济南轨道交通R1线工程新技术探索及应用

2018-01-09王国富王德超路林海刘海东

都市快轨交通 2017年6期

关键词：高架济南车站

王国富，王德超,2，路林海，刘海东，潘雷

(1. 济南轨道交通集团有限公司，济南 250101； 2. 同济大学土木工程博士后流动站，上海 200092)

济南轨道交通R1线工程新技术探索及应用

王国富1，王德超1,2，路林海1，刘海东1，潘雷1

(1. 济南轨道交通集团有限公司，济南 250101； 2. 同济大学土木工程博士后流动站，上海 200092)

R1线是济南首条轨道交通线路，在工程建造过程中探索、应用了多项绿色技术，详细介绍结构工程中的清水混凝土技术，深基坑支护及稳定性控制技术，混凝土刚性防水技术及预制构件应用技术；车辆基地上盖物业开发和建筑废弃物再利用技术；设备系统中的可调通风型站台门和隧道嵌装型蒸发冷凝技术等改造工艺，以及“海绵”设施应用、高架车站光伏发电和中压能馈等自然资源利用技术，以期为后续济南和其他城市轨道交通建设提供参考和借鉴。

济南轨道交通；绿色技术；建筑工程；设备系统

济南轨道交通建设由于受泉水影响，经历了漫长的准备时间，建设步伐与国内同等规模城市相比落后10余年，但正是由于起步晚，建设过程中可以充分发挥后发优势，借鉴其他城市地铁建设经验，采用国内外最新的施工工艺和设备集成技术。本文系统地介绍R1线工程建造周期内结构工程以及设备系统采用的新技术，为后续济南地铁工程及其他城市轨道交通建设提供借鉴。

1 工程概况

R1线位于济南西部新城区，南起池东站，北至演马庄西站，南北向敷设。线路全长26.1 km，其中高架段16.2 km，过渡段0.2 km，地下段9.7 km。全线共设置车站11座，其中高架站7座，地下站4座，范村车辆综合基地1处，控制中心1座。全线地面标高31.09～98.03 m，主要地貌单元类型有低山丘陵和冲洪积平原，地层岩性组合差异明显；地下水位埋深在4.1～28.5 m，地下水类型主要为第四系孔隙水和岩溶裂隙水[1]。高架车站为3层框架结构；地下车站为地下2层岛式车站(局部换乘节点为3层)，均采用明挖法施工。图1为R1线站位平面图。

图1 R1线站位平面图Fig.1 Line and station plan of R1

2 工程建设特点

2.1 泉城首条轨道交通线路

R1线开工建设标志着规划了20余年的地铁工程正式进入实施阶段，济南的轨道交通建设实现了历史性转折。

2.2 地铁建设与泉水保护协同发展

泉水是济南的灵魂，是全国乃至全世界人民的物质文化遗产，然而泉水在相当一段时间内却成为轨道交通建设的障碍，轨道交通建设需与泉水保护协同发展。

2.3 地铁建设周边环境复杂

R1线高架段路中平行上跨多处既有市政桥，斜交上跨济广高速(单跨超过100 m)；地下段近距离下穿京沪铁路框架涵、京台高速桥桩、京沪高铁桥桩、济南西客站进出口匝道桥等重要建(构)筑物。R1线地下水埋深浅，单井涌水量大，对地铁建设极为不利。同时，该区域存在一定数量充填-半充填溶洞，对高架段嵌岩桩桩基的稳定性存在不利影响[2]。

2.4 多项绿色建造技术综合运用

以资源节约、效率优化、和谐相生、统筹共享、智慧预愿、修复再造为目标，R1线拟采用30余项绿色建造技术，已获批住建部2016年科学技术项目和山东省住建厅科技示范工程。

3 结构工程特色与技术创新

3.1 高架车站清水混凝土外立面景观设计

R1线高架车站遵循“一线一主题，一站一风景”、“绿色、节能、生态、环保”以及“路中站外立面厚而不实，轻而不浮”的景观设计理念[3]，为节约城市用地，将车站外侧的设备用房布置于车站下方，在设备用房与站厅层之间留有空隙，既节约了土地又保证了车站整体空间的通透感(见图2)。

