張 瑾

(廣州地鐵設計研究院股份有限公司，廣東 廣州 510000)

0 引言

明暗挖結合地鐵車站形式，減少了管線遷改及建(構)筑物拆遷數量，從而降低了施工期間對周邊環(huán)境的負面影響，較明挖法有效降低了深埋地鐵車站的工程造價。其基本形式為明挖豎井+暗挖隧道群。文獻[1-3]對明暗挖結合地鐵車站的建筑形式進行了較為全面的研究，總結了明暗挖結合地鐵車站具有多樣性、靈活性的特征；文獻[4-8]分析了明暗挖結合地鐵車站的基本結構形式、與地質環(huán)境的相互影響、施工關鍵技術與風險控制。研究的熱點集中于如何優(yōu)化結構方案以滿足建筑功能的需求。

建筑與結構互為影響，建筑功能的優(yōu)化同樣也可帶來結構工藝的優(yōu)化。盧濟威等[9]論述了建筑功能與形式結合山地環(huán)境因地制宜進行調整后對土方開挖、結構合理性帶來的優(yōu)化作用。姚新春[10]針對地鐵標準站，提出通過優(yōu)化設備用房布置、調整系統(tǒng)設計方案等手段減少不必要的設備空間，以減小土建規(guī)模。王欣睿[11]、孫希波等[12]通過BIM系統(tǒng)輔助復雜項目設計，以達到精細化設計的目標。劉丹[13]提出與周邊環(huán)境協(xié)調一致的地鐵車站設計思路。針對暗挖地鐵車站，童利紅等[14]提出暗挖地鐵車站通風系統(tǒng)布置與風道設計優(yōu)化可帶來暗挖隧道截面優(yōu)化。以上均為以優(yōu)化建筑功能與形式來降低結構設計、施工代價的研究。

羅文靜等[15]綜合分析了暗挖地鐵車站結構的風險性，提出因隧道斷面尺寸的增大，結構風險成數量級增加。這是暗挖隧道所特有的特征，從而帶來建筑功能分析優(yōu)先等級的變化，風險性成為重要的考量指標。同樣的建筑優(yōu)化，在暗挖隧道中將取得較明挖結構明顯得多的工程收益。同時，因第一批地鐵建設線網已占用淺層地下空間，新建設線路采用明暗挖結合地鐵車站的比例不斷增加，明暗挖結合地鐵車站漸漸由特殊環(huán)境下的特殊地鐵車站形式演變?yōu)橐环N重要的地鐵車站形式，因此，有必要系統(tǒng)地研究明暗挖地鐵車站暗挖隧道的通用性優(yōu)化理念與優(yōu)化措施，以期更好地服務后續(xù)工程。

本文通過將暗挖隧道結構高風險性納入設計評價體系，針對暗挖結構對現(xiàn)行地鐵建筑設計理念進行分析與適應性調整，同時結合實際工程，提出3項具體優(yōu)化措施，并應用到南寧地鐵3號線青秀山站具體案例中，取得了較好的優(yōu)化效果。

1 暗挖隧道設計優(yōu)化理念

明暗挖結合地鐵車站的基本建筑形式為明挖豎井+暗挖隧道組合，不同站點豎井與隧道的尺寸、規(guī)模、數量、密度不一，組合形式多變。因此，需對設計理念進行研究，以適用于不同環(huán)境下的明暗挖結合地鐵車站暗挖隧道斷面優(yōu)化。

與明挖結構相比，暗挖結構與形體的相互關系主要有3個方面的特性：

1)矩形斷面會產生應力集中時象，因此暗挖斷面多采用馬蹄形或圓形；

2)隨著斷面尺寸減小，暗挖斷面危險系數成數量級減小，因此暗挖斷面需盡量減小尺寸;

3)因為后挖隧道開挖范圍進入先挖隧道擾動范圍，后開挖隧道風險較大，所以島洞間距越遠越安全。

上述3項特性均與風險性緊密相關，與經濟性關聯(lián)較弱，因此，將風險性與功能必要性進行對比，是暗挖隧道設計優(yōu)化理念的核心，主要體現(xiàn)在以下3個方面的設計理念調整上。

