中心城区城市综合管廊与地铁合建型式研究

农兴中 曾 毅

(1.广州地铁设计研究院股份有限公司, 510010, 广州; 2.广州环城地下管廊建设投资有限公司, 510010, 广州)

随着城市经济的发展,建筑密度越来越大,城市居民对水、电等各种需求随之增加,各种市政配套设施,尤其是市政管线的密度也相应不断增加。外露的市政管线不仅对城市景观影响较大,而且抗风险能力弱,容易因意外因素导致不能安全运行。综合管廊可有效地保障城市管道安全,减少城市道路的翻修破坏,减少交通拥堵,节省地下空间,促进周边土地升值,提高人民生活质量和效率,从而带来巨大的社会、经济和环境效益[1-3]。

综合管廊具有投资高、建设周期长、土建风险大、运营维护成本高的特点[4]。然而,由于在先期规划建设中未统筹规划,考虑后期其他地下空间的建设,忽视了城市地下空间的有限性,因此,一旦综合管廊先期建设工程占据了有限的地下空间,则后续工程建设难度将大幅增加[5-6]。对此,可考虑将中心城区的综合管廊与地铁合建。

本文依托广州地铁11号线(以下简称“11号线”)与综合管廊合建结合建设项目(以下简称“11号线管廊合建项目”),对结合建设的必要性、综合管廊与地铁的各种合建型式进行了研究,并对11号线具体节点结合方案进行讨论。

1 工程概况与建设必要性

1.1 工程概况

11号线串接了琶洲、广州东站、广州火车站、白鸭潭等四大枢纽,连接了天河、白云、越秀、荔湾、海珠等中心城区,串联了世洲员村、南中轴及白鹅潭等近期重点发展区域,增加了广州重点建设地区的交通覆盖范围。

广州市中心城区地下综合管廊工程如图1所示。

图1 广州市中心城区地下综合管廊工程示意图

中心城区综合管廊主要需求之一为220 kV和110 kV电力电缆,以连接已建及规划建设的220 kV/110 kV主变电站,满足中心城区的电力供应以及架空线下地要求。科韵路支线综合管廊需求为220 kV和110 kV电力电缆,以满足金融城的电力供应以及科韵路段的架空线下地。

综合管廊的另一主要需求为供水管道。综合管廊主线将串联南洲水厂、西村水厂及石门水厂,能起到供水保障的作用,使周边地块的用水安全及舒适度大幅增加。

广州市中心城区地下综合管廊工程处于广州市中心城区,且综合管廊大部分线路沿11号线路由敷设。广州市中心城区地下综合管廊工程采用与在建11号线合建的形式,与11号线同步设计、同步建设。综合管廊区间采用盾构法施工;综合管廊工作井采用明挖法施工,且部分工作井同11号线车站的出入口、风亭合建。综合管廊工程线路长度约为45.7 km,其中主线长42.6 km,支线长3.1 km;全线共设44座工作井(主线40座,支线4座),其中有12座工作井与11号线车站合建(包括共用场地但结构分离的工作井)。各工作井的平均间距为1.04 km。

为满足远期管线接入数量增多的可能性需求,按照经济合理、规模可控的原则,结合盾构施工工艺成熟度及施工机械数量等相关因素,确定综合管廊采用内径5.4 m的单个圆形断面。这样即可直接利用成熟的盾构施工工艺、相关机械设备及管片模具,降低建设成本。

1.2 合建的必要性与建设原则

由于中心城区用地紧张,若综合管廊单独实施需征用大量土地,耗费大量资金。综合管廊断面面积较大,出地面检修口及通风口规模均相对较大,因此在老城区土地资源匮乏、施工用地紧张、管线迁改难度大的情况下,新建综合管廊这种体量的构筑物十分困难。若与地铁建设结合,则可合并大量环节,大大减少相关费用。

本工程紧密结合11号线新线同步设计、同步建设,具有以下几点明显的优势:①综合管廊大部分线路与11号线共用地下走廊,提高了地铁沿线地下空间的利用率,减少对其他路由地下空间的占用。②综合管廊与地铁的地质勘察、征借地、交通疏解、管线迁改和房屋拆迁等若干前期工作合并,大量减少了前期协调工作及相关费用,大幅减少了土地资源占用,削弱了对现状交通及地下管线的影响;据初步估算,可节约各项费用约7亿元。③11号线在综合管廊项目之前已开展了前期征拆工作,结合建设也保证了综合管廊工程的可实施性和工期保障。

