北京地鐵黃莊站地下結(jié)構(gòu)工程技術(shù)創(chuàng)新

黃美群

(北京城建設(shè)計(jì)研究總院有限責(zé)任公司 北京 100037)

1 工程概況

北京地鐵海淀黃莊站是地鐵4號(hào)線與10號(hào)線的換乘車站，位于海淀區(qū)中關(guān)村大街與知春路相交的十字路口正下方，是北京地鐵線網(wǎng)中環(huán)線與南北線重要的大型交通樞紐，也是奧運(yùn)工程中軌道交通的重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目之一，項(xiàng)目建設(shè)的目的在于最大限度上滿足中關(guān)村商業(yè)圈乘客的出行需求，以及地鐵4號(hào)線與10號(hào)線乘客的換乘需求，可滿足高峰每小時(shí)約1.8萬乘客正常的上下車，對(duì)改善中關(guān)村地區(qū)的交通環(huán)境及提升該地區(qū)的業(yè)態(tài)價(jià)值意義深遠(yuǎn)。

黃莊站兩線車站主體均跨路口設(shè)置并呈十字斜交75°(見圖1)，工程總建筑面積為25122 m2。4號(hào)線主體為14 m島式站臺(tái)車站，車站總長(zhǎng)216.7 m，呈南北走向，為地下2層(節(jié)點(diǎn)區(qū)單層)3跨端頭廳形式;10號(hào)線主體為2×7.5 m側(cè)式站臺(tái)車站，車站總長(zhǎng)157 m，呈東西走向，為地下2層3跨結(jié)構(gòu)。4號(hào)線島式站臺(tái)在下、10號(hào)線側(cè)式站臺(tái)在上，4個(gè)象限的環(huán)形通道連接4號(hào)線站廳與10號(hào)線站臺(tái)，實(shí)現(xiàn)上側(cè)下島十字換乘，車站主體覆土厚5～7 m。車站附屬建筑有6個(gè)出入口、4條環(huán)形換乘通道、4組風(fēng)道和風(fēng)亭、2條消防疏散通道。

圖1 海淀黃莊站建筑總平面

2 工程特點(diǎn)與難點(diǎn)

本車站建筑功能完備、乘客使用便捷，所采用的十字換乘形式是目前地鐵交叉線路中換乘路徑最多、換乘距離最短、使用最為便捷的換乘方式之一，而工程面臨的重要挑戰(zhàn)是施工期間的地面道路交通及地下管線的拆改難題，同時(shí)建設(shè)環(huán)境復(fù)雜，安全控制標(biāo)準(zhǔn)高;場(chǎng)地地質(zhì)缺陷多，對(duì)工程影響大;尤其作為奧運(yùn)節(jié)點(diǎn)工程，工期緊迫，對(duì)安全、快速施工要求高，種種因素使得本工程的復(fù)雜程度和技術(shù)難度在國(guó)內(nèi)外地鐵工程中都是首屈一指的。

本工程的特點(diǎn)和難點(diǎn):①規(guī)模是標(biāo)準(zhǔn)車站的2.5倍，有20多座大小不同、形式各異的隧道組成，最大的主體隧道開挖面積達(dá)420 m2;暗挖交叉節(jié)點(diǎn)多達(dá)30余處，且存在暗挖主體大斷面十字斜交75°;②周邊敏感性建筑物密集，道路交通繁忙，56根地下管線縱橫交錯(cuò);③地層以砂卵石為主，含有地下水，且存在水囊、空洞等不良地質(zhì)體;④作為奧運(yùn)配套工程，要求2.5年主體隧道貫通;⑤本工程是國(guó)內(nèi)外第一座采用全暗挖技術(shù)建造的十字換乘車站，無成熟的經(jīng)驗(yàn)可供借鑒，需要解決的關(guān)鍵技術(shù)難題多，具有極大的挑戰(zhàn)性。

3 工程設(shè)計(jì)主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

本工程以大規(guī)模的暗挖隧道及其環(huán)境影響為設(shè)計(jì)對(duì)象，采用理論分析、工程類比及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等手段，對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)轉(zhuǎn)換機(jī)理、穩(wěn)定性控制及地層變形等進(jìn)行全面深入的分析，確保了工程建設(shè)的安全、快捷、環(huán)保及高質(zhì)量，其主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)有:

