京張高鐵八達(dá)嶺長(zhǎng)城站設(shè)計(jì)思路及創(chuàng)新支撐

劉建友，呂 剛，岳 嶺，劉 方，孫 行

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

引言

地下火車站是指站臺(tái)和軌道層位于地面以下的鐵路車站。我國(guó)大部分火車站都是地面火車站或者高架火車站，但隨著城市空間的日益擁擠，為了減少鐵路交通對(duì)城市地面空間的影響，地下火車站逐漸成為大型城市的首選方案，而在山嶺地區(qū)，受線路走向及地面地形條件的限制，部分鐵路也將火車站設(shè)置在地面以下，如我國(guó)的京張高速鐵路八達(dá)嶺長(zhǎng)城站。

與地上火車站相比，地下火車站的主體結(jié)構(gòu)埋設(shè)在地面以下，其主要荷載來自于周邊巖土體的擠壓作用，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是圍巖的穩(wěn)定性。部分地上火車站也有結(jié)構(gòu)位于地下，但其站臺(tái)和軌道層等主體結(jié)構(gòu)均位于地面以上，地下部分主要為車站的進(jìn)出站通道或者與地鐵的換乘通道，其主要荷載來自于上部結(jié)構(gòu)和設(shè)備的自重以及風(fēng)、雨等外部環(huán)境作用，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是地基基礎(chǔ)的穩(wěn)定性。地下火車站主要具有以下優(yōu)點(diǎn)[1-4]。

(1)地下火車站的主體結(jié)構(gòu)埋設(shè)在地面以下，地面上只留下占地較少的出入口或者其他附屬結(jié)構(gòu)，為城市騰出了寶貴的發(fā)展空間，從而可以增加商業(yè)和綠化面積，為城市提供較完整的商業(yè)空間和美麗的景觀環(huán)境。

(2)地下火車站的軌道及引線埋設(shè)在地面以下，避免了對(duì)地面交通線路的分割，減少了對(duì)地面交通的影響，提高了車站周邊的交通效率。

(3)地下火車站的主體結(jié)構(gòu)埋設(shè)在封閉的地下空間中，便于保溫隔熱，可充分利用地下恒溫的特點(diǎn)，節(jié)省能源。

(4)地下火車站的軌道及引線埋設(shè)地下，可以降低列車運(yùn)行噪聲和振動(dòng)的干擾，為周邊提供舒適的商業(yè)或居住環(huán)境。

與地上火車站相比，地下火車站也具有一些缺點(diǎn)，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面[5-6]。

(1)地下火車站環(huán)境封閉，空間往往較狹窄低矮，光線昏暗，空氣流動(dòng)不良，照明和通風(fēng)需依賴相應(yīng)設(shè)備，不利于節(jié)能。其物理環(huán)境、心理環(huán)境、空氣質(zhì)量等特征有別于日常居住生活環(huán)境，舒適度稍差。

(2)地下火車站環(huán)境相對(duì)封閉，火災(zāi)發(fā)生時(shí)煙氣不易排除，人員不易疏散，防災(zāi)救援難度相對(duì)較大。

(3)地下火車站站場(chǎng)位于地下，站臺(tái)、股道、進(jìn)出通道、設(shè)備用房等均需在開挖的空間內(nèi)布置，大規(guī)模洞室開挖不可避免，洞室開挖跨度大，數(shù)量多，布置密集，接口復(fù)雜，建設(shè)難度大。

(4)地下火車站開挖方量大，施工作業(yè)空間狹小，作業(yè)面有限，施工環(huán)境較差，因此往往施工速度慢，工期長(zhǎng)，造價(jià)相對(duì)高。

地下火車站的修建方法主要有明挖和暗挖兩種。明挖法施工工藝簡(jiǎn)單、技術(shù)難度小、造價(jià)相對(duì)低廉，適用于淺埋地下車站。而暗挖車站施工受工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件的影響較大，作業(yè)面少，作業(yè)空間狹小，施工環(huán)境較差，施工速度較慢，造價(jià)相對(duì)較高，但其對(duì)地面的影響較小，適合于埋深較大或者地面沒有明挖條件的地下車站施工，如京張城際鐵路八達(dá)嶺長(zhǎng)城站是我國(guó)第一座采用暗挖法施工的深埋地下火車站。

