新一代高速铁路地下站隧工程设计理念与方法

刘建友 吕 刚 岳 岭

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

引言

随着我国高速铁路网的不断加密,为满足人们快速出行的需求,越来越多的线路需要穿越旅游景区、生态保护区、文物保护区、城市密集区等,这给地面站线的选择带来了很大困难。 以往高铁建设多在城市郊区设站,线路避开了繁华市区,旨在引领城市的发展。 但对于大城市而言,这容易造成“摊大饼”式的发展模式,地面土地资源被挤压,地下空间资源得不到有效利用,城市难以高效运转。

当今国内外高铁建设百花齐放,高铁线路接入城市车站的方式及其车站的设计建造各具特色,主要有城市中心型、城市边缘型和城市远郊型3 类。 高铁车站与城市发展以“站城一体开发”为导向,即“轨道交通和城市相辅相成、共同发展的开发模式”[1]。 这种发展模式以高铁站为核心,强调“公共交通导向”,将其与城市办公、商业、休闲功能结合,营造立体式城市空间,减少轨道交通建筑物对城市功能和景观的割裂,提升土地利用效率和公共交通运输效率。 综上所述,一方面,人们期待高铁车站引领城市发展,将高铁站建设纳入城市中长期发展版图,建设初期将高铁设在人口并不密集的区域,通过引入人口、资金、项目和基础建设,形成新的副中心[2];另一方面,建设距离城市中心数十千米的远郊型车站站点新城,虽然征拆成本低,对于中小城市来说虽然是寻求新的增长点的重要契机,但同样也面临巨大的投资回报风险。

在国内,上海虹桥火车站所在虹桥枢纽,是集航空、铁路、轻轨、地铁、公路运输一体的华东地区最大的综合交通枢纽,其商圈建设突出大交通、优贸易、全配套、特智慧、最低碳、崇人文的“六大发展理念”,是一体化发展的标杆[3];新建京沈高铁北京星火站围绕“人、机、料、法、环、测”6 方面因素,通过应用BIM+一体化156 智慧建造平台,对结构安全、绿色施工、成本控制进行综合评估[4];北京丰台火车站首次采用双层车场的建桥合一结构形式,具有商业、高速通道、城市公共交通等多种建筑功能,是继上海虹桥站后站城一体化模式的再升级[5];雄安站汇聚京雄城际、京港高铁、津雄城际,有机联接枢纽与区域,并设计城市走廊、地下商业街、地下广场等,保持城市土地一体不分割[6]。 此外,还有北京城市副中心站、天津于家堡站、武汉站、郑州站、北京南站、南宁东站等一大批大型高铁车站,均体现了人文关怀、环境保护以及地区特色[6-8]。

日本和欧洲的高铁建设在20 世纪60 年代就已开始。 以日本为例,日本多山川、多地震,本质上是地少人多的国家,高铁站建设与城市的关系注定是“站城一体”模式[9],主要存在两种空间形式,一是“以枢纽站为中心的区域高度复合、聚集型开发”;二是“和轨道建设同步的沿线型开发模式”[10]。 前者类似于城市中心型车站建设模式,后者与城市边缘型和城市远郊型车站建设模式相似。 世界著名的商圈—东京都市圈汇聚了全日本30%以上的人口,新干线、市域铁路、市郊铁路、城市地铁有机衔接,其密切的联系提升了城市的效率,是名副其实地建立在铁道交通之上的都市圈[11]。

上述城市高铁车站规划设计理念多与商业有关,且多为地面站房,不涉及重要文化遗产以及景区,文化保护的重要性程度较低。 而新建京张高铁穿越城市核心区、文化保护区,是北京冬奥会交通保障设施,也是中国首条设计速度350 km/h 的智能化高速铁路,对铁路站隧工程的设计提出了更高的要求[12-15]。 基于上述问题,以京张高铁工程建设为背景,通过清华园盾构隧道的智能修建、八达岭地下长城站的暗挖修建,从环境融合、安全舒适、低碳环保等角度,剖析并提出新一代高速铁路站隧工程的设计理念与方法,以期为未来我国高铁建设迈向“人与自然和谐共生”的新台阶提供参考。