图2 R1线景观设计效果Fig.2 Landscape design of R1

车站建筑结构主体及外饰面均采用清水混凝土一次成型[4]，直接采用现浇混凝土的自然色作为饰面，凸显了车站庄重、质朴的特点。现场以前大彦站作为试验车站，针对施工中出现的混凝土砂线、泌水以及桥梁墩柱表观颜色不一致、黑斑等现象，对清水混凝土配合比进行了优化，控制混凝土坍落度为120 mm，提高粗骨料(16～31.5 mm碎石)用量，减少砂率至40%。试验方案优化后(见表1中方案2)，混凝土表观光滑度及亮度均较好，高效减水剂的应用保证了混凝土的和易性，现场施工顺利。

表1 清水混凝土配合比统计

3.2 预制U型梁截面优化及架梁技术

针对高架U型梁受力结构不合理、跨度很难突破30 m、易开裂、梁间接缝隔音效果差且与景观不协调等问题，对U型梁采用混凝土性能、浇筑工艺、振捣工艺、脱模剂、养护工艺，预应力张拉顺序及张拉应力分批控制等进行探索，改善了U型梁外观，提高了梁体抗裂性能；通过对U型梁截面优化，降低了底板截面高度，优化配筋量3%，节约钢材1 000 t；砼优化6%，减少4 000 m3，图3为预制U型梁现场照片。

图3 预制U梁现场Fig.3 Precast U beam

3.3 强富水砂卵石地层基坑支护技术

R1线王府庄站基坑地质条件自上而下依次为杂填土、黄土、粉质黏土、卵石层、粉质黏土、卵石层，基底大部分位于卵石层中，基坑开挖时易发生涌水或渗透破坏等问题，影响基坑开挖面的稳定性，同时也会引起基坑外的水位持续下降，导致周边土体产生较大的固结沉降，使建筑物产生过大变形[5]。因此，王府庄站在基坑施工过程中充分利用基底以下粉质黏土层的隔水作用，对厚度小于3 m的隔水层采用袖阀管注水泥-水玻璃双液浆的方式进行基底加固，有效控制了坑底加固效果。

在基坑围护结构设计过程中对比分析了钻孔灌注桩+止水帷幕、套管咬合桩和地下连续墙的施工方案，经过技术经济比选，最终选择套管咬合桩施工方案，表2为3种围护结构的对比分析。套管咬合桩是一种新型的围护结构，由于其桩芯相互咬合，解决了传统排桩相切时防水效果差的问题[6]。同时，基于桩墙合一的理念，采用桩墙复合方案优化了主体结构侧墙尺寸，节约了工程造价。套管咬合桩方案成功解决了常规工法在泥浆难以护壁的强渗透高富水卵石层中无法钻进成桩、止水效果差的难题。王府庄站基坑已开挖完毕，监测结果显示，套管咬合桩打设精度高、止水效果好，在济南强富水砂卵石地层中得到成功应用。

3.4 深基坑围护桩插入比及嵌岩深度优化

工程勘察设计初期，R1线在地质条件较差地段围护桩的插入比设计相对保守，基本在0.7～0.8。结合济南地层的实际情况及详勘的地质参数，采用数值模拟和理论分析手段对围护桩的插入比进行了优化，现场工程应用结果显示，围护桩插入比在0.5～0.6可满足基坑和支护结构稳定性的要求；同时，对围护桩嵌入中风化岩层的深度进行了优化，由原设计的4～5 m调整为2～3 m，优化后既满足了基坑稳定性要求，又降低了工程投资和施工难度，具有显著的经济效益和工程价值。

表2 围护结构对比分析

3.5 泉域地层基坑封闭降水及原位回灌技术

R1线地下车站基坑范围内卵石层、砂土层较厚，富含地下水且无稳定的隔水层。地铁基坑施工如采用直接降水方案对地下水环境及周边建筑物的稳定性造成较大影响，地下水资源浪费严重。

