楊秀敏，張頂立，房 倩

(1.中國人民解放軍軍事科學(xué)院國防工程研究院，北京 100850; 2.北京交通大學(xué)城市地下工程教育部重點實驗室，北京 100044)

1 引言

地鐵作為我國城市化進程中最重要的交通基礎(chǔ)設(shè)施之一，以其安全、快速以及舒適等諸多優(yōu)點已受到越來越多城市管理者及市民青睞[1]。1965年北京首條地鐵動工建造，在經(jīng)歷半個世紀(jì)的發(fā)展變革后，北京地鐵建造理念從早期的“戰(zhàn)備為主”轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)在的“交通運營為主”[2-4]。隨著我國城市規(guī)模的不斷擴大，地鐵線路日趨增多、線路網(wǎng)絡(luò)不斷織密，地上/地下的復(fù)雜結(jié)構(gòu)對城市地鐵車站建造技術(shù)提出了更高要求?；跍\埋暗挖施工理念，利用PBA法(Pile-Beam-Arch)建造地鐵車站的施工技術(shù)正在我國各大城市地鐵建設(shè)中推廣應(yīng)用。為此，在梳理北京地鐵車站建造理念基礎(chǔ)上，結(jié)合淺埋暗挖法建造地鐵車站的工法創(chuàng)新進行闡述，并指出了目前存在問題與未來展望，以期能夠進一步推廣PBA法在地鐵車站及其他地下工程領(lǐng)域的應(yīng)用。

2 北京地鐵車站建造理念

2.1 戰(zhàn)備為主，兼顧交通

基于毛澤東主席在新中國成立之際提出“北京要搞地下鐵道，不僅北京要搞，有很多城市也要搞，一定要搞起來”的指示精神，中共北京市委于1953年制定的《關(guān)于改建與擴建北京市規(guī)劃草案》首次明文規(guī)定要在北京修建地下鐵道。地鐵建造之際正值社會主義改造進行中，我國經(jīng)濟尚未全面恢復(fù)，且地鐵建造成本高、技術(shù)要求嚴(yán)、耗時長，對當(dāng)時我國所具有的施工技術(shù)來說是一個巨大的挑戰(zhàn)。第一次全國人民防空工作會議于同年11月在北京召開并制定了“長期準(zhǔn)備，重點建設(shè) ”的指南方針，并確定在全國36個沿海省會及大中城市開展人民防空工作的要求。周恩來總理指出地鐵建造的目的是：“北京修建地鐵，完全是為了備戰(zhàn)。如果為了交通，只要買200輛公共汽車，就能解決”。20世紀(jì)50～60年代世界戰(zhàn)爭格局發(fā)生巨大變化，國際復(fù)雜形勢及美蘇核威脅的共同影響下，為了戰(zhàn)備需要，諸多國家選擇在地下修建工廠、倉庫以及軍事設(shè)施。20世紀(jì)60年代末、70年代初，毛澤東主席針對國際形勢提出“深挖洞、廣積糧、不稱霸”的號召，從而在我國諸多大中城市中開展了一場建設(shè)防護工程的人民戰(zhàn)爭[5-8]。

基于“戰(zhàn)備為主，兼顧交通”的指南方針，我國于1965年設(shè)計并建造了北京地鐵一期工程，標(biāo)志著我國地鐵建造歷程正式進入歷史舞臺。然后，由于我國地下工程建造技術(shù)的局限性，無論是人防戰(zhàn)備還是交通運輸，早期的深埋設(shè)計方案均存在一系列技術(shù)難題。隨后，經(jīng)過方案比選及優(yōu)化完善，北京地鐵一期工程設(shè)計方案最終確定為淺埋加防護，施工工法確定為明挖法施工。考慮當(dāng)時國際形勢，北京地鐵一期工程安全等級參照民用建筑最高級別進行修建。在毛澤東主席“精心設(shè)計，精心施工，在建設(shè)過程中一定會有不少錯誤失敗，隨時注意改正”的指示精神下，地鐵建設(shè)者們克服重重困難最終使得北京地鐵一期工程于1969年10月1日開始試運營，開創(chuàng)了我國地鐵建設(shè)的先河，為我國地鐵行業(yè)的發(fā)展積累了寶貴經(jīng)驗。雖然北京地鐵一期工程建造技術(shù)水平不高，但防護級別卻具有較高等級，而且地鐵各口部均安裝了與工程防護等級相適應(yīng)的孔口防護設(shè)施。交通運輸過程中的普通風(fēng)道和戰(zhàn)爭時期的特殊風(fēng)道均各成體系、互不干擾，且戰(zhàn)備特殊風(fēng)道還裝設(shè)有濾除核爆炸放射性灰塵功能的過濾設(shè)備。除此之外，地鐵隧道之上還鋪設(shè)有厚達(dá)0.7 m的鋼筋混凝土與1.0 m的防爆破材料，從而使得北京地鐵具有防原子輻射、化學(xué)武器以及細(xì)菌武器滲透的“三防”功能[9-10]。

