广州地铁二号线首期工程设计创新综述

摘 要: 广州地铁2号线工程设计本着“安全、实用、经济、高效”的原则，遵循以人为本，技术创新的设计理念，设计中采用了屏蔽门系统、集中供冷系统、刚性接触网、AFC一卡通、结构风管、暗挖车站、无柱车站、1.5m宽盾构管片、冷冻法、水泥土地锚技术、设备国产化等一系列的新技术、新工艺、新设备。新技术节省了建设成本，加快了建设速度，提高了质量，而且将为以后的地铁运营降低成本。
广州地铁2号线首期工程线路全长23.32km，设20座车站（其中从江夏至三元里段的4站5.04km，将待白云机场搬迁后再行建设）。2003年6月28日顺利开通试运营的琶洲至三元里段线路长18.28km，共有16座地下车站，1座车辆段，2座主变电站，控制中心在公园前与1号线共用。该线路沿广州城市老中轴线布设，连接火车站、广交会、越秀公园、中山纪念堂、市政府、中山大学、会展中心等重要地点，与地铁1号线形成广州市“十字形”的路网架构。地铁2号线首期工程从1999年11月8日正式开工至2002年12月29日二号线首段（晓港～三元里）8.9km开通，前后仅用了3年时间，琶洲～三元里18.28km开通试运营也只用了3.5年时间，工程进度、质量、投资控制和技术的先进性都达到了国内领先水平，有很多超越了1号线。
地铁2号线设计本着“安全、实用、经济、高效”的原则，遵循以人为本，技术创新的设计理念，在总结广州地铁1号线设计及施工经验、回访运营的基础上，经多方研究和论证，广州地铁二号线设计中采用了一系列的新技术和创新，成为国内地铁工程建设的样板，而且许多新的概念和技术编入新的《地下铁道设计规范》。
1 结构与防水设计概念的创新
广州地铁2号线工程结构设计是国内首次提出“地铁工程考虑使用寿命超过百年, 结构设计应保证具有足够的耐久性, 砼结构按100年设计”的新概念。永久结构砼的标号由C25提高到C30，并提出采用低标号高性能砼来保证结构的耐久性。地铁矿山法隧道二衬须采用钢筋砼内衬，并且能承受实际的水压力的设计概念在全国地铁工程中被普遍接受。
以结构自防水为主，关键处理好各种缝的防水原则；地下车站钢筋砼结构当设计中有附加外防水措施时，结构迎水面的最大裂缝宽度允许值可放宽至0.3mm；围护结构与主体结构中间增加防水隔离层的全包型式得到了工程界的广泛认同，并成为广州地铁新线建设的标准；盾构隧道国内首次采用三元乙丙橡胶密封垫，也被全国盾构隧道设计普遍采用。
1优化车站的布置，减少车站的土建规模
广州地铁2号线车站设计吸取了地铁1号线的经验，从车站的使用功能入手，科学地采用新技术，新工艺，进行车站的建筑布置，进一步核减车站的土建规模，设备用房和管理用房进一步核减其面积及高度，改进平面布置。
1号线普通双层明挖车站的长度为240～260m，尽管2号线还增加了民用通信设备室（约30m2），电信局机房（约15m2），广告设备用房（约10m2）等管理用房的面积，2号线普通双层明挖车站的长度仅为180～200m长，缩短50m左右。
2因地制宜的确定车站方案
2号线车站方案设计因地制宜，根据水文地质条件，地面环境条件对各车站方案的确定从使用功能、工程投资、施工、环境、运行成本等方面进行综合比选，尽量采用一种对市民正常生活干扰最少的方案。
海珠广场站为4层车站，纪念堂、公园前站为3层车站；江南西和越秀公园站均为两端明挖、中间暗挖的车站；市二宫、鹭江、中大、赤岗、纪念堂站为无柱大跨度结构的双层车站；琶洲、新港东、磨碟砂站为单层侧式站台车站。