针对这一工程技术难题，轨道集团依托省部级课题《济南地铁富水地层基坑降水与回灌保泉关键技术应用研究》，将泉域范围内不同深度地层的基坑降水回灌区域进行分区分级，将回灌区域划分为非常适宜区，适宜区、较适宜区、不适宜区和非常不适宜区5类，并给出了相应的判定标准[7-8]。在此基础上，自主研发了基坑降水原位回灌装置(见图4)，现场回灌试验结果表明，王府庄和演马庄西站等地下车站的回灌率可达到90%以上。

图4 基坑降水原位回灌装置Fig.4 In situ recharge device of foundation pit dewatering

3.6 混凝土刚性防水技术

通过大量的现场调研及施工经验总结表明，侧墙防水在施工过程中可能会存在卷材被钢筋扎穿，搭接不到位，密封不实等现象；施工单位进行主体结构浇筑时因过度依赖侧墙防水，而忽视对混凝土浇筑质量的控制，导致混凝土出现较大裂缝。上述情况往往会导致“双保险”的防水体系同时失效，主体结构防水效果无法保证，且增加了工程造价，延长了施工工期。因此，有必要探索以混凝土自防水为主的防水体系，通过优化混凝土参数配比，严格控制混凝土浇筑工艺，尽量避免混凝土的荷载裂缝和温度裂缝，达到仅采用混凝土自防水即可实现主体结构防水的目的。在R1线车站结构施工过程时，选择了玉符河—王府庄站入地段进行探索性试验以验证混凝土自防水效果。

3.7 预制疏散平台技术

目前使用的疏散平台多为钢架组合结构、管片钻孔螺栓连接、复合材料板面，这种疏散平台存在施工复杂，耐久性差，振动荷载作用下连接易松动，钻孔造成管片结构损伤等缺点。基于此，自主研发了一种盾构区间隧道预制疏散平台，该疏散平台支架的螺栓孔和凸出的榫头均为预制而成，同时在盾构管片上预留螺栓孔和圆形榫槽，可实现疏散平台支架的现场快速拼装。改善了施工环境，提高了安装效率，效果显著，优势明显。

3.8 预制桩及叠合结构在基坑支护中的应用

基于推进地铁车站构件预制化进程，实现围护与主体结构相结合的设计理念[9]，在R1线演马庄西站试验了自主研发的新工法，图5为新工法效果图。该工法基坑围护结构采用700 mm×700 mm的预制方桩，桩间距1 500 mm，先用长螺旋钻机成孔并注入一定体积的水泥土浆，然后植入预制方桩，桩侧留有预埋件，后期与侧墙叠合作为加强肋；车站顶板采用预制和现浇叠合的方式，将第一道混凝土支撑与预制板相结合作为现浇部分的底模；车站中部设置400 mm×400 mm的预制方桩作为临时立柱，待主体结构施工完成后，预制立柱后包混凝土作为车站的永久结构柱，车站结构其余施工工艺与明挖顺作法相同。

图5 预制桩叠合结构效果Fig.5 Precast pile composite structure

该工法采用预制方桩作为基坑围护结构，不仅提高了成桩效率，而且将成孔时的渣土作为包裹预制桩的水泥土原材料，实现了弃土的资源化再利用(桩长24 m，用渣土量5 m3)；将部分预制构件应用于地下工程，实现永临结合，缩短了施工工期，节约了施工成本。

4 车辆基地上盖及周边物业一体化开发

地铁车辆段占地面积大，利用上部空间进行物业开发，结合规划开发成住宅及公建设施，可充分开发商业利用价值，提高轨道交通和周边土地的综合效应，带动周边地块的经济发展，完善整个区域的城市功能[10]。范村车辆基地位于赵营站的东南侧，占地面积50 hm2，基于车辆基地的地理位置、规模与城市总体规划、专项规划、地区规划发展协调考虑，在车辆基地检修库和运用库进行上盖物业开发，其中，运用库上盖11层，检修库上盖6层，业态以住宅为主，另有少量公寓及配套设施，同时在车辆基地北侧的空白地区进行一体化物业开发。图6为范村车辆基地物业开发效果图。