1.1 設計標準調整

與一般公共建筑的單一設計團體不同，地鐵設計在流程上由2個設計團體共同完成。設計總體團隊在規(guī)范基本要求的基礎上，結合地域、人文、經濟特征，形成全線統(tǒng)一的設計技術標準。設計工點團隊以全線設計技術標準為輸入，結合站位、站址環(huán)境，開展站點設計。隨著我國國民經濟水平的不斷提高，地鐵設計標準逐漸向人性化發(fā)展，建筑設計技術標準更傾向于舒適性，機電系統(tǒng)設計技術標準也傾向于檢修、維養(yǎng)便利。

全線設計技術標準是以明挖地鐵車站為模板進行擬定的，其標準上浮帶來的技術經濟評估也以明挖地鐵車站作為計算模型，與暗挖地鐵車站并不匹配。而工點設計多以全線設計技術標準為設計輸入原則，少有對其進行反思與質疑，使得設計過程中設計技術標準往往未針對暗挖風險進行有效調整。

在明挖地鐵車站付出一定經濟代價即可實現(xiàn)的功能，在暗挖隧道中則需承擔較大的工程風險方可實現(xiàn)，因此，結合暗挖隧道結構的風險性特征，可對全線設計技術標準進行下列調整，以獲得更好的技術經濟收益。

1)降低暗挖隧道部分建筑舒適性標準。除規(guī)范強制規(guī)定的乘客乘降需求標準外，全線技術要求會結合地域特征及行業(yè)發(fā)展趨勢，提高建筑舒適性標準，如公共區(qū)層高加高、樓梯平臺加寬、疏散樓梯加寬、通行凈高加高、樓扶梯起步點對齊等，此部分需求的必要性與提高的暗挖風險不成正比，因此，在明暗挖結合地鐵車站暗挖隧道部分可考慮降低至規(guī)范強制性規(guī)定水平，不必進行上浮。

2)梳理機電設備檢修標準。機電專業(yè)多按照規(guī)范要求檢修標準進行管理，但在對規(guī)范條文的解讀中，往往出現(xiàn)歧義。例如：在GB 7588-2003《電梯制造與安裝安全規(guī)范》中規(guī)定，當相鄰2層門地坎間的距離大于11 m時，其間應設置井道安全門。在設計中，常將電梯專業(yè)的"安全門"與建筑"安全疏散通道"混為一談，認為需設置凈寬大于1.2 m的安全疏散樓梯方可滿足工藝需求，而實際《電梯制造與安裝安全規(guī)范》中對安全門的最低要求僅為高1.8 m、寬0.35 m。因此，需對機電設備檢修標準在土建工程中的體現(xiàn)形態(tài)進行梳理，尋找設計盲點，進行斷面優(yōu)化。

1.2 優(yōu)化機電設計方法

因地鐵涉及專業(yè)多達30～40個，少有地鐵建筑師能像普通民用建筑師一樣掌握所有專業(yè)設計原理及方法，但仍可對暗挖隧道內所含有限機電專業(yè)設備設計方法進行研究與優(yōu)化。

可達到斷面優(yōu)化效果的機電設計理念包括：

1)解構專業(yè)組合。專業(yè)組合是最常見的設計慣例和影響斷面面積的因素，同一專業(yè)慣于將本專業(yè)管線及設備設置在一起，而僅需將不同專業(yè)間管線及設備進行拆分、組合，即可獲得較大的暗挖斷面優(yōu)化空間。

2)調整關鍵功能選點。部分機電尺度要求因位置、功能不同會有所區(qū)別，例如：人防通道在設置人防門的位置需滿足人防門框及穿管要求，在其他位置僅需滿足最小人行通道要求；通風管道除新風管要求設置方形風管以便于保溫層施工、接風機部位需設置方形接口以便于安裝風閥，其余功能區(qū)均可異形設置。將對尺度要求較大的功能盡量設置于明挖段或空間富余段，在暗挖段設置尺度要求較小的功能，可有效降低斷面尺度要求，達到斷面優(yōu)化的效果。

