京張高鐵八達嶺長城站建造關鍵技術及創新陳學峰;劉建友;呂剛;岳嶺期刊名稱】《《鐵道標準設計》》年(卷),期】2020(064)001【總頁數】8頁(P21-28)【關鍵詞】京張高鐵;地下車站;群洞結構;耐久性;微震爆破;噪聲控制;防災救援;智能監測【作者】陳學峰;劉建友;呂剛;岳嶺【作者單位】中鐵工程設計咨詢集團有限公司北京100055【正文語種】中文【中圖分類】U45引言隨著城市軌道交通的快速發展，我國目前已經修建了大量地鐵車站，地鐵車站一般規模小、埋深淺、多位于土層中，主要采用明挖法或淺埋暗挖法施工［1］。與此同時，隨著我國高速鐵路的發展，尤其是高速鐵路進城的需要，許多城市陸續出現了地下火車站。廣深港高鐵福田站埋深32m，分三層，地下一層為換乘大廳，地下二層為候車大廳，地下三層為站臺層［2］。廣深港高鐵西九龍站深30m，分五層，地面層是通往西九龍巴士總站的交通層，地下一層是售票大廳，地下二層是抵達香港旅客入境層，地下三層是離開香港旅客離境層，地下四層是鐵路站臺層。津濱城際鐵路于家堡站埋深29.5m，分三層，地下一層為站廳層，地下二層為城際鐵路和軌道交通B2、Z4線站臺層，地下三層為軌道交通Z1站臺層［3］。海南東環鐵路美蘭站埋深16m，分上下兩層，地下一層為站廳層，地下二層為站臺層［4］。這些地下火車站與地鐵車站類似，多位于城區淺埋土層中，采用明挖或淺埋暗挖法施工。國外目前還沒有主體工程全部設置在地下的火車站，其大部分火車站均采用地上和地下相結合的建設方案，如比利時安特衛普中央車站，地上地下共四層站臺，地下二層設有4個通過站臺，地下一層設有4個重點站臺，地面層是售票大廳及商鋪，地上一層有6個終點站臺。美國紐約中央車站有兩層鐵路在地下，地下一層有41條軌道，地下二層有26條軌道，地面為候車大廳和商業樓。德國柏林中央火車站分上下兩層，地下層為南北向火車線路和地鐵，地上層為東西向火車線路和S-Bahn快軌。這些火車站均采用明挖法施工⑸。京張高鐵八達嶺長城站是我國第一座位于山嶺地區深埋于巖體中的地下高鐵車站，采用鉆爆法暗挖施工，車站地面為八達嶺長城，施工面臨一系列的技術難題。1工程概況及特點、難點1.1京張高鐵概況京張高鐵東起北京北站西至張家口南站，正線全長173.964km，同步建設延慶支線長9km，崇禮鐵路長53km，正線設北京北、清河、八達嶺長城、張家口南等10個車站，延慶支線設延慶站，崇禮鐵路設太子城站（圖1）。圖1新建京張高速鐵路線路平面京張高速鐵路八達嶺長城站位于新八達嶺隧道內，是目前世界和國內埋深最大的高速鐵路地下車站，車站層次多，洞室數量大，洞型復雜，是目前國內最復雜的暗挖洞群車站（圖2）。圖2京張高鐵八達嶺長城站透視車站建造需解決的關鍵技術問題車站長470m，建筑面積36143m2，地下分三層結構，車站中心處線路埋深約102.6m，兩端渡線段單洞開挖跨度達32.7m，是目前國內單拱跨度最大的暗挖鐵路隧道。設計施工需要解決以下關鍵技術問題。隧道埋深及旅客出站提升高度大，旅客提升及防災疏散救援困難。車站最大軌面埋深102m，旅客提升高度62m，車站位于風景名勝區，客流量大，高峰客流集中，給正常運營情況下旅客提升及災害期間旅客疏散救援帶來極大的困難。地處世界文化遺產—八達嶺和十三陵核心景區，環保要求嚴格。新八達嶺隧道兩次穿越國家重點文物保護單位、世界人類文化遺產—八達嶺長城，車站位于景區核心區域滾天溝下方，文物和環境對施工和運營的振動和防污要求高。車站兩端渡線段跨度大，地質多變，結構設計及施工困難。