图6 车辆基地物业开发效果图Fig.6 Real estate development above subway vehicle base

5 建筑废弃物再利用及柱锤强夯技术

范村车辆基地场地内近10万m3的房屋拆迁建筑垃圾，垃圾外运不仅影响建设工期、增加建设成本，还占用土地资源、恶化市区环境。车辆基地需采用大量C类土回填和强夯，遵循减量化、资源化、无害化和产业化的原则，将此类建筑垃圾进行回填利用，强夯后的地基承载力不仅有了大幅度提高，而且还降低了对周边环境的影响，充分体现了节地、节材和环保的建设理念。

此外，车辆基地北侧为U型梁预制场，为了解决U型梁预制和车辆基地强夯振动之间的矛盾，采用柱锤强夯技术，柱锤高径比大、与地面接触面小，静压力大，影响深度增大，振动的传播以垂直向为主，面波传播为辅。柱锤强夯技术，降低了对周围环境和U型梁施工的影响，提高了强夯的处理效果。

6 设备系统新技术推广应用

6.1 可调通风型站台门技术

可调通风型站台门系统是在传统站台门固定门或滑动门上部设置带可控风阀的通风口的一种空调制式。图7为可调通风型站台门立面图，图8为站台门上可调风阀及风口结构图。空调季节站台门上的通风口关闭，系统采用传统站台门系统运行；非空调季节站台门风口开启，系统采用开式系统运行。整合了站台门系统与闭式系统节能优势的可调通风型站台门系统，可以适用于多种气候分区，实现全年节能运行[11]。

图7可调通风型站台门立面Fig.7 Adjustable ventilation platform door

图8 站台门上可调风口风阀结构Fig.8 Adjustable wind valve structure on the platform

6.2 隧道嵌装型蒸发冷凝技术

隧道嵌装型蒸发冷凝空调系统如图9所示，由直膨压缩装置和压缩冷水装置、嵌装型蒸发式冷凝装置、直膨型空调箱、安全及智能控制系统、蒸发冷凝水质检测系统等组成。将蒸发冷凝装置嵌装在排风道中，利用地铁排风进行冷凝排热，省去了冷冻水管路、冷冻水泵、分集水器等设备。具有取消冷却塔、节省土建投资、降低运行能耗等优点。R1线4个地下站采用隧道嵌装式全工况高效能空调系统，一个空调季可以节省能耗、水耗费用约50万元。同时，取消了冷却塔、制冷机房，节省了大量土建投资。

图9 隧道嵌装型蒸发冷凝系统示意Fig.9 Tunnel mounted evaporative condensation system

6.3 “海绵”设施应用技术

R1线高架车站、区间、车辆基地等地上建筑及设施采用源头削减、中途转输、末端调蓄等技术，提高对径流雨水的渗透、调蓄、净化、利用和排放能力，实现“海绵”功能。

6.3.1 高架区间“海绵”设施应用技术

R1线高架区间间隔约30 m设置2根雨水立管，每根雨水立管汇水面积150 m2，收集雨量8.31 m3。图10为储水箱加雨水花园方式，收集的高架区间雨水用于绿化灌溉，可节省大量园林绿化用水。

图10 储水箱加雨水花园Fig.10 Water storage tank and rain garden

6.3.2 车辆基地“海绵”设施应用技术

R1线范村车辆基地总汇水面积约为50 hm2，在基地东南侧及北侧的绿地上分别设置2个占地200 m2雨水收集模块，收集列检库等大型屋面虹吸排水系统约1 000 m3雨水量，并接入中水系统作为基地绿化、洗车用水；场前区办公楼屋面采用屋顶绿化，既降低了屋面径流系数，又减少了办公区热岛效应；设置下沉绿化带、植草沟等海绵设施，消纳车行道的径流雨水。通过上述措施，实现车辆基地对径流雨水的“自然积存、自然渗透、自然净化”功能。

6.4 高架车站光伏发电技术

R1线高架车站采用光伏发电系统，不仅可以降低运营成本，推动该技术在轨道交通领域的发展，也可为其他城市提供借鉴。R1线共设置7座高架车站，标准高架车站屋顶总面积3 056 m2，其中光伏可用面积2 033 m2，标准车站剖面参见图11[12]。