3)調整高風險點機電設計方案。某些截面因多種功能集合，暗挖斷面面積較大，結構風險較高。對截面所涉及專業(yè)進行逐次梳理，尋找機電設計方案有無優(yōu)化空間，可取得較好的優(yōu)化效果。例如：給排水專業(yè)習慣在下部接觸土體的扶梯基坑設置集水井，但當扶梯基坑處于暗挖隧道中時，本身斷面尺寸已經形成較大的結構風險。若利用排水溝引流至地鐵車站集水井，同樣可以達到排水效果，還可大大減小斷面尺寸，降低結構風險系數。

1.3 優(yōu)化建筑形體

建筑形體多以矩形出現(xiàn)，相互組合成為矩形或多邊形組合，在此基礎上，結構形體對建筑形體進行包絡。矩形斷面會產生應力集中現(xiàn)象，因而暗挖隧道斷面多采用馬蹄形或圓形。但同樣為馬蹄形截面，越接近長方形的馬蹄形截面應力集中現(xiàn)象越明顯。若功能滿足要求且環(huán)境條件允許，圓形截面受力更優(yōu)于馬蹄形截面。因此，在進行暗挖隧道優(yōu)化時，可將建筑形體盡量按照最終組合形態(tài)宜于受力的形式調整，分析各功能布置是否已盡量接近規(guī)范形體，圓形最優(yōu)，馬蹄形次之(長方形馬蹄形以最長直徑決定風險級別)。

2 暗挖隧道斷面優(yōu)化措施

針對暗挖隧道結構形體3個方面的特性，按照設計標準優(yōu)化方向，結合多項工程實例，總結出暗挖隧道斷面優(yōu)化的3項具體措施：簡化內部功能、調整幾何關系、規(guī)整斷面形體。將前文所述設計理念組合或交互應用于各項措施中，側重于不同的優(yōu)化方向，共同達到優(yōu)化暗挖隧道斷面的作用。

2.1 簡化暗挖隧道內部功能

具體措施包括：1)降低暗挖隧道部分建筑舒適性標準至規(guī)范強制性規(guī)定水平，不必進行上?。?)梳理機電設備檢修標準，減少不必要的機電檢修空間；3)從設計輸入上減少功能對限界的需求，從源頭減小暗挖隧道截面面積。