1971年，由鐵道兵負(fù)責(zé)設(shè)計、施工的北京地鐵二期環(huán)線工程正式開工。鑒于當(dāng)時國際形勢與“要準(zhǔn)備打仗”的指導(dǎo)思想，北京地鐵二期工程防護等級在一期工程基礎(chǔ)上又進行了提高。其中，二期工程從建國門向北至東直門后改道向西，后經(jīng)西直門向南至復(fù)興門，并下穿北京舊城墻，共設(shè)12個車站。

20世紀(jì)80年代前，受限于我國經(jīng)濟發(fā)展以及技術(shù)水平，北京地鐵一、二期工程為代表的早期地鐵車站主要以明挖法施工為主。

2.2 交通為主，兼顧人防

20世紀(jì)90年代以后，我國城市地鐵建造理念開始從“戰(zhàn)備為主，兼顧交通”向“交通運營為主，兼顧人防”轉(zhuǎn)變[3]。如北京地鐵復(fù)八線全線工程防護等級均有較大幅度下降，防護標(biāo)準(zhǔn)也隨之調(diào)整，但依舊保留防護密閉的要求。

地鐵車站施工方法不僅取決于工程所處水文地質(zhì)環(huán)境，而且受地面日常交通運維影響?！敖煌ㄟ\營為主，兼顧人防”理念轉(zhuǎn)變，減少了人防功能需求，降低了城市地鐵建造約束，從而促進了城市地鐵的快速發(fā)展。為了避免地鐵建造阻斷地面交通，利用暗挖法建造地鐵車站的施工技術(shù)應(yīng)運而生。

2007年4月，北京市組織召開了關(guān)于地鐵線路人防工程設(shè)防方案的討論會。會議在貫徹“交通運營為主，兼顧人防”指導(dǎo)思想的同時，提出了“兼顧人防，建設(shè)和諧軌道交通”的新思路。隨后，《軌道交通工程人民防空設(shè)計規(guī)范》對地鐵車站防護要求提出了新規(guī)定，如“一個車站和一個區(qū)間段劃分一個防護單元”，且每座地下車站與其相連區(qū)間需作為一個獨立防護單元。

3 北京地鐵車站淺埋暗挖法建造技術(shù)發(fā)展

3.1 淺埋暗挖法的誕生

1964年新奧法理念提出后，新奧法以其技術(shù)可行、施工安全以及經(jīng)濟合理等諸多優(yōu)點而在世界各地隧道工程建造過程中受到廣泛關(guān)注及推廣應(yīng)用[11]。20世紀(jì)60年代末，新奧法傳入我國并首次成功用于衡廣復(fù)線大瑤山鐵路隧道(雙線，長14.3 km，1981年1月至1988年11月建造)，隨后應(yīng)用于大秦鐵路軍都山隧道工程的軟巖段(雙線，長8.5 km，1985年1月至1988年8月建造)。

