陳衛(wèi)軍

(中鐵上海設計院集團有限公司， 200070， 上?！胃呒壒こ處?

在軟弱地層中修建地鐵車站多采用明挖法[1]。明挖法雖然具有適應性廣等優(yōu)點，但易受市政設施的限制，如下穿既有的城市隧道或市政管廊、地鐵車站、地面鐵路線、低凈空高架橋時，明挖法施工方案并不可行?；蛎魍诜m可行，但對于大埋深地下空間開發(fā)而言，綜合考慮交通疏解、管線遷改、建筑物拆遷、環(huán)境保護等措施后，明挖法的造價不經(jīng)濟。地鐵建設已進入智能化發(fā)展新時代[2]，城市經(jīng)濟和社會的高質量發(fā)展迫切要求對車站的暗挖法施工進行深入研究。

暗挖法施工通常包括礦山法、盾構法、頂管法等[3]。在軟弱地層中，礦山法需考慮地層預加固措施，其工程造價偏高。近年來地下施工裝備技術迅猛發(fā)展,為采用盾構法、頂管法等建造地鐵車站奠定了堅實基礎，盾構法或頂管法日益成為地下工程建設高效、安全、經(jīng)濟、智能、綠色的代名詞[4]。

在對國內外暗挖法修建地鐵車站進行案例研究的基礎上，本文分析、歸納了采用盾構法及頂管法建造地鐵車站幾種技術路線，提出了幾種適用于軟弱地層的大斷面盾構或頂管等機械暗挖法的新方案，并對其研究現(xiàn)狀、適應性條件、爭論焦點與發(fā)展前景等進行評析。

1 采用盾構法及頂管法建造地鐵車站的技術現(xiàn)狀分析

盾構法及頂管法均是適用于各種地質環(huán)境下暗挖施工的全機械化施工方法，均在鋼護殼保護下進行開挖、推進、襯砌和注漿等作業(yè)，可有效防止周邊巖土體發(fā)生往隧道內的坍塌。將智能感知技術與精細化監(jiān)控技術應用于盾構法或頂管法施工中，使土體開挖或切削、出渣、管片拼裝和注漿作業(yè)等工序變得更加高效、安全、綠色。

地鐵車站一般由車站主體、出入口、通風道及地面風亭等3部分組成。其中，車站主體包括軌行區(qū)隧道、供乘客進出站及上下車的站廳層與站臺層、設備用房、管理用房等。采用盾構法或頂管法建造地鐵車站，首先在車站的兩端或中部修建工作井，作為盾構機或頂管機的始發(fā)井或接收井；然后用盾構法或頂管法分別貫通軌行區(qū)隧道；最后將軌行區(qū)隧道與進出站通道、設備用房與管理用房連通。為降低工程的技術難度與總造價，車站的設備用房與管理用房多布置在明挖區(qū)或外掛建筑物內。

文獻[3]和文獻[5-10]對國內外基于盾構組合方法建造地鐵車站進行了研究。文獻[11-12]對上海軟弱地層中采用盾構法修建地鐵車站進行了初探。在上述研究中可以歸納出盾構法修建地鐵車站的2種技術路線：一是根據(jù)車站自身特點靈活采用各種盾構組合方法，即先采用盾構機將軌行區(qū)隧道貫通，后輔以橫向連通道法、半盾構法、托梁(蓋挖)法、礦山法等，擴充形成地鐵車站；二是利用大直徑盾構機或多連體盾構機直接進行全斷面掘進，形成地鐵車站。

在國外，采用盾構組合法修建地鐵車站的方法與案例可歸納為以下幾種類型：

1) 盾構法與橫向連通道法相結合。采用2個或多個并列的圓形隧道通過橫向連通道組合形成地鐵車站。其案例如東京地鐵5號線木場鎮(zhèn)站。

2) 盾構法與半盾構法相結合。采用2臺單圓盾構先平行掘進貫通軌行區(qū)隧道，然后在1臺半盾構掩蓋下掘進中間站廳部分。其案例如莫斯科的巴維列茨克站。

3) 盾構法與托梁法相結合。首先采用盾構平行掘進貫通軌行區(qū)隧道；然后在隧道內修建立柱，再從兩側立柱頂端向軌行區(qū)隧道之間的地層中壓入托梁；最后在托梁的支撐下進行土體開挖，對車站結構進行施工。其案例如東京地鐵9號線新御茶水站。