以最具代表性的樓扶梯暗挖隧道為例(見圖1)，建筑設計中多取扶梯工作點與樓梯工作點上對齊或下對齊，使得設備排放整齊，空間效果開闊，乘客感受良好。

圖1 樓扶梯限界并集示意圖Fig.1 Schematic diagram of limit union of staircase

在此設計下，隧道斷面尺寸由最大包絡尺寸擬定，公式如下：

若上端對齊時，

包絡尺寸=扶梯控制限界+amax，b=0。

若下端對齊時，

包絡尺寸=扶梯控制限界+bmax，a=0。

通過分析可知，若優(yōu)化調整步梯位置，使扶梯乘客走行限界與樓梯乘客走行限界獲得最大交集，即樓梯限界下部凸出值a等于樓梯限界上部凸出值b時：

包絡尺寸=扶梯控制限界+a=扶梯控制限界+b<上端(下端)對齊時包絡尺寸。

以提升高度為23 m的廳臺樓扶梯組為例，調整工作點位置后，洞室半徑減小約20%。

由此可知，降低樓扶梯工作點對齊標準，將帶來暗挖隧道半徑尺寸的有效優(yōu)化。適當降低樓扶梯組的景觀效果，不會對乘客乘降帶來明顯不適，卻可有效降低工程風險。

2.2 調整暗挖隧道內功能之間幾何關系

立體交叉洞室隨著斷面半徑尺寸增大，暗挖斷面危險系數成次方式增長；同時，因后挖隧道開挖范圍進入先挖隧道擾動范圍，故后開挖隧道風險較大。因此，需有意識地對地鐵車站建筑及工藝功能之間幾何關系進行重新排列組合，打破原有分組習慣，在功能合理的基礎上，使各暗挖隧道截面面積之和趨向最小，單洞室截面面積趨于合理，洞室間距盡量擴大。此外，細化機電設計方法，避免將控制性截面設置于同一控制性斷面，如風閥墻、人防門、集水井等可交錯布置，或布置于對斷面要求不高的明挖空間中。

以圖2為例，A、B、C代表3個專業(yè)的若干項工藝限界需求，按照慣例，同一專業(yè)需求成組進行敷設，6個A在一個小隧道，2個B在一個大隧道，2個C在一個中隧道。當放棄同專業(yè)成組進行敷設的慣例后，對各項需求以隧道斷面尺度最小為目標，重新進行排列組合(見圖3)。因B體積最大，分為2個斷面可避免單洞室面積過大；C與B搭配，可在斷面不增加面積或增加極少的情況下滿足要求；再利用邊角面積配置A，最終用2個中等大小斷面代替了原來的3個斷面。斷面截面積減小，洞室數量減少，結構安全性得以提升。

圖2 功能分類邏輯示意圖Fig.2 Logic diagram of functional classification

圖3 尺度分類邏輯示意圖Fig.3 Logic diagram of scale classification

2.3 采用適宜受力的規(guī)整形體

方形形體因其便于放線、便于建設、使用率高，在建筑中普遍采用。將其作為設計輸入，再進行包絡設計馬蹄形隧道斷面是常見的設計方案(見圖4)。由于同截面面積前提下，圓形截面受力優(yōu)于馬蹄形截面，類圓馬蹄形截面受力優(yōu)于長方形馬蹄形截面，因而建筑設計也需放棄原有習慣，細化機電系統(tǒng)設計方法，篩選對形體要求較低的電纜廊道、非保溫風道(活塞風、隧道風、排風)等機電系統(tǒng)功能，使其貼近隧道結構形態(tài)，利用非矩形空間布置，減小隧道半徑尺寸(見圖5)，同時在功能合理、外部環(huán)境(與其他控制物間距等因素)滿足的前提下，盡量采用圓形截面。調整建筑形體以適應斷面形體，可使暗挖隧道施工風險有效減少。

圖4 風道橫斷面優(yōu)化前示意圖Fig.4 Schematic diagram before optimization of air duct cross-section

圖5 風道橫斷面優(yōu)化后示意圖Fig.5 Schematic diagram after optimization of air duct cross-section

3 青秀山站暗挖隧道斷面優(yōu)化實例

南寧地鐵3號線青秀山站前后下穿邕江主航道與邕江支流，站位位于青秀山景區(qū)大門南側，軌面與站位地面高差達50 m，采用明暗挖結合地鐵車站形式，通過將站臺隧道與明挖站廳空間平行布置、斜向通道銜接乘客立體交通、豎向暗挖隧道銜接工藝管線，構成立體交叉洞室群結構，實現(xiàn)地鐵車站功能，如圖6所示。

(a) 西向剖切圖

站位所處地質環(huán)境的半成巖地層成巖時代較新，固結程度弱，其泥巖層大多含有親水礦物,具有一定的膨脹性，而粉砂巖層具有遇水軟化崩解的特性，容易引起隧道施工中的塌方、大變形和突水、涌砂等現(xiàn)象，工程風險較大。

將優(yōu)化措施應用于青秀山站設計，對地鐵車站11個暗挖隧道斷面進行簡化內部功能、調整幾何關系、規(guī)整斷面形體。經優(yōu)化后，原初步設計11個斷面優(yōu)化為10個斷面，最大水平暗挖隧道半徑由12 m優(yōu)化至10 m，暗挖隧道截面積綜合優(yōu)化達30%，優(yōu)化效果明顯。具體做法如下。

