北京地鐵五號線地下車站暗挖工法綜述

摘 要：北京地鐵五號線采用了多種暗挖工法,在工法的選擇以及應用上有不少值得借鑒和研討的地方。本文在介紹地鐵五號線地下車站暗挖工法的基礎上，對有關技術問題進行論述。
一. 概 述
北京地鐵五號線是貫穿京城南北的一條軌道交通干線，線路經(jīng)過了豐臺、崇文、東城、朝陽和昌平等五個區(qū)，全長27.6km，共設車站22座。根據(jù)規(guī)劃條件及環(huán)境要求，南段線路采用地下線路形式，在北四環(huán)路以北采用高架或地面線路形式，其中，地下線路長度16.9km，占全線長度的61%，地下車站16座；高架及地面線路長度10.7km，占全線長度的39%，高架車站5座，地面車站1座。（見圖1）

在16座地下車站中，有4座車站采用暗挖法施工，還有5座車站采用明暗挖結(jié)合的方法實施。地鐵五號線隧道穿越的地層為第四紀地層，以粘土、粉土、砂及礫石層為主。地下水主要有上層滯水、潛水和承壓水。隧道基本在潛水中，部分隧道已經(jīng)進入承壓水。地鐵五號線早在1992年底就已經(jīng)進行可行性研究，至現(xiàn)在已經(jīng)開展工作近11年，其間主要方案經(jīng)過了多次論證和變遷。本文主要就地鐵五號線地下車站暗挖法的有關技術問題進行論述。
二. 地下車站施工方法的選擇
地下車站施工方法的選擇，主要應根據(jù)規(guī)劃情況、工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件、周圍環(huán)境、工程技術難度、工期以及工程造價等諸多因素綜合權衡確定。以下幾個原則是本人通過地鐵五號線工程得到的感悟。
1． 能明挖則明挖，非萬不得已不選擇暗挖工法
在選擇施工方法時，應遵循的第一個原則就是按照明挖法→蓋挖順作法→蓋挖逆作法→暗挖法的先后順序選擇，這幾種工法的要點和適用范圍比較見表1。
由表1的比較可以看出，雖然明挖法對環(huán)境的影響較大，但其工期短，影響的時間短，加之在其他方面的優(yōu)勢強，因此很多情況下應作為車站施工的首選工法。而暗挖法雖對環(huán)境和地下管線的影響小，但其他方面不具優(yōu)勢，因此應盡量避免采用。不同施工工法的要點及適用范圍比較表 表1