图11 标准车站剖面Fig.11 Standard station profile

根据光伏组件年总辐照量与倾角、阵列间距与倾角的关系，济南地区光伏板安装倾角为12°，光伏发电系统的净现值和发电量较高，且初始投资和回收期适中，能较好地兼顾经济效益和社会效益。

R1线7座高架车站配电变压器容量均为2×400 kVA，光伏发电系统的最大上网功率约为114.4 kW，不能满足车站全部负荷用电需求。基于供电可靠性要求，高架车站光伏发电系统应采用低压并网方式。白天车站负荷优先使用光伏发电的电能，不足时由电网补给；在夜间或阴雨天光伏系统不能发电时，车站负荷由电网供电。

6.5 中压能馈技术

轨道交通车辆所采用的电制动方式一般包括再生制动和电阻制动两种方式。采用再生制动能量吸收装置以后，当处于再生制动工况下的列车产生的制动电流不能完全被其他车辆和本车的用电设备吸收时，线路上设置的再生制动能量吸收装置投入工作，吸收多余的再生电流，使车辆再生电流持续稳定，以最大限度发挥电制动性能。

R1线在牵引混合变电所中共设置9套再生能量吸收装置，回收车辆制动能量，减少了大量牵引能耗。

6.6 非晶合金变压器应用技术

非晶合金变压器应用在轨道交通动力照明供电系统中。由于车站配电变压器根据机电设备最大工况进行容量选择，运营中动力照明负荷率较低，空载损耗尤为突出，从而造成系统损耗率较高。采用非晶合金变压器可以有效降低系统损耗中的变压器损耗，可有效降低空载损耗，节约配电设备的能源和运行费用。

R1线供电系统配电变压器采用非晶合金变压器，空载损耗较常规的S10系列变压器下降了75%～80%，可节省电费约594万元(按30年使用寿命计算)。

7 结语

1) R1线是泉城首条轨道交通线路，周边环境极其复杂，线网规划及工程施工注重地铁建设与泉水保护协调发展，运用了多项绿色建造技术，是住建部和山东省科技示范工程。

2) 套管咬合桩技术、基坑封闭降水及原位回灌技术、围护桩结构优化技术、混凝土刚性防水技术的应用在很大程度上解决了土建工程中存在的施工技术难题，且节约了大量的工程投资。

3) 预制U梁技术、预制疏散平台技术和预制桩叠合结构技术的应用，可有效改善施工环境，降低噪声污染，提高施工效率，推动产业化的发展。

4) 可调通风型站台门技术、隧道嵌装型蒸发冷凝技术、“海绵”设施应用技术、高架车站光伏发电技术、中压能馈技术、非晶合金变压器技术的应用，可有效降低地铁运行能耗，充分利用自然资源，节省大量工程投资，具有较高的经济和社会效益。

5) 从结构工程、车辆基地物业开发和设备系统等方面对R1线工程新技术进行了探索，可为后续和其他城市轨道交通建设新技术的采用提供借鉴和参考。

[1] 陈爱侠，杨晓婷.轨道交通线网规划实施对地下水环境影响分析[J].北京理工大学学报, 2011, 31(2): 236-239.

CHEN Aixia, YANG Xiaoting.Analysis on the impacts of rail transit network planning implementation on groundwater circumstances[J].Journal of Beijing Institute of Technology, 2011, 31(2): 236-239.

[2] 王国富，路林海，朱立香.济南轨道交通R1线工程勘察重难点分析及对策[J].都市快轨交通, 2014, 27(6): 92-96.

WANG Guofu, LU Linhai, ZHU Lixiang.Key and difficult points in geotechnical engineering prospecting of Ji’nan rail transit Line R1 project and the countermeasures[J].Urban rapid rail transit, 2014, 27(6): 92-96.

[3] 刘祥勇.济南R1线高架车站外立面景观造型设计研究[J].地下工程与隧道, 2015(4): 21-24.

LIU Xiangyong.Facade design and study of elevated station of Jinan R1 Line[J].Underground engineering and tunnels, 2015(4): 21-24.

[4] 王龙志, 王桂玲, 林开成, 等.城市桥梁清水混凝土的研究与应用[J].混凝土, 2004(9): 60-62.

