京张高铁八达岭长城地下站设计理念及实现路径

2020-08-01俞祖法刘建友

隧道建设(中英文) 2020年7期

赵勇，俞祖法，蔡珏，吕刚，刘建友,*，岳岭

(1.中国铁路经济规划研究院有限公司，北京 100844;2.中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

0 引言

工程的设计理念是工程师在工程设计过程中所确立的主导思想，赋予工程文化内涵和风格特点。好的设计理念至关重要，是设计的精髓所在，使工程建筑的安全性、实用性、美观性和文化性达到统一，实现与众不同的效果。

京张高铁从2008年开始设计至2016年开工建设，历经了长达8年的设计过程。八达岭长城站从选线、选址、总体方案、防灾救援、支护体系、施工工艺到设备选型等设计过程，都经历了多轮多方案的比选论证。统一八达岭长城站的设计思想，减少各专业、参建各方对设计方案的分歧，确立统一的设计理念，对提高设计效率和水平，建设一座高水准的地下车站具有重要意义。

诸多地下车站都确立了自己的设计理念，如宁波地铁地下车站建设中采用新型的环保材料、打破传统的建筑设计风格，将城市对外交通和内部交通有机衔接，实现“以人为本、高效便捷”的设计理念[1]。杨雷[2]以上海轨道交通17号线淀山湖大道站为例，提出了使轨道交通地下车站与周边物业空间有机衔接的设计理念。深圳福田站遵循“以人为本，综合考虑建筑艺术、地形条件、施工技术、先进设备、运营管理”的设计理念，利用明挖大型深基坑和柱-梁-板结构体系，搭建3层大跨度地下空间，采用了站台抗压屏蔽门、新型减振无砟轨道及吸收道床、长耐火建筑分隔材料，形成独立的防火单元，将站房与商业大楼融为一体[3-4]。天津于家堡站采用大型穹顶结构、下沉敞开式庭院、采光井等措施，实现了舒适和节能的设计理念[5]。

可见，地下车站的设计理念均是在结合项目本身特点的基础上，体现以人为本的核心宗旨，利用各种技术手段实现安全、便捷和舒适的目标。本文主要介绍八达岭长城站的设计理念及其内涵，以及各个设计理念的实现路径。

1 八达岭长城站的概况及定位

京张高速铁路是我国“八横八纵”高速铁路网的第二横——京兰高铁的首段，是连通首都至西北地区的干线铁路，也是2022年北京冬奥会的交通保障线，是中国人自主设计施工的第一条铁路——京张铁路的姊妹线，成为我国一条具有重要历史文化意义的铁路。京张高速铁路是在中国高铁十年技术积累的基础上，引入信息化和智能化的技术手段建成的我国第一条智能高速铁路，被称为“中国高速铁路2.0版”，也成为中国高铁走出去的一张名片[6]。

八达岭长城站位于北京市延庆区滚天沟下方，车站总长470 m，总宽80 m，地下建筑面积4.1万m2。车站轨面至地面最大埋深102 m，主体结构最大覆土厚度70 m，采用3层结构，自下而上分别为站台层、进站层、出站及设备层；其中站台层为2台4线，布局为侧式站台。车站是由88个各型洞室组成的大跨洞群车站，最大开挖跨度为32.7 m，采用钻爆法暗挖施工。

八达岭长城站是京张高速铁路全线的重难点工程，与百年京张人字形铁路遥相呼应，展示了中国工程师为民族崛起而奋斗、为人民幸福而努力的愿望和决心。人字形铁路受当时技术和经济条件极端落后的限制，为跨越军都山天险连通长城内外而不得不采用的展线策略，充分展示了中国工程师的智慧。八达岭长城站是为了最大程度地方便长城游客乘坐高铁，并减少工程对长城和周边环境的影响，而在八达岭地下102 m深处设置的一个大跨洞群车站，克服了断层软弱破碎带超大跨隧道稳定、密集洞室群构建、景区环保施工、下穿长城的微震控制、深埋大客流地下车站防灾救援等关键技术难题，展示了当前中国先进的工程技术理论、方法、措施、工艺，标志着中国隧道及地下工程技术已达到国际领先水平。