1 八達(dá)嶺設(shè)置地下車站的原因及設(shè)計(jì)思路

1.1 設(shè)置地下車站的原因

地下車站技術(shù)難度大、施工工期長(zhǎng)、建造成本高，因此在條件許可的情況下，一般采用地面車站或者高架車站，京張高鐵八達(dá)嶺長(zhǎng)城站設(shè)置在地下主要考慮以下因素。

(1)方便旅客：八達(dá)嶺長(zhǎng)城站的客流主要是八達(dá)嶺長(zhǎng)城的旅游客流，因此車站的設(shè)置應(yīng)盡可能靠近八達(dá)嶺長(zhǎng)城的入口，方便游客快速便捷到達(dá)旅游景點(diǎn)。

(2)高鐵線形：高速鐵路對(duì)線路的曲率和坡度均有嚴(yán)格要求，車站設(shè)置受前后線路限制，設(shè)置位置選擇受限。

(3)環(huán)境保護(hù)：八達(dá)嶺長(zhǎng)城入口周邊為山嶺地區(qū)，地形起伏較大，林木茂盛，環(huán)境優(yōu)美，文物眾多，設(shè)置地面站或高架站必將大規(guī)模破壞地形地貌，地表植被，嚴(yán)重影響文物。

(4)景觀要求：八達(dá)嶺長(zhǎng)城站位于八達(dá)嶺長(zhǎng)城核心景區(qū)內(nèi)，根據(jù)八達(dá)嶺長(zhǎng)城文物管理相關(guān)法規(guī)的要求，無法在核心區(qū)設(shè)置大規(guī)模的建筑。

(5)地質(zhì)條件：八達(dá)嶺長(zhǎng)城站所處區(qū)域?yàn)榛◢弾r巖體，巖質(zhì)堅(jiān)硬，圍巖穩(wěn)定性較好，具有良好的設(shè)站條件。

1.2 車站設(shè)計(jì)思路

(1)車站總平面設(shè)計(jì)著重分析八達(dá)嶺長(zhǎng)城客流的特點(diǎn)，客流以去往八達(dá)嶺長(zhǎng)城步道入口和索道入口為主，出入口的位置力求做到進(jìn)出便捷，步行距離短，體現(xiàn)“以人為本”的設(shè)計(jì)理念，同時(shí)還需要保證出入口前有足夠的廣場(chǎng)面積，滿足客流集散和緊急情況下的疏散要求。

(2)車站是乘客集散和乘降的重要場(chǎng)所，建筑設(shè)計(jì)以乘客的便捷使用需要作為設(shè)計(jì)的首要出發(fā)點(diǎn)。車站站位布置應(yīng)符合城市總體規(guī)劃、八達(dá)嶺景區(qū)規(guī)劃的要求，最大限度吸引客流。

(3)車站形式需盡量保證施工安全便捷，同時(shí)可最大程度地減小施工和運(yùn)營(yíng)對(duì)周圍環(huán)境的不利影響，還應(yīng)盡量降低工程造價(jià)。

(5)本站客流主要以游客為主，應(yīng)考慮到節(jié)假日大規(guī)模潮汐集中客流的安全和舒適性問題，同時(shí)需考慮突發(fā)情況下的防災(zāi)疏散問題，同時(shí)應(yīng)設(shè)置鮮明的導(dǎo)引標(biāo)識(shí)，加強(qiáng)對(duì)人流的疏解和引導(dǎo)。