3国内首次采用车站结构风管
地铁车站行车隧道的顶部风管以往是采用金属结构风管,现场安装.这种结构的最大缺点是运行期间的维护费用较大,且初始投入大,而在2号线中, 首次采用了低成本的钢筋混凝土结构,且减免了运营维护问题。结构风管与屏蔽门上承梁、刚性接触网预埋件巧妙结合设计，成功解决了它们之间的接口关系，节省了投资，对今后的地铁建设具有普遍的借鉴意义。
4国内首次设计1.5m宽盾构隧道管片
广州地区第一次自己独立设计和施工盾构隧道衬砌结构。
在国内的地铁工程中,盾构隧道衬砌较多采用1.2m宽的管片, 1.5m宽盾构隧道管片此前还未应用过.在2号线的盾构隧道设计中,通过盾构承包商和设计人员的努力,经过细致分析和方案比较,采用了1.5m宽盾构隧道管片,一方面减少了20%的环向接缝数量，降低了接缝漏水的几率，提高隧道防水质量；另一方面，减少了接缝止水材料和连接螺栓的使用量；此外还可减少20%的拼装时间，提高了施工速度。
在1号线的盾构施工中,月平均掘进速度是180m左右,而在2号线工程,盾构月平均速度达到250-300m,最高推进速度达到450m,因而这种施工速度将有助于改变今后新线地铁工程建设的管理理念和建设模式。
5目前国内外最长距离水平冻结法的应用
广州地铁2号线中山纪念堂～越秀公园区间隧道的南端穿越清泉街断裂破碎带，该破碎带由南北侧的破碎带和中间挤压带组成，长度达145m。隧道施工通过该破碎带时采用了全断面水平冻结法作为辅助施工方法，冻结施工总长度115m，冻结管单管长度最长达62m，而目前国内外水平冻结的长度仅45m。水平冻结施工满足了隧道的开挖要求。
长距离水平冻结施工方法在清泉街断裂破碎带的成功应用，是一个创举。长距离水平冻结法工艺及相关的许多关键技术在广州地铁的运用，解决了在城市环境中地面建筑物的保护这样一个难题，提高了目前国内外的水平冻结技术水平，而且对今后的复杂的类似的地下工程提供了指引。
6水泥土地锚技术在软弱地层中的成功应用
在东部区间和车站中,根据周围环境和地质状况,第一次采用了较经济的搅拌加水平水泥土地锚的围护结构方案。新港东站的围护结构采用深层搅拌桩加水平水泥土地锚的方案，同比相同规模而采用灌注桩方案的琶洲站节省投资1500万元左右。
从实施效果情况来看,这种围护结构虽存在水平位移较大的现象,但在软弱富水地层中能成功运用,不失为是一种创举。因此,对于地处空旷的基坑,即使在软弱地层,采用该类型的围护结构型式,不仅技术可行,而且非常经济, 该技术即解决了围护结构的基坑支护需要,也具有良好的地层止水效果,值得推广应用。
7暗挖隧道超前支护采用水平旋喷搅拌桩
在隧道横跨华南快速公路时,华南路桥公司坚持不允许明挖施工, 隧道经过的地层上部均为淤泥和粉细砂层,下部为中粗砂层,而且地下水与珠江相联通, 隧道埋深仅有5米, 要采用暗挖矿山法过华南路几乎是不可能的, 因而设计中大胆采用了密排水平旋喷超前支护的方法, 较明挖法节省投资约500万元左右。
暗挖隧道施工的超前支护措施采用了水平旋喷搅拌桩. 与以往的设计概念相比,水平旋喷搅拌桩工艺的采用,丰富了对矿山法隧道超前支护的认识,拓宽了人们的设计思想。
8海珠广场站27m超深基坑的设计
海珠广场站临近珠江边，地质水文条件复杂，基坑深达27m；是目前广东地区最深的大型基坑，采用信息法设计和施工，如期完工。
信息法设计与施工，充分利用海珠广场站深基坑开挖与支护技术研究的科研成果，在2号线全线的基坑中全部取消了回筑阶段的换撑过程，在明挖区间也成功减少了一道钢支撑，方便施工，节省投资。
