Abuja城铁 Lot1B线 Gaiki站至 Wuse站区段选线技术方案探讨

顾拥武

(中国土木集团工程有限公司,北京 102300)

1 概述

尼日利亚首都 Abuja(阿布贾)坐落在尼日尔州境内,为尼日尔州、卡杜纳州、高原州和克瓦拉州的交汇点,距离拉各斯约 500km,是全国的地理中心。由于拉各斯城既是全国第一大港,又是全国工业中心,人口过于稠密,城市交通拥挤,且该城位于尼日利亚的西陲,故而尼日利亚政府 1991年 12月首都从原拉各斯正式迁入 Abuja。作为首都城市,近年来 Abuja发展非常迅速。

根据尼日利亚国家发展规划,Abuja远期将形成衔接东、西、南、北四个方向的铁路枢纽,是尼日利亚三纵三横路网规划中南北中线和东西南线的交汇点,是联系东、西、南、北四个方向地区以及北部港口与中南部内陆的主要纽带和交通要道,将成为尼日利亚重要的人流、物流中心之一。

Abuja地区铁路交通系统早在 1981年,首都地区交通部就进行了规划,并在 2006年进行了修订。尼日利亚 Abuja城铁初期线网由 Lot1A、Lot1B、Lot2、Lot3线构成。2006年 12月完成了其中 Lot1A、Lot1B和Lot3方案研究,线路总长 60.67km。2007年 8月根据城市规划的调整,将 3条线路长度调整为 77.6km,先期建设 Lot1A、Lot1B和 Lot3线,并考虑 Lot2线预留到以后修建。

2 Lot1B线 Gaiki(盖奇)站至 Wuse(乌塞)站区段工程条件

(1)自然地理

Abuja市区占地 250km2,地处尼日利亚北部豪撒高平原,一般海拔 400m,地理位置适中,地形开阔。属热带稀树草原气候,凉爽宜人,水源丰富。市区规划为新月形,位于首都区东北部瓜瓜平原上。市中心为国家政府机关和商业区,建有总统府、国会大厦和立法、司法部门等高层建筑。市中心以南为主要居民区,市南端规划为工业区。有通往机场及各州首府的高速公路。

(2)气象

区内属热带季风气候区,分干、湿两季。4～10月份为雨季,雨量充沛,降水量由南向北逐渐递减,11月至次年 4月份为旱季,天气闷热,干旱少雨。

(3)线路平面位置情况

Abuja市在规划之初就考虑了未来城市轨道线路,城市建设也是按照规划进行,通过现场航拍,可以明显看到城市铁路和国家铁路规划走廊,两侧是各种公共和商业建筑,中间形成一条未开发的荒草带。Gaiki站至 Wuse站区段包括三站两区间,规划为 Gaiki站、Transportation Centre(交通中心)站和 Wuse站,线路区段长度3 400m,具体平面位置见图1。

图1 Gaiki站至 Wuse站区段平面

3 Lot1B线 Gaiki站至 Wuse站区段线路方案研究

由于平面位置已经规划好,技术方案研究主要确定线路纵断面,并确定采用何种技术方案。通过现场调查,主要控制线路的构筑物有 D1bK3+040(Independence avenue中文译为独立大道)、D1bK3+822(Constitution avenue中文译为宪法大道)两处公路是进出城的主要通道,主道为公路桥(桥顶路面高程分别为 493.4m和 493.6m)和地面道(路面高程基本为485.5m),梁底离地面分别达到 6m左右,具体位置和高程见图2。另外现场有一条河流,基本与线路正交通过,里程为 D1bK4+549。D1bK5+530处道路宽度21m,是城市里主要通道,车流大、路面宽、坡度较小。

通过总体方案研究和考虑降低造价,Gaiki站至Wuse站确定为地面站,但 Gaiki站至 Wuse站区间线位复杂,Transportation Centre站采用何种形式需要进一步研究论证。为此,总体组人员选择了高架桥方案和深路堑两种方案进行研究。

图2 高架线路纵断面方案

3.1 高架桥方案

(1)线路纵断面方案

线路出 Gaiki站后向上爬坡,以 Independence avenue公路桥面高程作为控制点。桥下净高参照国内标准和当地重点路段实际桥下净空调查,采用 6m。考虑铁路梁 32 m梁高为 2.4 m,桥面至轨面高度为0.6m,因此轨面高程为502.67m。具体纵断面方案见图2。