综合管廊布置及与地下车站、区间隧道的交叉节点建设原则: ①综合管廊列入近期实施内容时,应明确综合管廊、11号线地下车站及区间隧道的建设时序,并注意综合管廊与地下车站交叉节点宜采用合建方案。②地下综合管廊与地铁工程的前期工程及土建工程同步招标,并一次建设到位,管廊所纳入的各类公用管线可根据发展需要逐步敷设。③综合管廊工程应紧密结合地铁工程建设同步实施,出地面口应尽量结合车站附属结构设计。

2 综合管廊与地铁合建型式

合建型式可分为共建共构和共建非共构两大类。11号线合建管廊项目选择共建共构型式,即综合管廊与结构结合。该型式还可以分为与车站主体结构结合、与车站附属结构结合和与区间隧道结合三类。其中,综合管廊与区间隧道结合的共建共构型式相对简单,但协调统筹难度大,故本项目未采用该型式。

2.1 型式一

型式一即综合管廊与地铁车站主体结构结合型式。型式一的典型结构如图2所示。由图2可见,型式一的地铁车站部分采用了多跨多层主体结构,并与综合管廊结合为一体。

图2 型式一的典型结构示意图

型式一的优点:综合管廊与地铁车站结构结合为一体,能大幅减少对土地资源的占用,减小拆迁征地压力,还能减少地下结构的开挖量,进而减少对周围建筑结构的影响,从而避免二者分别施工时对周边结构的二次扰动。

型式一的缺点:地铁设备与管廊设备密集布置,对设备安装的要求提高;设备相互干扰的可能性增大。为保障运营安全,当建设此型式综合管廊时,天然气管道及蒸汽介质热力管道不应纳入综合管廊。此外,由于地铁与综合管廊分属不同的运营单位,还需要合理划分建设费用与运营费用,并合理分配二者的管理区域,以免出现责任不清的情况。

2.2 型式二

型式二即综合管廊与地铁车站附属结构结合的型式。综合管廊工作井布置位置可以与风亭和出入口等附属结构结合,布置在附属结构口部内侧、外侧或者下方。型式二中综合管廊工作井布置在附属结构口部内侧的典型结构如图3所示。在图3的车站节点,综合管廊工作井与地铁车站附属结构相结合,综合管廊工作井施工场地与车站附属施工场地也相结合。

图3 型式二的典型结构示意图

型式二的优点:在空间上,型式二的综合管廊工作井与地铁车站主体脱离,与附属结构共构,对车站影响较小;在时间上,综合管廊工作井施工与地铁施工总体同步,可利用地铁车站先期的施工准备条件,能节省大量的前期准备工作。

型式二的缺点:与型式一相比,型式二的开挖量与占地面积较大;后期的施工会受到先期建成结构的影响。

2.3 合建型式的比选

综合管廊与地铁车站合建型式的对比如表1所示。11号线管廊合建项目考虑到前期协同筹划不足,为了减少相互干扰,又为了很好地利用地铁建设的优势、实现同步建设,沿11号线敷设的综合管廊除少量节点采用与车站主体结构结合型式外,主要采用了与地铁车站附属结构相结合的型式。

表1 综合管廊与地铁车站合建型式的对比

3 不同合建型式的部分典型案例

3.1 采用型式一的典型案例

11号线梓元岗站与综合管廊采用型式一合建。梓元岗站为东西走向,位于老城区三元里大道与机场路交汇处,且毗邻梓元岗社区,拆迁征地极困难。邻近社区的房屋使用时间均超过40年,房屋外墙已出现较多贯穿性裂缝,自身稳定性极差。梓元岗站为地下4层岛式车站,全长280.8 m,站台标准段宽为43.2 m。梓元岗站分东站厅、西站厅及暗挖部分等3大部分,设置5个出入口和2个风亭组。梓元岗站采用明挖顺做法,站台层隧道为暗挖法施工。车站附属结构采用明暗挖结合施工。

结合现场实际情况确定,11号线管廊合建项目的梓元岗站合建最终方案为:只在西端站厅局部同综合管廊21#工作井及其管廊结构共构,管廊其他部分采用盾构施工。该方案总体上对车站主体结构影响较小。21#工作井为4层两端始发井,深约36.8 m,采用明挖法施工。21#工作井与梓元岗站的位置关系如图4所示。

与仅建设地铁车站的方案相比,11号线管廊合建项目的梓元岗站永久用地仅增加550 m2,小于梓元岗站拆迁面积的1/10;与非共构型式对比,采用型式一后,梓元岗站用地减少约1/2,而且减小了二次施工对周边老旧房屋的影响,降低了施工风险。