9浅埋大跨度及小间距矿山法隧道的成功设计
公纪区间隧道由于渡线对结构净空的要求而形成单线、双线和三线隧道。其中双线隧道与单线隧道间净跨距最小者仅85cm，而三线隧道的最大跨度达21.6m，是目前国内最大跨度的浅埋大跨度地铁隧道。
2、3号客村联络线区间隧道地质条件差，地面交通繁忙，地下管线多，再加上共有7种隧道断面，最大开挖宽度为15.6m，隧道顶覆土仅为8.5m，而且局部为粉细砂层，由于施工竖井不在正线上，无法采用大管棚等辅助技术措施，设计人员与施工单位密切配合，采取双侧壁导坑法等技术措施，为地铁设计与施工创造了新的纪录。
10桩基础及隧道结构相互影响的工程分析法
广州地铁二号线晓港～江南西站矿山法区间要穿越美术学院密集的9层和10层房屋群，客村～鹭江站盾构区间隧道穿越客村立交桥，火车站～三元里盾构区间隧道在两栋6层和7层建筑物下穿过，并要穿越广州火车站12股线路的京广铁路。设计总体部与广东陆仕岩土工程公司合作，进行桩基础及隧道结构相互影响分析，提出了一套力学概念明确的工程分析法，并采用数值分析法验证。盾构掘进引起京广铁路路轨沉降、沉降差分析结果认为，不需进行路基加固及处理；盾构穿越客村立交桩基群的分析认为，也无需进行托换和加固；通过工程分析法的论证，2号线成功减少桩基托换数量近50%，省了大量投资。
桩基础及隧道结构相互影响的工程分析法，为2号线隧道设计和施工提供了理论依据并得到2号线工程的实践证实。为今后广州地铁的建设创造了一套基于形象描述实际工程破坏问题和简化的解析分析方法，在3号线工程中被广泛的应用。
11装修、照明、导向系统和出入口等设计的标准化
2号线的装修采用一线一景，各站以颜色区分的原则，天、地、墙、灯全线选用统一的材料，并“模块化及模数化”，突出了全线的“共性”，尽可能统筹各种元素，包括：天花、地面、墙面、栏杆、商铺、票亭、监控亭、广告、导向系统、灯具、出入口及其它设备与装修的接口元素，达到标准化的目的。
“模块化及模数化”这理念保证了全线的整体效果，提高了工作效率，节省了投资。“模块化”的设计，装嵌式的施工，工厂化大规模生产，不仅为生产、施工带来方便，更方便运营后的更换、维修、备品，同时，“模数化”的概念整合了各类元素的模数，达到灵活、方便、替换的目的。出入口、风亭的模块化设计既统一格调和形式也达到了标志性效果。
12广告、商铺、灯箱、民用通信等资源统一设计与施工
全线各站统一广告、商铺、灯箱的尺寸和制作，统一设计与施工，不仅减少了重复施工的浪费，而且统一美观，充分利用广告灯箱的照度，节省了投资。
13设备的国产化选型设计达70.21%
在系统设备的选型中，采用价值工程分析理论，在满足功能要求的条件下，从最低价的模式开始慎重比选，并处理好设备更新的接口，尽量采用国产设备，主要解决整个系统的功能平衡和技术接口。使广州地铁2号线成为国家计委实施国产化政策后第一个达到70%国产化程度的地铁工程。
14屏蔽门在地下站台的应用
广州地铁2号线工程在国内内地首次应用屏蔽门系统，站台屏蔽门是设在站台边缘，把站台区域与轨道区相互隔离开的设施。地下站台设屏蔽门避免了区间与车站冷热气流的交换，降低运营能耗，节能效果可以达到30%～50%，同时也保证乘客候车的安全；屏障列车运行时的噪音对车站的影响，消除列车活塞风对车站的影响，保证了乘客候车的舒适度，屏蔽门的应用不仅可以消除乘客站台候车的恐惧心理，而且在车站起到了装饰效果。
