行业要闻

四新技术在天津地铁2、3号线工程中的应用

 

1 地铁2、3号线工程概况

      地铁2号线是天津市快速轨道交通网中的东西骨干线,线路西起中北镇的曹庄,东至李明庄,途径西青区、南开区、和平区、河北区、河东区和东丽区6个行政区。正线长度22.66km,其中地下线21.64km,敞开段0.26km,地面线0.76km;全线设站19座,其中地下站17座,半地下站1座,地面站1座。2号线概算总投资123.3亿元。

      地铁3号线南起西青区华苑产业园区,北至北辰区小淀,为天津市快速轨道交通线网中西南至东北方向的骨干线,与1、2号线共同构成天津市快速轨道交通线网的基本骨架。沿线经过西青、南开、河西、和平、河东、河北、北辰7个行政区。3号线正线全长29.66km,其中地面线0.61km,高架线6.87km,地下线21.65km,过渡段0.53km。共设车站22座,其中地面站1座,高架站4座,地下站17座。

2 工程的重点与难点

      天津地区属软土类地基,地质条件普遍较差。而2、3号线车站的基坑均属深基坑工程,盾构区间的施工需穿越大片的水域、铁路站场、居民区地段等,因此,2、3号线工程重点多、难度大、风险高。

2.1 盾构穿越铁路、河流、湖泊和建(构)筑物

      地铁2、3号线车站及盾构穿越铁路共计7处,主要有国铁陈塘庄支线、京山三线、北环线、天津北站、天津站及其西端咽喉区。盾构穿越河流湖泊有:海河、津河、新开河、南运河、月牙河、外环河和天塔湖、宁园湖,水面最宽100m左右,水深最深7m。

      盾构还穿越大面积住宅区和立交桥:2号线建国道段穿越多栋保护性建筑物和住宅,3号线在水上北路~吴家窑大街区间、和平路~海河区间和宜兴埠地区穿越大面积居民区或建筑物。2号线经过顺驰立交桥及昆仑路立交桥、3号线经过金狮立交桥时,盾构结构外缘距桩基距离仅1m左右。

2.2 车站工程

      地铁2、3号线除天津站轨道换乘中心工程以外共设地下车站32座,其中地下3层站3座,带有局部地下3层换乘节点的地下3层车站5座,半地下站1座,其余为地下3层车站。地下3层车站基坑开挖深度为14.8~20.2m,地下3层车站及换乘节点基坑深22.0~25.1m,基坑普遍较深。综合考虑天津地质条件和2、3号线各地下车站的具体情况,除3号线和平路站采用局部盖挖逆作法、北站站换乘节点处地下3层结构采用盖挖顺作法、车站附属结构少数过街通道采用暗挖法施工以外,其余地下车站均采用明挖顺作法施工。

因地下车站大部分设置在交通繁忙的主干道和道路十字交叉口之下,场地复杂,站位附近地下管线较多,有的车站距周围建筑很近,加之地下水位较高,地下潜水层普遍具有微承压性,在水压力作用下坑底易产生管涌和隆起,施工风险较大。

3 地铁1号线科研成果的应用推广

      早在地铁1号线设计和建设期之初,地铁公司就组织人力对地铁工程的重点、难点和与节能降造相关领域进行课题研究。现在,这些研究成果都已应用到地铁2、3号线工程中。如2、3号线所有地下车站的附属结构均采用SMW工法作为围护结构;在1号线工程中研制的新型弹性短轨枕,可应用在振动超标6dB以下地段;基坑监测、盾构施工和暗挖法施工的经验为解决2、3号线施工难点提供了强有力的支持。此外,1号线科研成果将广泛应用和推广。

3.1 微承压水处理及基坑降水方案

      天津地区地下潜水水位高,第Ⅱ陆相层及以下的粉土、粉砂层中的地下水具微承压性,地下水水文地质条件较为复杂,根据地铁1号线的经验,地下微承压水是危害基坑稳定和安全的主要因素之一,因此,2、3号线深基坑工程的降水根据墙底以下承压水层的不同情况进行以下几种方案。