1.3 車站設(shè)計(jì)理念

地下車站的設(shè)計(jì)思路、建筑特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、環(huán)境特點(diǎn)等均與地面車站不同，尤其是八達(dá)嶺長(zhǎng)城站，位于深埋巖體中，且周邊為著名風(fēng)景名勝區(qū)，因此，設(shè)計(jì)理念必須符合地下車站特點(diǎn)和環(huán)境保護(hù)的要求。綜合考慮了京張文化、奧運(yùn)文化、長(zhǎng)城文化等因素，提出了“更安全、更人文、更環(huán)保、更耐久”的設(shè)計(jì)目標(biāo)，并將該目標(biāo)貫穿到選線設(shè)計(jì)、選址設(shè)計(jì)、建筑方案設(shè)計(jì)、支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、車站環(huán)境設(shè)計(jì)和施工工藝設(shè)計(jì)的全過程中，如圖1所示[1]。

圖1 八達(dá)嶺長(zhǎng)城站的設(shè)計(jì)理念及實(shí)現(xiàn)路徑

2 設(shè)計(jì)方案研究

2.1 車站線位設(shè)計(jì)

京張高鐵八達(dá)嶺越嶺段選線設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)比分析了穿越八達(dá)嶺景區(qū)和繞避八達(dá)嶺景區(qū)2個(gè)線位方案.繞避方案雖然避免了景區(qū)施工，減少了對(duì)景區(qū)的影響，技術(shù)難度小，但繞避方案遠(yuǎn)離八達(dá)嶺景區(qū)，無法為八達(dá)嶺景區(qū)的游客提供便捷的交通服務(wù)，也無法提供延慶支線的接軌條件。因此，最終采用了技術(shù)難度相對(duì)更大的穿越八達(dá)嶺景區(qū)方案，該方案采用12 km長(zhǎng)的隧道直接下穿八達(dá)嶺景區(qū)，并連續(xù)穿越水關(guān)長(zhǎng)城、八達(dá)嶺長(zhǎng)城等古建筑，以及百年老京張鐵路青龍橋火車站，如圖2所示。該方案對(duì)隧道施工提出了更高的環(huán)保要求，為保護(hù)長(zhǎng)城，對(duì)開挖爆破提出了更高的振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)[1]。

圖2 八達(dá)嶺越嶺段的線位比選

2.2 車站站位設(shè)計(jì)

八達(dá)嶺長(zhǎng)城站的站位選擇時(shí)，對(duì)比分析了程家窯地面站、岔道城地下站、滾天溝地下站3個(gè)方案，如圖3所示。

圖3 八達(dá)嶺長(zhǎng)城站站位比選方案

程家窯地面站方案技術(shù)難度最小，投資最省，但距離八達(dá)嶺景區(qū)最遠(yuǎn)，乘客下車后去往八達(dá)嶺景區(qū)還有6 km長(zhǎng)的路程。岔道城地下站方案站點(diǎn)位于景區(qū)外，地面也無長(zhǎng)城古建筑，埋深相對(duì)較淺，旅客提升高度40 m，技術(shù)難度較小，但乘客去往八達(dá)嶺景區(qū)仍然較遠(yuǎn)，約2 km。滾天溝地下站方案受線位標(biāo)高的控制，車站埋深102 m，旅客提升高度59.4 m，且位于長(zhǎng)城下方，技術(shù)難度最大，但該方案距離八達(dá)嶺長(zhǎng)城入口最近，離八達(dá)嶺長(zhǎng)城步道入口800 m，距離索道入口僅250 m，乘客下車后去往八達(dá)嶺長(zhǎng)城最便捷。為了最大程度地方便乘客，最終選擇了滾天溝地下站方案，如圖3所示，該方案需要解決景區(qū)施工的環(huán)境保護(hù)問題、深埋地下車站環(huán)境營(yíng)造及防災(zāi)救援疏散問題、下穿古長(zhǎng)城的文物保護(hù)問題等關(guān)鍵技術(shù)難題[7-8]。

2.3 車站站場(chǎng)設(shè)計(jì)

