廣州地鐵二號線首期工程設計創新綜述

摘 要: 廣州地鐵2號線工程設計本著“安全、實用、經濟、高效”的原則，遵循以人為本，技術創新的設計理念，設計中采用了屏蔽門系統、集中供冷系統、剛性接觸網、AFC一卡通、結構風管、暗挖車站、無柱車站、1.5m寬盾構管片、冷凍法、水泥土地錨技術、設備國產化等一系列的新技術、新工藝、新設備。新技術節省了建設成本，加快了建設速度，提高了質量，而且將為以后的地鐵運營降低成本。
廣州地鐵2號線首期工程線路全長23.32km，設20座車站（其中從江夏至三元里段的4站5.04km，將待白云機場搬遷后再行建設）。2003年6月28日順利開通試運營的琶洲至三元里段線路長18.28km，共有16座地下車站，1座車輛段，2座主變電站，控制中心在公園前與1號線共用。該線路沿廣州城市老中軸線布設，連接火車站、廣交會、越秀公園、中山紀念堂、市政府、中山大學、會展中心等重要地點，與地鐵1號線形成廣州市“十字形”的路網架構。地鐵2號線首期工程從1999年11月8日正式開工至2002年12月29日二號線首段（曉港～三元里）8.9km開通，前后僅用了3年時間，琶洲～三元里18.28km開通試運營也只用了3.5年時間，工程進度、質量、投資控制和技術的先進性都達到了國內領先水平，有很多超越了1號線。
地鐵2號線設計本著“安全、實用、經濟、高效”的原則，遵循以人為本，技術創新的設計理念，在總結廣州地鐵1號線設計及施工經驗、回訪運營的基礎上，經多方研究和論證，廣州地鐵二號線設計中采用了一系列的新技術和創新，成為國內地鐵工程建設的樣板，而且許多新的概念和技術編入新的《地下鐵道設計規范》。
1 結構與防水設計概念的創新
廣州地鐵2號線工程結構設計是國內首次提出“地鐵工程考慮使用壽命超過百年, 結構設計應保證具有足夠的耐久性, 砼結構按100年設計”的新概念。永久結構砼的標號由C25提高到C30，并提出采用低標號高性能砼來保證結構的耐久性。地鐵礦山法隧道二襯須采用鋼筋砼內襯，并且能承受實際的水壓力的設計概念在全國地鐵工程中被普遍接受。
以結構自防水為主，關鍵處理好各種縫的防水原則；地下車站鋼筋砼結構當設計中有附加外防水措施時，結構迎水面的最大裂縫寬度允許值可放寬至0.3mm；圍護結構與主體結構中間增加防水隔離層的全包型式得到了工程界的廣泛認同，并成為廣州地鐵新線建設的標準；盾構隧道國內首次采用三元乙丙橡膠密封墊，也被全國盾構隧道設計普遍采用。
1優化車站的布置，減少車站的土建規模
廣州地鐵2號線車站設計吸取了地鐵1號線的經驗，從車站的使用功能入手，科學地采用新技術，新工藝，進行車站的建筑布置，進一步核減車站的土建規模，設備用房和管理用房進一步核減其面積及高度，改進平面布置。
1號線普通雙層明挖車站的長度為240～260m，盡管2號線還增加了民用通信設備室（約30m2），電信局機房（約15m2），廣告設備用房（約10m2）等管理用房的面積，2號線普通雙層明挖車站的長度僅為180～200m長，縮短50m左右。
2因地制宜的確定車站方案
2號線車站方案設計因地制宜，根據水文地質條件，地面環境條件對各車站方案的確定從使用功能、工程投資、施工、環境、運行成本等方面進行綜合比選，盡量采用一種對市民正常生活干擾最少的方案。
海珠廣場站為4層車站，紀念堂、公園前站為3層車站；江南西和越秀公園站均為兩端明挖、中間暗挖的車站；市二宮、鷺江、中大、赤崗、紀念堂站為無柱大跨度結構的雙層車站；琶洲、新港東、磨碟砂站為單層側式站臺車站。
