暗挖地铁车站通风系统的布置与风道的设计研究

童利红，孙为东，孙俊利

(1.北京市轨道交通建设管理有限公司，北京 100037;2.中铁隧道勘测设计院有限公司，天津 300133)

0 引言

随着城市的发展，地铁建设已成为解决城市交通拥堵问题的重要举措之一。城市核心区房屋拆迁、地下管线改移和树木伐移难度越来越大，道路交通导改越来越受到制约，地铁车站和附属结构常常采用暗挖法进行施工。根据设备的需求，暗挖双层风道结构的宽度和高度都很大，是除车站主体结构和渡线段外最大的结构断面，施工难度和施工风险大，施工工期长。

目前，有关风道结构的相关研究主要集中在风道大断面结构的施工技术和施工风险控制等方面。杨会军［1］主要论述了浅埋暗挖法施工大跨度地铁风道的施工技术。杨威虎等［2］研究了大断面暗挖地铁风道施工过程中的几个关键技术环节。张会伍［3］分析研究了风道的开挖方法及技术措施。另外，针对屏蔽门通风空调系统的风道形式的研究，陈耀武［4］对该种通风系统下风道的布置形式、工程投资的定性分析和使用功能等进行了比较和分析。刘磊等［5］论述了通风空调系统模式下几种不同形式活塞风道方案的功能及经济性。张立琦［6］简要介绍了该种模式的特点及风道的基本形式等。本文针对集成闭式环控系统，介绍了暗挖车站通风系统的4种布置形式(即单独设置风道形式、与区间合建形式、加长主体结构与其结合设置形式和暗挖主体结构增加1跨与其结合设置形式)，分析了不同布置形式下的建筑功能、结构特点、投资造价差异和适用条件。设计时，可根据周边环境条件，选择适当的布置形式，规避工程风险，减小施工难度。

1 暗挖风道的设置方式

1.1 单独设置的暗挖双层风道结构

目前，暗挖双层风道通常是在车站主体结构外单独设置。若车站采用暗挖法施工，风道通常兼作施工通道，与车站相接处需适当挑高。根据风道内的设备、管线的尺寸和安装检修空间要求，暗挖双层风道的平面、纵剖面和横剖面布设详见图1。

图1 暗挖双层风道的典型布置图(单位:mm)Fig.1 Typical layout of mined two-storey ventilation passage(mm)

1.2 车站主体加长布设风道设备

风道设备放在车站主体内，出风口放在车站外侧或从车站顶出。目前风道设备放在车站内的做法常应用在明挖车站，特别是带配线的明挖站的设计，暗挖车站中应用相对较少。风道放在车站主体内时，为避免站台层设置风道形成跨轨的复杂风路和复杂结构形式，一般采用将新风道、排风道均设置在站厅层的形式，即采用“单层风道”形式。对于暗挖法车站，适当加长车站以放置风道内的各种设备，并通过综合调整站厅、站台层设备管理用房布局，可以达到合理规模，具体形式见图2。

图2 风道设备放在暗挖主体结构内的剖面图(单位:mm)Fig.2 Profile of ventilation passage installed within mined main station structure(mm)

1.3 风道与区间结构合建

风道单独设置时一般设置在正线线路以外。受出风口位置所限，车站和区间均采用暗挖法施工，采用车站加长会导致车站规模增加较大时，可将风道结构与区间结构合建，即新风道、排风道分别与线路的左线、右线区间隧道结合，新、排风道位于上层，区间隧道位于下层，见图3。

图3 风道与区间合建剖面图(单位:mm)Fig.3 Combination of ventilation passage and running tunnel(mm)

1.4 车站主体增跨布设风道设备

PBA工法是一种在优先施工小导洞、梁和柱形成强有力的支撑体系后施工车站的顶板、中板和底板的暗挖工法，具有施工组织方便、安全可控和周边沉降相对较小的特点，是大断面结构暗挖施工常用的施工工法。根据结构的宽度，PBA工法可采用连续多跨的形式。双层风道的高度同车站高度，当车站采用PBA工法暗挖施工时，可将车站主体结构两端局部增加1跨作为风道，风道与车站合并设置，见图4。

图4 风道与PBA暗挖车站主体结构合并设置的剖面图(单位:mm)Fig.4 Additional span of Metro station used as ventilation passage(mm)

2 风道设置方式对车站规模和布局的影响

不同的风道设置方式，对车站的总体建筑规模和布局影响较大，车站周边环境不同，风道的设置方式也不同。为了分析风道布置方式对车站建筑规模和布局的影响，以北京地铁6号线西延工程廖公庄站为例，在公共区标准、设备管理用房区标准等相同条件下，不同方案按同深度进行设计和比较分析。

2.1 工程概况

廖公庄站为8辆B型车编组车站，横跨巨山路，主体结构为双层双柱三跨岛式形式，采用PBA暗挖法施工。车站站台宽14 m，结构覆土7～10 m，底板埋深约23 m。风道既可单独设置，也可结合主体结构设计。

