明-暗-盖挖结合的地铁换乘站设计方案比选研究

2022-09-01刘辰阳姚西平倪吉栋

现代交通技术 2022年4期

刘辰阳,姚西平,张存，倪吉栋

(1. 南京江北新区枢纽经济发展有限公司南京 211899； 2. 中铁第六勘察设计院集团有限公司，天津 300308)

地铁换乘站往往是两条及两条以上地铁线路的交汇站点，通常位于城市的市中心或区域中心，对所在区域的交通、客流、商业、城市规划建设等有着重要的影响。换乘站往往根据地铁建设规划，存在同期、分期和近线站建设远期预留建设3种方式。若几条地铁线均在近期建设规划内，往往同期建设。换乘站同期建设往往面临如下问题：①前期线路路由研究深度不够；②设计边界条件复杂，收集难度大；③市中心交通繁忙，疏解难度大；④周边商业综合体集中，拆迁成本高；⑤环境要求高，施工与附属用地紧张；⑥工程、水文地质条件复杂；⑦施工难度大。换乘站的设计和施工通常是每个城市轨道交通建设中的重点工程。李舸鹏[1]从地铁换乘车站不同换乘方式的主要特点及适用条件进行论述，并列举国内工程实例进行说明补充，总结了地下车站各种换乘形式的优缺点。肖广智[2]对国内的明、暗挖结合地铁车站进行了系统的总结和归纳。曹冬蒨等[3]从多方面对岛式站台与侧式站台方案进行比较分析，详细论述了地铁车站建筑形式的选择。利敏[4]强调地铁车站建筑设计应坚持以人为本的设计理念。

彭城广场地铁站是徐州地铁1、2号线同期施工的换乘车站，是徐州地区施工环境最复杂、施工难度最大的换乘车站[5]。在彭城广场地铁站的站位及路由确定的前提下，设计须根据远期客流、换乘形式、周边商业人流、路面交通及设计边界条件等实际情况，从技术、风险、车站功能、与周边商业衔接、施工成本和工期等多个方面，对3个方案进行详细比选分析，进而确定最优的车站方案。

1 工程概况及设计边界条件

1.1 站址环境

彭城广场站位于淮海路与中山路、彭城路的交叉路口，其中淮海路和中山路为城市主干道，彭城路为次干道，该区域交通极其繁忙[6]。地铁站周边规划以商业用地和广场绿化用地为主，周边地上和地下建构筑物众多。中心时尚大道，地下1层商业建筑，局部有2层，兼做过街通道，筏板基础。彭城广场地铁站东南象限为百货大楼，8层框架结构，桩基；西南象限为凤凰书城，21层框架结构，桩基；西北象限为古彭大厦和盛佳大厦，前者地下2层，地上9层框架结构，桩基，后者地下2层，地上18层框架结构，桩基。淮海路南侧为悠沃地下4层商场，筏板基础；北侧为既有古彭地下广场，地下1层，局部2层，准备拆除。彭城路东侧为苏宁广场商业综合体和富景广场，前者地下3层，地上5幢塔楼，群桩基础，后者地下2层，地上10层，筏板基础；东南侧为彭城饭店，砖混结构，条形基础[6]。彭城广场地铁站周边环境平面图如图1所示。

因相关部门要求，车站施工不可占用淮海路现存机动车道，时尚大道地下商业建筑拆迁存在很大难度。

1.2 客流分析

彭城广场地铁站的客流主要为商业和办公客流，东北及东南象限客流量相对较大。远期高峰小时预测客流量如表1所示，远期高峰小时换乘预测客流量如表2所示，超高峰系数取值为1.35。

表1 远期高峰小时预测客流量 (人/h)

表2 远期高峰小时换乘预测客流量 (人/h)

2 工程地质及水文地质

彭城广场地铁站的施工范围内上部土层自上而下分布有：①1杂填土，松散；①1-2老城杂填土，松散；⑤3-3黏土，硬塑；⑤3-4黏土，硬塑。杂填土和老城杂填土厚度约11 m，硬塑状黏土厚度约11 m。下部为(12)中风化灰岩、粉砂岩和页岩，单轴饱和抗压强度分别为40.9 MPa、22.31 MPa和4.28 MPa，呈条带状互层，南西-北东走向，倾角为65°～ 80°[6]。

地下水类型主要为上部土层中的潜水及基岩裂隙水。潜水位于地表以下3.8～5.5 m[6]，基岩裂隙水主要赋存于寒武系灰岩溶洞和裂隙，具有承压性，承压水水位埋深为6.5～16.4 m。不同组的灰岩条带，承压水水位不同，页岩和砂页均为隔水层，且与灰岩之间的联系很弱[6]。

在此类地层中常考虑的工法主要有明挖法、暗挖法及明-暗挖结合法。

3 方案分析

结合上述两个控制因素，车站设计应尽量考虑与地下商业建筑联通，对现有方案进行优化，形成如下3个方案。

3.1 方案一：明-暗挖结合分离岛式站台方案

1号线车站位于淮海路与彭城路的交岔路口西侧，时尚大道范围外左线、站厅及设备区部分为地下5层结构，均采用明挖法施工；淮海路下方的右线站台层、时尚大道下方的左线站台层以及各站台层之间的风道、横通道等均采用暗挖法施工；地铁2号线车站沿彭城路下方敷设，为地下3层结构，采用半盖挖施工，两线L形结点换乘。1号线盖挖部分围挡占用淮海路北侧非机动车道。方案一总平面图如图1所示。