2． 要站在整個工程的高度選擇施工方法，正確處理工程拆遷、工程造價、工期、環(huán)境影響以及社會效益等諸多方面的關系。地鐵工程是一項浩大的城市建設工程，與城市的建筑、設施、環(huán)境以及人們的生活息息相關，必將對城市的正常生活造成影響，諸如拆遷房屋、影響交通等等。在城市的中心區(qū)修建地鐵車站，不管采用明挖法還是暗挖法，工程拆遷都是不可避免的，雖然通常情況下明挖法的拆遷較暗挖法多，但我們應當綜合多方面因素來選用合理的施工方法。綜合費用的比較。采用明挖法的拆遷費＋工程費是否低于采用暗挖法的拆遷費＋工程費？如果明挖法的綜合費用低于暗挖法的綜合費用或兩者相當，顯然采用明挖法在經(jīng)濟上是比較合理的。否則，還要在其它方面進行考慮。 車站施工是否有條件促進規(guī)劃實現(xiàn)。對于設在規(guī)劃道路范圍內(nèi)的車站，一般應充分考慮道路規(guī)劃建設以及能否通過地鐵建設帶動地面建設的開展。這樣，本屬于地面建設拆遷范圍內(nèi)的拆遷費用，可能變成由地鐵和地面建設共同分擔，既減少了地鐵的拆遷費用，也減少了地面建設的費用，一舉兩得。這也是地鐵工程建設帶動沿線建設在這方面的體現(xiàn)，具有較好的社會效益。如果上述條件成立，那么采用明挖法或蓋挖法是比較適宜的。環(huán)境影響和工程施工安全。采用明挖法由于占用的施工場地多，因此對環(huán)境的影響大于暗挖法。尤其車站位于現(xiàn)狀道路下方，對地面交通影響較大。但是，暗挖法施工在安全方面卻不能與明挖法比擬，在某些地段或者某種地質(zhì)條件下，暗挖法施工難度極大，如果在車站上方或周圍有建筑物，暗挖法施工引起的地面沉降較大，其負面影響不可忽視。 是否有重要制約條件。要考慮在站址周圍是否有重要的控制因素，比如重要建筑物，重要文物保護單位，是否有重要且難以拆改的地下管線或地下構筑物等，這些控制條件往往影響到站位和施工方法的確定。工期是否充足夠用。工程的建設周期長短也是一個不可忽視的因素，選擇一種施工方法，要考慮到整個工程的籌劃是否滿足要求，不可忽視所選施工方法在安全性能方面的把握度，一旦出現(xiàn)問題處理時間是否可控，各方面的影響嚴重程度等。通過對上述各種因素綜合、客觀的考慮和分析，結(jié)合車站的綜合技術經(jīng)濟比較，一定能夠選取一種合理、恰當?shù)氖┕し椒ā?BR>3． 要尊重工程技術人員和專家的意見，根據(jù)客觀、科學的論證確定工程施工方案，切忌主觀臆想、感情用事。工程技術人員要以扎實的工作為領導宏觀決策提供參考和依據(jù)。地鐵五號線車站施工方法的確定，考慮了多種綜合因素，整個過程爭議很多，方方面面的意見都有。設計方案從最早設計推薦的3座車站暗挖，1座車站蓋挖，12座車站明挖演化到9座車站暗挖，1座車站明暗挖結(jié)合，6座車站明挖，最后形成了4座車站暗挖，5座車站采用明暗挖結(jié)合，7座車站明挖的現(xiàn)狀。論證過程主要矛盾焦點是： 如何處理工程拆遷與工期的關系，認為拆遷過程長短難以控制，可能制約工程工期； 認為明挖法工程拆遷費用偏高； 沿線城區(qū)過分強調(diào)明挖法對周圍環(huán)境的影響； 部分人認為暗挖法施工引起的沉降對上部建筑物影響不大等。
4． 從地鐵五號線工程運作到目前的情況來看，地面拆遷工作基本到位，即使部分車站拆遷比計劃滯后，其滯后時間也不長，相比較之下，明挖工期＋明挖法地面拆遷工期小于暗挖工期＋暗挖法地面拆遷工期；明挖工程的綜合費用（拆遷＋工程費）與暗挖法的綜合費用相差不大；對環(huán)境的影響也基本相當；相反，暗挖法施工引起的沉降對周圍環(huán)境的影響則更加凸顯，成為各方比較棘手的問題。
各地下車站采用的施工方法見表2。三. 地鐵五號線采用的暗挖工法及結(jié)構型式論述

地鐵五號線采用暗挖法施工的車站，根據(jù)具體情況采用了不同的工法，其結(jié)構型式也多種多樣。
1． 傳統(tǒng)的三連拱車站結(jié)構型式（圖2）

在天壇東門站和磁器口站，采用了傳統(tǒng)的三連拱車站型式。隧道斷面尺寸大致在22m×15m（寬×高）左右。車站采用復合襯砌結(jié)構型式，頂梁采用型鋼梁，立柱為鋼管柱，其它均為鋼筋混凝土結(jié)構。此結(jié)構型式在北京已經(jīng)有成功的實例。通常情況下，根據(jù)隧道斷面的大小及跨徑分配，可采用中洞法、側(cè)洞法、側(cè)壁導坑法以及混合使用各種工法分步實施開挖和支護作業(yè)。五號線采用的施工開挖步序見圖3。

五號線連拱車站隧道施工采用的是中洞法，其中中洞采用交叉中隔壁法施工。施工過程中在拱部打設鋼管棚，管棚間插小導管，并注漿以保證拱部穩(wěn)定。連拱車站型式在以往工程中普遍反映出的問題主要有：施工質(zhì)量不易保證；頂部連拱形成的溝槽積水，容易出現(xiàn)漏水現(xiàn)象，且不易治理；施工分塊多，穩(wěn)定性差；廢棄工程量大等。
2． 單拱三跨單層車站結(jié)構型式（圖4）

