京张高铁八达岭长城站设计思路及创新支撑

刘建友，吕 刚，岳 岭，刘 方，孙 行

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

引言

地下火车站是指站台和轨道层位于地面以下的铁路车站。我国大部分火车站都是地面火车站或者高架火车站，但随着城市空间的日益拥挤，为了减少铁路交通对城市地面空间的影响，地下火车站逐渐成为大型城市的首选方案，而在山岭地区，受线路走向及地面地形条件的限制，部分铁路也将火车站设置在地面以下，如我国的京张高速铁路八达岭长城站。

与地上火车站相比，地下火车站的主体结构埋设在地面以下，其主要荷载来自于周边岩土体的挤压作用，其结构设计的重点是围岩的稳定性。部分地上火车站也有结构位于地下，但其站台和轨道层等主体结构均位于地面以上，地下部分主要为车站的进出站通道或者与地铁的换乘通道，其主要荷载来自于上部结构和设备的自重以及风、雨等外部环境作用，其结构设计的重点是地基基础的稳定性。地下火车站主要具有以下优点[1-4]。

(1)地下火车站的主体结构埋设在地面以下，地面上只留下占地较少的出入口或者其他附属结构，为城市腾出了宝贵的发展空间，从而可以增加商业和绿化面积，为城市提供较完整的商业空间和美丽的景观环境。

(2)地下火车站的轨道及引线埋设在地面以下，避免了对地面交通线路的分割，减少了对地面交通的影响，提高了车站周边的交通效率。

(3)地下火车站的主体结构埋设在封闭的地下空间中，便于保温隔热，可充分利用地下恒温的特点，节省能源。

(4)地下火车站的轨道及引线埋设地下，可以降低列车运行噪声和振动的干扰，为周边提供舒适的商业或居住环境。

与地上火车站相比，地下火车站也具有一些缺点，主要表现在以下几个方面[5-6]。

(1)地下火车站环境封闭，空间往往较狭窄低矮，光线昏暗，空气流动不良，照明和通风需依赖相应设备，不利于节能。其物理环境、心理环境、空气质量等特征有别于日常居住生活环境，舒适度稍差。

(2)地下火车站环境相对封闭，火灾发生时烟气不易排除，人员不易疏散，防灾救援难度相对较大。

(3)地下火车站站场位于地下，站台、股道、进出通道、设备用房等均需在开挖的空间内布置，大规模洞室开挖不可避免，洞室开挖跨度大，数量多，布置密集，接口复杂，建设难度大。

(4)地下火车站开挖方量大，施工作业空间狭小，作业面有限，施工环境较差，因此往往施工速度慢，工期长，造价相对高。

地下火车站的修建方法主要有明挖和暗挖两种。明挖法施工工艺简单、技术难度小、造价相对低廉，适用于浅埋地下车站。而暗挖车站施工受工程地质和水文地质条件的影响较大，作业面少，作业空间狭小，施工环境较差，施工速度较慢，造价相对较高，但其对地面的影响较小，适合于埋深较大或者地面没有明挖条件的地下车站施工，如京张城际铁路八达岭长城站是我国第一座采用暗挖法施工的深埋地下火车站。