4) 盾構法與礦山工法相結合。采用盾構先行掘進貫通軌行區(qū)隧道，然后采用礦山法擴挖2個軌行區(qū)隧道之間的部分。

5) 采用兩連體或三連體盾構機直接建造地鐵車站，其案例如東京地鐵的12號線飯?zhí)飿蛘竞?號線白金臺地鐵站等。

6) 采用大直徑單圓盾構隧道直接造建地鐵車站，通過將上、下行線豎向疊落布置在單圓盾構隧道(10.9 m內凈空)內。

在國內，北京地鐵14號線高家園站將傳統(tǒng)PBA(洞樁)法的中部導洞調整為采用大直徑單洞雙線隧道，仿照PBA暗挖法建造地鐵車站，即：首先采用大直徑盾構掘進中部軌行區(qū)單洞雙線隧道,并進行兩側礦山法導洞施工；然后在盾構隧道內施作底梁、矩形柱、頂梁，并架設臨時支撐，仿照PBA法兩側對稱擴挖形成地下2層側式標準站；最后在站臺兩側明挖修建車站的站廳及設備用房，通過連通道連接站臺和外掛結構。上海軌道交通靜安寺站是軌道交通2號、7號、14號線交匯形成的“門”字形換乘站，其14號線的站址位于上海市中心區(qū)域，道路交通繁忙，地下管線密集，車站結構需下穿延安路高架橋，因此14號線靜安寺站的建筑設計采用端進式站型，下穿延安路高架橋段施工則采用分離式類矩形盾構法與站臺層連通。

2 軟弱地層采用盾構法或頂管法建造地鐵車站的適應性分析

國內外采用盾構法修建的地鐵車站大多處于自穩(wěn)性較好的土層環(huán)境中，在軟弱地層中施工案例較少。雖然上海軌道交通線路的區(qū)間隧道普遍采用盾構法施工，但考慮到地鐵車站橫斷面面積約為單線盾構區(qū)間隧道橫斷面面積的10倍，業(yè)界對采用大直徑盾構建造地鐵車站仍存在顧慮：① 與明挖法相比，盾構法機械設備造價昂貴，經(jīng)濟性較差；② 受大直徑盾構機及修建技術制約，盾構隧道與橫向連通道法相結合的施工僅適用于客流量較小的車站，車站的建設規(guī)模受到限制；③ 為滿足樓扶梯布置和消防逃生要求，多將車站建筑固化為端進式車站站型，盾構法建造段長度一般控制在90 m以內；④ 在富水軟弱地層中，連通道施工被認為是地鐵建設的高風險事件；⑤ 盾構法隧道是裝配式結構，主體受力結構存在縱橫向接縫，且整體剛度在受力與防水上較現(xiàn)澆鋼筋混凝土結構處于劣勢。

1994年，日本東京灣隧道首次采用直徑為14.14 m的盾構進行施工。2004年，上海的上中路隧道引進了14.87 m的盾構機。截至目前，國內的盾構隧道項目中，盾構直徑在14 m及其以上的項目有近40項。大直徑盾構被廣泛應用在上海越江隧道及城市軌道交通單洞雙線區(qū)間隧道的建設中，大直徑盾構的設計與施工已積累了豐富經(jīng)驗。

近年來，地下施工裝備聚焦超大直徑、超長距離、深埋高壓、地質多變等復雜建設條件，圍繞智能化、數(shù)字化與綠色化廣泛開展科技創(chuàng)新，且取得了重大技術突破，為盾構法建造地鐵車站提供了技術可行的替代解決方案。

隧道工程的建設推動了新技術、新工藝、新材料、新設備的引進、開發(fā)和應用。隧道掘進裝備的國產化率已超過90%，使盾構法施工的工程造價大幅降低。

在軟弱地層中聯(lián)絡通道施工普遍采用凍結法，眾多工程實踐表明其施工風險是可控的。寧波地鐵公司在采用頂管法實施連通道方面做了深入的研究與實踐，在頂管鋼殼保護下進行聯(lián)絡通道施工的風險已顯著降低。

盾構法與托梁法、礦山法應用于上海軟土地層時，需采取地層預加固和降水措施，其工程經(jīng)濟性較差，可考慮在小規(guī)模項目或局部節(jié)點處選用。另外，盾構法與半盾構組合法建造的車站橫斷面與三連體盾構機全斷面掘進法形成的車站橫斷面較相似，而三連體盾構機在軟弱地層中掘進優(yōu)勢更為明顯。對于異形盾構機或多連體盾構機全斷面掘進建造地鐵車站，其關鍵技術在于盾構機的研發(fā)與制造，本文暫不做深入評析。

經(jīng)綜合分析，在上海的軟弱地層中采用盾構法或頂管法等機械化施工方法建造地鐵車站，其可行的技術路線推薦如下：① 11～16 m大直徑盾構全斷面掘進法；② 8～10 m中等直徑盾構法與其它方法施工聯(lián)絡通道相結合的施工方法；③ 矩形頂管水平并列、豎向疊落施工；④ 大斷面分割矩形頂管轉換法。

3 軟弱地層中采用盾構法或頂管法建造地鐵車站的方案評析

為便于方案闡述，盾構隧道橫斷面設計方案中假定軌行區(qū)的建筑限界寬度為3 850 mm；與樓扶梯并排布置時側式站臺的最小寬度為2.5 m；出入口側接的側式站臺寬度按3.5 m考慮；島式站臺寬度不小于8.0 m。