在地鐵五號線采用明暗挖結(jié)合施工的車站，其暗挖部分均為下穿現(xiàn)狀道路，以達到施工期間不中斷交通的目的。為保證明挖和暗挖結(jié)構的合理埋深，暗挖部分均采用了單層結(jié)構。由于單層結(jié)構在分步開挖過程中的結(jié)構體系轉(zhuǎn)換較雙層結(jié)構簡單、容易，同時又為避免連拱隧道頂部積水問題，推薦采用了單拱三跨結(jié)構型式。車站采用復合襯砌，頂梁、底梁采用鋼筋混凝土結(jié)構，立柱為鋼管柱。采用此類結(jié)構型式的車站有：劉家窯車站、東單車站、東四車站、張自忠路車站等。根據(jù)車站站臺寬度不同，隧道斷面尺寸大致在21.8m×9.5m（寬×高）～23.9m×10.5m（寬×高）左右。此類斷面在北京乃至國內(nèi)軟土地層地鐵車站中首次采用，施工可采用的方法與三連拱隧道基本類似，只是由于結(jié)構高度小，豎直方向的轉(zhuǎn)換少，各施工步序轉(zhuǎn)換更加簡單、安全。此結(jié)構最大的優(yōu)點是隧道頂部沒有積水槽，防水效果好。此類工法的典型施工步序見圖5

所示，可采用側(cè)洞法先形成隧道兩側(cè)封閉的襯砌，然后再施工中部的拱和底板，快速封閉襯砌；也可先施工立柱隧道，形成底梁、立柱和頂梁后，再開挖中間洞形成中部完整、穩(wěn)定的支撐體系，最后開挖兩側(cè)洞，封閉隧道。施工過程中在拱部打設鋼管棚，管棚間插小導管，并注漿以保證拱部穩(wěn)定。
3． 單拱三跨雙層車站結(jié)構型式（圖6）

此型式應用于崇文門車站，其應用單拱的意圖與單拱三跨單層型式一致，主要為避免連拱隧道頂部積水問題。車站采用復合襯砌結(jié)構型式，頂梁、底梁為鋼筋混凝土結(jié)構，立柱為鋼管柱。隧道斷面尺寸為24.2m×16m（寬×高）。隧道開挖采用中洞法，其中中洞采用交叉中隔壁法施工。在中洞形成后，由下至上施作底板、底梁，然后施工立柱，后澆筑頂梁、頂板。側(cè)洞采用臺階法由上至下開挖而成。施工過程中在拱部打設鋼管棚，管棚間插小導管，并注漿以保證拱部穩(wěn)定。該工法的施工步序見圖7。

4． 單拱雙跨雙層車站隧道型式（圖8）
此型式應用于蒲黃榆車站。車站采用復合襯砌結(jié)構型式，頂梁、底梁為鋼筋混凝土結(jié)構，立柱為鋼管柱。隧道斷面尺寸為22.6m×16.3m（寬×高）。

該結(jié)構型式在軟土地層地鐵車站隧道中屬首次采用。此工法的施工步序見圖9，首先施工中洞，在中洞內(nèi)施作底梁、立柱和頂梁。中間支撐柱形成后，兩側(cè)對稱開挖側(cè)洞，開挖到底后由下向上澆注襯砌。施工過程中在拱部打設鋼管棚，管棚間插小導管，并注漿以保證拱部穩(wěn)定。

由于采用了雙跨結(jié)構型式，整個隧道施工過程中導洞的體量較大，中間導洞寬度達8m左右，同時，采用單拱型式導致隧道的整體高度偏大，施工期間對控制隧道穩(wěn)定性的要求很高。
5． 暗挖車站風道結(jié)構型式（圖10）