车站为牵引降压混合变电所车站及信号集中站，除了常规管理、设备用房外，还设置了零星的便民服务设施用房，其余设备管理用房设置与北京市典型地铁车站相同，公共区根据《地铁设计规范》［7］、《城市轨道交通技术规范》［8］及《建筑设计防火规范》［9］的相关要求进行设计。

2.2 风道单独设置的建筑布置

风道单独设置时，设在车站两端，采用暗挖双层结构，最小长度为60 m，宽度为9.9 m，风道区建筑面积约2 400 m2。车站为双层双柱三跨结构形式，车站总长度为233.05 m，宽度为22.9 m，主体建筑面积为10 697 m2。车站主体结构和风道建筑面积合计为13 097 m2。站厅、站台平面布置如图5和图6所示。

图5 风道单独设置时站厅层和风道上层平面布置图(单位:m)Fig.5 Plan layout of concourse and upper storey of ventilation passage when separate ventilation passage is installed(m)

图6 风道单独设置时站台层和风道下层平面布置图(单位:m)Fig.6 Plan layout of concourse and lower storey of ventilation passage when separate ventilation passage is installed(m)

2.3 车站主体加长布设风道设备的建筑布置

车站主体结构横断面不变，加长车站将风道设备设在车站主体结构内时，需要优化调整部分站厅、站台用房的布局，即将部分站厅的设备用房调整到站台层，风道设备主要布设在站厅层。

车站总长度为268 m，结构宽度为22.9 m，主体结构总面积(含风道)为12 159 m2，其中风道区总面积为1 378 m2。站厅、站台平面图如图7和图8所示。

2.4 风道与区间结构合建的的建筑布置

车站主体结构形式不变，风道与区间结构合建，上层为风道，下层为区间，局部风路合流处设置风道夹层上跨区间。按照风道布置设备和管线必要空间的尺寸要求，新风道结构宽度为8.9 m，排风道结构宽度为7.6 m，区间结构相应增大。

风道区建筑面积2 427 m2，车站与区间风道区建筑面积合计为13 147 m2。站厅、站台平面图如图9和图10所示。

2.5 车站主体增跨布设风道设备的建筑布置

车站主体长度不变，将车站主体结构两端局部增加1跨作为风道，风道与车站合并设置。车站总长度为233.05 m，3跨段结构宽度为22.9 m，4跨段结构宽度为30.8 m。小端4跨长度为36.7 m，大端4跨长度为42.1 m。风道区面积为1 849 m2，主体结构和风道建筑面积合计为12 545 m2。站厅、站台平面图如图11和图12所示。

2.6 风道设置方式对车站规模和布局的影响分析

针对上述4种风道设置方式，主要建筑规模指标统计如表1所示。

图7 风道设备设在车站主体结构内站厅层平面图(单位:m)Fig.7 Plan layout of concourse when ventilation passage is installed within main station structure(m)

图8 风道设备设在车站主体结构内站台层平面图(单位:m)Fig.8 Plan layout of platform tunnel when ventilation passage is installed within main station structure(m)

图9 风道与区间合建的站厅层平面图(单位:m)Fig.9 Plan layout of concourse when ventilation passage is combined with running tunnel(m)

图10 风道与区间合建的站台层平面图(单位:m)Fig.10 Plan layout of platform tunnel when ventilation passage is combined with running tunnel(m)

图11 风道与车站主体合并设置时站厅层平面图(单位:m)Fig.11 Plan layout of concourse when ventilation passage is combined with main station structure(m)

图12 风道与车站主体合并设置时站台层平面图(单位:m)Fig.12 Plan layout of platform tunnel when ventilation passage is combined with main station structure(m)

表1 不同风道布设方式的主要建筑规模指标统计表Table 1 Main indices of architectural scale under different layout modes of ventilation passagess

通过对表1进行分析可得出以下结论:

1)风道单独设置和与区间结构合并设置时，由于风路转换空间、层间楼梯和检修通道不能共享等因素的影响，风道面积较大，车站建筑总面积也较大。表1内的风道面积是按设备需求的最小长度进行分析的，实际工程受风井布设位置制约常常需要加长。

2)风道单独设置和与区间结构合并设置时，车站主体结构内大、小系统风路、供电、动照、消防和环控水管等管线均需通过风道与主体结构的接口处进入风道，该处结构断面局促，是管线综合瓶颈点。各种管线、管路通过采用减少间距、取消支架、合用管槽和占用检修空间等办法通过瓶颈位置，设备的安装难度、运行可靠度及管线检修、维护的难度都很大。

3)车站主体结构适当加长或局部增加1跨布设风道设备时，风道面积较小，车站建筑总面积也较小。与风道单独设置相比，车站局部增加1跨方案风道面积减少23%以上，车站主体加长方案风道面积减少40%以上，车站总面积减少900 m2左右。