1)首次采用全暗挖技術(shù)成功實(shí)施地鐵十字換乘車站，改變了地鐵十字換乘車站只能采用明挖或蓋挖法施工的現(xiàn)狀，創(chuàng)下了國(guó)內(nèi)外迄今為止規(guī)模最大、結(jié)構(gòu)體系最復(fù)雜、工期最緊迫、環(huán)境又異常復(fù)雜的暗挖地鐵車站的新紀(jì)錄，為城市軌道交通工程提供了一種經(jīng)濟(jì)、高效、環(huán)保的建設(shè)新模式。

2)創(chuàng)新性地提出并成功應(yīng)用了“一次扣拱法”淺埋暗挖新技術(shù)，形成了設(shè)計(jì)與施工成套技術(shù)，并取得了國(guó)家發(fā)明專利，實(shí)現(xiàn)了淺埋暗挖技術(shù)領(lǐng)域的新突破。

針對(duì)地鐵換乘車站采用全暗挖法修建的特點(diǎn)和難點(diǎn)，在對(duì)傳統(tǒng)暗挖法進(jìn)行深入分析的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性地提出并應(yīng)用了“一次扣拱法”新技術(shù)。通過系統(tǒng)、深入的研究分析，提出了“一次扣拱法”結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)計(jì)算方法、主要受力構(gòu)件的設(shè)計(jì)技術(shù)要點(diǎn)、結(jié)構(gòu)構(gòu)造及防水技術(shù)措施、不同施工環(huán)節(jié)的地面沉降規(guī)律和施工開挖技術(shù)關(guān)鍵、結(jié)構(gòu)體系形成各主要階段的穩(wěn)定性技術(shù)措施等，形成了淺埋暗挖“一次扣拱法”設(shè)計(jì)與施工成套新技術(shù)。

“一次扣拱法”的技術(shù)核心是在暗挖導(dǎo)洞內(nèi)由下至上依次施作(順作)底拱、邊樁或立柱、頂拱等主要受力構(gòu)件，一次性整體完成框架結(jié)構(gòu)的承載體系，在其支承作用下實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)大面積土體開挖和襯砌作業(yè)，圖2為“一次扣拱法”技術(shù)要點(diǎn)示意。與傳統(tǒng)暗挖CRD法和洞樁(柱)逆作法相比，該技術(shù)凸顯了施工工序簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、施工安全、地表沉降控制顯著、工程質(zhì)量易控、作業(yè)效率高、工程造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)。新技術(shù)除適用于地鐵工程外，同樣適用于修建其他大型的地下建筑物，如地下商場(chǎng)、地下停車場(chǎng)等，應(yīng)用非常廣泛(見圖3)。

3)首次研究并提出了“暗挖交叉節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)體系”設(shè)計(jì)與施工關(guān)鍵技術(shù)，建立的“雙層直墻+單層曲墻”暗挖交叉節(jié)點(diǎn)模式，大大改善了結(jié)構(gòu)受力狀況，降低了工程難度和風(fēng)險(xiǎn)。

黃莊站僅車站主體與主體、主體與附屬通道間的暗挖交叉節(jié)點(diǎn)就多達(dá)30余處，尤其是4號(hào)線與10號(hào)線車站主體為75°斜交結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)與施工技術(shù)難度很大，其結(jié)構(gòu)體系的確定是十字換乘車站實(shí)現(xiàn)全暗挖施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本設(shè)計(jì)首次針對(duì)暗挖交叉節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了深入、系統(tǒng)的研究，結(jié)合車站使用功能，分析直墻與曲墻、單層與雙層等多種形式、不同組合的暗挖交叉節(jié)點(diǎn)的受力特點(diǎn)、地表沉降和群洞效應(yīng)、施工難度和安全風(fēng)險(xiǎn)等，提出了暗挖交叉節(jié)點(diǎn)合理的組合模式，以及暗挖十字正交和十字斜交節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)技術(shù)要點(diǎn)。