地鐵五號線采用暗挖法施工的通風道基本為單跨雙層結(jié)構,復合襯砌結(jié)構型式。風道總體開挖尺寸為11.6m×12.75m（寬×高）,其結(jié)構體量比較大，采用交叉中隔壁法施工，施工中打設小導管作為超前支護。
四. 地鐵五號線暗挖工法的主要技術問題討論
由于地鐵五號線采用了多種斷面型式以及不同的開挖方法，且沿線周圍的環(huán)境條件差異較大，因此在設計和施工中必須對有關技術問題給與充分的重視。
1． 暗挖車站第一工作面的形成方式
地鐵五號線車站開挖工作面的形成主要有以下兩種方式：
方式一：利用車站通風豎井和通風道開辟車站開挖工作面，即首先施工通風豎井，然后開挖整個風道，在風道靠車站一端形成車站開挖工作面，其施工順序見圖11示意；
方式二：在車站兩端明挖（或蓋挖）豎井（基坑），待豎井完成后從其側(cè)壁開挖車站主體和通風道，其施工順序見圖12示意。

以上兩種方法可以適用于不同的條件，其優(yōu)缺點見表3。

上述兩種方式各有優(yōu)缺點，但考慮到暗挖法車站往往制約整體工期，因此建議如果有條件，應盡可能采用方式二。還有另外一個方式也可以采用，即在利用風道形成車站開挖面的同時，將有條件的出入口作為車站上半斷面的施工通道。由于出入口的結(jié)構斷面小，施工期短，因此可以盡快進入車站，這樣既可增加車站施工的工作面，也可以有效減少車站的工期和降低施工風險。
2． 隧道施工期間的穩(wěn)定性
在軟土地層中暗挖施工大斷面隧道，必須通過小斷面的開挖和轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)，其所貫徹的主要指導思想是強支護、快封閉，施工期間最重要的是要確保每一個施工分步的開挖和支護穩(wěn)定以及施工轉(zhuǎn)換的安全。每一步開挖尺寸應盡可能合理。由于目前基本為人工開挖和支護作業(yè)，每一步開挖的高度應控制在3.5m左右，最多不要超過4m，這樣采用臺階法開挖時人工作業(yè)方便。
如果高度太大就必須增加臺階數(shù)量，導致初期支護不封閉段長度增加，風險加大。目前五號線采用比較多的工法是交叉中隔壁法，如圖14示意，在開挖過程中，由于每一步都是封閉的，且為強支護，因此穩(wěn)定性不會有問題。但在開挖完成后施作二次襯砌時，在局部拆除中隔壁和臨時仰拱后，原先在開挖中已經(jīng)形成平衡的初期支護受力體系受到破壞，如圖14示意底部中隔壁拆除，豎向承載能力部分喪失，此時頂部的荷載無法靠中間的柔性臨時結(jié)構承擔，隧道將面臨一定危險。當襯砌逐步向上澆筑，連續(xù)拆除中間臨時結(jié)構時，風險越來越大。要減小襯砌和拆除過程中的風險，應盡可能減小縱向拆除隔壁的長度，利用空間受力效應保證隧道穩(wěn)定，同時，應在拆除臨時隔壁的部位，增設臨時豎向支撐。由于大部分初期支護承受的是壓力作用，當隧道斷面較大時，建議將內(nèi)部臨時初期支護由弧形改為直線型，可以避免弧形初期支護在較大的軸力作用下失穩(wěn)。
當隧道橫向有多跨，需分步形成時，哪一跨首先形成，哪一跨最后形成也對隧道的穩(wěn)定性影響很大。確定原則主要有以下幾方面：
1.形狀穩(wěn)定原則
由于先形成的隧道要獨立存在一段時間，且鄰近的開挖會對其造成影響，因此，先形成的隧道形狀要能夠保證在臨近作業(yè)影響下的穩(wěn)定。
2.先易后難，互不干擾原則
若部分隧道可以獨立成洞，斷面形狀穩(wěn)定，施工難度小，相鄰洞室施工期間的相互影響和干擾小時，可以考慮先施工。即獨立洞首先形成，然后開挖中間部分形成封閉結(jié)構。
3.以大化小，減小跨度原則
若某些隧道首先形成后，可以有效減少后期施工部分的開挖跨度，宜先施工。
3.經(jīng)濟合理原則
應盡可能減少臨時支護工程量，降低工程造價，使施工更加經(jīng)濟合理。以三跨單層隧道（東四車站）舉例說明上述原則。圖15為兩種不同的開挖順序，先側(cè)洞后中洞方案（方案一）和先中洞后側(cè)洞方案（方案二）。

