地铁车辆段综合开发关键设计问题及应对措施研究

张 明

（中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉 430063）

1 引言

地铁车辆段承担列车的检修、停放和维护保养工作，具有占地面积大、建筑密度小、用地强度低等特点，与近年来倡导的土地综合、集约、高效利用理念相违背，车辆段综合开发是解决这一冲突的有效方法。地铁车辆段综合开发俨然已成为我国大中城市国土空间规划、城市结构优化、土地集约利用的重要发展方向，为城市发展带来了巨大的社会效益和经济效益。但目前我国在该领域仍处于探索和发展阶段，仍有很多问题需要解决。车辆段综合开发需要处里好轨道交通层和上盖开发层之间的突出矛盾，主要包括以下方面：①协调盖下车辆段封闭空间消防问题，开展综合开发导致的通风、排烟系统性能优化设计；②为提高综合开发品质，降低环境影响，采取有效的减振降噪措施；③处理好综合开发土建工程与车辆段综合管线的空间布置关系。本文将从以上几个方面重点分析车辆段综合开发存在的关键设计问题，并给出建议措施，以指导相关技术研究或工程建设。

2 特殊消防设计

2.1 消防设计问题

车辆段综合开发相当于在工业建筑上部建设民用建筑，两者作为一个整体进行实施，分开进行管理。由于车辆段层高较高、盖下空间大，防火分隔困难，火灾烟气羽流不受限，容易造成火势蔓延。另外，盖下轨道线路复杂，消防车及救援设施不能直接进入库内、咽喉等区域，只能在消防车道内开展救援，因而在设计阶段就应采取有效措施保证消防救援区域的安全。基于诸多复杂因素的综合影响，且工业建筑和上部民用建筑都把盖板平台作为安全区域，因而须分别对盖板上部和下部进行防火措施设计，综合考虑在同一个建筑里采取不同类型的消防措施。此外，针对车辆段综合开发项目没有完全可依托的消防设计标准的问题，只能参照相关工业建筑与民用建筑消防设计规范进行特殊性能化设计，采取特殊消防措施。

2.2 应对措施

2.2.1 设置机械排烟和诱导排烟系统

（1）自然排烟。对于库外上盖开发部分，当有条件时，可在车道、咽喉区等上部开设排烟孔或排烟窗，采取自然排烟的方式，如图1所示。另外，根据GB 50157-2013《地铁设计规范》，当距盖板边缘距离小于30 m时，认为该区域满足自然排烟条件，也可采用自然排烟方式。通常当采用自然排烟方式时，要求排烟孔开口面积不小于该排烟区域面积的25%。

（2）机械排烟。对于进行上盖开发的单体建筑或不具备开孔条件的库外区域，可采用机械排烟系统，把火灾产生的烟气和热量通过排烟口排至室外，同时在火灾区域形成负压，防止烟气向其他区域蔓延，如图1所示。

（3）诱导排烟。诱导排烟也可视为机械排烟的一种，但其与管排方式有较大区别，是指在不具备开孔条件的上盖开发库外区域，沿一定方向设置射流风机群，如图2所示。当烟气从风机口以速度V0射入一个不受限制的空间时，形成自由射流，射流边界与周边烟气形成紊流动量交换，烟气被不断卷入射流系统，烟气流动的速度场从中心向四周逐渐衰减（V0＞V1＞V2），射流范围沿射程方向不断扩大，再通过多组风机的诱导，起到很好的排烟作用。该方式可以避免因设置机械排烟管道对盖板净空高度及层高的影响。对于不具备开孔条件，无法满足自然排烟要求的区域，可以增设机械排烟或诱导排烟设备。

2.2.2 增加防火分隔

图1 自然排烟及机械排烟措施

图2 诱导排烟系统图

对于盖下单体，火灾危险性主要来源于车辆，通常1节地铁列车车厢的地板面积约为50 m2，总火灾荷载约为13 725.2 MJ，火灾荷载密度约为274.5 MJ/m2。典型列车火灾荷载如表1所示，由表1可知，地铁列车火灾荷载密度大，加之盖下停放车辆多，因此，为避免不同区域间火灾的蔓延，有效的措施之一就是在盖下建筑（如停车列检库、检修库等）内部及外围沿轨道方向设置防火隔墙。

表1 地铁列车典型火灾荷载

对于防火隔墙的耐火极限要求，一是基于GB 51298-2018《地铁设计防火标准》对车辆段中消防车道与停车列检库、检修库之间防火隔墙的耐火极限要求，二是基于GB 50016-2014 《建筑设计防火规范》（2018年版）对建筑非承重墙的耐火极限要求，三是依据地铁列车的火灾荷载密度分析。综合以上几点，结合类似项目的工程经验，通常要求盖下建筑外围防火隔墙耐火极限不低于3.0 h，建筑内部防火隔墙耐火极限不低于1.0 h。