八达岭长城站位居首都北京世界文化遗产八达岭—十三陵景区核心部位，距离举世闻名的八达岭长城索道登城口仅300 m，是众多国内外游客游览八达岭长城的首选交通工具，有更多的机会向国内外游客展示我国高铁技术成就，会成为展示中国高铁地下工程建造技术的重要舞台，也将成为支撑“一带一路”倡议的重要窗口。国铁集团对京张高铁的建设提出了“精心、精细、精致、精品”的总体要求，对八达岭长城站的建设提出了“畅通融合、绿色温馨、经济艺术、智能便捷”的具体要求，八达岭长城站通过精心设计、精心组织、精心施工，以打造“最美的地下车站”为目标，提出了“更安全、更人文、更环保、更耐久”的设计理念。

2 八达岭长城站的关键技术问题及设计理念

2.1 关键技术问题

八达岭长城站是我国第一座完全采用矿山法施工的深埋高铁车站，主要存在以下关键技术难题：

1)车站轨面最大埋深102 m，旅客进出站和防灾救援难度大；

2)车站两端渡线段隧道单跨最大开挖跨度达到32.7 m，车站中部洞室密集分布，且围岩破碎软弱，工程建造难度大；

3)车站位于国家风景名胜区，对文物保护和环境保护的要求高；

4)施工作业面多，工期短，施工组织和运输难度大；

5)深埋地下车站的声环境、光环境、温环境、风环境、视觉艺术环境、心理环境等均与地面车站不同，舒适环境的设计和营造难度大。

2.2 设计理念

针对八达岭长城站的关键技术问题，在深入研究“创新、协调、绿色、开放、共享”五大发展理念的基础上，综合分析了京张文化、长城文化和奥运文化，结合京张高速铁路的定位和八达岭长城站的特点，提出了“更安全、更人文、更环保、更耐久”的设计理念，如图1所示。

图1 八达岭长城站的设计理念及实现路径Fig.1 Design concept and implementation path of Badaling Great Wall Station

2.2.1 更安全

安全是一切工程的基础，对于深埋地下高铁车站而言，安全显得更为重要。在八达岭长城站的设计过程中，安全主要体现在结构安全、施工安全和运营安全3个方面。结构安全方面，车站主体采用更安全的群洞结构，车站两端的大跨隧道采用更安全的预应力锚网喷岩壳支护体系；施工安全方面，大跨隧道采用更安全的品字形开挖工法；运营安全方面，进出站通道采用更安全的流线设计和完备的防灾救援体系。

1)更安全的群洞结构。采用三层三纵的群洞布局，洞室相互独立，避免了灾害、气动效应、噪声等对相邻线路和洞室的影响，还为防灾救援疏散提供了分区条件；同时有效利用岩墙岩板承载，缩小洞室跨度，降低施工风险，减小工程投资。

2)更安全的预应力锚网喷岩壳支护体系。该体系利用预应力锚杆和锚索，联合表层的钢筋网和喷射混凝土，在隧道周边形成围岩自承载岩体拱壳，承担隧道全部围岩荷载；隧道二次衬砌作为安全储备，确保大跨隧道的安全稳定。

3)更安全的流线设计。通过叠层通道布置消除了进出站客流交叉，实现了进出站客流完全分离，并使进出站口均匀布置；采用独立疏散楼梯布置，实现了紧急和非紧急人流分离；设置环形救援廊道提供救援车专用通道，实现紧急情况下救援车流和疏散人流分离，大幅度提高了疏散和救援效率。

2.2.2 更人文

随着我国经济发展和技术进步，工程建设的核心问题逐渐由“能不能建”转变为“建不建得好”，人文关怀和艺术效果逐渐成为工程师考虑的重要目标。八达岭长城站设计过程中人文关怀主要表现在更便捷、更舒适等方面，具体包括以下几方面。

1)更人文的线位选择。京张高铁穿越八达岭段采用了技术难度更大、投资更大的长大隧道形式，更好地保护了地表环境，使文物少受破坏和干扰，并且具备了在八达岭长城入口附近设站的可能。

2)更人文的站址选择。八达岭长城站站址选择了离长城入口最近的滚天沟地下站方案，极大地方便了乘客快速到达八达岭景区。

3)更人文的设备选型。采用一次提升的长大电扶梯，为旅客提供了安全、便捷、高效、快速的进出站服务；采用斜行电梯为残障人士提供了平等的乘车环境，体现了对旅客的人文关怀。

4)更人文的车站环境。采用砂岩板吸声和群洞隔声，营造舒适的声环境；设置合理的灯具、光照度和墙壁材料，营造舒适的光环境；设置合理的断面和泄压通道，营造舒适的风环境；利用地下空间冬暖夏凉特性、列车活塞风及适当的机械通风，营造舒适的温环境；采用简洁明快的装饰艺术匹配宽敞明亮的地下空间，营造舒适的视觉和文化环境。