形狀穩(wěn)定原則：從圖中可以看出,從形成隧道襯砌的形狀來看, 方案一兩側(cè)洞的襯砌為兩邊不對稱形,且呈楔形狀,建成后受側(cè)向荷載的作用不對稱,有側(cè)移的傾向；而方案二中洞部分是對稱結(jié)構，上下荷載平衡，左右荷載平衡，呈穩(wěn)定的形狀。先易后難，互不干擾原則：側(cè)洞法施工雖兩側(cè)洞施工互不干擾，但在側(cè)墻襯砌施工中，存在不穩(wěn)定階段，有一定難度（方案一）；而中洞法首先施工兩個中間立柱，兩立柱施工時互不干擾，且各自的施工難度小，當立柱形成后，開挖中間跨時，第一部開挖（4）即可封閉頂部初期支護，二次襯砌也可很快跟進施工，難度小。當開挖至底部時，也可快速封閉。以大化小，減小跨度原則：中洞法首先施作中柱，單洞開挖跨度小，至中間開挖連起來之后，整個穩(wěn)定的中洞將原本的大隧道進行了分割，余下的側(cè)洞跨度已經(jīng)減小，施工起來沒有問題。經(jīng)濟合理原則：上述兩種方案在經(jīng)濟上基本相當。根據(jù)采用上述原則的分析，明顯看出此斷面的隧道采用中洞法較側(cè)洞法具有優(yōu)勢，因此我們將原來推薦的側(cè)洞方案調(diào)整至中洞方案。
3． 風道與車站交界處（馬頭門）施工應注意的問題

前面已經(jīng)談到形成第一工作面的方式，在目前地鐵五號線采用風道開口的車站，都存在開挖斷面大、施工工序多、工期緊、風險大的情況。本人認為有以下幾個方面需要注意：
（1）開口斷面太大，對抬高段隧道襯砌的削弱非常大，隧道整體穩(wěn)定難以控制。建議開口前首先對馬頭門進行加強，有條件的應首先完成二次襯砌加強段。
（2）條件的建議先利用小導洞進入車站上半斷面施工，化整為零，減小開口斷面。
（3）開口部位應采用管棚進行超前支護，并用小導管進行注漿。
（4）為充分了解馬頭門施工時結(jié)構的受力、變形狀態(tài)，確保心中有數(shù)，萬無一失，應加強施工監(jiān)測，對鋼筋及混凝土應力、變形、收斂、拱頂下沉以及地面沉降進行監(jiān)測，其監(jiān)測密度要大，并應及時將信息反饋給各有關單位。
（5）開口段容易引起過量的地面沉降，除采取強支護措施外，還應加強襯砌背后的回填注漿工作。
（6）應準備應急預案和足夠的應急材料。
4． 地面沉降控制
從目前地鐵五號線已經(jīng)施工的各標段地面沉降情況看，多數(shù)標段的沉降控制不理想，部分風道在尚未完成開挖和初襯時沉降就已經(jīng)超過40mm，這與隧道的斷面大小及施工方法有關外，最主要的原因還有：
施工方案不妥。選取合理的施工方法和先后次序，可以從源頭上使控制沉降成為可能。目前地鐵五號線部分暗挖斷面大，施工步序多，因此應采用合理的施工方案，控制沉降。施工期間初期支護未能及時封閉。部分施工段，由于上下臺階的長度過長，上半斷面又沒有臨時仰拱，導致較長距離內(nèi)初期支護不封閉，引起沉降。超前支護（小導管注漿）不到位，流于形式。超前支護是防止隧道拱部土體局部坍塌的重要手段，尤其對于較差的地層，小導管注漿可有效防止地層的流失和坍落。 初襯背后注漿填充不夠。從現(xiàn)場實際情況看，初期支護噴射混凝土施作后，初襯一般均存在背后空鼓現(xiàn)象，嚴重者空鼓可達100～150mm，尤其對于開挖后有局部坍落掉塊的地方，空隙更大。襯砌背后及時注漿填充可有效防止由此產(chǎn)生的沉降。地質(zhì)條件差。在含粉細砂的地層，隧道開挖后含水粉細砂隨地下水流出，造成地層流失，引起沉降。在上述各因素中襯砌背后注漿不夠或不及時是引起沉降的主要因素之一，應加強控制。對于地鐵工程施工引起的地面沉降允許值應如何采用，目前業(yè)內(nèi)眾說紛紜，但無論車站還是區(qū)間，不管斷面大小高低均采用30mm的做法是非常不妥的。總體來講，按照一般的規(guī)律，區(qū)間隧道采用30mm左右來控制沉降比較現(xiàn)實，車站采用50～60mm控制比較合適。事實上，地面沉降值的控制是一個技術和經(jīng)濟相互平衡的問題，目前的暗挖工法，有條件將沉降控制的更小，但要付出的代價是否值得？因此，應因地制宜的選擇控制標準。
五. 地鐵五號線車站暗挖工程的重點和難點問題
除前面提到的一些技術問題外，地鐵五號線工程存在許多重點和難點問題，以下簡單介紹幾個。
1． 崇文門站下穿環(huán)線地鐵區(qū)間隧道
崇文門站下穿環(huán)線地鐵區(qū)間隧道的情況見圖16示意。五號線崇文門車站在環(huán)線地鐵區(qū)間喇叭口隧道下方穿過，兩者之間的結(jié)構凈距為1.98m，環(huán)線地鐵對五號線施工引起軌道高差變化要求及其嚴格，僅5mm。為滿足此要求，地鐵五號線施工時采取了如下措施：
(1)00mm直徑的管幕作為超前支護，并通過注漿管對周圍的土體進行注漿；
(2)盡快封閉初期支護，并在早期分段跳槽施工二次襯砌環(huán)；
(3)能夠及早起到承載作用的導洞—樁支護體系；
(4)期間對既有地鐵區(qū)間進行全程自動監(jiān)測；
(5)軌道扣件及時調(diào)整隧道施工引起的沉降造成的軌道標高變化。
2.東單站上穿復八線地鐵區(qū)間隧道