3國內首次采用車站結構風管
地鐵車站行車隧道的頂部風管以往是采用金屬結構風管,現場安裝.這種結構的最大缺點是運行期間的維護費用較大,且初始投入大,而在2號線中, 首次采用了低成本的鋼筋混凝土結構,且減免了運營維護問題。結構風管與屏蔽門上承梁、剛性接觸網預埋件巧妙結合設計，成功解決了它們之間的接口關系，節省了投資，對今后的地鐵建設具有普遍的借鑒意義。
4國內首次設計1.5m寬盾構隧道管片
廣州地區第一次自己獨立設計和施工盾構隧道襯砌結構。
在國內的地鐵工程中,盾構隧道襯砌較多采用1.2m寬的管片, 1.5m寬盾構隧道管片此前還未應用過.在2號線的盾構隧道設計中,通過盾構承包商和設計人員的努力,經過細致分析和方案比較,采用了1.5m寬盾構隧道管片,一方面減少了20%的環向接縫數量，降低了接縫漏水的幾率，提高隧道防水質量；另一方面，減少了接縫止水材料和連接螺栓的使用量；此外還可減少20%的拼裝時間，提高了施工速度。
在1號線的盾構施工中,月平均掘進速度是180m左右,而在2號線工程,盾構月平均速度達到250-300m,最高推進速度達到450m,因而這種施工速度將有助于改變今后新線地鐵工程建設的管理理念和建設模式。
5目前國內外最長距離水平凍結法的應用
廣州地鐵2號線中山紀念堂～越秀公園區間隧道的南端穿越清泉街斷裂破碎帶，該破碎帶由南北側的破碎帶和中間擠壓帶組成，長度達145m。隧道施工通過該破碎帶時采用了全斷面水平凍結法作為輔助施工方法，凍結施工總長度115m，凍結管單管長度最長達62m，而目前國內外水平凍結的長度僅45m。水平凍結施工滿足了隧道的開挖要求。
長距離水平凍結施工方法在清泉街斷裂破碎帶的成功應用，是一個創舉。長距離水平凍結法工藝及相關的許多關鍵技術在廣州地鐵的運用，解決了在城市環境中地面建筑物的保護這樣一個難題，提高了目前國內外的水平凍結技術水平，而且對今后的復雜的類似的地下工程提供了指引。
6水泥土地錨技術在軟弱地層中的成功應用
在東部區間和車站中,根據周圍環境和地質狀況,第一次采用了較經濟的攪拌加水平水泥土地錨的圍護結構方案。新港東站的圍護結構采用深層攪拌樁加水平水泥土地錨的方案，同比相同規模而采用灌注樁方案的琶洲站節省投資1500萬元左右。
從實施效果情況來看,這種圍護結構雖存在水平位移較大的現象,但在軟弱富水地層中能成功運用,不失為是一種創舉。因此,對于地處空曠的基坑,即使在軟弱地層,采用該類型的圍護結構型式,不僅技術可行,而且非常經濟, 該技術即解決了圍護結構的基坑支護需要,也具有良好的地層止水效果,值得推廣應用。
7暗挖隧道超前支護采用水平旋噴攪拌樁
在隧道橫跨華南快速公路時,華南路橋公司堅持不允許明挖施工, 隧道經過的地層上部均為淤泥和粉細砂層,下部為中粗砂層,而且地下水與珠江相聯通, 隧道埋深僅有5米, 要采用暗挖礦山法過華南路幾乎是不可能的, 因而設計中大膽采用了密排水平旋噴超前支護的方法, 較明挖法節省投資約500萬元左右。
暗挖隧道施工的超前支護措施采用了水平旋噴攪拌樁. 與以往的設計概念相比,水平旋噴攪拌樁工藝的采用,豐富了對礦山法隧道超前支護的認識,拓寬了人們的設計思想。
8海珠廣場站27m超深基坑的設計
海珠廣場站臨近珠江邊，地質水文條件復雜，基坑深達27m；是目前廣東地區最深的大型基坑，采用信息法設計和施工，如期完工。
信息法設計與施工，充分利用海珠廣場站深基坑開挖與支護技術研究的科研成果，在2號線全線的基坑中全部取消了回筑階段的換撐過程，在明挖區間也成功減少了一道鋼支撐，方便施工，節省投資。
