濟(jì)南綠色地鐵技術(shù)探索與應(yīng)用

劉海東 ，王 琳，潘 雷

（1. 濟(jì)南軌道交通集團(tuán)有限公司，濟(jì)南 250014；2. 中國海洋大學(xué)，山東青島 266100）

習(xí)近平總書記在十九屆五中全會(huì)中，表達(dá)了要實(shí)現(xiàn)人類自然命運(yùn)共同體、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)與綠色生態(tài)協(xié)調(diào)發(fā)展的強(qiáng)烈意愿。堅(jiān)持綠色發(fā)展理念，實(shí)現(xiàn)人與自然共同體生態(tài)文明建設(shè)，是一項(xiàng)重大的時(shí)代命題。交通運(yùn)輸領(lǐng)域是碳排放大戶，基于“2030年前二氧化碳排放達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”的愿景，尋找低碳發(fā)展路徑，是交通運(yùn)輸行業(yè)的必然選擇。綠色城市軌道交通符合低碳經(jīng)濟(jì)的理念，是低污染、節(jié)能、低二氧化碳排放量的城市公共交通設(shè)施，在滿足運(yùn)量大、干擾小、安全迅速、省時(shí)方便的同時(shí)，更加節(jié)能環(huán)保，更加注重“碳減排”和“固碳”。

1 濟(jì)南軌道交通的建設(shè)與發(fā)展

1.1 濟(jì)南軌道交通概況

山東省是沿海區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展強(qiáng)省，濟(jì)南作為其省會(huì)，城市發(fā)展面臨交通擁堵、環(huán)境污染、資源緊缺等嚴(yán)重問題，急需發(fā)展軌道交通。然而，濟(jì)南特殊的泉域水文地質(zhì)環(huán)境是影響軌道交通建設(shè)的一道天然屏障，在歷經(jīng)20年分析論證后，濟(jì)南首條地鐵線路建成通車。如圖1所示，目前濟(jì)南軌道交通運(yùn)營線路2條，運(yùn)營里程47.7 km；在建線路1條，在建里程36.33 km；二期規(guī)劃已批復(fù)尚未建設(shè)的線路為6條，共計(jì)159.6 km。

圖1 濟(jì)南軌道交通二期建設(shè)規(guī)劃Figure 1 Jinan rail transit phase II construction plan

1.2 濟(jì)南軌道交通建設(shè)理念

濟(jì)南軌道交通將“安全、綠色、智慧、品質(zhì)”作為建設(shè)理念，積極探索“人文地鐵、藝術(shù)地鐵”，打造契合齊魯文化的城市景觀線?！熬G色地鐵”在緩解交通擁堵和降低大氣污染指數(shù)方面發(fā)揮一定作用，是解決濟(jì)南地鐵建設(shè)與保泉、護(hù)泉矛盾的根本選擇。通過前瞻研究、統(tǒng)籌規(guī)劃、科學(xué)設(shè)計(jì)、規(guī)范施工、智慧運(yùn)營維護(hù)等手段，實(shí)現(xiàn)濟(jì)南軌道交通的綠色、智能化建設(shè)。

1.3 綠色技術(shù)的綜合運(yùn)用

為實(shí)現(xiàn)“綠色+智能”地鐵建設(shè)，在濟(jì)南軌道交通一期規(guī)劃的3條線路中，共采用了6大類近40項(xiàng)綠色建造技術(shù)，其中比較有代表性的有：高架站臺(tái)光伏發(fā)電技術(shù)、高架車站清水混凝土施工技術(shù)、預(yù)制U型梁技術(shù)，盾構(gòu)管片內(nèi)徑擴(kuò)大應(yīng)用于地鐵施工技術(shù)、基坑降水原位回灌技術(shù)、大尺寸預(yù)制樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)兼做主體結(jié)構(gòu)施工技術(shù)、可調(diào)通風(fēng)型站臺(tái)門系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)、雨水回收和中水處理系統(tǒng)等。結(jié)合綠色技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)濟(jì)南軌道交通的節(jié)能、節(jié)地、節(jié)水、節(jié)材、環(huán)境保護(hù)(“四節(jié)一環(huán)保”)的建設(shè)及運(yùn)維目標(biāo)。下面主要以1號線為例，對采用的“四節(jié)一環(huán)?！奔夹g(shù)及其應(yīng)用效果進(jìn)行闡述。