八達(dá)嶺長(zhǎng)城站為地下雙層側(cè)式布置形式，車站采用2臺(tái)夾4線站型，設(shè)到發(fā)線4條(含正線2條)，到發(fā)線有效長(zhǎng)650 m，設(shè)450 m×9.2 m(局部)×1.25 m側(cè)式站臺(tái)2座，八達(dá)嶺長(zhǎng)城站站場(chǎng)設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 八達(dá)嶺長(zhǎng)城站站場(chǎng)設(shè)計(jì)(單位：m)

2.4 地面站房及出入口設(shè)計(jì)

為了減少對(duì)八達(dá)嶺景區(qū)的影響，使車站出入口達(dá)到建筑“消隱”的視覺效果，設(shè)計(jì)采用了弱化建筑視覺體量和擬態(tài)周邊環(huán)境的手法，充分利用周邊自然地形，依山而建，候車室設(shè)置在地下一層，地面層高控制在6 m。站房立面材料以石材為主，石材顏色與周邊山體裸露巖石的顏色一致，墻面肌理由山體向外逐漸過渡。站房屋頂設(shè)置草皮綠化，使車站隱于周邊環(huán)境內(nèi)，如圖5所示。

圖5 車站出入口消隱設(shè)計(jì)效果圖

地面站房建筑面積9 000 m2，結(jié)構(gòu)形式為中部架空的二層框架結(jié)構(gòu)，局部鋼結(jié)構(gòu)。地面站房首層設(shè)有進(jìn)站廳、出站廳、售票室，二層設(shè)有客運(yùn)辦公室，地下一層設(shè)有旅客候車廳、設(shè)備間、公安辦公；深埋地下部分為站臺(tái)層、進(jìn)站層、出站層。地面站房立面如圖6所示。

超導(dǎo)磁場(chǎng)儲(chǔ)能技術(shù)在微網(wǎng)中的功率調(diào)控包括兩種模式即內(nèi)環(huán)控制和外環(huán)控制,為保障超導(dǎo)磁場(chǎng)儲(chǔ)能技術(shù)可預(yù)測(cè)并控制現(xiàn)有微網(wǎng)中的電網(wǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)模式,因而需解釋微網(wǎng)的有功與無功功率需求。超導(dǎo)磁場(chǎng)儲(chǔ)能技術(shù)預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)的輸出的有功功率為PSMES,無功功率為QSMES,P為設(shè)定有功功率,Q為設(shè)定無功功率。Ub與Ik為超導(dǎo)磁場(chǎng)儲(chǔ)能技術(shù)下的基波電位與電流幅值,微網(wǎng)的各相電流與電壓間的相位差為θ,K為所調(diào)控信息的幅值,Ik1為所調(diào)控信息的電流,通過三角等式變化如式(3)和式(4)。

圖6 地面站房立面

2.5 車站地下部分總體建筑形式設(shè)計(jì)

為了選擇最優(yōu)的車站總體建筑形式，對(duì)比分析了不同建筑形式的特點(diǎn)，包括單洞單拱側(cè)式站臺(tái)方案、單洞三連拱側(cè)式站臺(tái)、單洞三連拱島式站臺(tái)、雙洞側(cè)式站臺(tái)、三洞側(cè)式站臺(tái)、三洞島式站臺(tái)，中央穹頂大廳側(cè)式站臺(tái)、群洞側(cè)式站臺(tái)等9種設(shè)計(jì)方案。如圖7所示。

圖7 車站總體建筑設(shè)計(jì)方案(單位：mm)

單洞單拱側(cè)式站臺(tái)方案是將車站四股道、站臺(tái)、站廳均設(shè)計(jì)在一個(gè)超大跨隧道內(nèi)，隧道開挖跨度達(dá)到44 m，高度達(dá)到27 m。大跨隧道內(nèi)設(shè)置1道混凝土中板，上層為站廳層，下層為站臺(tái)層。站臺(tái)層設(shè)置2道混凝土中墻，將站臺(tái)層分割為1個(gè)中洞和2個(gè)側(cè)洞。該方案大跨隧道的開挖和支護(hù)成本較高，隧道圍巖的穩(wěn)定性較差。