1 八达岭设置地下车站的原因及设计思路

1.1 设置地下车站的原因

地下车站技术难度大、施工工期长、建造成本高，因此在条件许可的情况下，一般采用地面车站或者高架车站，京张高铁八达岭长城站设置在地下主要考虑以下因素。

(1)方便旅客：八达岭长城站的客流主要是八达岭长城的旅游客流，因此车站的设置应尽可能靠近八达岭长城的入口，方便游客快速便捷到达旅游景点。

(2)高铁线形：高速铁路对线路的曲率和坡度均有严格要求，车站设置受前后线路限制，设置位置选择受限。

(3)环境保护：八达岭长城入口周边为山岭地区，地形起伏较大，林木茂盛，环境优美，文物众多，设置地面站或高架站必将大规模破坏地形地貌，地表植被，严重影响文物。

(4)景观要求：八达岭长城站位于八达岭长城核心景区内，根据八达岭长城文物管理相关法规的要求，无法在核心区设置大规模的建筑。

(5)地质条件：八达岭长城站所处区域为花岗岩岩体，岩质坚硬，围岩稳定性较好，具有良好的设站条件。

1.2 车站设计思路

(1)车站总平面设计着重分析八达岭长城客流的特点，客流以去往八达岭长城步道入口和索道入口为主，出入口的位置力求做到进出便捷，步行距离短，体现“以人为本”的设计理念，同时还需要保证出入口前有足够的广场面积，满足客流集散和紧急情况下的疏散要求。

(2)车站是乘客集散和乘降的重要场所，建筑设计以乘客的便捷使用需要作为设计的首要出发点。车站站位布置应符合城市总体规划、八达岭景区规划的要求，最大限度吸引客流。

(3)车站形式需尽量保证施工安全便捷，同时可最大程度地减小施工和运营对周围环境的不利影响，还应尽量降低工程造价。

(5)本站客流主要以游客为主，应考虑到节假日大规模潮汐集中客流的安全和舒适性问题，同时需考虑突发情况下的防灾疏散问题，同时应设置鲜明的导引标识，加强对人流的疏解和引导。

1.3 车站设计理念

地下车站的设计思路、建筑特点、结构特点、环境特点等均与地面车站不同，尤其是八达岭长城站，位于深埋岩体中，且周边为著名风景名胜区，因此，设计理念必须符合地下车站特点和环境保护的要求。综合考虑了京张文化、奥运文化、长城文化等因素，提出了“更安全、更人文、更环保、更耐久”的设计目标，并将该目标贯穿到选线设计、选址设计、建筑方案设计、支护结构设计、车站环境设计和施工工艺设计的全过程中，如图1所示[1]。

图1 八达岭长城站的设计理念及实现路径

2 设计方案研究

2.1 车站线位设计

京张高铁八达岭越岭段选线设计时，对比分析了穿越八达岭景区和绕避八达岭景区2个线位方案.绕避方案虽然避免了景区施工，减少了对景区的影响，技术难度小，但绕避方案远离八达岭景区，无法为八达岭景区的游客提供便捷的交通服务，也无法提供延庆支线的接轨条件。因此，最终采用了技术难度相对更大的穿越八达岭景区方案，该方案采用12 km长的隧道直接下穿八达岭景区，并连续穿越水关长城、八达岭长城等古建筑，以及百年老京张铁路青龙桥火车站，如图2所示。该方案对隧道施工提出了更高的环保要求，为保护长城，对开挖爆破提出了更高的振动控制标准[1]。

图2 八达岭越岭段的线位比选

2.2 车站站位设计

八达岭长城站的站位选择时，对比分析了程家窑地面站、岔道城地下站、滚天沟地下站3个方案，如图3所示。

图3 八达岭长城站站位比选方案

程家窑地面站方案技术难度最小，投资最省，但距离八达岭景区最远，乘客下车后去往八达岭景区还有6 km长的路程。岔道城地下站方案站点位于景区外，地面也无长城古建筑，埋深相对较浅，旅客提升高度40 m，技术难度较小，但乘客去往八达岭景区仍然较远，约2 km。滚天沟地下站方案受线位标高的控制，车站埋深102 m，旅客提升高度59.4 m，且位于长城下方，技术难度最大，但该方案距离八达岭长城入口最近，离八达岭长城步道入口800 m，距离索道入口仅250 m，乘客下车后去往八达岭长城最便捷。为了最大程度地方便乘客，最终选择了滚天沟地下站方案，如图3所示，该方案需要解决景区施工的环境保护问题、深埋地下车站环境营造及防灾救援疏散问题、下穿古长城的文物保护问题等关键技术难题[7-8]。

2.3 车站站场设计

八达岭长城站为地下双层侧式布置形式，车站采用2台夹4线站型，设到发线4条(含正线2条)，到发线有效长650 m，设450 m×9.2 m(局部)×1.25 m侧式站台2座，八达岭长城站站场设计如图4所示。