WANG Longzhi, WANG Guiling, LIN Kaicheng, et al.Research and application of the urban bridge fair-faced concrete[J].Concrete, 2004(9): 60-62.

[5] 李享松, 覃娟, 罗概, 等.富水砂卵石地层注浆参数优化研究[J].铁道科学与工程学报, 2016, 13(3): 469-475.

LI Xiangsong，QIN Juan，LUO Gai，et al.Study on optimization of grouting parameters in water-soaked sand and cobble stratum[J].Journal of railway science and engineering, 2016, 13(3): 469-475.

[6] 王丹.济南轨道交通规划中的独特性分析[J].都市快轨交通, 2015, 28(5): 117-121.

WANG Dan.Analysis of distinctive features in Ji′nan rail transit network planning[J].Urban rapid rail transit, 2015, 28(5): 117-121.

[7] 王国富，李罡，路林海，等.济南轨道交通R1 线车站基坑降水回灌适宜性分析[J].施工技术, 2016, 45(1): 67-72.

WANG Guofu, LI Gang, LU Linhai, et al.Foundation excavation dewatering and artificial recharge suitability analysis of Ji′nan rail transit R1[J].Construction technology, 2016, 45(1): 67-72.

[8] 王国富，唐卓华，李罡，等.基坑工程降水回灌适宜性分级研究[J].施工技术, 2016, 45(13): 41-44.

WANG Guofu, TANG Zhuohua, LI Gang, et al.Suitability classification of groundwater recharge in deep foundation excavation[J].Construction technology, 2016, 45(13): 41-44.

[9] 王建华，徐中华，王卫东.支护结构与主体地下结构相结合的深基坑变形特性分析[J].岩土工程学报, 2007, 29(12): 1899-1903.

WANG Jianhua, XU Zhonghua, WANG Weidong.Analysis of deformation behavior of deep excavations supported permanent structure[J].Chinese journal of geotechnical engineering, 2007, 29(12): 1899-1903.

[10] 史时喜.地铁车辆基地上盖物业开发设计探讨[J].铁道标准设计, 2015, 59(3): 147-150.

SHI Shixi.Approach to property development of subway vehicle base[J].Railway standard design, 2015, 59(3): 147-150.

[11] 王国富，刘海东，潘雷.可调通风型站台门系统在济南地铁中的适用性研究[J].都市快轨交通, 2016, 29(5): 99-103.

WANG Guofu, LIU Haidong, PAN Lei.Research on adjustable ventilation platform doors system of Ji′nan rail transit[J]. Urban rapid rail transit, 2016, 29(5): 99-103.

[12] 北京城建设计发展集团股份有限公司.济南市轨道交通R1线工程初步设计[A].济南，2015.

ExplorationandApplicationofNewTechnologiesinLineR1ofJi’nanRailTransit

WANGGuofu1,WANGDechao1,2,LULinhai1,LIUHaidong1,PANLei1

(1.Ji’nan Rail Transit Group Co., Ltd., Ji’nan 250101; 2. Mobile Post-doctoral Station in Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092)

Many environmental-friendly construction technologies have been applied to Line R1, the first rail transit line in Ji’nan, such as bare concrete technology, deep foundation pit supporting and stability control, concrete rigid waterproof and the use of prefabricated parts in the structural engineering, development of real estates above the subway vehicle base and recycling of construction waste, modification of adjustable ventilation platform doors, tunnel embedded evaporation condensation technique, etc., in the equipment system, as well as the natural resource utilization technologies like the use of the “sponge” facility, photovoltaic power generation in elevated railway stations and medium-voltage regeneration.

Ji’nan rail transit; new technology; structural engineering; equipment system

10.3969/j.issn.1672-6073.2017.06.002

U239.5

1672-6073(2017)06-0007-07

2016-12-15

2017-02-23

王国富，男，博士，研究员，从事岩土工程、结构工程相关理论和技术研究工作，metr_jinan@126.com

山东省自然科学基金项目(ZR2016EEQ25, ZR2016EE Q028)；济南市博士后创新项目；山东省住建厅科技项目(2017-K2-011，2017-K4-008)

(编辑：曹雪明)

全球首条虚拟轨道列车示范线在湖南运行

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