車站兩端四線渡線段最大開挖跨度達32.7m，且其大里程端受F2斷層影響顯著，圍巖變化頻繁，差異大，采用傳統設計方法無法保證結構和施工安全。群洞布局，洞室間重疊交錯，斷面繁多，相互干擾嚴重。車站為三層三縱群洞布局，各類洞室達78個，斷面形式多達88種，重疊交錯，交叉節點密集，結構復雜。平行洞室最小水平間距僅2.27m，最小豎向間距僅4.55m，施工期間極易引起相互干擾，尤其是爆破對中夾巖體的剛度削弱顯著，易造成群洞結構破壞。工作面多，工期緊張，施工組織及運輸困難。本工程為2022年北京冬奧會的配套交通基礎設施項目，要求2019年5月完成車站主體結構，工期緊張。車站及兩端過渡段通過2號斜井組織施工，共設置8條分通道：1號、8號分通道施工車站兩端正洞，2號、3號和7號分通道施工大跨過渡段，4號、5號和6號分通道施工車站，施工高峰期共有13個工作面同時作業，物流組織復雜，通風要求高，施工組織難度大。開挖區域受F2斷層及風化深槽影響顯著，地質條件復雜。八達嶺長城站位于花崗雜巖地層，巖性種類多，成分變化大。受構造運動影響，巖脈發育，分布F2斷層、風化深槽及多組節理，巖體破碎，差異風化顯著，若無法準確預測前方巖體情況和不良地質，將造成較大的施工風險。2主要創新研究成果為了解決八達嶺長城站建設中面臨的難題，車站設計單位中鐵設計集團聯合高等院校和科研機構、施工單位開展了科研技術攻關，研發了一系列新技術、新設備、新裝備，形成了一套地下車站設計施工綜合修建技術。三層三縱的群洞結構地下車站的建筑方案可采用大跨方案和群洞方案：大跨方案是將鐵路四股道和側式站臺及各種設備均設置在一個超大跨度隧道內；群洞方案是將四股道分別設置在分開的3個隧道內，其中中間的隧道為過站不停車的兩股道，兩側的隧道為到發線和側式站臺，同時自上而下為設備和出站層、進站層和站臺層三層結構，如圖3所示。大跨方案視覺效果更好，地下車站顯得更加雄偉壯觀，而群洞方案具有更高的安全性、經濟性和實用性，主要表現在以下4方面。群洞方案減小了洞室跨度，利用巖墻和巖板的支撐作用，有利于保持圍巖和支護結構的穩定性，降低施工難度，提高施工和運營安全。群洞方案可減小開挖量，減少支護措施，顯著降低工程造價。群洞方案各主要空間相互獨立，形成天然的防火分區，可避免火災煙氣蔓延；同時，群洞可降低中洞高速列車氣動效應和輪軌噪聲對兩側到發線站臺旅客的影響群洞方案可以避免不同方向的客流相互干擾，有利于客流高效有序流動。圖3地下車站三層三縱的群洞結構長大電扶梯和斜行電梯八達嶺長城站軌面最大埋深102m，旅客提升高度62m，為了提高旅客進出站的效率，車站設置兩級提升，第一級為站臺層至主通道層，第二級為主通道層至地面主通道為上下疊層結構，上層出站，下層進站，使進出站客流分離，避免客流交叉擁堵。進站方向兩級提升高度分別為13.65m和39.22m，出站方向兩級提升高度分別為20.1m和38.77m。主通道與地面之間的第二級提升采用一次提升的長大扶梯和斜行箱式電梯（圖4）。長大扶梯為旅客提供安全、便捷、高效的進出站服務，斜行電梯為殘障人士提供平等便捷的乘車體驗。圖4長大電扶梯和斜行電梯超大跨度隧道建造技術超大跨隧道由于巖體結構的尺寸效應、圍巖缺陷和影響圈的放大效應、施工步序的敏感效應等，采用傳統的經驗法和工程類比法已不能滿足圍巖及支護結構穩定性的要求［6-7］。