單洞三連拱側(cè)式站臺(tái)和單洞三連拱島式站臺(tái)2個(gè)方案是設(shè)置1個(gè)三聯(lián)拱隧道，總開挖跨度43.8 m，開挖高度22.1 m，設(shè)置了1道中板，中板上部為站廳層，下部為站臺(tái)層。站臺(tái)層和站廳層均設(shè)置了2道中墻，將三聯(lián)拱隧道分割為左中右3個(gè)隧道。

雙洞側(cè)式站臺(tái)方案是設(shè)置2個(gè)開挖跨度25.8 m，高19.45 m的獨(dú)立隧道，兩個(gè)隧道的凈距為12.5 m，每個(gè)隧道設(shè)置1道中板，中板上部為站廳層，下部為站臺(tái)層。

三洞側(cè)式站臺(tái)方案是設(shè)置3個(gè)分離的隧道，隧道之間預(yù)留10 m厚的巖墻，中間的隧道為標(biāo)準(zhǔn)高鐵雙線隧道，兩側(cè)的2個(gè)隧道各含1條到發(fā)線和1個(gè)側(cè)式站臺(tái)，隧道開挖跨度為18.4 m，開挖高度為20.69 m，設(shè)置1道中板，中板上部為站廳層，下部為站臺(tái)層。

中央穹頂大廳側(cè)式站臺(tái)方案是在站臺(tái)層設(shè)置3個(gè)分離的隧道，各個(gè)隧道開挖跨度為13～14 m，開挖高度12 m，隧道之間預(yù)留5.85 m厚度巖墻。站廳層設(shè)置1個(gè)直徑41.5 m，高16.4 m的中央穹頂大廳。站廳層和站臺(tái)層之間預(yù)留了4.77 m厚的巖板。宏偉的穹頂大廳不僅為旅客提供了舒適的候車環(huán)境，同時(shí)也可以作為展示中國(guó)鐵路文化和高鐵技術(shù)的博物館和展覽館。

群洞側(cè)式站臺(tái)方案是在穹頂方案的基礎(chǔ)上，取消了中央穹頂大廳，設(shè)置了10 m寬，17.58 m高的進(jìn)出站主通道，主通道設(shè)置1道中板，上層出站下層進(jìn)站。主通道與站臺(tái)層隧道之間預(yù)留了4.79 m厚的中巖板。

以上各個(gè)方案中，群洞方案結(jié)構(gòu)最安全、開挖量最小，圍巖支護(hù)成本最低，造價(jià)最省，同時(shí)有利于防災(zāi)分區(qū)、降低噪聲和氣動(dòng)效應(yīng)，因此最終選擇了群洞方案。

3 車站創(chuàng)新成果(圖8)

圖8 八達(dá)嶺長(zhǎng)城地下車站特點(diǎn)、難點(diǎn)及創(chuàng)新點(diǎn)

八達(dá)嶺長(zhǎng)城站是我國(guó)第一座暗挖高鐵車站，具有洞室多、跨度大、埋深大、周邊環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn)，是目前世界上“建設(shè)規(guī)模最大、埋深最大、兩端渡線段開挖跨度和斷面面積最大、洞室結(jié)構(gòu)最復(fù)雜”的地下暗挖高鐵車站工程。八達(dá)嶺長(zhǎng)城站開創(chuàng)性地解決了以下4個(gè)方面的技術(shù)難題：一是地下車站空間狹小封閉、空氣潮濕、光線昏暗、聲音混響明顯、列車噪聲及氣動(dòng)效應(yīng)顯著，候車環(huán)境不舒適。二是車站埋深大，洞室眾多，疏散路徑長(zhǎng)，導(dǎo)致車站防災(zāi)救援疏散困難。三是車站位于首都周邊，在舉世聞名的八達(dá)嶺長(zhǎng)城、十三陵世界文化遺產(chǎn)核心位置，周邊文物密布，社會(huì)影響力大，車站的耐久性和可靠性要求高，結(jié)構(gòu)使用年限須與周邊歷史文化遺產(chǎn)相匹配，需采用長(zhǎng)壽命支護(hù)結(jié)構(gòu)體系，導(dǎo)致設(shè)計(jì)、施工難度大。四是車站兩端渡線段隧道跨度大、尺寸效應(yīng)顯著，圍巖優(yōu)劣夾雜、性質(zhì)差異大、易坍塌失穩(wěn)，圍巖自承載能力及洞室變形預(yù)測(cè)量化理論和方法缺乏，施工工序復(fù)雜、錨桿錨索施做困難，導(dǎo)致超大跨隧道設(shè)計(jì)、施工難度大、風(fēng)險(xiǎn)高。五是地下車站洞室密集、交叉節(jié)點(diǎn)多、局部巖墻巖柱單薄、爆破對(duì)巖體和既有結(jié)構(gòu)影響大，部分段落圍巖松散、群洞效應(yīng)顯著、洞群易坍塌失穩(wěn)，巖墻巖柱自承載能力和洞群變形預(yù)測(cè)量化理論和方法缺乏，導(dǎo)致設(shè)計(jì)、施工難度大、風(fēng)險(xiǎn)高。