9淺埋大跨度及小間距礦山法隧道的成功設計
公紀區間隧道由于渡線對結構凈空的要求而形成單線、雙線和三線隧道。其中雙線隧道與單線隧道間凈跨距最小者僅85cm，而三線隧道的最大跨度達21.6m，是目前國內最大跨度的淺埋大跨度地鐵隧道。
2、3號客村聯絡線區間隧道地質條件差，地面交通繁忙，地下管線多，再加上共有7種隧道斷面，最大開挖寬度為15.6m，隧道頂覆土僅為8.5m，而且局部為粉細砂層，由于施工豎井不在正線上，無法采用大管棚等輔助技術措施，設計人員與施工單位密切配合，采取雙側壁導坑法等技術措施，為地鐵設計與施工創造了新的紀錄。
10樁基礎及隧道結構相互影響的工程分析法
廣州地鐵二號線曉港～江南西站礦山法區間要穿越美術學院密集的9層和10層房屋群，客村～鷺江站盾構區間隧道穿越客村立交橋，火車站～三元里盾構區間隧道在兩棟6層和7層建筑物下穿過，并要穿越廣州火車站12股線路的京廣鐵路。設計總體部與廣東陸仕巖土工程公司合作，進行樁基礎及隧道結構相互影響分析，提出了一套力學概念明確的工程分析法，并采用數值分析法驗證。盾構掘進引起京廣鐵路路軌沉降、沉降差分析結果認為，不需進行路基加固及處理；盾構穿越客村立交樁基群的分析認為，也無需進行托換和加固；通過工程分析法的論證，2號線成功減少樁基托換數量近50%，省了大量投資。
樁基礎及隧道結構相互影響的工程分析法，為2號線隧道設計和施工提供了理論依據并得到2號線工程的實踐證實。為今后廣州地鐵的建設創造了一套基于形象描述實際工程破壞問題和簡化的解析分析方法，在3號線工程中被廣泛的應用。
11裝修、照明、導向系統和出入口等設計的標準化
2號線的裝修采用一線一景，各站以顏色區分的原則，天、地、墻、燈全線選用統一的材料，并“模塊化及模數化”，突出了全線的“共性”，盡可能統籌各種元素，包括：天花、地面、墻面、欄桿、商鋪、票亭、監控亭、廣告、導向系統、燈具、出入口及其它設備與裝修的接口元素，達到標準化的目的。
“模塊化及模數化”這理念保證了全線的整體效果，提高了工作效率，節省了投資。“模塊化”的設計，裝嵌式的施工，工廠化大規模生產，不僅為生產、施工帶來方便，更方便運營后的更換、維修、備品，同時，“模數化”的概念整合了各類元素的模數，達到靈活、方便、替換的目的。出入口、風亭的模塊化設計既統一格調和形式也達到了標志性效果。
12廣告、商鋪、燈箱、民用通信等資源統一設計與施工
全線各站統一廣告、商鋪、燈箱的尺寸和制作，統一設計與施工，不僅減少了重復施工的浪費，而且統一美觀，充分利用廣告燈箱的照度，節省了投資。
13設備的國產化選型設計達70.21%
在系統設備的選型中，采用價值工程分析理論，在滿足功能要求的條件下，從最低價的模式開始慎重比選，并處理好設備更新的接口，盡量采用國產設備，主要解決整個系統的功能平衡和技術接口。使廣州地鐵2號線成為國家計委實施國產化政策后第一個達到70%國產化程度的地鐵工程。
14屏蔽門在地下站臺的應用
廣州地鐵2號線工程在國內內地首次應用屏蔽門系統，站臺屏蔽門是設在站臺邊緣，把站臺區域與軌道區相互隔離開的設施。地下站臺設屏蔽門避免了區間與車站冷熱氣流的交換，降低運營能耗，節能效果可以達到30%～50%，同時也保證乘客候車的安全；屏障列車運行時的噪音對車站的影響，消除列車活塞風對車站的影響，保證了乘客候車的舒適度，屏蔽門的應用不僅可以消除乘客站臺候車的恐懼心理，而且在車站起到了裝飾效果。