研究團隊在分析圍巖自承載體系及支護結構作用機理后，提出了超大跨隧道圍巖自承載理論、超大跨隧道圍巖承載拱構件化設計方法、超大跨隧道預應力錨網噴巖殼自承載支護措施（圖5）、超大跨隧道“品”字形開挖工法工藝、超大跨隧道結構安全智能監測系統，形成了“理論、方法、措施、工藝、監測、反饋”六位一體的綜合建造技術，確保了超大跨隧道的施工和運營安全。對于中、小跨度的隧道，依靠二襯的承載力即可滿足圍巖穩定性的要求，這是我國鐵路隧道多年來形成的“重二襯、輕初支”的設計理念，導致一些學者始終堅持“錨桿無用論”。但對于超大跨類隧道，二襯的承載能力很小，巖體需依靠自身能力承受外荷載。因此，由錨桿、錨索、鋼筋網和噴射混凝土組成的預應力錨網噴巖殼支護體系，成為修建超大跨類隧道行之有效的主要支護手段。構件化設計方法是將隧道周邊一定范圍內的圍巖圈作為一個拱形結構進行強度、剛度和穩定性計算，從而設計錨桿、錨索、噴射混凝土和襯砌等支護結構，實現了支護結構定量化設計。圖5超大跨隧道錨索錨桿布置復雜洞室群隧道修建技術當多個硐室之間的間距小于隧道開挖的影響范圍，相鄰洞室開挖引起的應力擾動將相互干擾，形成地下工程的群洞效應，洞室越多，間距越小，群洞效應越顯著［8-9］。上下層洞室之間的巖板，以及左右洞室之間的巖墻，是群洞效應最強烈的部位，也是地下洞室群穩定性最差，最易發生變形破壞的部位。因此，巖板和巖墻的穩定性分析及支護結構設計是洞室群修建的關鍵技術難題。由于群洞效應的復雜性，設計人員很難得到洞室群受力的理論解析解，因此，只能依靠數值模擬計算來分析群洞的受力，但受巖土體本構模型、邊界條件、計算參數等影響，數值計算結果在群洞設計中一般僅作為參考，支護結構設計當前則主要依靠經驗法設計。為了解決洞室群受力計算問題，研究團隊提出應力流守恒法則：隧道開挖前后，任意水平剖面圍巖的豎向應力流和任意豎直剖面圍巖的水平應力流將保持不變。應力流守恒法則類似于水流守恒，不論河道彎曲深淺變化以及河道中孤石雜物阻隔，任意剖面河流總水流恒定不變，同樣不論隧道開挖的數量、洞型、開挖工法、支護形式等變化，隧道圍巖豎向應力和水平應力流始終恒定不變。洞室群豎向應力流示意見圖6。基于隧道圍巖應力流守恒原理，設計人員能夠計算隧道開挖后巖墻和巖板的受力，并根據巖墻和巖板的穩定性要求進行支護結構的設計。圖6洞室群豎向應力流示意超長耐久性隧道修建技術通過調研發現，我國鐵路運營隧道中有相當一部分存在不同程度的病害，包括滲漏水、襯砌裂損、底部翻漿冒泥等，這些病害一般是由于支護結構或者防排水系統的耐久性不足引起。隧道結構一旦發生病害，其維修難度和成本都非常高，鐵路部門每年都需投入大量的人力、物力和資金用于隧道病害的維修和治理，因此開展隧道的耐久性設計具有重要的社會經濟意義［10-12］。八達嶺長城是中國古代偉大的文化遺產，歷經500多年的風雨洗滌，如今依然巍然矗立。八達嶺長城站位于地下恒溫、恒濕環境，圍巖為耐久性優良的花崗巖，具備建設超長耐久性工程的良好地質條件。基于此，提出了八達嶺長城站300年設計使用壽命的目標。為了達到這個目標，八達嶺長城站支護結構體系的設計采用圍巖自承載的設計理念，即利用錨桿、錨索、注漿等支護措施，使周邊圍巖形成承載拱，承擔圍巖全部荷載，二襯作為安全儲備。這種支護體系的設計理念充分利用了隧道圍巖的耐久性，而八達嶺花崗巖暴露在空氣中300年的風化深度僅為30mm。隧道圍巖一旦成拱，即使前期施工的錨桿錨索百年后銹蝕退出工作，圍巖拱依然保持穩定。同時二襯采用中低水化熱水泥、I級粉煤灰、多級配整形骨料、控制入模溫度、優化配合比、進行保濕、保溫養護等措施提高混凝土的耐久性（圖7）。