15集中供冷系统
根据广州地铁2号线线路经过闹市区及车站布置，其所经过地区有可利用之自然冷源及设立集中冷冻站的地点，在国内首次采用了集中供冷系统，解决了在闹市区设冷却塔的难题，美化了环境，又减少了车站环控机房的面积。
16刚性接触网系统
广州地铁2号线地下区段采用架空刚性接触网，在国内地铁领域、电气化铁道领域是第一次应用，填补了国内技术空白，而且国产化率达到90%以上。
17AFC一卡通系统
地铁2号线采用了非接触式IC卡自动售检票系统，与广州公交“一卡通”系统兼容，并且在国际上首次采用了IC卡单程票系统（Token），同时对1号线磁卡系统进行了IC卡技术改造，实现了1、2号线之间的无障碍换乘。
18供电系统
供电系统采用不串式分区供电，供电灵活、可靠，减小了事故影响范围。变电所采用牵引降压混合式及跟随式变电所设计方案，简化了系统接线、节省了土建及设备投资。
杂散电流防护在“排、堵”的理论基础上深化为“监、排、堵”结合，集中式防护监测方案使杂散电流防护实现实时化、自动化。
采用综合接地网方案，全线接地网一体化，提高设备、人员的可靠性、安全性，同时改善接地效果、节省投资。
传感器、24脉波整流、排流柜等先进技术的应用，使得供电设备在实现高国产化率的同时，技术水平、性能要求达到国际先进。水平接线设计、房屋布置、整定原则等方面的变电所模块化设计，提高了设计质量、简化了操作和维护、节省了运营成本。
19隧道通风系统
第一次采用全线一次建模，将整个系统计算的边界条件完成与运营一致，以前只能分段进行计算。
在采用屏蔽门系统情况下，活塞风只通过一个风阀出地面，同时控制活塞风道的转弯不多于3个，有效的减小了风井阻力，充分利用列车活塞效应。
根据不同车站的具体情况，在埋深较大的车站充分利用高度将隧道风机采用立式安装方式有效减少了设备房面积。
20通风空调系统
全线系统选择取消了双风机串联运行方式，即取消了原有的全新风机，从系统设计上同时解决了车站回排风与排烟的协调，专设了排烟风机而不采用并联运行方式，采用了双风机一次回风系统。
根据不同车站的具体建筑情况，2号线江南西站采用了空气水系统，避免了暗挖车站空间不足的限制，为暗挖车站系统选择提供了一种新思路。
车站小系统的防排烟设计在规范中一直不明确，各地方的做法也不一样，2号线首次提出了50㎡以上的设备管理用房才需设置排烟和未超此限的设备管理用房仅采用防烟隔断的设计原则，并已写入了新的地铁规范条文。这样的设计原则容易理解和执行，并得到了2号线的消防验收的确认。
首次提出了在地铁弱电设备用房和一般管理用房采用风机盘管加新风系统，避免了全部采用全空气系统时，空调风管占用过大的空间问题。
21EMCS系统
2号线EMCS系统在广州地铁首次采用PLC控制系统，取代了一号线DDC控制系统。将PLC从单纯的工业领域延伸到了地铁环境控制中，从观念上突破了把地铁环境等同于楼宇环境的传统观念。由于采用工业级PLC设备，增加了系统的可靠性。
首次采用工业以太网环型结构，改变了传统的DDC从上到下的树状拓扑结构，在网络结构上利用环型拓扑的自愈功能，很好地提高了系统的可靠性。利用以太网，实现了系统中数据的高速传输，从而提高了整体的响应时间。
首次将地铁车站的各种设备按照功能和重要性，通过子网络划分将数据流分开。层次清晰，控制明确。整个EMCS系统在地铁开通运营前一次调试成功。
22低压配电和照明系统