1 环境融合的设计理念与方法

1.1 风景名胜区“站景融合”设计

根据“方便旅客”“文物保护”“景观优美”“文化传承”的原则,提出了风景名胜区高铁车站“站景融合”的设计理念和消隐设计方法,使站藏于山,实现在风景名胜区内设置地下车站,极大地方便了游客的出行。

(1)站景一体

京张高铁八达岭长城站位于八达岭长城核心景区内,根据八达岭长城文物管理相关法规的要求,禁止在核心区地表设置大规模的建筑;同时受到轨道平面线路标高限制,隧道仍必须深埋于平均60 m 深的地下岩土中。 因此,为了最大限度保护长城古迹以及周边生态景观,对原景区滚天沟停车场的功能定位和空间布局进行重新整合,将停车场地面空间重新定位为文化广场与车站的融合;为最大限度缩减地面站房的建筑面积和高度,在地势较高的东侧仅设置两层站房,主要承担售票、旅客进出站厅以及客运办公的功能;车站主体结构则深埋于停车场下方,包含旅客候车厅、站台层和设备间等。 地面站房和地下站厅的沟通采用叠层式通道,使进出站旅客分流且互不干扰,极大方便高铁乘客上下站(见图1)。 由图1 可知,车站整体隐约呈现“神龙见首不见尾”的恢弘低调之态势,隐于山间而又融于自然。

图1 京张高铁八达岭长城站透视

为尽量减少对环境影响,以“形隐于山”为设计理念,站区房屋与站房合建,并设置在地下空间。 站房建筑造型设计将站房与自然环境融为一体,既适当地显示出交通建筑的标志性和现代特征,又不对历史人文和自然景观造成影响,俨然成为了承载文化底蕴的新地标。

经过前期车站总体建筑形式方案的研判比选,选择采用最适宜的三层三纵的站景一体群洞方案,在适应山体地势的前提下,做到了结构安全性、施工便捷性、运营环境舒适性、文化承载优越性“四性”综合优化,为新一代的环境友好型高铁车站建设提供了新导向。

(2)视觉消隐

作为“神龙之首”的地面站房,其视觉消隐的首要前提是要顺应自然、融入自然。 因此,在结构设计方面,为了在视觉上补偿山体开挖的缺失以及消除建筑对周边优美环境的影响,地面站房设计充分考虑周边自然地形,依山而建。 承长城之文化,参考长城垛口的凹凸错落构型(见图2),将站房化整为零,分解成“中间高两边低”3 个层高6 m 的“块体”,在最大程度地减少建筑体量的同时,又能充分利用靠山一侧已开挖山体释放出一个下沉广场,引阳光入地下,极大提升车站地下空间的品质。 在外观设计方面,站房立面材料以石材为主,颜色与周边山体裸露岩石和长城墙体的颜色接近,墙面肌理由山体向外逐渐过渡;站房第五立面—屋顶采用草皮绿化,隐逸山间,站房与周边自然环境浑然天成,突出其文化承载属性的同时,也很好地与自然和谐共生(见图3)。

图2 八达岭长城垛口

图3 视觉消隐设计

1.2 高铁进城“隧城融合”设计

在北京北部城区,原京包线途经的五道口、四道口、双清路道口3 个平交铁路口的拥堵历史由来已久。清华园隧道修建前(2016 年),统计数据显示,按北京北站的运输能力,每天要有不少于50 列火车通过五道口,以每次道口铁栅栏关闭时间6 min 计算,道口每天至少有5 h 以上的时间处于关闭状态。 为了缝合老京包铁路对城市的分割,缓解地面交通压力,改善出行环境,提出了高铁进城“隧城融合”的设计理念和缝合设计方法,实现了高速铁路进城目标。