      方案1为浅层深井井点降水。在坑底浅层承压水层厚度不大,围护墙(或帷幕)可适当加深穿透承压水层插入下层粉质粘土或粘土隔水层;或围护墙底以下存在厚层隔水层,深层承压水层埋置较深,经检算坑底土层厚度能够满足抗承压水稳定的条件下采用此方案,见图1。

      方案2为浅层深井结合深层减压井降水。当墙底附近承压水层厚度不大或不连续,围护墙(或帷幕)已穿透承压水层,经检算坑底土层厚度不能满足抗承压水稳定的验算条件时,除按方案1设置浅层降水井外,在基坑中部沿纵向按30~50m间距布设深层减压井,见图2。深层减压井为备用设施,方案实施时需结合承压水头监测,仅在基坑开挖到一定深度,现场监测坑内承压水头过大难以满足稳定要求时启用,并对抽水量及水头降低高度进行严格控制,以减小环境危害。

      方案3为浅层深井结合坑外深层减压井降水。除按方案1布置浅层降水井外,在基坑外侧设置深层减压井,见图3。方案应用条件为:墙底附近存在较深承压水层,经检算坑底土层厚度不能满足稳定条件,单纯加深围护墙(或帷幕)不够经济,也不可靠。本方案启动的条件同方案2,另外在条件适宜时设置回灌井,以保护地下水资源和减少环境影响。

3.2 环控系统采用设备变频技术,最大程度地降低工程造价和能耗

      天津地铁2、3号线的通风空调系统率先大范围采用变频技术,在地下车站公共区的组合式空调箱、回排风机、轨顶、轨底排热风机配置变频器,进行智能化调节,大大节约了通风空调系统的电能消耗。

      结合轨顶轨底排热风机(U/O)配置变频器方案,地下车站每端部只设置一台区间隧道事故风机(TVF),由U/O风机兼顾TVF风机的备用功能,满足隧道通风系统的功能要求,以减少设备数量和初投资。同时,由于风机的减少,部分车站的主体或风道土建规模得到了压缩,节约了土建工程的初投资。

3.3 车站牵引变电所内设置再生能逆变吸收装置,充分回收利用电能

      机车再生制动产生的反馈能量一般为牵引能量的30%甚至更多。再生能量吸收装置对降低隧道洞体及车站内温度,提高洞内空气质量具有重要意义。同时,使用再生能量回收装置还能减少车载设备(车载制动电阻),减少车辆的运营维护工作量,降低车辆成本,减少车辆自重,从而降低列车能耗,提高车辆加减速性能,并可在一定程度上降低电机的配置容量。逆变吸收装置可以实现电能的再利用,充分体现了节能环保功效。

4 地铁2、3号线的先进性与创新

4.1 车站防水

      地下车站的渗漏是地铁工程的通病,2、3号线地下车站的防水采用新型自粘式防水材料,有效地解决了窜水问题,施工简便,防水效果好,即使有漏点也很容易堵住,因为水不会窜到其他地方。

      结构变形缝采用中埋可注浆式止水带,较传统止水带而言,具有可检测、可注浆修补的特点。变形缝是车站防水的薄弱环节,容易发生渗漏。而采用中埋可注浆止水带,可以通过预先设置的注浆管来进行渗漏水检测并立即进行最快速、最经济、最有效的修补,修补后的防水质量可靠耐久。

4.2 地下区间设置侧向疏散通道,提高事故安全疏散功能

      地铁车辆行驶在轨道上,当有灾害发生时目前国内解决这个问题的方案一般为:载客车辆停在区间隧道,车辆两侧的车门闭锁,通过设置在车辆前后端的紧急逃生门疏散乘客至道床上乘客在道床上沿轨道逃生至相邻车站。该方案的缺点是:乘客仅能通过车辆前(后)端的紧急逃生门疏散,疏散距离长,可能需穿过整列列车;紧急逃生门尺寸小,通过速度低。另外,车门与道床表面之间存在1.2m以上的高差,乘客无法像在车站站台上一样通过车门上到道床。由此可见,采用这种方案实际实施时会在疏散路径中形成瓶颈,疏散效率低,安全度低。

