列檢庫、檢修庫之間防火隔墻的耐火極限要求，二是基于GB 50016-2014 《建筑設計防火規(guī)范》（2018年版）對建筑非承重墻的耐火極限要求，三是依據(jù)地鐵列車的火災荷載密度分析。綜合以上幾點，結(jié)合類似項目的工程經(jīng)驗，通常要求蓋下建筑外圍防火隔墻耐火極限不低于3.0 h，建筑內(nèi)部防火隔墻耐火極限不低于1.0 h。

對于庫外咽喉區(qū)、庫內(nèi)垂直于軌道方向區(qū)域以及不同排煙措施的分界處等不具備設置防火隔墻的區(qū)域，可在結(jié)構(gòu)頂部設置擋煙垂壁或高壓細水霧，使建筑內(nèi)部形成一定深度的蓄煙倉，實現(xiàn)煙氣的有效分隔，再配合庫內(nèi)機械排煙系統(tǒng)，能夠有效控制煙氣蔓延。通常擋煙垂壁的深度不宜小于該區(qū)域凈空高度的20%。

2.2.3 其他消防措施

（1）蓋下庫內(nèi)封閉區(qū)域設置完備的室內(nèi)消火栓系統(tǒng)、自動水噴淋系統(tǒng)等。一旦發(fā)生火災，可有效控制庫內(nèi)的火災蔓延。

（2）設置消火栓系統(tǒng)。在蓋下封閉庫房（如停車列檢庫、檢修庫等）出入口附近5～40 m范圍內(nèi)設置消火栓；在位于蓋板邊緣外的消防車道內(nèi)，按間距不大于120 m設置消火栓；在位于蓋板下的消防車道內(nèi)，按間距不大于60 m設置消火栓。

（3）提高煙霧監(jiān)測能力。在蓋下區(qū)域設置感煙探測器、火災自動報警系統(tǒng)，并與機械排煙、誘導排煙及消防水系統(tǒng)聯(lián)動，當監(jiān)測到火災時，及時啟動各自區(qū)域內(nèi)的排煙及滅火設施。

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3 減振降噪設計

3.1 振動噪聲影響

車輛段承擔著地鐵車輛、工務等檢修任務，同時也是運營人員的主要辦公場所，占地面積往往較大。為獲得更大的效益，開發(fā)業(yè)態(tài)通常包括住宅、寫字樓、酒店、醫(yī)院、學校、商業(yè)以及其他公共配套設施等，而不同使用功能建筑物的規(guī)模、結(jié)構(gòu)形式、使用時段、敏感對象及對振動噪聲的控制指標和限值等均不相同，因而對振動噪聲的控制是上蓋開發(fā)車輛段面臨的重要問題。汪益敏、鄒超等學者參照不同國家和機構(gòu)振動噪聲評價指標，通過研究和試驗驗證，提出各功能區(qū)所對應的振動噪聲指標控制標準，分別為上蓋居住區(qū)晝間65 dB、夜間62 dB，車輛段晝間75 dB、夜間72 dB。

車輛段軌道線路通常分為出入線、咽喉區(qū)、庫內(nèi)線及試車線等，不同區(qū)域的線路條件、行車速度、運行時段及頻次、軌道結(jié)構(gòu)等均存在較大的差異，產(chǎn)生的振動噪聲值、頻譜特性及影響時段、影響程度也各不相同。與正線相比，車輛段振動噪聲具有聲源種類多、傳播途徑及分布廣、早發(fā)車晚收車，以及單列車通過時間長、噪聲頻域?qū)挼忍攸c；地鐵車輛及起重機等大型維修設備在運行時對軌道的沖擊會產(chǎn)生振動和噪聲；車輛運行鳴笛、庫內(nèi)風機、檢修設備也會產(chǎn)生噪聲；振動通過結(jié)構(gòu)向上傳遞，進而激發(fā)蓋上及周邊建筑產(chǎn)生振動；噪聲通過結(jié)構(gòu)及空氣傳遞到蓋上及周邊建筑內(nèi)；一個蓋下區(qū)域產(chǎn)生的振動噪聲可能影響到多個上蓋建筑，而一個上蓋建筑也可能受到多個蓋下分區(qū)振動噪聲的影響，使得對振動噪聲的分析、預測及控制變得更加復雜。車輛段振動噪聲傳遞示意圖如圖3所示。