(1)移路入隧

新建清华园隧道沿原京包沿线穿越北京市核心区,全长6.02 km,埋深大于44 m,采用ϕ12.64 m 的大直径泥水平衡盾构机掘进,依次下穿院南路、北三环、知春路、北四环、成府路、双清路、清华东路7 条重要城市道路和106 条重要市政管线,是我国当前开挖直径最大的单洞双线高铁盾构隧道[16]。 隧道穿越地层之复杂、重要建(构)筑物之多、开挖风险之大、建设标准之高国内罕见。 但复杂中也体现着 “移路入隧”盾构法施工的诸多优越性。 一方面,隧道敷设于原线正下方,可以很大程度减少线路绕避高层建筑带来的麻烦,为选线、征拆减轻大量工作,最大限度减少对既有管网、市政道路、公交站台、人行天桥等基础设施的破坏;另一方面,噪声源也随铁路深埋被转移至地下深处,降低高铁运营对周边环境的噪声和振动污染,高铁运营和市民社区生活互不干扰。

(2)原路改造

“移路入隧”释放了城市空间,但原有铁路线将城市分割,难免略显突兀。 为响应绿色共享型城市建设的号召,发挥城市文化特色优势,将老京包铁路地面线拆除改造成京张遗址公园和城市绿色长廊,彻底结束车流人流需从道口绕经的历史,使城市区域联系更为通畅,真正实现了对城市的缝合(见图4)。

图4 隧城融合

铁路变公园,公园载文化;文化托城市,城市展魅力。 新一代高铁进城的“隧城融合”设计理念和针对原有铁路的缝合设计方法,旨在“以人为本,高效便捷”,保障京包兰高速通道进京通路畅通,方便市民市域出行,释放更多城市绿色休闲空间的同时,而又能留住老一代人的乡愁与记忆。

2 安全舒适的设计理念与方法

安全是工程建设的首要前提,尤其对于深埋的地下工程。 京张高铁作为冬奥交通保障线、京津冀一体化发展的经济服务线,是向世界展示我国高铁建设最新成果的一张名片,安全保障更是重中之重。 安全舒适的乘车体验将给旅客留下美好印象。 为此,基于京张高铁的站隧工程,提出安全舒适的设计理念和方法。

2.1 安全环境营造

(1)结构安全

结构设计合理是保证安全的前提。 京张高铁八达岭长城站站台层为超大跨过渡段、三连拱段和三连拱小净距段相结合的形式,在充分考虑围岩尺寸效应和围岩松动圈放大效应后,采用超大跨隧道预应力锚网喷支护体系,重点分析超预应力锚杆-锚索协同作用原理,最后在设计衬砌厚度仅为60 cm 的情况下,实现了在最大埋深102 m、单洞最大跨度32.7 m 下的衬砌结构稳定,如图5 所示。 传统山岭隧道施工“重二衬、轻初支”[17],在遇到复杂围岩环境时,一味地加大衬砌厚度往往达不到理想的效果。 有别于传统设计理念,让支护体系轻量化,充分发挥围岩自承载能力成为大跨段隧道修建的主题,利用预应力锚杆-锚索协同体系将浅层围岩荷载转移到深层围岩[18]。

图5 超大跨度隧道开挖顺序及锚杆-锚索协同支护结构

此外,定量化、精细化的耐久性设计是实现衬砌结构300 年长寿命安全服役的保证。 首先,对长寿命支护结构体系进行设计,利用耐久性定量化设计方法和预测模型对体系服役寿命进行合理评估[19];然后分别对注浆加固、锚杆、锚索、喷射混凝土和二衬的受力机理进行单独的耐久性分析,明确各支护结构的工程参数和施工时所需注意的事项,关注短板效应,总体实现各要素协同。 如图6 所示,实测结果表明,在八达岭的三连拱段中洞最大拱顶沉降为30.9 mm,并保持稳定,证明了网锚喷支护体系的安全性。

图6 拱顶沉降监测

京张高铁清华园隧道在城市核心区穿越大埋深复杂地层,同样对管片结构的安全性提出了高要求。 一方面,城市施工工期短,要求盾构机快速通过;另一方面,要保证拼装结构的高精度和耐久性,以此保证列车行车安全。 鉴于此,提出城市地区大直径盾构隧道全预制拼装的结构构件化设计方法,如图7 所示[20]。 盾构管片、轨下结构、电缆槽和水沟等均采用工厂化预制,并研发轨下结构拼装机器人,使盾构掘进与轨下结构拼装同步作业,大大提升施工效率。