15集中供冷系統
根據廣州地鐵2號線線路經過鬧市區及車站布置，其所經過地區有可利用之自然冷源及設立集中冷凍站的地點，在國內首次采用了集中供冷系統，解決了在鬧市區設冷卻塔的難題，美化了環境，又減少了車站環控機房的面積。
16剛性接觸網系統
廣州地鐵2號線地下區段采用架空剛性接觸網，在國內地鐵領域、電氣化鐵道領域是第一次應用，填補了國內技術空白，而且國產化率達到90%以上。
17AFC一卡通系統
地鐵2號線采用了非接觸式IC卡自動售檢票系統，與廣州公交“一卡通”系統兼容，并且在國際上首次采用了IC卡單程票系統（Token），同時對1號線磁卡系統進行了IC卡技術改造，實現了1、2號線之間的無障礙換乘。
18供電系統
供電系統采用不串式分區供電，供電靈活、可靠，減小了事故影響范圍。變電所采用牽引降壓混合式及跟隨式變電所設計方案，簡化了系統接線、節省了土建及設備投資。
雜散電流防護在“排、堵”的理論基礎上深化為“監、排、堵”結合，集中式防護監測方案使雜散電流防護實現實時化、自動化。
采用綜合接地網方案，全線接地網一體化，提高設備、人員的可靠性、安全性，同時改善接地效果、節省投資。
傳感器、24脈波整流、排流柜等先進技術的應用，使得供電設備在實現高國產化率的同時，技術水平、性能要求達到國際先進。水平接線設計、房屋布置、整定原則等方面的變電所模塊化設計，提高了設計質量、簡化了操作和維護、節省了運營成本。
19隧道通風系統
第一次采用全線一次建模，將整個系統計算的邊界條件完成與運營一致，以前只能分段進行計算。
在采用屏蔽門系統情況下，活塞風只通過一個風閥出地面，同時控制活塞風道的轉彎不多于3個，有效的減小了風井阻力，充分利用列車活塞效應。
根據不同車站的具體情況，在埋深較大的車站充分利用高度將隧道風機采用立式安裝方式有效減少了設備房面積。
20通風空調系統
全線系統選擇取消了雙風機串聯運行方式，即取消了原有的全新風機，從系統設計上同時解決了車站回排風與排煙的協調，專設了排煙風機而不采用并聯運行方式，采用了雙風機一次回風系統。
根據不同車站的具體建筑情況，2號線江南西站采用了空氣水系統，避免了暗挖車站空間不足的限制，為暗挖車站系統選擇提供了一種新思路。
車站小系統的防排煙設計在規范中一直不明確，各地方的做法也不一樣，2號線首次提出了50㎡以上的設備管理用房才需設置排煙和未超此限的設備管理用房僅采用防煙隔斷的設計原則，并已寫入了新的地鐵規范條文。這樣的設計原則容易理解和執行，并得到了2號線的消防驗收的確認。
首次提出了在地鐵弱電設備用房和一般管理用房采用風機盤管加新風系統，避免了全部采用全空氣系統時，空調風管占用過大的空間問題。
21EMCS系統
2號線EMCS系統在廣州地鐵首次采用PLC控制系統，取代了一號線DDC控制系統。將PLC從單純的工業領域延伸到了地鐵環境控制中，從觀念上突破了把地鐵環境等同于樓宇環境的傳統觀念。由于采用工業級PLC設備，增加了系統的可靠性。
首次采用工業以太網環型結構，改變了傳統的DDC從上到下的樹狀拓撲結構，在網絡結構上利用環型拓撲的自愈功能，很好地提高了系統的可靠性。利用以太網，實現了系統中數據的高速傳輸，從而提高了整體的響應時間。
首次將地鐵車站的各種設備按照功能和重要性，通過子網絡劃分將數據流分開。層次清晰，控制明確。整個EMCS系統在地鐵開通運營前一次調試成功。
22低壓配電和照明系統