由于该线路方案经过 Constitution avenue公路桥后,受规划 Transportation Centre站站位限制,该站只能采用高架车站方案。出站后采用 30‰设计限制坡度,下穿 Suflfan Abubabar way公路后到达 Wuse站。

(2)土建投资估算分析

研究施工方案期间,调查了当地的各个市政工程的材料价格指数和多年来中土公司尼日利亚当地劳动力使用价格及机械设备价格指数,按照中国铁建设[2006]113号文发布的《铁路基本建设工程设计概(预)算编制办法》对该方案进行投资估算。高架方案投资估算见表1。

3.2 深路堑方案

(1)线路纵断面方案

线路出 Gaiki站后以限制坡度 30‰向下,下穿通过该段所有公路,以挖方的形式做成路堑,路基两侧设置坡脚挡墙以减少挖方。下穿方案以Independenceavenue公路桥下中间道路路面作为控制高程,跨路处施做 1座框架桥保证公路使用功能。Constitution avenue采用上述相同方式穿越。出 Transportation Centre站后以高架桥通过河流,然后下穿 Suflfan Abubabar way公路后到达 Wuse站。该方案路堑一般深度 8 m左右,最深处达到 14m。线路纵断面方案和线路横断面方案见图3和图4。

表1 高架方案投资估算

(2)土建投资估算分析

针对该方案,进行工程量计算和投资估算分析。具体深路堑方案投资估算见表2。

3.3 高架桥方案和深路堑方案对比分析

(1)经济性评价

图3 深路堑纵断面方案

图4 路基横断面方案(单位:m)

对比两种方案的投资估算,深路堑技术方案节约投资1 060万美元,降低投资 23%。从投资方面考虑,深路堑技术方案为优选方案。

(2)当地适应性评价

尼日利亚当地多年平均降雨量为1 438.7mm,年降水日数 106 d,且雨季具有暴雨来的急、雨量大的特点,路基排水是需要重点考虑的因素。Abuja市的气候与中国的海南岛相似,海南岛水汽来源充足,降水总量多,平均年雨量约为1 640mm,大部分地区年降水日数超过 100 d。因此中国海南的铁路设计防冲刷技术具有借鉴意义。国内主要采用网格种草、人字骨架护坡等形式,考虑路堑顶应设截水沟,尽量减少线路范围内的水量。

表2 深路堑方案投资估算

综上分析,路堑方案主要考虑雨季病害和排水问题,设计选线存在 V字形坡,对排水不利。高架桥方案则不存在雨季排水问题,建成后雨季病害较少。

(3)可行性分析

尼日利亚当地施工水平较差,一般桥梁基本由国外施工单位修建,当地的机械设备主要集中在一些跨国公司内,采用高架桥方案,需要投入较多的机械设备,施工难度较大,对工期影响很大,估算加大工期至少 6个月以上。高架站施工难度和对工期的影响将更大。

路堑方案施工相对简单,施工进度快。但该方案需要在 2条公路桥的下方穿越,距离既有桥墩很近。该桥为连续箱梁,根据国内经验,一般允许沉降为几毫米,需要采取特殊的桥梁桩基加固措施和防沉降措施,施工难度也非常大。

(4)乘客换乘方便情况分析

根据总体规划,Transportation Centre站与国铁站和 Lot3线换乘,Lot3线下穿 Lot1线。采用地面站可方便旅客换乘,高架站旅客上下将变得困难,增加了换乘难度。

(5)景观度分析

高架桥方案主要对周边建筑影响较大,在市中心地带一般很少采用,总体效果较差。路堑方案做好边坡绿化,对周边环境和景观度影响较小,总体景观效果为中等。

综合上述分析,项目最后推荐采用深路堑技术方案作为首选方案。

3.4 进一步优化方案

深路堑技术方案作为首选方案后,2009年 12月,项目组织技术组对现场进行了进一步勘查,通过调查发现,深路堑地段开挖距离周边建筑物距离较近,需要收集房屋建筑资料进行影响沉降分析。另外,考虑当地的暴雨大和排水顺畅的因素,项目提出对深路堑方案进一步深化研究,并形成如下两种优化方案。