对于库外咽喉区、库内垂直于轨道方向区域以及不同排烟措施的分界处等不具备设置防火隔墙的区域，可在结构顶部设置挡烟垂壁或高压细水雾，使建筑内部形成一定深度的蓄烟仓，实现烟气的有效分隔，再配合库内机械排烟系统，能够有效控制烟气蔓延。通常挡烟垂壁的深度不宜小于该区域净空高度的20%。

2.2.3 其他消防措施

（1）盖下库内封闭区域设置完备的室内消火栓系统、自动水喷淋系统等。一旦发生火灾，可有效控制库内的火灾蔓延。

（2）设置消火栓系统。在盖下封闭库房（如停车列检库、检修库等）出入口附近5～40 m范围内设置消火栓；在位于盖板边缘外的消防车道内，按间距不大于120 m设置消火栓；在位于盖板下的消防车道内，按间距不大于60 m设置消火栓。

（3）提高烟雾监测能力。在盖下区域设置感烟探测器、火灾自动报警系统，并与机械排烟、诱导排烟及消防水系统联动，当监测到火灾时，及时启动各自区域内的排烟及灭火设施。

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3 减振降噪设计

3.1 振动噪声影响

车辆段承担着地铁车辆、工务等检修任务，同时也是运营人员的主要办公场所，占地面积往往较大。为获得更大的效益，开发业态通常包括住宅、写字楼、酒店、医院、学校、商业以及其他公共配套设施等，而不同使用功能建筑物的规模、结构形式、使用时段、敏感对象及对振动噪声的控制指标和限值等均不相同，因而对振动噪声的控制是上盖开发车辆段面临的重要问题。汪益敏、邹超等学者参照不同国家和机构振动噪声评价指标，通过研究和试验验证，提出各功能区所对应的振动噪声指标控制标准，分别为上盖居住区昼间65 dB、夜间62 dB，车辆段昼间75 dB、夜间72 dB。

车辆段轨道线路通常分为出入线、咽喉区、库内线及试车线等，不同区域的线路条件、行车速度、运行时段及频次、轨道结构等均存在较大的差异，产生的振动噪声值、频谱特性及影响时段、影响程度也各不相同。与正线相比，车辆段振动噪声具有声源种类多、传播途径及分布广、早发车晚收车，以及单列车通过时间长、噪声频域宽等特点；地铁车辆及起重机等大型维修设备在运行时对轨道的冲击会产生振动和噪声；车辆运行鸣笛、库内风机、检修设备也会产生噪声；振动通过结构向上传递，进而激发盖上及周边建筑产生振动；噪声通过结构及空气传递到盖上及周边建筑内；一个盖下区域产生的振动噪声可能影响到多个上盖建筑，而一个上盖建筑也可能受到多个盖下分区振动噪声的影响，使得对振动噪声的分析、预测及控制变得更加复杂。车辆段振动噪声传递示意图如图3所示。

图3 车辆段振动噪声传递示意图

3.2 应对措施

3.2.1 降低设备振动噪声源强度

减振降噪应以满足环保要求为前提、以对运营干扰最小为目标，同时兼顾工程投资和可实施性。从源头入手，结合拟建地铁车辆段及综合开发项目的实际情况，重点从降低振源、声源强度角度进行研究，采用轨道交通源头综合治理方案。

3.2.2 控制传播路径

除从源头降低振源强度以外，还可以从传递路径上采取措施进行控制。振动噪声主要是由车辆运行时对轨道的冲击产生，进而通过道床、土建结构进行传递。从国内外轨道减振措施应用情况来看，采用浮置板减振道床和高性能减振扣件等能够对列车振动噪声起到很好的衰减作用。

（1）减振道床。减振道床一般由浮置板、弹性支座、底座及配套扣件等组成，通过扣件把钢轨固定在浮置板上，再将浮置板安装在可调节的弹性支座上，浮置板通过弹性材料进行固定，形成弹簧-阻尼减振系统，如图4所示。在轨道和基础间安装固有频率远低于钢轮钢轨冲击振动频率的线性谐振器，即将浮置板置于减振弹簧上，借助弹簧系统的惯性运动，平衡列车运行引起的动荷载，达到减振降噪的目的。以某地铁车辆段浮置板道床实测结果为例，当列车以25 km/h的速度在普通整体道床和浮置板道床上运行时，地面上距离线路中心线5 m处1/3倍频程加速度测定结果表明，浮置板道床对8～24 Hz频率范围内的振动衰减效果较好，在12 Hz附近振动衰减约为11 dB，如图5所示。

图4 浮置板减振道床

图5 浮置板道床减振效果图

（3）减振道床和减振扣件组合减振。随着对综合开发车辆段减振降噪要求的不断提高，为更好地控制振动噪声对开发品质的影响，亦可采用复合减振降噪措施，如图6所示，其将减振道床和减振扣件进行串联组合，在减振系统质量一定的情况下，可以有效降低系统刚度，起到更好的减振降噪效果。