2号线设计中首次提出了照明模式控制的方式，把地铁车站照明分为正常模式、节电模式、火灾模式、停运模式。4种模式不但满足地铁运营功能的要求，满足消防要求，而且达到了节约能源的目的。也为地铁照明控制系统朝着智能照明系统发展提供了经验和条件。
首次采用了带逆变的事故照明电源装置，事故照明电源装置输出交流，因此事故照明灯具或疏散导向标志灯可以采用高效节能的各种交流灯具，2号线全部统一为荧光灯，减少了灯具的备品备件，降低了维护费用。
首次提出了导向系统的概念，并将导向标志灯箱分为四类，低压专业根据灯箱的类型进行配电和控制。一类导向灯箱用于地铁咨询信息，由工作照明回路配电；二、三、四类导向灯箱作为紧急疏散指示的一个补充，由事故照明回路配电；三类导向灯箱内置两盏灯，可以在正常模式和灾害模式之间手动和自动切换。导向系统的配电、控制设计清晰明确，满足地铁运营功能和消防要求。
23自动扶梯和轮椅牵引机
为了提高地铁服务水平，遵循以人为本的概念，2号线总体部对全线车站初步设计自动扶梯进行了全面认真的复查，修改初步设计技术要求和规范，对初步设计中各站出入口提升高度超过7.2m未设下行扶梯，而外部条件又允许的，都增设了下行扶梯，全线共增加了 38台自动扶梯。
地铁2号线首次采用轮椅牵引机替代残疾人电梯和通道，节省了大量土建投资。
24人防和防淹门设计
广州地铁2号线的地下车站、区间隧道均按六级抗力等级设防，防化级别按丁级设计，2号线总体部在综合考虑地铁兼顾人防设计后，采用设计一次到位，施工分步实施的原则。防淹门设计在国内首次采用垂直闸门式，并且与人防的门框墙统一考虑，节省了土建造价。
25轨道工程设计
总结1号线浮置板轨道的基础上，在2号线对浮置板轨道结构进行了完善设计，主要改进如在下：加大了浮置板的长度，增加了系统的参振质量（板重约11t），选取适宜的橡胶支座的静刚度（11～16 kN /mm），系统固有频率约15Hz。通过测试，该浮置板轨道的减振性能也较1号线强，车内噪声也小于1号线浮置板轨道。
弹性支承轨道首次在国内城市轨道采用，其减振性能比轨道减振器扣件强，室内试验可达9～14dB，运营测试平均值为10 dB左右。运营开通后，实地考察采用该轨道地段，沿线居民基本感觉不到列车运行带来的振动和噪音。
道岔转辙设备首次在国内城市轨道交通的单点牵引道岔转辙上采用分动外锁。提高了道岔结构安全性和可靠性，将大大减少道岔的养护维修工作量。
广州地铁2号线首期工程全体技术水平比1号线有所提高的同时，在投资控制上也取得良好成效。2号线首期工程初步设计概算琶洲～三元里段为106.08亿元，由于路网规划变化等原因而引起重大设计变更的调整概算总额为108.53亿元。最终投资控制在95.48亿元左右，与概算相比降低造价约 13.05亿元，与广州地铁1号线相比，降低造价40多亿元。
广州地铁2号线的建设在技术上不断地探索，不断地提高和创新，新技术不仅解决了建设过程中的难题，更重要的是节省了建设成本，加快了建设速度，提高了质量，而且将为以后的地铁运营降低成本。
参考文献：
1.广州地铁二号线首期工程初步设计《技术要求》（试行稿），广州：广州市地下铁道设计研究院，1999.8；
2.广州地铁二号线首期工程“可行性研究报告”（报批稿），广州：广州市地下铁道设计研究院，1998.10；
3.广州市轨道交通线网规划（送审稿），广州：广州市城市规划局，2003.2；
4.广州市地下铁道二号线首期工程初步设计和施工图设计文件，广州： 2000.2～2002.12。