2號線設計中首次提出了照明模式控制的方式，把地鐵車站照明分為正常模式、節電模式、火災模式、停運模式。4種模式不但滿足地鐵運營功能的要求，滿足消防要求，而且達到了節約能源的目的。也為地鐵照明控制系統朝著智能照明系統發展提供了經驗和條件。
首次采用了帶逆變的事故照明電源裝置，事故照明電源裝置輸出交流，因此事故照明燈具或疏散導向標志燈可以采用高效節能的各種交流燈具，2號線全部統一為熒光燈，減少了燈具的備品備件，降低了維護費用。
首次提出了導向系統的概念，并將導向標志燈箱分為四類，低壓專業根據燈箱的類型進行配電和控制。一類導向燈箱用于地鐵咨詢信息，由工作照明回路配電；二、三、四類導向燈箱作為緊急疏散指示的一個補充，由事故照明回路配電；三類導向燈箱內置兩盞燈，可以在正常模式和災害模式之間手動和自動切換。導向系統的配電、控制設計清晰明確，滿足地鐵運營功能和消防要求。
23自動扶梯和輪椅牽引機
為了提高地鐵服務水平，遵循以人為本的概念，2號線總體部對全線車站初步設計自動扶梯進行了全面認真的復查，修改初步設計技術要求和規范，對初步設計中各站出入口提升高度超過7.2m未設下行扶梯，而外部條件又允許的，都增設了下行扶梯，全線共增加了 38臺自動扶梯。
地鐵2號線首次采用輪椅牽引機替代殘疾人電梯和通道，節省了大量土建投資。
24人防和防淹門設計
廣州地鐵2號線的地下車站、區間隧道均按六級抗力等級設防，防化級別按丁級設計，2號線總體部在綜合考慮地鐵兼顧人防設計后，采用設計一次到位，施工分步實施的原則。防淹門設計在國內首次采用垂直閘門式，并且與人防的門框墻統一考慮，節省了土建造價。
25軌道工程設計
總結1號線浮置板軌道的基礎上，在2號線對浮置板軌道結構進行了完善設計，主要改進如在下：加大了浮置板的長度，增加了系統的參振質量（板重約11t），選取適宜的橡膠支座的靜剛度（11～16 kN /mm），系統固有頻率約15Hz。通過測試，該浮置板軌道的減振性能也較1號線強，車內噪聲也小于1號線浮置板軌道。
彈性支承軌道首次在國內城市軌道采用，其減振性能比軌道減振器扣件強，室內試驗可達9～14dB，運營測試平均值為10 dB左右。運營開通后，實地考察采用該軌道地段，沿線居民基本感覺不到列車運行帶來的振動和噪音。
道岔轉轍設備首次在國內城市軌道交通的單點牽引道岔轉轍上采用分動外鎖。提高了道岔結構安全性和可靠性，將大大減少道岔的養護維修工作量。
廣州地鐵2號線首期工程全體技術水平比1號線有所提高的同時，在投資控制上也取得良好成效。2號線首期工程初步設計概算琶洲～三元里段為106.08億元，由于路網規劃變化等原因而引起重大設計變更的調整概算總額為108.53億元。最終投資控制在95.48億元左右，與概算相比降低造價約 13.05億元，與廣州地鐵1號線相比，降低造價40多億元。
廣州地鐵2號線的建設在技術上不斷地探索，不斷地提高和創新，新技術不僅解決了建設過程中的難題，更重要的是節省了建設成本，加快了建設速度，提高了質量，而且將為以后的地鐵運營降低成本。
參考文獻：
1.廣州地鐵二號線首期工程初步設計《技術要求》（試行稿），廣州：廣州市地下鐵道設計研究院，1999.8；
2.廣州地鐵二號線首期工程“可行性研究報告”（報批稿），廣州：廣州市地下鐵道設計研究院，1998.10；
3.廣州市軌道交通線網規劃（送審稿），廣州：廣州市城市規劃局，2003.2；
4.廣州市地下鐵道二號線首期工程初步設計和施工圖設計文件，廣州： 2000.2～2002.12。