图6 减振道床和减振扣件组合减振

3.2.3 起重机振动控制

为满足检修需要，在车辆检修库内需配备1～10 t载重的起重机，其轨道通常架设在与上盖开发共用的立柱牛腿上，起重机运行时产生的振动可沿立柱向上传递至盖上。根据起重机轨道与结构的连接方式，可通过采用振动传递控制措施降低对上盖的影响，具体有以下3 种方式。

（1）采用具有减振效果的压轨器。

（2）起重机轨道无缝化。无缝轨道使起重机在工作应力范围内具有较好轨道平顺性，达到减振效果。

（3）起重机走行轮采用弹性减振车轮。

4 综合管线设计

4.1 综合管线设计难点

地铁车辆段综合管线负责各种能源、信息的传输以及废污的排放。车辆段综合管线既包括自身给排水及消防系统、供电系统、通信信号系统、综合监控系统和燃气管线，又包括上盖开发给水、污水、雨水及供电、燃气管线，管线种类多和接口量大形成了交错复杂的管线系统，其综合设计难度大，主要表现在以下方面。

（1）室外管线大量增加，管线种类和接口繁多，且受多种因素制约，需处理好上盖物业专用管线与车辆段管线之间的路由关系，避免交叉碰撞，确保工艺合理。

（2）车辆段综合开发后，库内轨道两侧、库外道路两侧及咽喉等区域增加大量结构柱、承台、桩基等，这些土建结构占用原有管线空间，管线平面和竖向设计时容易出现与土建结构冲突或干扰的情况。

（3）车辆段综合开发后，盖板范围内库外区域原则上不需要设置排水沟，但考虑到场地冲洗及盖板边缘飘雨问题，需要根据场区布置及盖板方案设置站场排水沟。

4.2 综合管线设计策略

4.2.1 划清管线界面，减少盖上、盖下管线交叉

盖上、盖下管线实为2个不同功能体系，运营维护管理分属于不同的责任主体，且设置标准不同，因而在地面层不宜过多交叉布置。为解决权属和运营管理问题，应严格划清车辆段与上盖开发的管线界面，地面层在总图布置时充分考虑用地及市政管线接驳条件，就近提供上盖管线平面廊道及竖向管井位置，减少上盖管线在车辆段内部穿行，避免与车辆段管线交叉。

4.2.2 管线分层布设，充分利用竖向空间

综合开发后，盖下结构柱、承台、桩基密布，对库外综合管沟、管涵布置影响较大，管线平面空间被大量压缩。在室外综合管线规划时，需充分利用竖向空间，除污水、雨水等重力流管线和强电管线采用直埋方式外，给水、消防等压力流管线和弱电系统管线可在综合开发平台顶部利用综合支架的方式吊装。另外，对于采用电缆隧道、综合管沟敷设的地方，可局部加大结构柱承台和桩基的埋深。

4.2.3 优化站场排水沟数量，减小截面尺寸

常规车辆段中站场排水沟布设于库外咽喉区，根据TB 10066-2000《铁路站场道路和排水设计规范》中关于站场路基面排水的要求，通常每3股道（降雨量小的地方可适当增加）设置1处纵向盖板排水沟，宽度一般采用0.4 m，沟底采用2‰纵坡，起点深度0.3 m，终点深度一般不大于1.2 m。对于咽喉加盖板的车辆段，雨水通过盖板平台直接排放，原则上地面可不再设置排水沟，但考虑到盖下场地清洗及盖板边缘飘雨等问题，可对站场排水沟数量和截面尺寸进行优化，仅在临近盖板边缘及中部的适当位置设置排水沟。

4.2.4 管线 BIM 设计

由于管线错综复杂，传统二维设计往往很难发现差错漏碰等问题，加之要等土建完工后管线才开始施工，因而一旦出现问题，极易导致返工，甚至出现废弃工程。

综合管线涉及专业较多，往往通过单专业图纸很难发现问题，通过建筑信息模型（BIM）设计手段，可在各专业二维管线图纸完成后，建立具有标高、尺寸、型号、材质等属性信息和相对位置关系等空间信息的三维BIM模型，立体表达管线与土建工程的关系，及时对差错漏碰进行调整，如图7所示。

5 结语

车辆段综合开发已经成为解决大中城市地铁建设与土地资源高效利用这一核心矛盾的有效措施，具有较高的社会效益和经济效益，已在北京、上海、广州、深圳等城市的车辆段项目中得到充分验证。综合开发项目中轨道交通和上盖开发之间的一些技术难题是客观存在的，尤其是消防、振动噪声和综合管线等问题，对这些关键设计问题采取有效解决措施，制定出最优的解决方案仍需要一个研究、论证和实践的过程。本文对车辆段综合开发关键设计问题进行分析和总结，并提出相应的对策及措施，可为类似项目提供参考。

图7 BIM管线碰撞应用实例（单位：m）