图4 八达岭长城站站场设计(单位：m)

2.4 地面站房及出入口设计

为了减少对八达岭景区的影响，使车站出入口达到建筑“消隐”的视觉效果，设计采用了弱化建筑视觉体量和拟态周边环境的手法，充分利用周边自然地形，依山而建，候车室设置在地下一层，地面层高控制在6 m。站房立面材料以石材为主，石材颜色与周边山体裸露岩石的颜色一致，墙面肌理由山体向外逐渐过渡。站房屋顶设置草皮绿化，使车站隐于周边环境内，如图5所示。

图5 车站出入口消隐设计效果图

地面站房建筑面积9 000 m2，结构形式为中部架空的二层框架结构，局部钢结构。地面站房首层设有进站厅、出站厅、售票室，二层设有客运办公室，地下一层设有旅客候车厅、设备间、公安办公；深埋地下部分为站台层、进站层、出站层。地面站房立面如图6所示。

超导磁场储能技术在微网中的功率调控包括两种模式即内环控制和外环控制,为保障超导磁场储能技术可预测并控制现有微网中的电网运转模式,因而需解释微网的有功与无功功率需求。超导磁场储能技术预测控制系统的输出的有功功率为PSMES,无功功率为QSMES,P为设定有功功率,Q为设定无功功率。Ub与Ik为超导磁场储能技术下的基波电位与电流幅值,微网的各相电流与电压间的相位差为θ,K为所调控信息的幅值,Ik1为所调控信息的电流,通过三角等式变化如式(3)和式(4)。

图6 地面站房立面

2.5 车站地下部分总体建筑形式设计

为了选择最优的车站总体建筑形式，对比分析了不同建筑形式的特点，包括单洞单拱侧式站台方案、单洞三连拱侧式站台、单洞三连拱岛式站台、双洞侧式站台、三洞侧式站台、三洞岛式站台，中央穹顶大厅侧式站台、群洞侧式站台等9种设计方案。如图7所示。

图7 车站总体建筑设计方案(单位：mm)

单洞单拱侧式站台方案是将车站四股道、站台、站厅均设计在一个超大跨隧道内，隧道开挖跨度达到44 m，高度达到27 m。大跨隧道内设置1道混凝土中板，上层为站厅层，下层为站台层。站台层设置2道混凝土中墙，将站台层分割为1个中洞和2个侧洞。该方案大跨隧道的开挖和支护成本较高，隧道围岩的稳定性较差。

单洞三连拱侧式站台和单洞三连拱岛式站台2个方案是设置1个三联拱隧道，总开挖跨度43.8 m，开挖高度22.1 m，设置了1道中板，中板上部为站厅层，下部为站台层。站台层和站厅层均设置了2道中墙，将三联拱隧道分割为左中右3个隧道。

双洞侧式站台方案是设置2个开挖跨度25.8 m，高19.45 m的独立隧道，两个隧道的净距为12.5 m，每个隧道设置1道中板，中板上部为站厅层，下部为站台层。

三洞侧式站台方案是设置3个分离的隧道，隧道之间预留10 m厚的岩墙，中间的隧道为标准高铁双线隧道，两侧的2个隧道各含1条到发线和1个侧式站台，隧道开挖跨度为18.4 m，开挖高度为20.69 m，设置1道中板，中板上部为站厅层，下部为站台层。

中央穹顶大厅侧式站台方案是在站台层设置3个分离的隧道，各个隧道开挖跨度为13～14 m，开挖高度12 m，隧道之间预留5.85 m厚度岩墙。站厅层设置1个直径41.5 m，高16.4 m的中央穹顶大厅。站厅层和站台层之间预留了4.77 m厚的岩板。宏伟的穹顶大厅不仅为旅客提供了舒适的候车环境，同时也可以作为展示中国铁路文化和高铁技术的博物馆和展览馆。