2 “四節(jié)一環(huán)?！奔夹g(shù)的應(yīng)用

2.1 節(jié)約土地技術(shù)

2.1.1 高架車站景觀及站房設(shè)計(jì)

濟(jì)南軌道交通1號線高架車站在車站的下方設(shè)置設(shè)備用房，同時(shí)保證在車站與設(shè)備用房之間留有足夠的空隙，最大程度保障了土地資源化和車站空間的通透感，7座高架車站共節(jié)約土地約2.8萬 m2。高架車站遵循“一線一主題，一站一風(fēng)景”“路中站外立面厚而不實(shí)，輕而不浮”的景觀設(shè)計(jì)理念[1]，如圖2所示。將清水混凝土作為構(gòu)筑站內(nèi)的建筑主體及外表面的主要材料，混凝土自然本色作為車站建筑物表面顏色，彰顯了車站莊重、質(zhì)樸的特點(diǎn)。

圖2 高架車站外立面Figure 2 Elevated station facade

2.1.2 線網(wǎng)主變電所資源共享

從全線網(wǎng)角度統(tǒng)籌考慮，將不同線路的主變電所合設(shè)，減少主變電所數(shù)量，實(shí)現(xiàn)不同線路主變電所的資源共享，每個(gè)共享的主變電所可節(jié)省土地3 000 m2。

2.1.3 外電源建設(shè)投資控制

在初步設(shè)計(jì)階段，1號線外電源的原設(shè)計(jì)方案：大楊莊主變電所外線線路分別由清河 220 kV變電站及王府莊220 kV變電站引入，如圖3(a)所示。清河變電站距離大楊莊8.57 km，全線需完全建設(shè)電纜溝，本段建設(shè)投資高達(dá)1.28億元。通過對設(shè)計(jì)方案的梳理，深入研究《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]“為變電所供電的兩個(gè)電源可來自上級不同的變電所，也可來自上級同一變電所的不同母線”的要求，最終明確了優(yōu)化方案，即大楊莊主變電所兩路電源均來自王府莊變電站，王府莊變電站擴(kuò)建第二臺(tái)主變電所，并完善110 kV主接線為雙母線雙分段，如圖3(b)所示，既滿足了《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，建設(shè)投資也大幅降低，修改后的方案可節(jié)約外電源建設(shè)造價(jià)約8 500余萬元[3]。

圖3 大楊莊主所供電方案Figure 3 Schematic diagram of power supply scheme of Dayang Village

2.2 節(jié)約建筑材料技術(shù)

2.2.1 清水混凝土技術(shù)

1號線全線車站采用清水混凝土(見圖4)，節(jié)省了公共區(qū)裝修材料，創(chuàng)新了軌道交通建筑設(shè)計(jì)理念。外裝修面積降低約3×104m2，同時(shí)減少投資成本約3 000萬元。將獨(dú)特的“儒風(fēng)素語”貫穿于樞紐、車站、區(qū)間橋梁、地面附屬等系列公共空間設(shè)計(jì)中，運(yùn)用簡約樸素的清水混凝土天然雕飾，展現(xiàn)了厚重的齊魯文化底蘊(yùn)，體現(xiàn)了建筑美和結(jié)構(gòu)美的高度融合，改善了車站的空間感受，提升了路中車站的景觀效果。

圖4 車站公共區(qū)裝修效果Figure 4 Renderings of station public area decoration

2.2.2 預(yù)制疊合結(jié)構(gòu)體系

1號線在國內(nèi)首創(chuàng)了地鐵車站預(yù)制疊合結(jié)構(gòu)體系，提出了預(yù)制肋疊合墻、復(fù)合立柱、預(yù)應(yīng)力疊合頂板關(guān)鍵技術(shù)，解決了預(yù)制樁三維精準(zhǔn)定位、地下疊合結(jié)構(gòu)變形控制與防水技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)了支護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)的永臨合一，提高了工程質(zhì)量，節(jié)省混凝土使用量43%，降低了工程造價(jià)。

2.3 節(jié)約用水技術(shù)

