北京地鐵八通線工程設計綜述

趙 斌（北京地鐵京通發(fā)展有限責任公司）
軌道交通是解決大城市交通擁堵的重要途徑。為迎接2008年奧運會，北京于2008年前要實現(xiàn)約300km的軌道交通線路。在城區(qū)，由于環(huán)境的制約和城市景觀的要求，線路一般設于地下，比如北京地鐵1號線和2號線，包括正在建設的地鐵5號線的大部分工程。但地下線耗資巨大（1km投資約5～7億元人民幣），并且施工難度大，周期長。隨著北京城市格局的調(diào)整，邊緣集團和衛(wèi)星城鎮(zhèn)的形成，地面軌道交通將成為城區(qū)與郊區(qū)的聯(lián)系紐帶，這些軌道交通線路稱為城市鐵路或市郊線路。八通線屬于市郊線路，市郊線路的建設有其內(nèi)在的規(guī)律性，它穿梭于城市和郊區(qū)之間，其設計標準、環(huán)境保護、施工方法、安全措施等方面都有其特殊的要求。隨著北京軌道交通的大發(fā)展，對已建項目不斷進行總結(jié)，無疑會對新建線路有參考和借鑒作用。本文對八通線土建設計中的主要問題做初步的回顧和評述，希望對類似工程能有所借鑒。
一、 工程概況
北京地鐵八通線（八王墳至通州）是北京地鐵路網(wǎng)規(guī)劃1號線的東段，途經(jīng)朝陽和通州兩區(qū)，起點為位于朝陽區(qū)內(nèi)地鐵復八線的四惠站，終點為通州區(qū)的土橋站，線路全長18.964km，其中1.744km的線路是利用原復八線的一段，新建線路長17.22km，全線共設置13座車站，其中包括9座高架站，4座地面站。線路最大站間距是定福莊至雙橋站為2001.95m，最小站間距是體育場至土橋站為776m，平均站間距為1498.4m。線路考慮全封閉。在線路終點土橋設車輛段和綜合維修基地，占地23.98hm2，總建筑面積約89602m2；在已運營的四惠站上設全線指揮中心，總建筑面積18225m2。
八通線初期預測高峰小時最大客流量為14068人，近期（2010年）為20695人。屬中等運量的系統(tǒng)。初期按4節(jié)編組，3min間隔，配車24列，車輛電氣傳動采用VVVF傳動方式，直流750V 供電；車頂安裝空調(diào)系統(tǒng)，車頂至軌頂面的高度為3.51m。八通線總投資34億元人民幣，其中土建工程費6.8億元人民幣，設備工程費11.4億元人民幣。
二、土建工程主要設計內(nèi)容
1、 線路路由
八通線路由在四惠東站以東下穿京包鐵路后向東逐漸抬高，在華潤飯店西側(cè)的加油站南面斜跨京通快速路上行線，而后進入京通快速路南北主路之間的20m隔離帶內(nèi)，一直往東，隨京通快速路的起伏而起伏。線路經(jīng)八里橋收費站后跨京承鐵路到達北苑環(huán)島。在可研階段，起初是沿新華大街往東，由于拆遷困難，改為沿運河大街。而后綜合考慮通州區(qū)的發(fā)展規(guī)劃，最后改為現(xiàn)在的沿京津公路西（南）側(cè)的方案。線路經(jīng)北苑環(huán)島西南側(cè)，沿京津公路西（南）側(cè)經(jīng)果園站、九棵樹站、梨園站、體育場站，最后到達土橋站。
2、 線路主要技術指標
八通線正線設計為雙線，列車最高行車速度：80km/h 正線平面曲線最小曲線半徑R=300m，線間距有3.8m（正線）、4.2m及5.0m三種類型。線路正線最大縱坡23.5‰（上跨京通快速路起點），其余地段均不超過18‰，車站縱坡均不大于3‰。高架橋采用短枕式整體道床結(jié)構(gòu)；地面線一般采用混凝土枕碎石道床，局部地段采用短枕式整體道床結(jié)構(gòu)。