换乘车站共设置15个出入口、5个安全出入口及2个下沉广场。1号下沉广场位于1号线明挖厅区域内，2号下沉广场位于2号线车站西侧彭城广场内。1号出入口位于淮海东路南侧，解决南侧客流，2号出入口设置在淮海东路南侧，3号出入口与淮海东路南侧悠沃地下商场衔接，4号出入口位于淮海东路北侧、彭城路东侧，解决东-南侧客流，5号出入口位于淮海东路北侧、彭城路东侧，6号出入口设置在彭城路西侧，7号出入口位于彭城路西侧彭城广场内，解决彭城广场西-北侧客流，8、9、10号出入口设置在彭城路西侧，接入2号下沉广场解决北侧客流。14号出入口设置在交叉路西北象限，解决西侧客流。11、12、13、15号出入口设置在交叉路口西北象限，接入1号下沉广场。与苏宁综合体地下商场接口共3个，预留有与时尚大道的接口，后期中山路与淮海路交叉口4个象限的客流均可通过时尚大道过街通道直接进入地铁。

1号线明挖厅长为139.55 m，宽为51.05 m，暗挖左线部分长为37.35 m，标准段宽为11.5 m，暗挖右线部分长为135.6 m，标准段宽为11.5 m，两侧站台宽为3.5 m；2号线车站长为216.95 m，标准段宽为22.9 m，有效站台宽为14 m；换乘站总建筑面积为50 990 m2，其中暗挖部分建筑面积为2 956 m2。受周边既有建构筑物影响，2号线轨面绝对标高为11.7 m，1号线轨面标高为4.2 m。

1号线明挖厅支撑平面布置图如图3所示。1号线明挖厅和2号线标准段为同一基坑，采用1 000 mm厚地下连续墙。其中，1号线明挖厅采用平面桁架支撑体系，设置5道混凝土支撑；2号线标准段采用首道混凝土支撑和3道609钢支撑；在1号线明挖厅和2号线标准段的相接地段，采用4道混凝土支撑扇形渐变，保证刚度和变形协调的连续性。暗挖主隧道为马蹄形断面，采用CRD法(交叉中隔墙法)施工。1号线明挖厅基坑及暗挖主隧道横剖面图如图4所示。

换乘车站的主体施工工序分3步：①施工1号线明挖厅基坑、2号线基坑及主体结构；②横通道暗挖施工；③主隧道暗挖。

方案一的主要风险为时尚大道下方主隧道暗挖施工。经MIDAS-NX软件的数值模拟[7],并考虑应力释放[8]，时尚大道底板的最大差异沉降为3.8 mm，倾斜率约0.4‰，变形满足丙级建筑变形标准30 mm的限值要求[9]。主隧道暗挖施工完成后，土体竖向位移云图如图5所示。

方案一优点为：①节点换乘，换乘距离短；②暗挖施工少，车站规模小，施工成本低；③出入口提升高度小，与悠沃地下商场、时尚大道衔接方便。

方案一缺点为：①需改迁淮海路北侧部分市政管线；②线路线型较差，区间出站后局部下穿富景广场地下室，拱顶距离地下室底板为11.86 m，施工存在一定风险；③1号线车站西端无法设置活塞风道，1号线东端右线和2号线南端左线的活塞风道较长；④受时尚大道影响，站台层楼扶梯布置不均匀。

3.2 方案二明-暗挖结合分离岛式站台、斜通道暗挖方案

为避免区间局部下穿富景广场和占用机动车道，在方案一的基础上，将1号线站位南移4.5 m，站厅至站台的楼扶梯通道位于道路下方，采用暗挖法施工，换乘站的其余明挖部分、暗挖部分同方案一。两线L形换乘，设置“台-台”换乘通道，“台-台”换乘通道采用暗挖法施工。方案二总平面图如图6所示。

1号线明挖厅长为139.55 m，宽为52.9 m，左线暗挖段长为49.35 m，标准段宽为11.5 m，右线暗挖段长为147.6 m，标准段宽为11.5 m，两侧站台宽为3.5 m；2号线车站长为212.55 m，标准段宽为22.9 m，有效站台宽为14 m；换乘站总建筑面积为48 720 m2，其中暗挖建筑面积为4 806 m2。1、2号线轨面标高同方案一。1号线明挖厅基坑和暗挖主隧道横剖面图如图7所示。