      地铁2、3号线地下区间采用了侧向疏散通道方案。侧向疏散通道由悬在隧道侧壁上的结构板构成,板顶面与车门下缘高度相同。当有灾害发生时,乘客可以直接通过列车各车厢的车门一步踏到疏散通道板上,然后沿通道逃生。避免了车辆前后两端设紧急逃生门方案的缺点,疏散效率高,安全度大大提高。

4.3 采用干式消火栓系统

      水消防系统根据管道内是否充水、充气分为湿式系统和干式系统,目前国内地铁设计中,地铁水消防设计一般均采用湿式系统。南方城市外部环境温度较高,管道不易冻结。北方城市通常的做法是:在消防水管易冻结的部位采用保温措施。目前,保温措施一般采用电伴热和管道外保温2种方法。

      以上2种方法在使用中存在一些缺点,如保温层常有脱落现象,在狭窄的空间内又难于发现和维修,存在事故隐患,极易引起行车事故,而采用电伴热保温需要增加运营成本。针对这种情况,地铁2、3号线在设计时结合工业厂房采用干式系统的经验,经过大量的调查和分析研究,在高架站、地面站、有敞口的区间隧道推出了干式消火栓系统的方案。干式消火栓系统主要优点是:平时管道内无水,不会有冻结问题,管道不需要保温;管道不会产生滴漏水现象。从经济上比较,虽采用干式系统造价略有增加,但提高了运营的安全性,降低了运营成本。采用干式消火栓系统,为严寒地区解决轨道交通消防水管防冻提供了一种新的方法,这在我国地铁系统尚属首次。

4.4 通信系统

      在国内地铁领域率先采用全数字电视监视系统,使地铁的电视监视系统控制更加灵活,有效地减轻了地铁工作人员的劳动强度,提高地铁的管理水平;时钟系统与乘客信息系统进行了整合,取消了车站的子钟,既节省投资又降低了施工难度,同时减少了终端的数量;新建的无线视频传输系统,实现了列车与车站和控制中心之间实时视频传输;可靠的以太网技术构建独立的数据传输网实现对数据业务的承载,符合通信网络向全IP化方向发展的趋势,有利于地铁通信网络向全IP化过渡,在国内地铁领域处于先进水平。

4.5 信号系统

      信号系统采用了具有国际先进水平的基于通信的移动闭塞系统(CBTC),代表了最先进的信号系统技术,能实现较短的行车间隔,能为2、3号线储备较大的运能,更有利于线路通过能力的充分发挥。采用移动闭塞系统,车站级室内外设备较少,减少了设备用房的面积,节省土建及相关专业的投资,还可减少运营维护的费用。

4.6 综合监控

      综合监控系统利用先进的计算机技术,整合了FAS、BAS、SCADA等系统,并与PA、CCTV、PIDS、AFC、ACS、PSD、ATS、UPS、CLK等系统互联,通过集成/互联将各机电系统的相关监控信息进行统一处理、共享,使相关系统的运行协调、统一,方便了地铁工作人员的管理工作,提高了天津地铁2、3号线的自动化运营管理水平及应对突发灾害事件的处理能力。

4.7 采用屏蔽门,减少能耗,提高车站环境质量

      天津地铁2、3号线在环控系统方案确定上经过了较长时间的研究和反复。从对安全性要求考虑,各城市地铁至少是采用安全门。经过详细的经济、技术比较,2、3号线确定采用地下车站站台设置屏蔽门的方案,此方案在天津地铁首次采用。屏蔽门系统与安全门的闭式系统相比,虽然初期投资增加,但运营成本降低,据测算在5a内可收回增加的初投资。而且,车站设置屏蔽门后,可以改善车站的空气质量,减少噪声影响,乘客舒适度提高。