通過研究建立的“雙層直墻+單層曲墻”暗挖交叉節(jié)點(diǎn)模式，使原本極其復(fù)雜的空間受力簡(jiǎn)化為雙向平面受力，此結(jié)構(gòu)體系不僅受力簡(jiǎn)單、明確，地面沉降控制可靠，而且暗挖施工難度小、風(fēng)險(xiǎn)低，很大程度上解決了暗挖隧道交叉節(jié)點(diǎn)空間殼體結(jié)構(gòu)所帶來的一系列難題，并形成了設(shè)計(jì)與施工關(guān)鍵技術(shù)。

4)針對(duì)黃莊站大型復(fù)雜的暗挖建筑群，首次通過對(duì)暗挖群洞之間施工轉(zhuǎn)換方式的研究，應(yīng)用了多種新型的暗挖隧道快速進(jìn)洞技術(shù)，替代了傳統(tǒng)的二次襯砌馬頭門體系，可提高施工工效20%以上，縮短了工期。

因工期緊迫，不具備傳統(tǒng)的二襯結(jié)構(gòu)完成后進(jìn)洞施工的條件，需確定新的進(jìn)洞方式以滿足工期要求，尤其對(duì)于開挖面積較大、主要控制工期的風(fēng)道和主體隧道，采用快速進(jìn)洞方式意義重大。通過對(duì)進(jìn)洞轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)形式、受力分析、構(gòu)造措施、施工技術(shù)要點(diǎn)等一系列技術(shù)的研究，提出并應(yīng)用了倒掛井壁豎井進(jìn)洞、暗挖風(fēng)道進(jìn)洞、邊樁支護(hù)基坑進(jìn)洞等技術(shù)，采用新型的加強(qiáng)環(huán)梁或加強(qiáng)框架形成封閉、穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)體系，替代傳統(tǒng)的二襯馬頭門體系，有效承擔(dān)了初期支護(hù)破除后的受力轉(zhuǎn)換，成功實(shí)施了暗挖隧道快速進(jìn)洞，極大地提高了施工工效，縮短了工期。

5)首次研究并應(yīng)用了不良地質(zhì)體綜合處理技術(shù)及126 m長(zhǎng)大管棚一次性打設(shè)技術(shù)，保證了復(fù)雜地層環(huán)境下的大型空間結(jié)構(gòu)的安全建成。

分析了不良地質(zhì)體的形成和誘因，通過數(shù)值模擬，分析不同空洞位置、大小、形狀條件下的圍巖應(yīng)力、應(yīng)變場(chǎng)，初步掌握了空洞對(duì)地表沉降的影響規(guī)律。對(duì)空洞、水囊等不良地質(zhì)體可能引起的安全隱患進(jìn)行評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)，使控制方案和技術(shù)措施更具科學(xué)性。

通過對(duì)超前長(zhǎng)大管棚的作用特性、機(jī)理及施工技術(shù)的深入研究，對(duì)管棚計(jì)算模型進(jìn)行修正，采用了樁單元模擬管棚的新思路，獲得了管棚對(duì)于控制地表沉降的影響規(guī)律，提出了合理的管棚直徑和注漿量的使用參數(shù)。

6)首次將地下管線的保護(hù)列為一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源專項(xiàng)設(shè)計(jì)，建立了地下管線狀態(tài)與地表沉降的對(duì)應(yīng)關(guān)系，科學(xué)制定了沉降控制標(biāo)準(zhǔn)、過程控制措施，確保了道路及地下管線的安全。

根據(jù)地下管線承插式和焊接兩種接頭形式，就管線與隧道垂直、平行、斜交三種情況分別進(jìn)行計(jì)算分析，建立管線變形與地層變形之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而根據(jù)管線變形控制標(biāo)準(zhǔn)制定相應(yīng)的地面沉降控制標(biāo)準(zhǔn);并將控制目標(biāo)分解到施工各個(gè)階段，通過階段控制來實(shí)現(xiàn)整體控制目標(biāo)，同時(shí)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并及時(shí)反饋信息，有針對(duì)性地采取相應(yīng)的技術(shù)措施。