鋼軌正線采用60kg/m鋼軌，鋪設溫度應力式無縫線路；車場線采用50kg/m鋼軌。道岔采用專為地鐵設計的60kg/m鋼軌9#單開道岔，轉(zhuǎn)轍器采用60AT直線型尖軌、采用高錳鋼整鑄式轍叉，可調(diào)H型護軌。渡線采用專為地鐵設計的60kg/m鋼軌9#道岔5m交叉渡線。交叉渡線的4個轉(zhuǎn)轍器及9#錳鋼轍叉均與單開道岔的相同。
3、 地面車站設計
地面車站的設計首先要保證地鐵運營的安全，同時要配備足夠的功能房間，管理要方便，并且要減少對工作人員的影響。
八通線沿線工程地質(zhì)全部為第四紀地層，巖性基本為黏性土，僅局部有砂卵石存在，屬中軟土。整個區(qū)域為Ⅲ類建筑場地。為便于車站房間靈活布置，結(jié)構(gòu)選為框架結(jié)構(gòu)，按抗震烈度8度設防，設計為2級框架，充分考慮框架的本身的疲勞延性。
車站的基礎形式綜合考慮工程地質(zhì)情況和功能要求等因素，四惠和四惠東站地面站采用筏板基礎，定福莊車站采用獨立擴大基礎，土橋站由于地質(zhì)條件較差，基礎采用了 CFG樁復合地基的形式。高架車站采用鋼筋混凝土灌注樁基礎。
除四惠和四惠東站采用了島式站臺外，其余車站均為側(cè)式站臺。車站平均建筑面積約5600m2；車站出入口采用地下通道和天橋兩種形式。車站內(nèi)部設自動扶梯和電梯，出入口設置10%殘疾人坡道和0.5m寬的自行車坡道，以滿足無障礙設計的要求。
車站的外立面造型力求反映現(xiàn)代交通建筑的特點，與周圍環(huán)境相協(xié)調(diào)，兼顧美觀效果，以最大限度吸引客流。頂棚采用鋼架加彩色鋼板。內(nèi)部采用鋁質(zhì)板吊頂。內(nèi)外裝修標準為1000元/m2。
三、工程設計的重點和難點
八通線以高架橋梁為主。高架線長度11.053km（含9個高架車站，總長1.364km）, 地面線長度6.167km。
橋梁設計質(zhì)量直接關系到整個工程的安全、投資和質(zhì)量。因此，橋梁設計是工程設計的重點。在初步設計階段進行了1：1實體梁的試驗研究。為此，設立了“北京地鐵八通線工程25m預應力混凝土梁試驗研究”科研項目。研究中所用材料、混凝土配合比、施工過程、加載齡期等與實際施工狀態(tài)基本一致。項目組研究了工型梁的使用性能、受力狀態(tài)、開裂及破壞狀態(tài)，對梁的設計抗裂安全系數(shù)和強度安全系數(shù)進行了驗證，研究了混凝土疊合梁的預應力長期損失及徐變上拱隨時間發(fā)展的規(guī)律，同時優(yōu)化了部分設計參數(shù)。提出了梁的施工及驗收標準。研究認為：工型組合梁是城市軌道交通較好的斷面形式。為了實現(xiàn)標準化，提高工程質(zhì)量的目標，全線橋梁設計成以25m預制鋼筋混凝土梁為主。梁體為工廠預制；橋面板為現(xiàn)澆以便于整體道床預埋鋼筋鉤的準確定位。
八通線跨越京通快速路輔路、通惠河、京承鐵路、京秦鐵路以及13處現(xiàn)況和規(guī)劃道路。這些特殊節(jié)點的設計是橋梁設計的難點所在。跨越京承鐵路、京秦鐵路、京通快速路輔路等節(jié)點設計為鋼橋。跨越鐵路時，為保證與既有運營國鐵線路的安全距離，橋跨最大設計為50m，建筑高度為2.5m。在跨京通快速路輔路時由于地理位置的限制，基礎設計為門式框架墩，對橋梁基礎進行了優(yōu)化處理。線路上其他節(jié)點設計成現(xiàn)澆預應力箱型梁。