圖3 車輛段振動噪聲傳遞示意圖

3.2 應對措施

3.2.1 降低設備振動噪聲源強度

減振降噪應以滿足環(huán)保要求為前提、以對運營干擾最小為目標，同時兼顧工程投資和可實施性。從源頭入手，結(jié)合擬建地鐵車輛段及綜合開發(fā)項目的實際情況，重點從降低振源、聲源強度角度進行研究，采用軌道交通源頭綜合治理方案。

3.2.2 控制傳播路徑

除從源頭降低振源強度以外，還可以從傳遞路徑上采取措施進行控制。振動噪聲主要是由車輛運行時對軌道的沖擊產(chǎn)生，進而通過道床、土建結(jié)構(gòu)進行傳遞。從國內(nèi)外軌道減振措施應用情況來看，采用浮置板減振道床和高性能減振扣件等能夠?qū)α熊囌駝釉肼暺鸬胶芎玫乃p作用。

（1）減振道床。減振道床一般由浮置板、彈性支座、底座及配套扣件等組成，通過扣件把鋼軌固定在浮置板上，再將浮置板安裝在可調(diào)節(jié)的彈性支座上，浮置板通過彈性材料進行固定，形成彈簧-阻尼減振系統(tǒng)，如圖4所示。在軌道和基礎間安裝固有頻率遠低于鋼輪鋼軌沖擊振動頻率的線性諧振器，即將浮置板置于減振彈簧上，借助彈簧系統(tǒng)的慣性運動，平衡列車運行引起的動荷載，達到減振降噪的目的。以某地鐵車輛段浮置板道床實測結(jié)果為例，當列車以25 km/h的速度在普通整體道床和浮置板道床上運行時，地面上距離線路中心線5 m處1/3倍頻程加速度測定結(jié)果表明，浮置板道床對8～24 Hz頻率范圍內(nèi)的振動衰減效果較好，在12 Hz附近振動衰減約為11 dB，如圖5所示。

圖4 浮置板減振道床

圖5 浮置板道床減振效果圖

（3）減振道床和減振扣件組合減振。隨著對綜合開發(fā)車輛段減振降噪要求的不斷提高，為更好地控制振動噪聲對開發(fā)品質(zhì)的影響，亦可采用復合減振降噪措施，如圖6所示，其將減振道床和減振扣件進行串聯(lián)組合，在減振系統(tǒng)質(zhì)量一定的情況下，可以有效降低系統(tǒng)剛度，起到更好的減振降噪效果。

圖6 減振道床和減振扣件組合減振

3.2.3 起重機振動控制

為滿足檢修需要，在車輛檢修庫內(nèi)需配備1～10 t載重的起重機，其軌道通常架設在與上蓋開發(fā)共用的立柱牛腿上，起重機運行時產(chǎn)生的振動可沿立柱向上傳遞至蓋上。根據(jù)起重機軌道與結(jié)構(gòu)的連接方式，可通過采用振動傳遞控制措施降低對上蓋的影響，具體有以下3 種方式。

（1）采用具有減振效果的壓軌器。

（2）起重機軌道無縫化。無縫軌道使起重機在工作應力范圍內(nèi)具有較好軌道平順性，達到減振效果。

（3）起重機走行輪采用彈性減振車輪。

4 綜合管線設計

4.1 綜合管線設計難點

地鐵車輛段綜合管線負責各種能源、信息的傳輸以及廢污的排放。車輛段綜合管線既包括自身給排水及消防系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、通信信號系統(tǒng)、綜合監(jiān)控系統(tǒng)和燃氣管線，又包括上蓋開發(fā)給水、污水、雨水及供電、燃氣管線，管線種類多和接口量大形成了交錯復雜的管線系統(tǒng)，其綜合設計難度大，主要表現(xiàn)在以下方面。

（1）室外管線大量增加，管線種類和接口繁多，且受多種因素制約，需處理好上蓋物業(yè)專用管線與車輛段管線之間的路由關系，避免交叉碰撞，確保工藝合理。

（2）車輛段綜合開發(fā)后，庫內(nèi)軌道兩側(cè)、庫外道路兩側(cè)及咽喉等區(qū)域增加大量結(jié)構(gòu)柱、承臺、樁基等，這些土建結(jié)構(gòu)占用原有管線空間，管線平面和豎向設計時容易出現(xiàn)與土建結(jié)構(gòu)沖突或干擾的情況。