2.2.3 更环保

八达岭长城站位于国家风景名胜区，严格的环保要求是工程建设必须满足的条件，因此，八达岭长城站设计、施工和运营始终贯彻全方位的环保理念，主要表现在以下几方面。

1)更环保的地下站方案。与地面站方案相比，地下站方案占地少，不破坏八达岭景区地面的自然景观和历史文物，实现车站与自然环境、人文景观的完美结合。

2)更环保的措施工艺。采用高标准的污水处理系统，防止施工污水排入景区，保护地表水环境；采用高标准的施工除尘系统，保护洞内空气环境，减少烟尘排放；采用精准微损伤控制爆破技术，减小爆破振动，保护地表旅游环境和文物。

3)更环保的排水系统。设置完全清污分离的排水系统，将每滴清水都还给自然，让每滴污水都得到处理，保护绿水青山的良好环境，实现运营过程中铁路与自然的和谐共处。

2.2.4 更耐久

八达岭长城站周边有使用了110年而且今后还将继续使用的老京张铁路，有400多年历史的古长城、600多年历史的明十三陵。京张高铁的路由和八达岭长城站的空间位置是不可再生、不可复制的稀缺资源，追求长寿命成为设计的重要理念，主要表现在以下几方面。

1)更耐久的支护体系。采用“围岩自承、二次衬砌储备”的结构设计体系，利用岩石超长耐久的特性和隧道内恒温恒湿的特点，提高支护体系的耐久性。

2)更耐久的衬砌结构。采用超细岩粉、中低热水泥、优质粉煤灰、整形骨料，优化混凝土配合比，提高混凝土密实度；采用保湿膜和保温气囊养护技术，消除干缩和温缩裂缝，大幅度提高了二次衬砌耐久性。

3 设计理念的实现路径

3.1 八达岭越岭段的选线设计

八达岭越岭段的线位比选如图2所示。绕避八达岭景区方案可以降低隧道施工的难度，但绕避方案远离八达岭景区，无法为八达岭景区服务，也无法提供延庆支线的接轨条件[7]。为了实现更人文的设计理念，京张高铁越岭段选线设计时，采用了技术难度更大的穿越八达岭景区方案，连续穿越居庸关、水关和八达岭景区，并连续穿越水关长城、百年京张铁路和八达岭长城。该方案对隧道施工提出了更高的环保要求，为保护长城，对开挖爆破提出了更高的振动控制标准。

图2 八达岭越岭段的线位比选Fig.2 Comparison and selection of tunnel route for Beijing-Zhangjiakou High-speed Railway crossing Badaling

3.2 八达岭长城站站位设计

八达岭长城站站位比选方案如图3所示。程家窑地面站方案技术难度最小，但乘客下车后去往八达岭景区最远，距离长达6 km；岔道城地下站方案旅客提升高度40 m，技术难度较小，但乘客去往八达岭景区仍然较远，约2 km；滚天沟地下站方案旅客提升高度59.4 m，且位于长城下方，技术难度最大，但离八达岭长城步道入口800 m，距离索道入口仅300 m，旅客使用最便捷[8]。八达岭长城站的站位选择时，按照更人文的设计理念，选择了技术难度相对更大的滚天沟地下站方案。该方案距离八达岭长城入口最近，乘客下车后去往八达岭长城最便捷。

图3 八达岭长城站站位比选方案Fig.3 Comparison of various schemes for location of Badaling Great Wall Station

3.3 八达岭长城站总体方案设计

八达岭长城站总体方案有大跨方案和群洞方案2种。大跨方案是将车站4股道、站台、各设备均设计在一个超大跨隧道内。群洞方案是将车站竖直方向划分为“出站通道及设备层、进站通道层、站台层”3层结构，水平方向上将车站4股道分别设置在站台层3个分离的平行隧道内，中间的隧道设置了2股通过线，满足时速250 km列车的过站要求；两侧的隧道设置了到发线和侧式站台，利用3个隧道之间预留的岩墙，减少空间跨度并隔离高速过站列车引起的活塞风和噪音，提高站台候车乘客舒适性。站台层上方分别设置进站层和出站层，通信、信号、电力、通风等设备用房设置在出站层，并相互独立，防止了火灾的蔓延，提高了运营期的安全。与大跨方案相比，群洞方案类似于蜂窝状结构，利用各个洞室之间预留的岩板、岩墙，支撑群洞的稳定性，减小了开挖和支护工程量，利用围岩自身的强度和稳定性提高了车站施工期和运营期的安全[9]。八达岭长城站总体设计方案采用了三层三纵的群洞方案，如图4所示。该方案体现了“更安全、更人文”的设计理念。