群洞侧式站台方案是在穹顶方案的基础上，取消了中央穹顶大厅，设置了10 m宽，17.58 m高的进出站主通道，主通道设置1道中板，上层出站下层进站。主通道与站台层隧道之间预留了4.79 m厚的中岩板。

以上各个方案中，群洞方案结构最安全、开挖量最小，围岩支护成本最低，造价最省，同时有利于防灾分区、降低噪声和气动效应，因此最终选择了群洞方案。

3 车站创新成果(图8)

图8 八达岭长城地下车站特点、难点及创新点

八达岭长城站是我国第一座暗挖高铁车站，具有洞室多、跨度大、埋深大、周边环境复杂等特点，是目前世界上“建设规模最大、埋深最大、两端渡线段开挖跨度和断面面积最大、洞室结构最复杂”的地下暗挖高铁车站工程。八达岭长城站开创性地解决了以下4个方面的技术难题：一是地下车站空间狭小封闭、空气潮湿、光线昏暗、声音混响明显、列车噪声及气动效应显著，候车环境不舒适。二是车站埋深大，洞室众多，疏散路径长，导致车站防灾救援疏散困难。三是车站位于首都周边，在举世闻名的八达岭长城、十三陵世界文化遗产核心位置，周边文物密布，社会影响力大，车站的耐久性和可靠性要求高，结构使用年限须与周边历史文化遗产相匹配，需采用长寿命支护结构体系，导致设计、施工难度大。四是车站两端渡线段隧道跨度大、尺寸效应显著，围岩优劣夹杂、性质差异大、易坍塌失稳，围岩自承载能力及洞室变形预测量化理论和方法缺乏，施工工序复杂、锚杆锚索施做困难，导致超大跨隧道设计、施工难度大、风险高。五是地下车站洞室密集、交叉节点多、局部岩墙岩柱单薄、爆破对岩体和既有结构影响大，部分段落围岩松散、群洞效应显著、洞群易坍塌失稳，岩墙岩柱自承载能力和洞群变形预测量化理论和方法缺乏，导致设计、施工难度大、风险高。

针对以上关键技术难点，本项目取得的创新成果如下。

(1)创建了多层密集洞群地下车站新模式及洞群修建技术。提出了三层三纵地下车站布置模式，提出了应力流守恒原理及洞室群隧道布置方法，研发了小净距密集洞室群微震微损伤精准爆破技术，制定了洞室群隧道结构爆破振动控制标准。

(2)研发了30 m级超大跨隧道修建技术。提出了超大跨隧道主动支护技术及其设计方法，创建了超大跨隧道“品”字形开挖工法，提出了超大跨隧道变形分步控制理论及控制标准，构建了围岩为承载主体的长寿命结构体系。

(3)提出了深埋地下车站环境营造及防灾救援技术。探明了地下车站声、光、风、温等环境特点，提出了地下车站舒适环境的构建技术。

(4)揭示了地下车站烟气扩散、通风、烟气温度和能见度分布的规律，提出了地下车站安全快速防灾救援疏散模式，建立了三维可视化防灾救援疏散智能指挥系统。

(5)建立了下穿长城古建筑微震爆破技术和下穿风景名胜区环境保护技术。提出了风景名胜区地下车站出入口的消隐设计方法，研发了下穿风景名胜区隧道清污分离的防排水技术，提出了风景名胜区隧道施工污水和粉尘处理技术。

4 结论与建议

(1)为风景名胜区或旅游景区提供交通服务的火车站，为保护自然环境宜设置为地下车站，车站线位选择、站址选择和出入口设置宜尽量靠近景区入口，方便乘客快速到达。

(2)地下车站的建筑方案应综合考虑围岩稳定性、列车气动效应、防火分区、车站环境控制等因素进行设计，群洞方案在深埋岩石地层中具有明显优势。

(3)防灾救援疏散系统是保障深埋地下车站安全运营的重要设计措施，应充分利用施工期的辅助坑道作为紧急救援通道，永临结合，降低工程投资。