综上,提出一种大直径盾构隧道全预制的设计理念,制定了盾构隧道预制构件的划分原则,设计了轨下结构与管片高可靠的连接方式,探明了轨下结构的稳定性特征和变形规律,研发了基于轨下结构自稳定的设计方法;发明了一种3 块式(1 块中箱涵+2 块边箱涵)轨下结构,中箱涵为乘客提供了防灾救援疏散通道,边箱涵提供运营通风和防灾通风风道,提高了隧道空间利用效率,解决了城市建筑密集区隧道防灾通风和救援疏散难题。

将管片的标准块、邻接块和封顶块,轨下结构的边箱涵和中箱涵、电缆槽和水沟隧道等结构化整为零,视为最基本构件,通过预制工厂的标准化生产,严格控制各构件的质量。 轨下机器人将除管片外的基本构件进行精确安装。 为防止轨下结构与盾构管片受力均匀,在轨下结构下部设置300 mm×300 mm 凸台,采用微膨胀硫铝酸盐水泥浆从预留注浆孔对缝隙进行填充。 在此过程中,也可以对中箱涵与圆形隧道结构的水平轴线和竖直轴线进行微调,使其尽可能地接近于理想水平。

(2)防灾救援系统

以往防灾设计考虑不足,尤其在长大隧道和具有规模的地下建筑群,一旦发生地震、火灾、渗水、列车脱轨、碰撞等事故,将造成严重的经济损失。 以火灾逃生救援为例,国内外铁路隧道及隧道群防灾设计普遍遵循“事故导向安全”原则[21],在隧道内起火的列车应尽量快速驶出隧道,方便在空旷地带疏散旅客;当列车无法驶出隧道时,列车应尽量停在救援通道口附近进行旅客疏散。 近年来,隧道建设相关部门对高铁防灾救援疏散做了更详细的方针指导,强调“以人为本、安全疏散、自救为主、方便救援”[22],建立健全防灾救援土建设施、排烟控制设施,完善实时监测预警系统,优化人员安全疏散路线。

针对京张高铁八达岭长城站的埋深大,车站层次多、洞型复杂、洞室数量大、交叉节点密集等特点,提出了因地制宜、更加快速有效的安全疏散设计理念,结合施工辅助坑道,在车站两端设置跨轨通道,形成独特的地下洞群“救援环岛”,如图8 所示。 类似于公路环岛,当救援车辆从不同辅助坑道进入车站洞群时,规定以“环岛”的中心圈以单一方向旋转行驶,避免了车辆冲突,提升救援效率。 除了使用辅助坑道疏散,还单独设置了紧急步行通道,和正常电动扶梯通道分离,保证火灾情况下紧急步行通道畅通,使旅客有效自行向地面疏散。

图8 八达岭长城站救援环岛示意

2.2 舒适环境营造

我国地下轨道交通建设已取得巨大成就,但多数车站建造风格千篇一律,一大批重要车站错失了向国际展示中华文化底蕴的良机。 每座车站应该成为人文交流的纽带,既要体现文化积淀,又应具国际化与包容性,这对新一代高铁站隧工程设计建造提出了更高的要求。 为此,提出高铁地下车站舒适环境营造的设计理念与方法。 除了解决复杂的修建技术难题,如何弱化地下密闭空间沉闷、单调的空间感受,提升环境品质,成为了八达岭长城站室内空间环境设计的又一个重难点。

(1)声环境

八达岭长城站作为深埋洞群式岩质地下车站,其建筑空间环境封闭、距地面高差大,物理环境、心理环境与地面建筑及浅层地下建筑差别大。 这些物理环境特性和技术因素决定了常规建筑声学设计方法和控制参数不能有效满足八达岭长城站对建筑声环境设计依据的要求,现行建筑设计规范、设计标准、设计方法等不能简单套用。 八达岭长城站主体为地下双层四洞分离式群洞穹顶车站,站台层由3 个单洞隧道组成。 狭长空间的声环境,极易出现混响时间过长、语言清晰度极低等严重声学缺陷。