图4 八达岭长城站的总体设计方案Fig.4 Overall design scheme of Badaling Great Wall Station

3.4 防灾救援疏散系统设计

八达岭长城站深埋于山体内部，旅游高峰期大客流聚集在相对封闭的地下空间里，一旦发生火灾，防灾救援疏散的难度比地面车站和浅埋地铁车站大得多。为了贯彻“更安全”的设计理念，设计单位利用施工期的辅助坑道，在车站四周设置了环形救援廊道，环形车流无需掉头，如图5所示。该廊道在车站两端的大跨端设置了地下过轨桥，使救援车辆可围绕车站双向通行，实现了进出站人流和救援车流的“人车分离”。正常电扶梯通道与紧急步行通道分洞独立布置，实现了“紧急和非紧急人流分离”，避免了火灾的相互蔓延和干扰。正常电扶梯通道采用了上下叠层的进出站设计，实现了“进出站客流分离”，消除了进出站客流的交叉，确保高峰期客流的顺畅，如图6所示。

图5 八达岭长城站进出站通道设置Fig.5 Entrance and exit passage setting of Badaling Great Wall Station

图6 正常电扶梯通道的叠层进出站设计(单位：mm)Fig.6 Stacked design of inbound and outbound normal escalators (unit:mm)

3.5 车站乘车环境的营造

八达岭长城站位于102 m深的地下岩体中，旅客处于一种相对封闭的环境。与地面车站不同，深埋地下车站的环境包括声环境、光环境、风环境、温环境和心理环境，都需要人为营造。为了实现“更人文”的设计理念，营造舒适的乘车环境，八达岭长城站采用人造吸声砂岩板和群洞隔声营造舒适的声环境；设置合理的灯具和光照度营造温馨的光环境；设置合理的断面和泄压通道营造适宜的风环境；利用地下空间冬暖夏凉特性及列车活塞风和适当的机械通风营造舒适的温环境；采用简洁明快的装饰艺术、文化符号和文化构形匹配宽敞明亮的地下空间营造舒适的视觉和文化环境[10]，如图7所示。

图7 八达岭长城站环境营造Fig.7 Comfortable environment in Badaling Great Wall Station

3.6 排水系统设计

八达岭长城站处于国家一级风景名胜区，对污水排放和地下水保护提出了更高的要求。因此，车站设置了清污分离的排水系统，其中清水排水系统用于收集围岩向隧道渗漏的地下水，该地下水是清洁、宝贵的地下水资源，通过隧道两侧的边沟和中心排水沟，排放到隧道进口和出口的自然环境中；污水排水系统用于收集车站内部的消防废水、冲洗废水、生活污水等，在车站站台层小里程端两侧设置了污水泵房，将收集的污水抽排到市政的污水管网，送入污水厂进行处理[11]。

清污分离的排水体系将每滴清水都还给自然，每滴污水都得到处理，减少泵站抽排水量，保护景区的水环境环境，最大程度地实现节水环保，实现了“更环保”的设计理念。

3.7 设备选型

八达岭长城站是目前世界上埋深最大的高铁车站，旅客进出站的提升高度达到62 m，为了使旅客方便快捷地进出站，八达岭长城站设置了一次提升高度达到42 m的长大电扶梯，如图8所示。与多级提升相比，一次提升的长大电扶梯可减少旅客倒换的次数，避免旅客在上、下电扶梯时因反应延迟而出现的人员拥堵和踩踏事故，虽然造价有所提高，但提供了安全、便捷、高效、快速的进出站服务，体现了对旅客的人文关怀；同时，采用斜行电梯为残障人士提供了平等的乘车环境，体现对特殊人群最大程度的尊重，实现了“更人文”的设计理念。

图8 长大电扶梯和斜行电梯Fig.8 Long escalators and oblique elevators

3.8 支护结构体系的设计

我国大部分铁路隧道均采用了复合式衬砌结构，但在实际施工过程中，往往重视二次衬砌而忽视初期支护。钢筋混凝土衬砌结构暴露在外，易于监督检查和检测；而初期支护结构隐藏于里，难以发现，导致初期支护能省则省，二次衬砌成为了主承载结构，隧道及地下工程的耐久性主要取决于二次衬砌混凝土结构的耐久性。