單站上穿地鐵復八線區(qū)間隧道的情況見圖17示意。地鐵五號線車站底板與復八線區(qū)間隧道頂板之間的凈距僅0.5m。為確保施工期間對既有區(qū)間隧道的影響最小，采取了如下措施：
(1)線區(qū)間隧道周圍一定范圍內(nèi)的土體進行注漿加固；
(2)索或抗拔樁防止復八線區(qū)間隧道在五號線開挖卸載后上臺；
(3)五號線的車站柱子的排列，確保對復八線的不利作用減小；
(4)與崇文門類似的監(jiān)測方案。
3． 東四站下穿朝內(nèi)菜市場建筑
東四單層暗挖車站隧道在現(xiàn)狀的朝內(nèi)菜市場建筑物下方穿過，東四車站隧道頂部覆土厚度為12.5m，朝內(nèi)菜市場為三層框架結(jié)構，地下有一層地下室，基礎形式為柱下筏板基礎，基底埋深約6m。為保證隧道施工引起的沉降不破壞建筑物，施工期間采用長管幕進行超前支護和小導管注漿。同時對地面建筑物加強施工監(jiān)測。
六. 結(jié)語
到2008年前，北京地鐵將有31座車站采用暗挖法或明暗挖結(jié)合法施工，北京地區(qū)采用暗挖法施工的地鐵車站工程還從來沒有象現(xiàn)在這樣多，可以想象得到一兩年之后北京地鐵建設的狀況。但就目前來講，全國有地鐵暗挖施工經(jīng)驗的隊伍數(shù)量有限，水平參差不齊，整體水平需要提高。本文僅就地鐵五號線地下車站暗挖工法的有關問題進行了粗淺的探討，有些是五號線的經(jīng)驗之談，有些是教訓，有些還沒有實施，數(shù)個人學術觀點。經(jīng)驗和教訓都是寶貴的，地鐵五號線工程的建設在先，值得總結(jié)。筆者希望通過本文粗淺的認識，能夠?qū)I(yè)界的同行有所裨益。不妥之處，望指教。