结合八达岭站的结构特点,提炼出3 种不同的声学方案,包括创新材料的研发、表达传统风格图样的方案设计等。 模拟软件采用CATT,其用以模拟声学行为有关的室内封闭声场及室外开放声场、半封闭半开放的混合声场。 通过复杂地下空间声环境仿真模拟、隧道洞壁吸声降噪技术和群洞布局的隔噪效果等措施,拟将地下站声学环境,站台区噪声强度控制在80 dB 以内,将500 Hz 频率声音混响时间控制在1.5 s以内,语言清晰度RASTI 指数控制在0.45 以上,以满足旅客正常语言交流及站内广播的清晰播放。 经过多方比选论证,室内装修最终选择了“吸音砂岩板”与“吸音涂料”组合的降噪方案。 为达到建筑艺术与室内声环境的和谐统一,设计对两种吸音材料在空间内多种布局方式进行了分析模拟,最终确定了3 m 高墙裙与局部空间吸音涂料的内装方案。

(2)视觉环境

视觉环境营造在很大程度上影响游客的舒适程度,尤其是灯光设计,对建筑物整体美观发挥重要作用。 为满足新时代条件下节能减排的要求,落实绿色办奥运的重要指示精神,扎实推进京张高铁建设“精品工程、智能京张”及畅通融合、绿色温馨、经济艺术、智能便捷的客站建设要求,打造保护环境和节约能源的示范工程,全面提升节能减排管理现代化水平,对高铁地下车站的视觉环境设计理念和思路进行分析并提出技术对策。

八达岭长城站牌匾设计在形态上寄托了对中国古典精神的思考和延展,边框应依据长城垛口凹凸错落之锯齿元素,加以金属条装饰,底纹阴刻雄伟的长城艺术壁画,如图9 所示。 进站候车厅墙面艺术装饰壁画雕刻八达岭长城山水长卷,艺术品的展示既不突兀,又巧妙地与站房内建筑语言融合。 进出站通道墙面壁画沿用一楼候车厅的山水、长城主题长卷作为观赏艺术装饰壁画。 京张高铁是中国唯一一条穿过长城的高铁线路,在上下两通道中运用风景长卷,旅客在进出站都能感受到绵延不绝的长城穿梭在崇山峻岭中的景象。砂岩墙面作为壁画展示区,选用吸音降噪材料,利用天然的砂岩色彩与机理营造自然岩层的视觉体验,壁画采用含蓄的表现手法,与室内、建筑设计理念融合在一起,如图10 所示。

图9 八达岭长城站地下站壁画实景

图10 八达岭长城站候车环境营造

灯光设计方面,八达岭地下车站采用功率密度低、均匀度差的LED 线性格栅灯带和功率密度高、均匀度好的LED 面光灯,通过设置高透过率的透光材质改善发光灯箱的光学设计,以“点”“线”“面”的组合照明形式,对不同功能区灯具形式、照度及色温的细节进行调整,勾勒出老京张线的“人”字主题,优化了空间视觉效果,使远看光线更加柔和、灯具向下照明的效率更高、更容易维护且容易达到了绿色节能的良好效果。

(3)温感环境

铁路隧道内空气温度是随时间和空间变化的三维非稳态问题。 隧道空气的主要热量得失途径主要有与周围围岩的热交换、制冷设备热量交换、与列车牵引产热以及车身热量的交换、列车活塞风带入的热量交换等,许多因素都是随时空变化的。 为了营造适宜的温感环境,必须先建立车站传热物理模型,对地下洞室群进行温度分布模拟计算,以对近远期风机、制冷设备规模和数量有整体的认识。 气象学上,人的体感温度不仅受气温的影响,还受风速、空气湿度影响。 因此,考虑列车活塞风因素,对通道面积、行车车速、发车对数等进行参数分析,根据体感温度的通用公式,营造出舒适的温感环境。

3 低碳环保的设计理念与方法

2020 年11 月,中国建筑节能协会能耗专委会发布的《中国建筑能耗研究报告(2020)》 显示[23],2018 年全国建筑全过程碳排放总量为49.3 亿tCO,占全国碳排放的比重为51.3%,其中建材生产占比28.3%,建筑施工占比1%,建筑运营占比21.9%。 当前大多数隧道及地下工程结构设计的理念仍是在确保工程安全的条件下降低建造成本,以最低的成本确保工程安全。 但随着我国碳达峰、碳中和战略的实施,减少碳排放已经逐渐成为未来工程建设追求的目标,其核心在于技术创新、制度创新和人类观念的扭转。 因此,在工程设计方案比选的过程中,碳排放最小将逐渐替换以往经济成本最低的比选原则。