3.1 簡化內部功能

簡化功能并不意味著犧牲功能，而是在保證基本功能和乘客服務水平的前提下，減少及優(yōu)化一些次要、同時可帶來暗挖隧道半徑較大優(yōu)化的功能。

3.1.1 優(yōu)化活塞風道

青秀山站前后均為明挖地鐵車站，地鐵車站建設條件良好，經隧道通風系統(tǒng)核算，滿足系統(tǒng)通風功能后，在青秀山站采用單活塞通風模式(見圖7)，適當降低通風工藝服務水平，減小截面面積，優(yōu)化暗挖隧道半徑。

圖7 單活塞風道地鐵車站工藝圖Fig.7 Process drawing of single piston air duct station

3.1.2 優(yōu)化梯底集水井

青秀山站站廳、站臺樓扶梯底部為暗挖結構，底坑集水需設置集水井進行排放，但集水井將帶來局部斷面尺寸的大幅增加。經研究后，優(yōu)化排水系統(tǒng)設計方案，引流扶梯底坑集水至地鐵車站廢水泵房(見圖8)，在滿足排水要求的同時，減小了暗挖隧道局部半徑，降低了工程風險。

3.1.3 優(yōu)化垂直電梯暗挖隧道

電梯井可分為消防電梯井與普通電梯井。消防電梯井主要滿足消防救援功能，需直通地面，并通過前室與各層相連，設置要求較高。普通電梯井則為滿足乘客無障礙乘降服務，不需要設置前室，設置要求較為靈活。兩者均需滿足電梯規(guī)范規(guī)定：當相鄰2層門地坎間的距離大于11 m時，其間應設置井道安全門。

(a) 集水井優(yōu)化前 (b) 集水井優(yōu)化后圖8 扶梯底坑取消集水井示意圖Fig.8 Schematic diagram of escalator canceling sump

青秀山站同時設置普通電梯與消防電梯。因垂直電梯暗挖隧道周邊均為夾土，若為設置安全門而專門加設樓梯間，則橫斷面面積較大(見圖9)。經深入研究垂直電梯功能需求后可知，井道安全門為電梯故障時救援乘客使用，非疏散使用，如采用可滿足無障礙救援要求的疏散井作為救援通道，在井道頂部設置救援吊鉤，可在滿足規(guī)范救援要求的同時，有效減小橫斷面面積(見圖10)。因此，適當降低電梯緊急救援服務水平，可有效優(yōu)化普通垂直電梯尺寸，降低工程風險。

圖9 電梯井橫斷面優(yōu)化前示意圖(單位:mm)Fig.9 Schematic diagram of elevator shaft before cross-section optimization (unit：mm)

圖10 電梯井橫斷面優(yōu)化后示意圖(單位:mm)Fig.10 Schematic diagram of elevator shaft after cross-section optimization (unit：mm)

3.2 調整幾何關系

將青秀山站最重要、尺度需求大、定位要求高的功能作為骨架，根據其最小尺度需求，組合其他功能次要、尺度較小、定位要求不高的功能，充分達到空間的共享，使隧道截面積之和趨向最??；均衡搭配隧道功能，避免單隧道過大，用幾個中等大小的隧道分擔大隧道功能，使各單隧道截面尺寸趨向合理；同時，將過小隧道功能與其他隧道合并，減少隧道數量，使洞群之間立體交叉間距可適當擴大。

3.2.1 優(yōu)化工藝廊道

以樓扶梯功能為骨架，擬定樓扶梯斷面尺寸，根據樓扶梯斷面尺度，選擇可納入該空間的大系統(tǒng)風道及通信配電廊道，利用閑置空間布置管線工藝廊道，同時考慮檢修要求，減少單獨設置的管線空間，優(yōu)化暗挖隧道總體截面積(見圖11)。

圖11 樓扶梯橫斷面整合管線空間示意圖Fig.11 Space diagram of integrated pipeline in cross-section of staircase