3.1 11～16 m大直徑盾構全斷面掘進法

將上、下行線路平行布置在單圓盾構隧道內，當采用島式站臺時，地鐵車站的平面及豎向布置可參考地下2層標準島式車站，即設計為單洞雙層，上層為站廳層，下層為站臺層，如圖1 a)所示，此時隧道內凈空尺寸D1不宜小于15.4 m；當采用側式站臺時，為減少工程規(guī)模，宜優(yōu)先考慮出入口通道側接方案。地鐵車站的平面及豎向布置可參考地下1層側式車站，如圖1 b)所示，此時隧道內凈空尺寸D2不宜小于12.6 m。

a) 島式車站橫斷面

參照分離島式車站設計，將上、下行線路分別布置在2個獨立的大直徑圓形盾構隧道內，隧道間通過橫向連絡通道或端頭井區(qū)域連通。單圓隧道的上層布置站廳層，下層布置站臺層，通過樓扶梯連接站臺、站廳層，如圖2所示，此時的隧道內凈空尺寸D3為10～12 m。

圖2 采用大直徑盾構施工的分離島式隧道橫斷面布置圖

3.2 8～10 m中等直徑盾構與橫通道結合法

廣州地鐵2號線越秀公園站位于五叉路口，地面交通非常繁忙，不具備明挖條件，設計采用3個平行礦山法洞室方案，兩側為外徑不小于8 m的側式站臺洞室，中間為人行通道，通過設計橫向聯(lián)絡通道將3個洞室連通，中間人行通道連接兩端明挖站廳或地面廳。

青島地鐵3號線敦化路站基巖埋深淺，地面道路交通繁忙。建設時將主要設備外掛至地塊明挖區(qū)域，分別在車站兩端設豎井及橫通道，在橫通道內用礦山法暗挖建設上、下行軌行區(qū)隧道，然后用橫通道連通站臺與地下1層站廳層。

參照上述越秀公園站、敦化路站的施工方案，可在上海的軟土地層內采用盾構與橫通道結合法建造地鐵車站，如圖3所示。

a) 2個平行洞室

b) 3個平行洞室

3.3 矩形頂管水平并列、豎向疊落施工法

經(jīng)標準化、模塊化研究，將傳統(tǒng)地下2層標準車站劃分為多個獨立矩形框架，各框架結構間為水平或豎向疊落。通過頂管法依次分步密貼頂進框架結構，在明挖工作井位置或通過聯(lián)絡通道連通各框架洞室，最終實現(xiàn)地鐵2層標準車站功能，如圖4所示。

圖4 采用矩形頂管分步頂進施工的地鐵

3.4 大斷面分割矩形頂管轉換法

國內某地下1層停車庫試驗工程[13-14]的總建筑面積為3 500 m2，車庫的長、寬分別為90 m和36 m，設計停車位約為100個，并設1個車行出入口、2個人行出入口、3個自然采光井和1個機械排煙井。該工程采用頂管法和裝配式結構相結合的施工方法，在兩端工作井內依次水平密貼頂進矩形頂管，頂管管片為混凝土管片+鋼管片拼裝而成；然后在管片內修建結構梁柱；最后拆除中部臨時鋼管片。該工程為修建大規(guī)模地下工程提供了新的施工思路。

當車站埋深較深或車站上部有結構物不可拆遷時，可考慮在兩端設計頂管工作井，參考礦山法中的CRD(交叉中隔墻)法，先將大斷面合理分割成若干個小斷面，分步依次頂進小斷面頂管；然后在臨時頂管結構內修建地鐵車站梁柱，依序拆除中部臨時鋼管片；最后再施筑車站二次結構。該施工方法主要實施步驟如下：

第1步：如圖5 a)所示，用矩形頂管機依序頂進n個臨時導洞，臨時導洞襯砌采用鋼管片。

第2步：如圖5 b)所示，在n個洞室內，縱向分段依次施工外圈現(xiàn)澆混凝土頂板、側墻及底板，并與外側臨時鋼管片形成疊合結構。中樓板及中柱、縱梁系統(tǒng)可考慮采用現(xiàn)澆或裝配式結構。

第3步：如圖5 c)所示，拆除中間部分臨時鋼管片隔墻，最后澆筑施工站臺板等二次結構。

c) 站臺板等二次結構施工

4 結語

地下工程施工裝備技術聚焦超大直徑、超長距離、深埋高壓、地質多變的復雜建設環(huán)境，并結合智能化、數(shù)字化等進行科技創(chuàng)新，為機械化暗挖法建造地鐵車站提供了新的解決方案。本文針對上海軟弱地層特點，提出了盾構或頂管等機械化施工方法建造地鐵車站的4種可行技術路線，為軟弱地層的地鐵車站設計提供智能化解決方案。