(1)部分隧道方案

考虑排水通畅,下穿 Independence avenue后,拉坡与 D1bK4+549河上桥梁高程联通。该方案解决了线路排水问题,但 Transportation Centre站将改为地下站,且最深路堑已达 20m,只能采用部分隧道通过,增加双线隧道长度 400m。经投资估算分析,该技术方案较深路堑方案增加1 329万美元,总估算投资达到4 805万美元,已经超过高架桥方案。

(2)地面线方案

为了进一步优化方案,项目组织专家组对该段实际情况进行了现场核对,充分调查了两条控制公路桥上、桥下、相邻道路和桥梁的实际情况,对深路堑方案进行了进一步研究。

通过调查发现,Independence avenue桥下公路 5m宽,为单向出城快速行车道,城铁线路左侧 100m处为立交桥,该车道下穿立交桥以减少十字路口交通干扰。Constitution avenue桥下公路 5m宽,为单向进入城区快速行车道,城铁线路左侧 100m处为立交桥,该车道下穿立交桥达到快速通过的目的。通过测量桥下公路获得线路数据为下穿立交桥时的道路坡度为 4%。

鉴于上述情况,项目提出了抬高桥下公路高程的方案,以减少路堑挖方。

在铁路与 D1bK3+080、D1bK3+822相交两处公路抬高 4m,道路改移详细纵断面见图5,既有道路坡度由原来近 0%变成 4.1%。

图5 桥下公路改移纵断面

经过优化后的线路纵断面方案见图6。

该方案与深路堑方案比较减少挖方231945m3,增加填方82 438m3,挡墙圬工减少22204m3,桥梁增加 185m,改移公路增加 0.6 km。与深路堑方案比较减少投资902.07万美元。同时桥下开挖深度在3.5m左右,大大降低了对既有桥桩的影响。具体投资估算见表3。

表3 地面线优化方案投资估算

图6 地面线纵断面方案

4 关于设计方案与造价的思考

有资料研究表明:前期规划和设计阶段已经决定了项目全寿命周期 80%的费用。

工程设计是工程建设的灵魂,是处理技术与经济关系的关键环节,是影响投资最大的阶段。在初步设计阶段,影响项目投资的可能性为 75%～95%;在施工图设计阶段,影响项目投资的可能性为 5%～35%。很显然,项目投资控制的关键在于施工以前的前期规划和设计阶段,而在项目作出投资决策后,控制项目投资的关键就在于设计。因此,规划与设计阶段对城市轨道交通工程的投资控制非常重要。

有关中国资料研究表明,占静态投资比重最大的为土建工程,占总投资的 23%～30%;在城市轨道交通规划阶段,线路走向、线路类别的选择对投资影响很大。一般说,高架线是地下线造价的 1/3～1/2,地面线又是高架线造价的 1/3～1/2。因此,在规划轨道交通线路时,一定要因地制宜,选择适当的线路类别。

通过本文相关方案的比对,采用地面线方案相比隧道方案,节约投资将近 48%,相比高架桥方案节约投资 43%。但地下线和高架线相比主要因为隧道部分相对较小,总体造价相近。如果将 400m隧道段拿出和高架桥比较,高架桥造价为 560万美元,隧道造价约为 900万美元,高架桥造价降低 38%。经过调查,当地的水泥价格是国内的 3.5～4倍,钢材是国内价格的 2倍,施工砂 1美元 /m3左右,碎石平均 1.6美元/m3左右。当地盛产石油,油料价格相对便宜,汽油每升 0.45美元,柴油每升 0.75美元。因此当地土建施工方案降低造价的主要措施应尽量减少混凝土圬工,多施做地面线,并尽量做到填挖平衡,从而达到降低造价的目的。

5 结语

城市轨道交通工程以其大运量、高效率、低污染等优势,成为许多大中城市解决交通问题的首选。目前一些新兴城市逐步把轨道交通系统随同城市规划一同进行,尼日利亚首都 Abuja就是典型例子。Abuja城铁Lot1B线是尼日利亚首都修建的第一条城市铁路,完全采用中国的铁路和地铁技术标准。随着中国轨道技术走向海外市场,设计合理、经济、适用的轨道系统,对于中国轨道技术标准走向国际有重要意义。

本文通过 Abuja城铁 Lot1B线部分区段的选线技术方案研究,对有关地下线、高架线、地面线等多方面进行了技术经济比选,最终提出了地面线技术方案,通过尼日利亚首都选线调查方法可为非洲铁路提供相关类似工程参考数据和建议。

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