3.2.2 均衡搭配暗挖隧道功能

以青秀山站連接明挖站廳與暗挖站臺的垂直暗挖隧道組為例，其由暗挖隧道1#-4#共同承擔了地鐵車站豎向工藝銜接功能(見圖12)。

(a) 1#隧道 (b) 2#隧道

通過均衡搭配暗挖隧道功能，進行了以下優(yōu)化(見圖13)：

1)將4#隧道16 m2活塞風道改為20 m2單活塞風道，2#隧道16 m2活塞風道改為12 m2機械風道，系統(tǒng)共同承擔隧道通風功能，平衡2#隧道斷面過大的問題。

2)1#隧道消防電梯改為普通電梯，取消疏散樓梯，由2#隧道消防電梯整合承擔地鐵車站消防功能。

3)1#隧道強弱電井調整至2#隧道，因2#隧道受電梯和疏散樓梯影響，尺寸較大，邊角空間較多，在不增加斷面尺寸前提下，即可設置強弱電井;3#隧道小系統(tǒng)風管調整至1#隧道邊角區(qū)域設置，同時減小了1#和3#隧道斷面尺寸。

(a) 1#隧道 (b) 2#隧道

3.3 規(guī)整斷面形體

對于馬蹄形及圓形的暗挖隧道群，風道異形化貼近隧道的類圓形體是非常有效的隧道半徑優(yōu)化措施，進而可梳理其他能夠貼近暗挖隧道形體的功能設施。

地下超過3層(含3層)的地鐵車站需設置防煙樓梯間及消防電梯。青秀山站埋深達49 m，需設置暗挖的防煙樓梯間及消防電梯。因防煙樓梯間與消防電梯功能要求相似，均需直接連接各層與地面并設置前室，若兩者合設，則可共用前室，且防煙樓梯間平臺兼具消防電梯檢修疏散功能(見圖14)。

圖14 防煙樓梯間與消防電梯暗挖隧道橫斷面整合示意圖Fig.14 Cross-section integration diagram of smoke prevention stairwell and fire elevator shaft

若兩者分設于2個暗挖隧道，則島洞之間距離較近，且暗挖隧道數量較多。因此，首先進行尺度優(yōu)化，將防煙樓梯間及消防電梯合設，然后將機械風道、前室、電纜井等形體靈活的功能進行形體優(yōu)化，采用異形設計，與其余功能組合為受力較好的圓形斷面，從而優(yōu)化暗挖隧道半徑。

4 結論與建議

4.1 結論

1)暗挖隧道斷面優(yōu)化需從設計理念入手，優(yōu)化設計標準，將暗挖隧道部分建筑舒適性標準降低至規(guī)范強制性規(guī)定水平，不必進行上?。皇崂頇C電設備檢修標準，排除設計盲點；細化機電設計方法，尋找優(yōu)化空間；了解結構受力形體評價體系，隨之對建筑形體進行優(yōu)化。

2)本文總結了暗挖隧道斷面優(yōu)化的3個有效措施：簡化暗挖隧道部分功能，重新對暗挖隧道部分功能進行梳理，將功能精簡或轉移至明挖空間；以減小尺度為目標，對所有暗挖隧道群體內功能進行重新排列組合，有效規(guī)劃；尊重暗挖隧道圓形、馬蹄形斷面有利受力特征，梳理處理后可滿足工藝及檢修要求的風道、電纜廊道等進行異形化處理，規(guī)整斷面形體。

4.2 建議

暗挖隧道斷面的優(yōu)化在設計標準、機電設計方案梳理上很大程度依賴建筑師的經驗和專業(yè)間配合的力度，下階段嘗試擴大研究案例范圍，搜集各地明暗挖結合地鐵車站工程相關案例，對于存在優(yōu)化空間的設計標準及設計功能進行全面梳理總結，形成優(yōu)化點檢索表，便于不同水平的建筑師檢索，查驗自身設計是否有進一步優(yōu)化可能性。