4)车站主体结构适当加长或局部增加1跨布设风道设备时，设备布置紧凑、空间利用充分、无需上下层风路转换空间。同时，避免了管线均由风道与车站接口处穿越的情况，管线可以根据各自功能需求布设，减少了管线长度，降低了设备投资和功耗，提高了可靠度及维护便捷性。

3 风道设置方式对结构和造价的影响

为研究不同风道设置方式的结构形式对工程造价的影响，仍以北京地铁6号线西延工程廖公庄站为例进行综合比较分析。

3.1 水文地质条件

车站结构底板埋深约23 m，结构覆土厚7.7 m。主体结构范围内自上而下依次穿越卵石⑤和卵石⑦层。拱顶位于卵石⑤中，地基持力土层为卵石⑦层。卵石⑦层属低压缩性土层，分布连续、稳定、均匀，且无软弱下卧层，可作为良好的天然地基持力土层，地基承载力特征值为600～800 kPa。

抗浮设防水位按55.0 m标高考虑，设防水位位于地面以下约9.6 m处。

3.2 风道设置方式的结构形式

3.2.1 风道单独设置和与区间结构合并设置的结构形式

风道单独设置时，结构开挖内净空尺寸为8 m(宽)×10.6 m;风道与区间结构合并设置，结构开挖内净空尺寸为7.3 m(宽)×11.81 m和6.0 m(宽)×11.81 m。通常采用CRD工法施工。

3.2.2 车站加长布设风道设备的结构形式

车站主体为双层双柱三跨岛式车站，采用PBA暗挖法施工，结构断面如图13所示。

3.2.3 车站局部增设1跨布设风道设备的结构形式

车站局部增设1跨后变为三柱四跨结构，采用PBA暗挖法施工，结构断面如图14所示。

3.2.4 风道设置方式的施工影响

风道设置方式不同，施工工法不同，车站工程筹划也不同，对工程实施影响较大，不同风道设置方式的特点、应用条件和功能比较如表2所示。

图13 双柱三跨PBA暗挖车站的结构剖面图(单位:mm)Fig.13 Profile of double-column three-span Metro station constructed by PBA method(mm)

3.3 经济技术分析

以上4种风道布置方案的造价差异主要体现在双层三跨(四跨)PBA暗挖主体结构的工程量、单独设置风道的工程量、与区间合建风道的工程量、竖井形式与数量等单项工程造价和数量方面。按照《北京市建设工程概算定额》［10］对各分项按工程概算单价进行统计，主要计算结果见表3。

图14 三柱四跨PBA暗挖车站的结构剖面图(单位:mm)Fig.14 Profile of 3-column 4-span Metro station constructed by PBA method(mm)

表2 不同风道设置方式的特点、应用条件和功能比较Table 2 Features，application conditions and functions under different layout modes of ventilation passages

表3 各风道布置方案工程造价对比Table 3 Construction costs under different layout modes of ventilation passages

从表3分析可得出以下结论:

1)车站主体结构工程总造价，方案4造价最低，方案3造价最高，两者相差3 155.52万元，可见不同的风道设置方案对车站整体造价有较大影响。若以单独设置风道方案为基准，与主体结构结合设置的2种方案比较，方案2比其造价高3.8%，方案4比其低4.8%。

2)方案1的造价是按高风亭且风道长度最短的条件计算的，若采用低风亭或受条件制约加长，造价会更高。

4 结论与建议

通过以上分析，认为方案2和方案4在建筑布局、使用功能、结构、工筹、规模指标及经济性、用地等方面比方案1和方案3有一定优势，条件适用时，可优先采用。暗挖风道的布置形式与车站周边环境密切相关，设计时需综合考虑各方面的因素选择合理的方案，尽量规避重大风险，以利于施工组织。

［1］ 杨会军.浅埋暗挖大跨地铁风道施工技术［J］.铁道工程学报，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］ 杨威虎，杜江，刘焕强.双层双跨平顶直墙暗挖地铁风道二次衬砌施工关键技术［J］.隧道建设，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］ 张会伍.大断面地铁车站通风道暗挖施工技术［J］.市政技术，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］ 陈耀武.车站暗挖风道的优化配置［J］.都市快轨交通，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］ 刘磊，张良焊.地铁屏蔽门通风空调系统活塞风道方案研究［J］.暖通空调，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］ 张立琦.地铁通风空调集成闭式系统风道设计浅析［J］.暖通空调，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］ 北京城建设计研究总院有限责任公司，中国地铁咨询有限责任公司.GB 5015—2013地铁设计规范［S］.北京:中国计划出版社，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］ 中华人民共和国住建部地铁与轻轨研究中心.GB 50490—2009城市轨道交通技术规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，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建筑设计防火规范［S］.北京:中国计划出版社，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号《北京市建设工程概算定额》［M］.第十三册:地铁工程.北京:中国建筑工业出版社，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))