四、地上線軌道交通設計中應當重視的幾個問題
（1） 平交與立交：線路是走地面還是高架，要經(jīng)過充分的經(jīng)濟技術論證。八通線高架線路土建每公里造價約4千萬元人民幣，地面線路基（土建）工程每公里造價約430萬元人民幣。對于像八通線這樣的市郊鐵路，原則上應該盡量走地面線，以節(jié)省投資。但由于經(jīng)過的既有道路或規(guī)劃道路屬城市主干道，則應當高架起來，并且須滿足橋下凈空的要求。對于預測客流量較大的區(qū)域，采取立交形式可以提高列車行駛速度，管理比較方便。
（2） 減振降噪的措施。高架線上的噪聲是軌道交通發(fā)展中帶來的重要問題。處理得好與壞直接關系到軌道交通是否能實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。這項工作應該在城市總體規(guī)劃和軌道交通路網(wǎng)規(guī)劃中就開始考慮。在設計中采取一些必要的技術措施來減少列車行駛產(chǎn)生的噪聲對周圍的影響。八通線工程采取的主要措施有：在軌道結(jié)構(gòu)方面，車站采用了德國隔爾固公司的科隆蛋減振扣件。全線使用了溫度應力式無縫鋼軌，一次鋪設。在線路沿線噪聲敏感地帶，加設了隔聲屏障，使之達到城市區(qū)域4類噪聲標準的要求。
（3） 橋梁形式。合理的橋梁斷面設計，一方面可以節(jié)省資金，提高施工質(zhì)量，另一方面可以達到減振的效果。研究表明，工型梁的自身震蕩的頻率高，不易與基礎和地基產(chǎn)生共鳴，對震動的影響較小。實際上，橋梁斷面形式以及其他設計參數(shù)的選擇要綜合考慮列車行駛速度、軌道結(jié)構(gòu)、地基性能等因素。
（4） 車站橋的設計。八通線車站內(nèi)的橋梁結(jié)構(gòu)與車站結(jié)構(gòu)是連為一體的，它的特點是施工方便，橋下房間容易布置。但是，這兩個結(jié)構(gòu)連為一體，列車行駛產(chǎn)生的應力波會直接傳播到兩側(cè)站臺板下，對工作人員的影響似乎要大。橋梁與車站結(jié)構(gòu)分開設計，中間設計成隔震墊塊，應力波的傳播會受到阻隔，這樣隔震效果要好。具體情況如何，還要在實踐中收集測試數(shù)據(jù)進行分析研究。
（5） 結(jié)構(gòu)防迷流設計。高架橋上整體道床鋼軌對地的絕緣電阻較低，在暴雨時由于水膜的影響電阻會更低，比之隧道內(nèi)的情況更為不利。因此，高架橋結(jié)構(gòu)的防迷流設計尤其重要。除了采用高絕緣的扣件外，有的工程在鋼軌和基礎間設置絕緣性能良好的聚合物砂漿層。香港地鐵采用了排流措施，把基礎的鋼筋焊接，引導迷流流回變電所。
（6） 高架橋梁的橋面防水設計。提高防水設計質(zhì)量是保證高架橋結(jié)構(gòu)使用壽命和保證安全、減少日常維修量的重要方面。目前，工程人員都認為高架橋面不宜做卷材防水，而是用881—Ⅰ型聚氨酯防水涂料。橋面設5‰的坡度。但是，這種工藝很難保證承軌臺與防水涂料的緊密咬合，一段時間后，一旦出現(xiàn)縫隙，水就會進入結(jié)構(gòu)，從而腐蝕鋼筋，縮短結(jié)構(gòu)壽命。因此，高架橋面的防水技術須進一步研究。