1984年，北京地鐵二期工程建成通車，但因無法與一期工程前門站及北京站進行連接環(huán)行，從而降低了地鐵工程帶來的經(jīng)濟社會效益。為了能使蘋果園站—復(fù)興門站的區(qū)間車輛在復(fù)興門站進行折返，北京市政府決定修通復(fù)興門站折返線，從而通過在二環(huán)路下形成環(huán)線地鐵來吸引客流，提高運送能力。為了避免對復(fù)興門大街等交通要道“開膛破肚”開挖，王夢恕等專家基于軍都山軟巖隧道建造的經(jīng)驗，提出了不影響地面交通的施工方案，由此創(chuàng)立了淺埋暗挖技術(shù)體系[12-16]，并成功應(yīng)用于復(fù)興門折返線工程(圖1)，開辟了建造地鐵的新途徑。這套施工理念于1987年正式被命名為“淺埋暗挖法”，并獲北京市科學(xué)進步一等獎以及國家科學(xué)技術(shù)進步二等獎。

圖1 復(fù)興門站折返線工程

淺埋暗挖法吸納了新奧法中廣泛采用的順序開挖、地面加固、噴射混凝土以及監(jiān)控量測等技術(shù)。然而，采用淺埋暗挖法進行隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計時，還需采用多種輔助工法來調(diào)動圍巖自承能力，并及時支護、盡早封環(huán)，從而使得支護結(jié)構(gòu)與圍巖共同形成聯(lián)合支護體系。此外，隧道施工過程中還需輔以監(jiān)控量測、信息反饋來對初始設(shè)計進行動態(tài)優(yōu)化。最后基于形成的綜合配套技術(shù)來達(dá)到不塌方、少沉降、安全施工的目的。淺埋暗挖法能靈活適用于埋深較淺、地層條件差、地下水存在等周圍環(huán)境復(fù)雜的工程地質(zhì)條件[17-20]。同時，由于其不干擾地面交通與周圍環(huán)境等特點而被廣泛推廣應(yīng)用于其他工程領(lǐng)域。

淺埋暗挖法是一種新型的隧道施工理念，而非一套具體的開挖支護技術(shù)。經(jīng)過多年的工程實踐以及理論提升，淺埋暗挖法的核心理念被歸納為“管超前、嚴(yán)注漿、短開挖、強支護、快封閉、勤量測”十八字口訣方針。

3.2 PBA法的誕生

天安門西站位于北京市西長安街與南長街交匯處，東西側(cè)分別為人民大會堂與中南海新華門，特殊的地理位置不允許斷路施工，且一旦發(fā)生安全事故將導(dǎo)致不良的社會影響與負(fù)面的國際形象。因傳統(tǒng)淺埋暗挖法的群洞效應(yīng)及變形難控的限制而無法滿足周邊環(huán)境安全要求。因此亟需研發(fā)一種變形量小、安全度高的暗挖車站建造技術(shù)。

天安門西站設(shè)計初期，“中洞法”建造地鐵車站的施工技術(shù)已在國外普遍應(yīng)用，而國內(nèi)北京復(fù)八線西單站則采用了“側(cè)洞法”。此外，天安門東站成功采用了挖孔樁柱下導(dǎo)洞條基蓋挖逆做法[21]，且長安街大跨度超淺埋暗挖過街通道也成功建成，將傳統(tǒng)房屋建筑工法引入到隧道與地下工程的施工中。在總結(jié)眾多成功案例經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，我國隧道與地下工程專家提出了基于樁、梁、拱的洞樁法(Pile-Beam-Arch，簡稱PBA法)暗挖建造技術(shù)[21-22]。PBA法于1992年首次成功應(yīng)用于復(fù)八線天安門西站，解決了大斷面暗挖地鐵車站施工沉降過大的技術(shù)難題(圖2)。PBA法可分為導(dǎo)洞開挖，導(dǎo)洞內(nèi)頂?shù)卓v梁與樁、柱施作，扣拱施工以及扣拱后開挖、支護4個階段[23]。在結(jié)合傳統(tǒng)淺埋暗挖法的“短開挖、快封閉”的核心思想基礎(chǔ)上，輔以框架圍護結(jié)構(gòu)與蓋挖法理念，通過導(dǎo)洞快速形成由邊樁與頂拱組成的支護體系，從而較好地控制由開挖引起的地層沉降。此后，淺埋暗挖法修建地鐵車站開始走向以PBA法為主導(dǎo)工法的時代。