根据李启明等对低碳建筑概念的分析[24],建筑的碳排放量由建造碳排量、使用碳排量、拆除碳排量三者构成,贯穿建筑全生命周期。 对应于地下工程,建造碳排放主要涉及建筑材料生产、施工;使用碳排量主要涉及运营期的暖通、用电、供水和绿化等;拆除碳排放主要涉及材料回收与处理过程及其用水用电。 最大限度地减少温室气体排放是低碳经济所追寻的目标,但是这要基于低污染、低能耗、人类能够拥有健康、舒适的生活环境的前提,牺牲人类健康去追求低碳,是没有意义的。 因此,本节将从实际应用的角度,对京张高铁新一代地下站隧工程的低碳环保设计进行分析。

3.1 基于BIM 的环保高效全过程管理理念

前述提到清华园盾构隧道管片全预制拼装的模块化与构件化,实质上是装配式建筑的一种形式。 装配式建筑将建筑物拆分成若干混凝土预制构件(简称PC),充分利用可靠的连接节点,将预制构件拼装组合成建筑物,实现现场施工向工厂化生产的转变,以削弱天气环境等因素对施工条件的影响,具有节能、环保、节约劳动力等优点,符合“适用、经济、绿色、美观”的建筑方针。

清华园隧道采用“装配式管片结构设计理念”,即发挥BIM 建筑信息模型顶层设计的优势,统筹兼顾设计、生产、建造、运维全生命周期,实现设计与施工的可视化,防止装配过程中出现干涉;合理划分现浇与预制部分,减少砌筑工程量,实现零抹灰,提升施工作业环境质量,克服传统结构设计与施工相分离的不足。

此外,京张高铁项目还搭建了基于BIM 主导的绿色修建协同设计管理平台,发挥数字孪生功能,集力学分析、能耗分析、可视化分析、防灾救援分析、舒适环境分析于一体,使项目各专业的设计人员能够在集中统一的环境下工作,随时获取所需的项目信息,实现各设计专业之间信息沟通顺畅、实时统一,提高工作效率,确保设计工作合理、有序、高效。

3.2 基于环境友好的绿色环保施工理念

隧道粉尘是困扰隧道绿色施工的一大难题,不仅严重危害长期暴露在粉尘环境施工的工人健康,而且排出洞外的粉尘会对景区空气造成污染。 针对以上难题,新八达岭隧道采用大功率的除尘净化设备XA3000,如图11 所示,保证了PM0.5 以上粉尘90%以上的去除率以及0.1 mg/m3的空气清洁度,不但保护了掌子面施工人员的作业环境,还减少了隧道施工排放到景区的粉尘量,解决了施工扬尘对环境的污染问题,实现了绿色施工。

图11 XA3000 大功率除尘设备

水处理方面,为贯彻“绿水青山就是金山银山”的生态理念,严格遵循“堵水限排”原则,首先在富水段进行径向帷幕注浆,最大程度减少地下水下渗。 对于未能封堵住的地下水,为了防止隧道施工对水环境造成污染,为二衬渗入的清水和掌子面渗出的污水设置不同的导流通道,实现了清污分流的排水方式;研发高效的污水处理系统,施工期产生的污水中的有机物、悬浮物、氨氮磷等污染元素通过曝气生物滤池得以去除;同时创新性地提出了地下车站清污分离的排水系统设计方案,解决了车站运营期地下水保护和污水处理的问题,如图12 所示。