車站及車輛段、停車場均采用了節(jié)水型衛(wèi)生潔具。在車輛段檢修主廠房及廠前區(qū)辦公樓，采用了雨水回收、中水利用設(shè)施，可實(shí)現(xiàn)雨水回收4 200 m3/年，中水利用4萬m3/年。在高架車站設(shè)置了屋面雨水回收系統(tǒng)，1號線的7座高架車站每年可回收雨水1 675.8 m3。

2.4 節(jié)約能源技術(shù)

2.4.1 空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)

全線網(wǎng)采用了可調(diào)通風(fēng)型站臺(tái)門系統(tǒng)[4](見圖5)，充分發(fā)揮了屏蔽門與安全門系統(tǒng)的特長。夏季可調(diào)整通風(fēng)型站臺(tái)門轉(zhuǎn)換為屏蔽門，對于降低公共區(qū)空調(diào)冷負(fù)荷具有一定作用；過渡季和冬季則調(diào)整轉(zhuǎn)換為安全門，充分利用列車運(yùn)行的活塞風(fēng)，對區(qū)間隧道及站臺(tái)進(jìn)行有效的通風(fēng)換氣，降低了車站公共區(qū)的環(huán)境溫度，減少了公共區(qū)的風(fēng)機(jī)開啟時(shí)間。每個(gè)地下車站年綜合運(yùn)行費(fèi)用可比閉式系統(tǒng)節(jié)約99.85萬元。

圖5 可調(diào)通風(fēng)型站臺(tái)門立面Figure 5 Elevation of adjustable ventilated platform door

采用了蒸發(fā)冷凝冷水機(jī)組(見圖6)，相比傳統(tǒng)的冷水機(jī)組，能效系數(shù)COP由3.3提升到5.0，進(jìn)一步降低了空調(diào)系統(tǒng)能耗，每年每座地鐵車站每個(gè)空調(diào)季可節(jié)約費(fèi)用10萬元以上。

圖6 蒸發(fā)冷凝系統(tǒng)原理Figure 6 Schematic diagram of evaporative condensation

2.4.2 再生能量吸收技術(shù)

在通常情況下，再生或電阻制動(dòng)是地鐵車輛的主要電制動(dòng)方式，圖7為地鐵再生制動(dòng)能量吸收裝置。當(dāng)車站其他車輛和本列車的用電設(shè)備不能全部吸收列車再生制動(dòng)所產(chǎn)生的制動(dòng)電流時(shí)，再生制動(dòng)能量吸收裝置開始發(fā)揮作用，過多的再生電流被有效吸收，從而將車輛再生電流控制在穩(wěn)定水平，保證地鐵電制動(dòng)性能充分發(fā)揮。濟(jì)南地鐵全線網(wǎng)采用了再生能量吸收技術(shù)，用此原理在牽引混合變電所中設(shè)置再生能量吸收裝置，使車輛制動(dòng)能量有效回收，地鐵車輛牽引能耗大幅降低。1號線列車制動(dòng)中壓能饋系統(tǒng)平均制動(dòng)能量回收率達(dá)30%，每年可節(jié)電約 2 000 kW·h。

圖7 再生能量吸收裝置原理Figure 7 Schematic diagram of regenerative energy absorption device

2.4.3 分布式光伏發(fā)電技術(shù)

隨著光伏市場的日漸成熟，光伏組件的價(jià)格也日趨降低；光伏發(fā)電并網(wǎng)不僅技術(shù)上可行，還能取得一定的經(jīng)濟(jì)效果。國內(nèi)在建和規(guī)劃設(shè)計(jì)中的軌道交通工程，都在積極探索利用車輛段、停車場設(shè)置兆瓦級的大容量光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)。濟(jì)南地鐵高架車站采用光伏發(fā)電系統(tǒng)，其標(biāo)準(zhǔn)車站設(shè)置的光伏板剖面如圖8所示[5]。這不僅可以降低城市軌道交通運(yùn)營成本[6]，推動(dòng)光伏發(fā)電技術(shù)在軌道交通領(lǐng)域中發(fā)展，而且對其他需進(jìn)行軌道交通建設(shè)的城市具有一定的參考價(jià)值。1號線共設(shè)置7座高架車站，標(biāo)準(zhǔn)高架車站的屋頂總面積3 056 m2，其中光伏可用面積2 033 m2。