針對(duì)以上關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)，本項(xiàng)目取得的創(chuàng)新成果如下。

(1)創(chuàng)建了多層密集洞群地下車站新模式及洞群修建技術(shù)。提出了三層三縱地下車站布置模式，提出了應(yīng)力流守恒原理及洞室群隧道布置方法，研發(fā)了小凈距密集洞室群微震微損傷精準(zhǔn)爆破技術(shù)，制定了洞室群隧道結(jié)構(gòu)爆破振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)。

(2)研發(fā)了30 m級(jí)超大跨隧道修建技術(shù)。提出了超大跨隧道主動(dòng)支護(hù)技術(shù)及其設(shè)計(jì)方法，創(chuàng)建了超大跨隧道“品”字形開挖工法，提出了超大跨隧道變形分步控制理論及控制標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建了圍巖為承載主體的長(zhǎng)壽命結(jié)構(gòu)體系。

(3)提出了深埋地下車站環(huán)境營(yíng)造及防災(zāi)救援技術(shù)。探明了地下車站聲、光、風(fēng)、溫等環(huán)境特點(diǎn)，提出了地下車站舒適環(huán)境的構(gòu)建技術(shù)。

(4)揭示了地下車站煙氣擴(kuò)散、通風(fēng)、煙氣溫度和能見度分布的規(guī)律，提出了地下車站安全快速防災(zāi)救援疏散模式，建立了三維可視化防災(zāi)救援疏散智能指揮系統(tǒng)。

(5)建立了下穿長(zhǎng)城古建筑微震爆破技術(shù)和下穿風(fēng)景名勝區(qū)環(huán)境保護(hù)技術(shù)。提出了風(fēng)景名勝區(qū)地下車站出入口的消隱設(shè)計(jì)方法，研發(fā)了下穿風(fēng)景名勝區(qū)隧道清污分離的防排水技術(shù)，提出了風(fēng)景名勝區(qū)隧道施工污水和粉塵處理技術(shù)。

4 結(jié)論與建議

(1)為風(fēng)景名勝區(qū)或旅游景區(qū)提供交通服務(wù)的火車站，為保護(hù)自然環(huán)境宜設(shè)置為地下車站，車站線位選擇、站址選擇和出入口設(shè)置宜盡量靠近景區(qū)入口，方便乘客快速到達(dá)。

(2)地下車站的建筑方案應(yīng)綜合考慮圍巖穩(wěn)定性、列車氣動(dòng)效應(yīng)、防火分區(qū)、車站環(huán)境控制等因素進(jìn)行設(shè)計(jì)，群洞方案在深埋巖石地層中具有明顯優(yōu)勢(shì)。

(3)防災(zāi)救援疏散系統(tǒng)是保障深埋地下車站安全運(yùn)營(yíng)的重要設(shè)計(jì)措施，應(yīng)充分利用施工期的輔助坑道作為緊急救援通道，永臨結(jié)合，降低工程投資。