图12 八达岭长城站曝气生物滤池(G-BAF)废水处理系统

噪声与振动控制方面,为保护八达岭景区的文物以及控制施工引起的对景区的噪声影响,采用微震微损伤控制爆破技术起爆围岩,降低围岩损伤与噪声强度。

废物回收利用是使经济和环保效益最大化的重要一环。 京张高铁山岭隧道施工将起爆围岩进行回收,重点收集等级较高的围岩,通过碎石场进一步处理形成轨道、站房以及路基边坡砌体材料、混凝土骨料等建筑材料,解决了建材运输距离长、成本高、隧道弃渣堆放难等难题;针对北京海淀区清华园隧道城市泥水大盾构掘进废浆量大、泥水分离困难、无处理场地、泥浆制造量大等难题,应用泥浆综合处理技术,通过ZXSⅡ—2500/20 泥水处理设备使粒径在50 μm 以下的粉质黏土颗粒得到有效分离,保证了形成泥膜的颗粒级配。

3.3 基于节能减排的低碳环保运营理念

京张高铁站隧工程在多方面进行了全寿命周期的减碳技术探索。 如祝振南等对能源管片隧道初步探索[25],鉴于隧道结构可兼作浅层地热换热构件,以清华园隧道3 环27 个能源管片为工程背景,从选材、预制和现场安装等方面对地热利用型能源盾构隧道的施工方法进行了系统梳理,如图13 所示。 能源隧道在城市的作用在于当其组网广泛分布在城市浅层地表时,可以通过在隧道衬砌中预先埋置的热交换管将地铁运行废热转移至土层中,解决地铁废热停滞问题,还可以将废热提取向建筑供暖,可减少煤炭供暖产生的碳排放。

在隧道照明方面,八达岭地下车站采用智能LED供电系统,分时段、分位置调节光照时间与强度;在需要提高亮度的部位,采用高反射率的壁面铺贴材料以及具有高透射率的灯面板;将太阳光通过下沉广场引入隧洞群地下一层,减少洞群内外亮度差;采用集约化办公理念,提高集中办公率,减少光源分布;合理布局供电线路长度,减少线路损耗等。

运营通风方面,研发洞群智能通风控制系统,根据旅游旺季和淡季、高峰期和正常运营期,对洞群通风流量进行监测;合理利用上下行列车活塞风进行洞内空气调节,以最高效节能的方式使得进排风能够自动交换。

运营期水处理方面,设计了清污分离的排水系统。对于少量入渗隧道与地下洞室群的地下水,通过清水排水系统回馈给大自然,而消防废水、冲洗废水、生活污水等车站运营产生的污水则进入市政污水处理系统,实现了生态水资源与运营水资源的分离,保护铁路沿线的青山绿水,有效落实文明施工要求。

4 结论

京张高铁是我国第一条智能高铁,其中清华园隧道、八达岭长城站、崇礼支线正盘台隧道是整个项目的重难点,对环境保护、修建技术、文物保护的要求较高,具有划时代的意义。 对项目实施以来的与站隧工程相关的设计理念与方法进行了研究总结,得出如下结论。

(1)提出环境融合的设计理念和方法。 通过对八达岭长城站地下洞室群和清华园隧道的设计思路进行分析,明确了与长城文化、景区生态环境相联系的“站景融合”设计理念与消隐设计方法,以及针对原京张铁路线对城市的分割提出的“隧城融合”和缝合设计方法。

(2)提出安全舒适的设计理念与方法。 地下站隧工程的安全应该涉及结构受力安全与防灾救援线路布局合理,八达岭长城站超大跨预应力锚杆-锚索协同支护体系、盾构管片与轨下结构的工厂化高精度生产、八达岭长城站地下洞群“环岛”救援路线与旅客自行疏散紧急步道,开辟了站隧工程安全设计修建新模式;提出考虑声觉、视觉、温感3 个方面的高铁地下车站舒适环境营造方法。

(3)提出低碳环保的设计理念与方法。 提出基于BIM 的环保高效全过程管理理念,利用BIM 建筑信息模型顶层设计以及协同管理的优势,促进装配式结构智能建造技术以及绿色建造的集约化分析方法的进步;从施工排水设计、空气净化、污水处理、泥水循环利用等角度,提出环境友好型的绿色环保施工理念;提出基于节能减排的低碳环保运营理念,合理利用衬砌热交换技术、LED 智能调控技术以及列车进出站活塞风等,减少了用电量与碳排放,为高铁地下站隧系统能量的合理高效利用提供了新的思路。