圖2 天安門西站橫斷面(單位：m)

PBA法建造地鐵車站的主要優(yōu)點可歸納如下。

(1)地表沉降的有效控制。PBA法建造地鐵車站引起的地層沉降主要發(fā)生在導(dǎo)洞開挖與拱結(jié)構(gòu)施作階段。后期土方開挖都在牢固的拱-樁-柱支撐體系下進行，從而可以有效降低大規(guī)模土體開挖對地表沉降的影響。

(2)開挖效率的顯著提高。PBA法施工過程中，只要任意兩個相鄰導(dǎo)洞工作面之間有滿足施工的距離，就可以同時進行多導(dǎo)洞施工。此外，在大斷面空間形成后可實現(xiàn)機械化快速施工。

(3)車站空間的充分利用。直墻式地鐵車站比弧形墻式更能充分利用空間。

(4)空間拓展的便于實施。相較傳統(tǒng)淺埋暗挖法，PBA可以通過形成連續(xù)的柱拱支撐體系，便捷的實現(xiàn)地鐵車站由傳統(tǒng)三跨向多跨轉(zhuǎn)變的標(biāo)準(zhǔn)化施工，且無需對支護設(shè)計進行過多改變。

3.3 PBA法的推廣

隨著我國城市地鐵路網(wǎng)的加密，以及地下空間開發(fā)力度的加大，大量新建暗挖地鐵下穿城市既有結(jié)構(gòu)工程逐漸浮現(xiàn)。傳統(tǒng)PBA法以2層3跨8導(dǎo)洞結(jié)構(gòu)為主要形式，施工沉降主要由先行導(dǎo)洞開挖和拱結(jié)構(gòu)施做引起[24]，同時面臨著人工挖孔樁安全性、準(zhǔn)確度較差且對施工降水要求較高的問題。單層導(dǎo)洞PBA法地鐵車站建造技術(shù)較好地解決了這一難題。單層導(dǎo)洞PBA法最早在北京地鐵15號線奧林匹克公園站應(yīng)用[25-26]，該工程成功實現(xiàn)了暗挖洞室內(nèi)直徑1.8 m，成孔深度47 m中樁的施工。

北京地鐵15號線奧林匹克公園站位于奧運場地核心區(qū)、大屯路隧道正下方，與大屯路隧道呈東西向平行布置，與國家體育館、國家會議中心、國家體育場(鳥巢)以及國家游泳中心(水立方)等建筑距離近，周邊環(huán)境保護要求高。根據(jù)15號線路要求，車站主體結(jié)構(gòu)要全部平行密貼下穿既有大屯路公路隧道(圖3)。通過應(yīng)用單層導(dǎo)洞PBA法，成功將既有大屯路隧道沉降控制在標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)[26]，保證了施工安全與環(huán)境要求，解決了超大斷面地鐵車站下穿地下敏感設(shè)施變形控制的技術(shù)難題。單層導(dǎo)洞PBA法取消了下層導(dǎo)洞，采用大直徑中樁來承擔(dān)結(jié)構(gòu)荷載，縮短了降水周期，實現(xiàn)了少降水施工，保護了地下水環(huán)境。改進后的單層導(dǎo)洞PBA法提出利用邊樁作為止水帷幕輔以底部封堵的地下水控制技術(shù)，從而解決了富水條件下地鐵車站暗挖施工中的技術(shù)難題[27]。單層導(dǎo)洞PBA法因適應(yīng)新時期的施工環(huán)保需求，故而在后續(xù)北京地鐵16號線全線暗挖工程中得到了進一步推廣應(yīng)用。