1号线明挖厅和2号线标准段的地墙厚度、支撑体系以及道数同方案一，暗挖主隧道宽度、埋深以及工法与方案一相同，扶梯斜通道、横通道以及换乘通道均采用CRD法施工。

换乘车站的主体施工工序分4步：①施工1号线明挖厅、2号线基坑和主体结构；②横通道暗挖施工；③主隧道暗挖施工；④扶梯斜通道和“台-台”换乘通道暗挖施工。

方案二存在较多小间距和立体交叉暗挖的问题，群洞效应明显，小间距、立体交叉隧道剖面图如图8所示。经MIDAS-NX软件数值模拟[7],并考虑应力释放[8]，暗挖施工完成后拱顶沉降达 52.1 mm，地表最大竖向沉降为42.1 mm，不满足硬土区域地表沉降30 mm的限值要求[9]。主隧道和斜通道暗挖施工完成后，土体竖向沉降如图9所示；横通道及风道施工完成后，土体竖向位移如图10所示。

方案二优点为：①可以实现站台-站台的换乘，但换乘距离稍长，一定程度上利于分散换乘客流；②1号线站厅层付费区有效面积大，客流组织较为顺畅；③出入口提升高度小，与悠沃地下商城衔接方便。

方案二缺点为：①施工对淮海路交通有一定影响，需改迁淮海路北侧部分市政管线；②线路线型较差，出站后需侧穿富景广场，区间施工有一定风险；③1号线车站西端无法设置活塞风道，1号线东端右线和2号线南端左线的活塞风道较长；④暗挖横通道及斜通道较多，且存在多处小间距、立体交叉暗挖施工，群洞效应明显，施工风险极大；⑤施工组织复杂，工期较长。

有效控制地面沉降和群洞效应，并保证时尚大道的正常运营，是该方案成立的关键。

3.3 方案三：PBA工法暗挖方案

1号线车站为地下2层，车站采用PBA法[2](洞桩法)施工，2号线车站为地下3层岛式车站，采用半盖挖法施工。两线通过换乘厅换乘，换乘厅设于拆迁的古彭地下广场内，与2号线车站共坑，采用4道混凝土桁架支撑。2号线基坑采用首道混凝土支撑和3道609钢支撑，车站西端风道位于时尚大道下方，采用CRD法施工，施工不影响淮海路交通。方案三总平面图如图11所示。

1号线明挖厅长为102.9 m，宽为53.1 m，暗挖部分长为151.1 m，标准段宽为23.4 m，有效站台宽为14.5 m；2号线车站长为216.4 m，标准段宽为22.9 m；换乘车站总建筑面积为48 399 m2，其中暗挖建筑面积为9 291 m2；1号线轨面标高11.7 m，2号线轨面标高3.9 m。

换乘车站的主体施工工序分4步：①竖井及横通道施工；②1号线车站主体洞桩法施工；③1号线明挖厅、2号线车站基坑及主体结构施工；④扶梯通道暗挖施工。1号线洞桩法施工横剖面图如图12所示。

方案三的最大风险在于洞桩法施工对时尚大道的影响，经MIDAS-NX软件数值模拟[7]分析，并考虑应力释放[8]，车站施工完成后，地表最大沉降为14.4 mm，时尚大道底板最大差异沉降为10.6 mm，倾斜率约6.6‰，变形满足丙级建筑变形标准 30 mm 的限值要求[9]。模型及竖向位移云图如图13所示。

方案三优点为：①1号线车站为岛式站台，站台层空间效果较好；② 1号线进出站乘客流和换乘客流组织有序，交叉少；③对淮海路交通基本无影响，不需改迁淮海路地下管线；④1号线线路顺直，运营条件好，同时车站各区域功能相对独立，管线布置顺畅；⑤1号线东端和2号线南端的活塞风道短，活塞风比较顺畅，运营条件好。

方案三缺点为：①1号线西端无法设置活塞风道，运营条件较差；②1号线车站西端风道下穿时尚大道部分地下2层，在时尚大道下方暗挖范围增大，施工风险较高；③换乘车站的暗挖及废弃工程量大，造价高；④换乘站施工须增加多个竖井及横通道，且PBA法工序多、工期长。

方案三的实施关键是车站主体采用PBA法大断面暗挖的施工风险和车站西端下穿时尚大道采用CRD工法暗挖风道引起的沉降能否得到有效控制。

4 方案比选分析

结合本站设计边界条件，从建筑功能、区间线路条件、工程风险、工期及施工成本等方面对3个方案进行综合比选，方案综合比选表如表3所示。

由表3可知，方案一换乘距离短，车站施工风险小，工期短，工程经济性好；方案二换乘距离稍长，但可分散换乘客流，但存在较多小间距、立体交叉暗挖通道，群洞效应显著，车站施工风险较高，工期较长，工程经济性一般；方案三换乘距离长，施工风险比较高，且暗挖和废弃工程量大，工期长，工程经济性差。综上推荐方案一。

表3 方案综合比选表

彭城广场地铁站在土建施工过程中，风险均得到有效管控。土建完工后，现场监测数据显示，淮海路的地表最大累计沉降为23 mm，时尚大道最大累计差异沉降5.4 mm，建筑物倾斜发生在富景广场，最大倾斜2.1‰，车站周边地表及建筑物的沉降和倾斜均满足规范要求。目前彭城广场地铁站已开通运营2年多，作为连接徐州1、2号线的换乘站，串联郊区、中心和两大火车站，联通地面各象限客流和商业综合体，与地面公交系统无缝衔接，极大地方便了市民的出行。