圖7長壽命隧道設計思路微振微損傷精準爆破技術國內外許多學者對隧道開挖爆破的振動控制開展了廣泛的研究［13-16］，八達嶺車站對爆破振動控制提出了更高的要求。車站位于八達嶺長城的正下方，施工期間需嚴格控制爆破開挖對八達嶺長城的影響，同時需減少爆破施工對相鄰洞室群圍巖和支護結構的損傷；此外洞室群復雜的開挖輪廓線對爆破開挖邊界精度的控制提出了更高要求。為了制定合理的爆破振動速度的控制標準，研究團隊提出了混凝土建筑物爆破振速控制標準的制定方法，根據混凝土材料抗拉和抗壓強度確定其極限振動速度，根據建筑物的重要性和服役狀態選取安全系數和折減系數，以及建筑物運營對裂縫寬度的要求確定裂縫寬度修正系數，從而得到建筑物振動速度控制標準。八達嶺長城站隧道噴射混凝土和模筑混凝土爆破振動控制標準如表1所示。為了上述控制標準，研究團隊提出微振微損傷精準爆破技術，利用電子雷管的起爆時差，使爆破藥量分散逐個起爆，減小單次爆破的炸藥量，從而降低爆破振動，減小圍巖和支護結構損傷，精準控制爆破邊界，如圖8所示。表1隧道噴射混凝土和模筑混凝土爆破振動控制標準cm/s混凝土強度等級噴射混凝土模筑混凝土振動速度極限值振動速度控制標準振動速度極限值振動速度控制標準C1527~3514~1811~196~10C2032~4216~2113~237~12C2537~4919~2514~267~13C3043~5622~2815~298~15C3548~6324~3216~328~16C4053~7127~3618~359~18圖8精準微損傷爆破效果地下車站噪聲控制技術八達嶺長城站位于深埋封閉的地下空間中，車輛運行及大量旅客產生的噪聲在地下空間中不斷反射傳播，噪聲較大，影響旅客乘車的舒適性?；诖?，八達嶺長城站設計過程中采用復雜地下空間聲環境仿真模擬技術、隧道洞壁吸聲降噪技術、砂巖吸聲板先進材料、地下空間有源降噪技術和群洞布局的隔噪效果等措施來實現地下車站優良的聲學效果（圖9、圖10）。圖9八達嶺長城站聲學環境模擬圖10隧道洞壁、底板采用砂巖吸聲板BIM設計施工技術八達嶺長城站洞室多，洞形復雜，為了準確表達設計施工中的三維空間信息，八達嶺長城站施工建立了BIM模型（圖11），搭建了多專業協作的統一平臺，使建筑、結構、暖通、給排水等各專業基于同一個模型進行工作，實現了真正意義上的三維集成協同設計，直觀地呈現各專業的沖突問題（圖12）。實現了項目標準化的管理，三維可視化、構件化的設計，三維數字化模擬施工，為勘察—設計—施工—運營—管理提供了可視化、智能化的統一管理平臺。圖11八達嶺長城站整體BIM模型圖12利用BIM技術有效解決管道碰撞問題2.9智能防災救援疏散系統（圖13，圖14）八達嶺長城站軌面埋深達102m，旅游高峰時期，大客流集中于深埋地下車站中，一旦發生火災，需確保旅客能夠快速疏散，同時救援車輛能夠及時到達。八達嶺長城站設置了立體環形的疏散救援廊道，可提供緊急情況下快速無死角的救援條件；施工期間作為施工斜井，提供了全方位多通道的施工作業面，實現了安全快速施工八達嶺長城站通過信息化監控平臺，實時監測、采集、匯總地下車站和隧道內各類監測設備的監測信息，實現對機電設備、客流監測信息分布獲取、集中管理、綜合運用，全面掌握災害狀態。提供及時準確的三維可視化災害報警和預警功能。