4 思考與展望

當(dāng)今國際形勢日趨復(fù)雜，新冠肺炎疫情全球流行，俄烏戰(zhàn)爭爆發(fā)引起的軍備程度提高以及戰(zhàn)爭風(fēng)險上升。我國城市地鐵工程雖然較歐美、日本等發(fā)達(dá)國家起步晚，但隨著我國經(jīng)濟持續(xù)增長，進入21世紀(jì)以來，國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)如火如荼，我國地鐵建設(shè)呈現(xiàn)規(guī)?；l(fā)展態(tài)勢。根據(jù)中國城市軌道交通協(xié)會發(fā)布的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，截至2021年底，我國內(nèi)地城市軌道交通運營線路總長達(dá)9 192.62 km，其中地鐵里程為8 206.48 km。在北京地鐵建造歷程中，以PBA法為代表的淺埋暗挖地鐵車站已超過100余座(含在役與在建)。新時期，地鐵車站淺埋暗挖建造技術(shù)機遇與挑戰(zhàn)并存[28-31]。

4.1 主要挑戰(zhàn)

淺埋暗挖法作為一種適合我國國情的施工技術(shù)，從誕生至今已在北京得到長足發(fā)展，基礎(chǔ)理論日臻完善，積累的成熟工法與核心技術(shù)也在全國范圍推廣應(yīng)用，技術(shù)水平基本達(dá)到世界先進。隨著時代發(fā)展，傳統(tǒng)淺埋暗挖法也將面臨著諸多挑戰(zhàn)。

(1)高效率自動化機械設(shè)備應(yīng)用程度不高。淺埋暗挖法以分步開挖為主，在軟弱復(fù)雜地層條件下，工序繁復(fù)導(dǎo)致大型自動化機械設(shè)備難以應(yīng)用。因此，施工過程中勞動力投入多、勞動強度大、作業(yè)環(huán)境差，且效率偏低，已不符合當(dāng)今社會發(fā)展需求。淺埋暗挖法面臨施工效率低下的挑戰(zhàn)。

(2)對從業(yè)人員的專業(yè)技能水平要求較高。淺埋暗挖法一般在沒有明挖施工條件的復(fù)雜城市核心區(qū)應(yīng)用。周邊管線情況復(fù)雜、地表建筑物相對密集，環(huán)境風(fēng)險突出。復(fù)雜環(huán)境要求從業(yè)人員必須具有較高的業(yè)務(wù)能力及從業(yè)經(jīng)驗。淺埋暗挖法面臨缺乏專業(yè)施工技術(shù)人員的挑戰(zhàn)。

(3)我國社會老齡化趨勢加速。全國第7次人口普查結(jié)果顯示，我國勞動人口的規(guī)模在逐年下降，但勞動人口中45～64歲的人口比重卻持續(xù)上升。我國人口紅利在基建領(lǐng)域的優(yōu)勢正在失去，勞動力供給的減少直接導(dǎo)致人工成本上升，產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移與技術(shù)革新成為未來發(fā)展趨勢。淺埋暗挖法面臨人工成本上升的挑戰(zhàn)。

(4)全民素質(zhì)明顯提高，隧道作業(yè)面臨用工荒。近些年我國人口受教育程度得到了持續(xù)改善，相比2010年第6次全國人口普查結(jié)果，全國文盲率由4.08%下降為2.67%，文盲人口減少2 084萬人。擁有初中及以下文化程度的人口比例在現(xiàn)有人口中的“可見度”越來越小。此外，伴隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，我國廣大勞動者人均財富明顯增長，全民物質(zhì)生活水平顯著提升，勞動者對工作的環(huán)境與條件要求越來越高。傳統(tǒng)一人一鎬、手提肩扛、滿面塵灰的隧道作業(yè)已難以被新一代工人所接受。淺埋暗挖法面臨缺乏施工人員的挑戰(zhàn)。

(5)新興工法搶占市場，傳統(tǒng)淺埋暗挖法影響力弱化，市場份額下降。盾構(gòu)技術(shù)自上世紀(jì)從海外引進以來，已在隧道施工領(lǐng)域逐漸普及推廣，其成本逐步回落并接近傳統(tǒng)淺埋暗挖法。然而傳統(tǒng)淺埋暗挖法的成本卻在逐漸增加，從而導(dǎo)致市場份額減少。且隧道工程領(lǐng)域青年從業(yè)人員對傳統(tǒng)淺埋暗挖工法的認(rèn)知程度有所下降。淺埋暗挖法面臨被邊緣化的挑戰(zhàn)。