（3）車輛段綜合開發(fā)后，蓋板范圍內(nèi)庫外區(qū)域原則上不需要設置排水溝，但考慮到場地沖洗及蓋板邊緣飄雨問題，需要根據(jù)場區(qū)布置及蓋板方案設置站場排水溝。

4.2 綜合管線設計策略

4.2.1 劃清管線界面，減少蓋上、蓋下管線交叉

蓋上、蓋下管線實為2個不同功能體系，運營維護管理分屬于不同的責任主體，且設置標準不同，因而在地面層不宜過多交叉布置。為解決權(quán)屬和運營管理問題，應嚴格劃清車輛段與上蓋開發(fā)的管線界面，地面層在總圖布置時充分考慮用地及市政管線接駁條件，就近提供上蓋管線平面廊道及豎向管井位置，減少上蓋管線在車輛段內(nèi)部穿行，避免與車輛段管線交叉。

4.2.2 管線分層布設，充分利用豎向空間

綜合開發(fā)后，蓋下結(jié)構(gòu)柱、承臺、樁基密布，對庫外綜合管溝、管涵布置影響較大，管線平面空間被大量壓縮。在室外綜合管線規(guī)劃時，需充分利用豎向空間，除污水、雨水等重力流管線和強電管線采用直埋方式外，給水、消防等壓力流管線和弱電系統(tǒng)管線可在綜合開發(fā)平臺頂部利用綜合支架的方式吊裝。另外，對于采用電纜隧道、綜合管溝敷設的地方，可局部加大結(jié)構(gòu)柱承臺和樁基的埋深。

4.2.3 優(yōu)化站場排水溝數(shù)量，減小截面尺寸

常規(guī)車輛段中站場排水溝布設于庫外咽喉區(qū)，根據(jù)TB 10066-2000《鐵路站場道路和排水設計規(guī)范》中關于站場路基面排水的要求，通常每3股道（降雨量小的地方可適當增加）設置1處縱向蓋板排水溝，寬度一般采用0.4 m，溝底采用2‰縱坡，起點深度0.3 m，終點深度一般不大于1.2 m。對于咽喉加蓋板的車輛段，雨水通過蓋板平臺直接排放，原則上地面可不再設置排水溝，但考慮到蓋下場地清洗及蓋板邊緣飄雨等問題，可對站場排水溝數(shù)量和截面尺寸進行優(yōu)化，僅在臨近蓋板邊緣及中部的適當位置設置排水溝。

4.2.4 管線 BIM 設計

由于管線錯綜復雜，傳統(tǒng)二維設計往往很難發(fā)現(xiàn)差錯漏碰等問題，加之要等土建完工后管線才開始施工，因而一旦出現(xiàn)問題，極易導致返工，甚至出現(xiàn)廢棄工程。

綜合管線涉及專業(yè)較多，往往通過單專業(yè)圖紙很難發(fā)現(xiàn)問題，通過建筑信息模型（BIM）設計手段，可在各專業(yè)二維管線圖紙完成后，建立具有標高、尺寸、型號、材質(zhì)等屬性信息和相對位置關系等空間信息的三維BIM模型，立體表達管線與土建工程的關系，及時對差錯漏碰進行調(diào)整，如圖7所示。

5 結(jié)語

車輛段綜合開發(fā)已經(jīng)成為解決大中城市地鐵建設與土地資源高效利用這一核心矛盾的有效措施，具有較高的社會效益和經(jīng)濟效益，已在北京、上海、廣州、深圳等城市的車輛段項目中得到充分驗證。綜合開發(fā)項目中軌道交通和上蓋開發(fā)之間的一些技術難題是客觀存在的，尤其是消防、振動噪聲和綜合管線等問題，對這些關鍵設計問題采取有效解決措施，制定出最優(yōu)的解決方案仍需要一個研究、論證和實踐的過程。本文對車輛段綜合開發(fā)關鍵設計問題進行分析和總結(jié)，并提出相應的對策及措施，可為類似項目提供參考。

圖7 BIM管線碰撞應用實例（單位：m）