八达岭长城站是一个地下洞群车站，岩拱和各洞室之间预留的岩墙和岩板是地下车站的主承载体系。车站两端的大跨过渡段，隧道开挖跨度达32.7 m，如果采用二次衬砌为主的承载体系，则设计的二次衬砌厚度将达到2 m以上。因此，在八达岭长城站支护体系的设计中，采用了“围岩自承载、二次衬砌是储备”的结构支护体系和设计思路，将隧道周边一定范围内的岩体作为主承载结构，采用预应力锚索和锚杆进行围岩加固，与表层钢筋网和喷射混凝土组成预应力锚网喷岩壳支护体系，如图9所示。与混凝土结构相比，岩石具有更长的耐久性特性，试验研究表明，八达岭长城站的花岗岩暴露在空气中的风化速率为0.1 mm/年，即300年的风化深度仅为3 cm。因此，围岩自承载的结构体系比二次衬砌为主的承载体系具有更长的耐久性[12]，实现了“更安全、更耐久”的设计理念。此外，为了提高预应力锚索的耐久性，锚索施工采用了分段高压注浆的措施，将孔口端2～4 m先注浆封闭孔口防止渗漏，再往深部高压注浆，提高注浆密实度，保护锚索。为了提高喷射混凝土的耐久性，施工中采用分层喷射，提高喷射混凝土柔性减少开裂；严格控制盐碱类物质，减少碱骨料反应。

图9 超大跨隧道的预应力锚网喷岩壳支护体系Fig.9 Support system with prestressed anchor and mesh reinforced shotcrete for super large-span tunnel

3.9 长寿命混凝土设计和制备

提高二次衬砌混凝土的耐久性，有利于提高整个工程的耐久性。八达岭长城站采用了长寿命混凝土。长寿命混凝土是通过采用超细岩粉、中低热水泥、优质粉煤灰、整形骨料，优化混凝土配合比，提高混凝土密实度等措施来制备的；采用保湿膜和保温气囊养护技术，消除干缩和温缩裂缝，大幅度提高了二次衬砌耐久性[13]。长寿命混凝土的技术措施如图10所示。

(a) 整形骨料

(b) 超细掺合料岩粉

(d) 保温气囊养护图10 长寿命混凝土的技术措施Fig.10 Technical measures for long-life concrete

3.10 微震微损伤控制爆破

新八达岭隧道3次穿越长城，车站位于举世闻名的八达岭长城下方，为了确保八达岭长城文物的安全，根据GB 6722—2014《爆破安全规程》的要求，车站爆破引起的长城振动速度不得超过0.2 cm/s。此外，八达岭长城站是一个密集排布群洞结构，最小岩墙厚度仅1.2 m，为了减少爆破振动对邻近洞室围岩和支护结构的影响，保护围岩，减少围岩损伤，提高围岩自稳定性，也要求对爆破振动速度进行严格控制。因此，八达岭长城站施工过程中采用精准微震微损伤控制爆破技术，利用电子雷管或毫秒雷管控制单次爆破的药量，优化洞群各洞室的开挖步序和炮孔布置，实现微震的爆破控制标准。实测结果表明，八达岭长城的振动速度为0.15 cm/s，满足文物保护的要求[14]，实现了“更安全、更环保”的设计理念。

3.11 施工期污水处理

隧道施工过程中产生的污水对自然环境污染较大，常规的处理方法是在隧道洞口设置污水沉淀池，该方法成本低廉，但只能去除污水中的沉淀物，无法消除溶解在水中的氨氮等污染成分。八达岭长城站施工期设置了高标准的污水处理系统，利用曝气生物滤池(G-BAF)废水处理系统保证氨氮的高效去除和总氮的消减，使污水处理后达到Ⅰ类水质标准，如图11所示。

图11 曝气生物滤池(G-BAF)废水处理系统Fig.11 Biological aerated filter (G-BAF) wastewater treatment system

3.12 隧道空气除尘技术

八达岭长城站施工高峰期，有多达14个掌子面同时开挖作业，为了降低隧道内的粉尘，改善施工现场作业环境，提高职业健康管理水平，八达岭长城站除了设置4个通风竖井加强车站内的通风外，还采用了大功率除尘净化设备XA3000，如图12所示。该设备是首次应用于隧道工程中，PM 0.5以上粉尘的去除率可达90%，处理后的空气清洁度可达0.1 mg/m3，不但保护了工人作业环境，还减少了景区的空气污染，实现了“更环保、更人文”的设计理念。