(6)新冠肺炎疫情防控常態(tài)化，對工程建設(shè)管理要求更高。在工程建設(shè)領(lǐng)域，常態(tài)化疫情防控對工程實體并不會產(chǎn)生較大的沖擊，但會直接或間接導(dǎo)致工期延誤、成本增加。常態(tài)化疫情防控對淺埋暗挖法工程建設(shè)工期、成本提出了更高的要求。

4.2 未來展望

新形勢下，面對勞動成本提升、技術(shù)進步以及市場競爭壓力，傳統(tǒng)淺埋暗挖法必須有所突破與創(chuàng)新方能避免被淘汰?，F(xiàn)如今，新一輪科技與產(chǎn)業(yè)變革持續(xù)推進，傳統(tǒng)淺埋暗挖法同樣經(jīng)歷著革新。

4.2.1 機械化

為將傳統(tǒng)地鐵施工“一人一鎬”單一型施工模式向機械化施工模式轉(zhuǎn)變，緩解目前勞動力緊張與勞動成本提升帶來的問題，則必須堅定不移地走機械化發(fā)展道路。近年來淺埋暗挖機械化施工技術(shù)得到了快速發(fā)展，由此也將帶來工法的進一步改進與提高。因此，當(dāng)下階段應(yīng)重點在暗挖機械施工設(shè)備及施工方法開展重點攻關(guān)。

4.2.2 綠色化

“綠色化”概念首次在《關(guān)于加快推進生態(tài)文明建設(shè)的意見》中提出，中央政治局將其與新型工業(yè)化、城鎮(zhèn)化、信息化、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化相并列。2021年2月，國務(wù)院發(fā)布《關(guān)于加快建立健全綠色低碳循環(huán)發(fā)展經(jīng)濟體系的指導(dǎo)意見》，對推行綠色建造提出了新要求。從“污染防治”到“碳達(dá)峰、碳中和”，低碳政策高度契合我國經(jīng)濟轉(zhuǎn)型與高質(zhì)量發(fā)展的長遠(yuǎn)目標(biāo)。淺埋暗挖法應(yīng)順應(yīng)潮流，重視能源消耗與碳排控制，開展綠色技術(shù)，實現(xiàn)綠色裝備轉(zhuǎn)化。

4.2.3 智能化

現(xiàn)代人工智能、自動化機械技術(shù)的快速發(fā)展以及交通運輸領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，為淺埋暗挖隧道智能化施工提供了實施基礎(chǔ)。淺埋暗挖隧道智能化施工是暗挖隧道智能建造水平的綜合體現(xiàn)。淺埋暗挖法智能化發(fā)展要以數(shù)字化資源為核心，以信息化管理與智能化施工為主要方法，同時輔以現(xiàn)代化監(jiān)控測量手段，從而實現(xiàn)全方位的智能理念?？梢試L試引入“數(shù)字孿生”的理念輔助進行革新。

4.2.4 平戰(zhàn)結(jié)合

由于地鐵工程埋深大、結(jié)構(gòu)強度高、機動能力靈活，一直都是戰(zhàn)時首選的防空、避難與疏散設(shè)施。二戰(zhàn)中的倫敦、莫斯科以及東京等城市地鐵在防空襲方面扮演了重要角色，減少了人員傷亡與財產(chǎn)損失。2022年俄烏戰(zhàn)爭爆發(fā)后，基輔民眾將地鐵站作為臨時避難所，躲避可能遇到的戰(zhàn)爭傷害。在現(xiàn)今反空襲作戰(zhàn)中，城市地鐵系統(tǒng)兼顧戰(zhàn)時防空需要是世界各國城市較為通用的做法，我國地鐵人防工程的建設(shè)思想也一直與時俱進。利用淺埋暗挖法建造地鐵車站，要做好戰(zhàn)時功能定位，合理制定防護、防化等級，同時滿足工程預(yù)留與平戰(zhàn)轉(zhuǎn)換要求，以增強城市戰(zhàn)時抗爆能力。