3.2 型式二的典型案例

型式二是常用建设型式,其车站与管廊共建布置的灵活性强[7]。型式二的典型合建平面如图5所示。

a) 工作井位于附属外侧

相比主体结构,出入口及风亭等车站附属结构的尺寸小,且覆土厚度一般仅为4.6～5.0 m。位于附属外侧的工作井与区间独立工作井基本一致,仅出地面的通风口及人员出入口同地铁出入口等附属结构相结合。这样工作井可不受车站附属埋深影响。工作井的尺寸按照满足盾构始发、过站、吊出的要求设置。管廊人员出入口与地铁出入口之间设置防火墙及防火门分隔;风口设置应保证与地铁出入口的防火防烟间距。位于车站附属内侧的工作井区间需下穿车站附属结构,会受车站附属结构埋深影响。

3.2.1 综合管廊与附属结构结合于内侧

广州东站站为广州地铁1、3、11及18号线的换乘站,共有3条既有线与1条在建线路通过,地下空间紧张。该站于1998年完成1号线站层相关建设,于2005年开通运行3号线。目前已有结构已建成多年。可见:若综合管廊与广州东站站主体结合,则协调难度较大;而且管廊过于靠近已有线路会大幅增加施工风险。由此广州东站采用了型式二的合建方案。为满足11号线管廊合建项目需求,广州东站站在东端新建扩大段。与附属结构结合于内侧,工作井结构受车站附属埋深影响,施工难度增加,但相对与附属结构结合于外侧,对施工用地的节省较大,管廊与车站结构的距离也在可控范围。且采用与附属结构结合于内侧方案,该工作井建设没有新增拆迁。因此,综合管廊14#工作井采用与广州东站站1号出入口结构结合于内侧的方案。

14#工作井与广州东站站1号出入口位置关系如图6所示。1号出入口位于广园路北侧燕岭公园内,平行14#工作井设置。14#工作井长度为28.7 m,标准段宽度为13.9 m,覆土厚度为0.40 m～3.22 m,为地下四层单跨箱形混凝土结构,出入口为地下一层结构,与管廊主体结构合建。顶、中、底板与内衬墙形成为一闭合框架,顶、中、底板设计为梁板体系;围护结构与风井主体结构采用复合式结构,主体结构采用明挖顺筑法施工;管廊井两端均接盾构区间。

a) 平面图

3.2.2 综合管廊与附属结构结合于外侧

11号线鹤洞东站主体结构比综合管廊盾构晚1年施工,难以采用综合管廊与主体结构的共建共构型式。若采用综合管廊与附属结构结合于内侧的方案,则需采用暗挖施工,施工难度较大。综合考虑土地征迁可行性、施工难度和施工安全等因素,以及对周围建筑及城市交通的影响,最终采用综合管廊与附属结构结合于外侧的方案。

综合管廊34#工作井位于荔湾区芳村大道南西侧,与11号线鹤洞东站1号出入口合建,并与广州鹤洞东站主体共用围护结构。34#工作井与鹤洞东站1号出入口位置关系如图7所示。鹤洞东站为地下三层岛式车站。工作井为地下5层,全长19.25 m,宽19.3 m,基坑开挖深度为32.5～35.5 m。34#工作井需在管廊通过一年后方可开挖。33#工作井为始发井,已施工至底板;34#工作井为过站井。为了不影响综合管廊的施工,需在盾构到达前完成34#工作井的围护桩,待盾构通过后再开挖34#工作井,即“先隧后井”施工。综合管廊34#工作井围护桩施工时,已完成鹤洞东主体围护结构施工。

a) 平面图

4 结论

1) 城市中心城区综合管廊的地面实施条件及地下空间受到较大限制。综合管廊与地铁相结合,同步规划、同步设计和同步实施,统一布局、统筹考虑,可有效减少对地上和地下资源的占用,合理利用地下空间资源。管廊与地铁结合建设需要在前期项目规划中充分考虑,避免因后期线路更改、站点更换导致合建难度大幅提升,甚至无法合建。

2) 管廊与地铁结合建设宜优先采用共建共构的结合型式,可以大幅节省造价,最大程度地发挥共同建设的优点,若受空间、地质和施工时序等条件限制时,可以灵活运用与车站附属结构的共建共构或共建非共构方案,充分发挥车站主体结构和附属结构建设的时间和空间转换条件。

3) 针对局部节点,需因地制宜,进行管廊(井)与主体和附属结构的不同位置结合方式的方案比选,分析不同合建方案的用地、施工和协调难度等因素,选择合理的结合方案。