圖13環形快速救援系統圖14防災救援智能指揮系統2.10隧道結構智能健康監測系統為保障八達嶺長城車站施工和運營全過程結構安全，車站設置了隧道結構智能健康監測系統，對錨桿、錨索、噴射混凝土、鋼架、二次襯砌以及圍巖進行應力和變形監測，并開發了圍巖及結構健康安全監測軟件平臺，對地下車站、隧道圍巖及結構的各類傳感器數據進行遠程采集，并以各類圖形化平臺展示與顯示，對各類傳感器數據進行分析、評估，進行實時監測與評價；當監測到地下車站、隧道結構發生異常時，可及時給出預警。監測軟件平臺的功能如圖15所示。圖15監測軟件平臺的功能2.11隧道綠色建造技術八達嶺長城站位于世界著名的風景名勝區，對施工過程的環境保護提出了更高的要求，包括污水、粉塵、噪聲、振動、棄渣等處理要求均比常規隧道設計施工更嚴格在設計上，八達嶺長城站設置了清污分離的排水體系，將隧道圍巖滲入的清水還給自然，車站清潔產生的污水排入市政污水管網進行處理，保證景區水環境清潔，最大程度的實現節水環保。同時隧道襯砌混凝土的粗骨料采用隧道開挖產生的棄渣，可節省砂石用料并減少棄渣場的占地面積。在施工上采用高標準的污水處理系統，利用曝氣生物濾池過濾系統保證氨氮的高效去除和總氮的消減；采用干式除塵凈化技術，改善現場施工作業環境，減少粉塵的排放。見圖16、圖17。圖16除塵凈化設備XA3000圖17施工污水處理站2.12掌子面地質信息智能圖像預報技術(圖18)隧道開挖過程中形成的掌子面隨地質情況不同而變化，其中蘊含的信息量巨大，然而要提取出對施工有用的信息并加以分析利用則并不容易。用數碼相機采集隧道掌子面圖像，利用多種圖像處理技術，可獲得諸如照片陰影面積、結構紋理線條長度、結構面邊界線等不同參數，結合現場地質探測，增加埋深、地下水狀態等相關信息，可形成最終的地質素描，并快速地進行圍巖分級，為隧道施工提供參考。掌子面地質信息智能圖像預報技術通過分析掌子面圖像，獲得掌子面與節理交線；根據現場測量產狀，獲得節理的空間幾何關系；通過數據處理獲得節理裂隙密度、長度等相關信息；從而獲得巖體RQD值，并對圍巖進行綜合分級。圖18沿里程方向隧道地質切片3D實景再造3結論八達嶺長城站以建設“更安全、更環保、更人文、更耐久的地下車站”為設計目標，取得了以下創新性研究成果。提出了大型暗挖群洞地下車站建筑設計理念和環境營造技術。利用洞群結構的相互獨立性降低災害、氣動效應、噪聲等不利因素的相互影響；利用群洞的圍巖自穩性，降低施工風險和工程投資。首次精細模擬車站聲、光、風、溫和視覺環境，采用洞壁吸聲降噪技術和群洞隔噪措施，打造舒適溫馨的地下候車乘降環境。構建了地下大空間自穩定結構設計施工成套技術。提出了超大跨隧道圍巖自承載理論及其承載拱構件化設計方法，構建了超大跨隧道預應力錨網支巖殼自承載支護體系，創建了大斷面隧道“品”字形開挖工藝工法，搭建了超大跨隧道結構安全智能監測系統，形成了“理論、方法、措施、工藝、監測、反饋”六位一體的綜合修建技術，確保了超大跨隧道的施工運營安全。構建了復雜密集洞群設計施工成套技術。提出了隧道圍巖應力流守恒理論及洞室群隧道支護結構設計方法，揭示了洞群穩定關鍵部位，提出了巖墻、巖板荷載分布和穩定性控制方法，解決了復雜洞群結構安全及穩定性問題。揭示了爆破振動對巖墻、巖板的損傷機理，提出了圍巖損傷的量化評估方法，提出了微震微損傷精準爆破技術。創建了大型深埋地下車站防災救援技術體系。設置了立體環形的疏散救援廊道，實現了緊急情況下快速無死角救援的目標；建立了基于BIM、3DGIS、互聯網+等技術的三維可視化防災救援智能指揮系統，實現了站內設備應急聯動和疏散救援智能指揮。提出了長壽命地下巖體工程構建技術。構建了圍巖為承載主體的長壽命結構體系，揭示了圍巖、初支、二襯耐久性的相互作用機理，創建了長壽命混凝土制備、