圖8 車站設(shè)置光伏板剖面Figure 8 Station profile setting up photovoltaic panels

2.4.4 非晶合金配電變壓器

采用非晶合金變壓器，可使變壓器損耗占系統(tǒng)損耗比例大幅降低，空載損耗明顯減少，在節(jié)省配電設(shè)備能源以及運(yùn)行成本方面發(fā)揮重要作用。通過核算，每年減少能耗約210萬kW·h，大約10年就可收回當(dāng)年購買非晶合金變壓器多付出的成本。

2.4.5 供電系統(tǒng)的節(jié)能效果

如前所述，供電系統(tǒng)采用了再生能量吸收裝置、非晶合金變壓器、分布式光伏發(fā)電等節(jié)能設(shè)備和技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了節(jié)約電耗、減少碳排放的目標(biāo)。由表1分析可知，1號線每年可節(jié)電774.03萬kW·h，約占全線一年用電量的10%～15%，處于國內(nèi)先進(jìn)水平；碳粉塵排放量減少1 914.96 t，CO2年排量減少7 019.36 t。

表1 供電系統(tǒng)節(jié)能效果匯總分析Table 1 Summary analysis of energy-saving effect of power supply system

2.5 環(huán)境保護(hù)技術(shù)

泉水是大自然賜予濟(jì)南的財(cái)富，濟(jì)南地鐵以確保泉水保護(hù)萬無一失為前提，歷經(jīng)20年的分析論證和規(guī)劃設(shè)計(jì)、建設(shè)，以科學(xué)的態(tài)度、堅(jiān)定的信念、先進(jìn)的技術(shù)，開創(chuàng)了泉城地鐵時(shí)代，解決了泉域地區(qū)地下水量大、承壓水頭高、高強(qiáng)度富水巖溶地層以及濟(jì)南地區(qū)典型豎向透水黏性土等諸多復(fù)雜工程技術(shù)難題。根據(jù)濟(jì)南泉域地層深度值的大小，將坑基降水回灌區(qū)分為極適宜區(qū)、一般適宜區(qū)、相對適宜區(qū)、非適宜區(qū)和極不適宜區(qū)五類，同時(shí)制定了不同區(qū)域?qū)?yīng)的判定標(biāo)準(zhǔn)[7]。研發(fā)深基坑降水回灌一體化裝置及配套關(guān)鍵技術(shù)(見圖 9)，有效降低地下水資源浪費(fèi)，減小地鐵工程建設(shè)對泉域地區(qū)地下水的影響?；咏邓毓嗉夹g(shù)的回灌率達(dá)85 %以上，累計(jì)回灌地下水約4 500萬m3。

圖9 基坑降水原位回灌裝置Figure 9 In situ recharge device of foundation pit dewatering

3 結(jié)論與展望

1) 城市軌道交通系統(tǒng)在建設(shè)、運(yùn)營階段都是資源消耗大戶，如何建設(shè)“安全、便捷、高效、綠色、經(jīng)濟(jì)”的軌道交通系統(tǒng)，成為規(guī)劃設(shè)計(jì)、建設(shè)管理、運(yùn)營維護(hù)中的一個(gè)重要研究課題，也是行業(yè)發(fā)展的方向和追求的目標(biāo)。

2) 濟(jì)南軌道交通秉承資源節(jié)約、效率優(yōu)化、和諧相生、統(tǒng)籌共享、智慧預(yù)愿、修復(fù)再造的“綠色地鐵”建設(shè)理念，采用了近40項(xiàng)“四節(jié)一環(huán)保”的技術(shù)措施，打造了綠色地鐵。

3) 在二期規(guī)劃線路建設(shè)中，濟(jì)南地鐵將繼續(xù)聚焦軌道交通綠色產(chǎn)業(yè)前沿技術(shù)，在已采用的綠色節(jié)能技術(shù)的基礎(chǔ)上不斷創(chuàng)新，通過建設(shè)高星級綠色建筑、加強(qiáng)低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)的應(yīng)用、建設(shè)高效制冷機(jī)房等措施，進(jìn)一步節(jié)能降耗，助力打造“生態(tài)濟(jì)南”，推動(dòng)綠色城市建設(shè)。