施工過程實(shí)測(cè)的地下管線沉降及差異沉降值均可滿足允許變形值的要求，實(shí)施的變形控制措施達(dá)到了預(yù)期的效果，保證了道路和地下管線的安全使用。

4 工程技術(shù)的先進(jìn)性

黃莊站設(shè)計(jì)理念先進(jìn)，結(jié)構(gòu)安全可靠，工程交付運(yùn)營(yíng)后，無質(zhì)量事故發(fā)生、無投訴意見。在充分滿足車站功能要求和極大方便乘客使用的前提下，結(jié)合結(jié)構(gòu)特性、環(huán)境情況、工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件等工程特點(diǎn)和難點(diǎn)，在地下結(jié)構(gòu)淺埋暗挖技術(shù)方面通過攻關(guān)和創(chuàng)新取得了重大的技術(shù)突破。其技術(shù)先進(jìn)性主要體現(xiàn)在以下幾方面:

1)首次提出并應(yīng)用的新型暗挖建造關(guān)鍵技術(shù)屬國(guó)內(nèi)外首創(chuàng)，達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平，具有突出的創(chuàng)新性。

黃莊站工程復(fù)雜程度高、技術(shù)難度大，為了解決實(shí)際工程中的關(guān)鍵技術(shù)難題，項(xiàng)目組開展了“地鐵換乘車站新型暗挖建造關(guān)鍵技術(shù)”專題研究，形成了設(shè)計(jì)、施工成套技術(shù)，共取得了5大類、幾十項(xiàng)研究成果，并在工程中均得到了成功應(yīng)用，其中“一次扣拱淺埋暗挖法”獲得國(guó)家發(fā)明專利，項(xiàng)目組在不同的核心期刊發(fā)表論文12篇，成果顯著。

本工程在淺埋暗挖技術(shù)、地鐵換乘車站全暗挖同步建造技術(shù)等方面取得了重大突破，自主創(chuàng)新在總體技術(shù)中占據(jù)主導(dǎo)地位，項(xiàng)目研究成果通過了北京市住建委組織的專家鑒定，有3位工程院院士及本行業(yè)知名專家組成的鑒定委員會(huì)認(rèn)為，“此套技術(shù)屬國(guó)內(nèi)外首創(chuàng)，達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平，建議加大該技術(shù)的推廣力度”。

本項(xiàng)目獲2010年度北京市科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)、2011年度全國(guó)優(yōu)秀工程勘察設(shè)計(jì)行業(yè)(市政公用工程)一等獎(jiǎng)、2011年度全國(guó)優(yōu)秀工程勘察設(shè)計(jì)行業(yè)(建筑結(jié)構(gòu))一等獎(jiǎng)、北京市第十五屆優(yōu)秀工程設(shè)計(jì)一等獎(jiǎng)、北京市第十五屆優(yōu)秀工程軌道交通站點(diǎn)設(shè)計(jì)優(yōu)秀獎(jiǎng)、北京市第十五屆優(yōu)秀工程設(shè)計(jì)建筑結(jié)構(gòu)創(chuàng)新專項(xiàng)一等獎(jiǎng)、中國(guó)建筑學(xué)會(huì)第七屆全國(guó)優(yōu)秀建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一等獎(jiǎng)。

2)本工程地下結(jié)構(gòu)淺埋暗挖技術(shù)與國(guó)內(nèi)外同類技術(shù)相比，技術(shù)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)處于先進(jìn)的位置，工程在建設(shè)過程中和建成后均取得了重大的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益。

“一次扣拱法”新技術(shù)與傳統(tǒng)的暗挖法相比，具有明顯的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。地面沉降控制顯著，比CRD法減少50%～65%左右;結(jié)構(gòu)受力轉(zhuǎn)換次數(shù)少，比CRD法減少50%以上，施工安全性高;施工工序簡(jiǎn)捷，比洞樁(柱)逆作法減少關(guān)鍵工序5道以上;結(jié)構(gòu)施工縫數(shù)量少，比CRD和洞樁(柱)逆作法減少40% ～80%，工程質(zhì)量易保證;施工速度快，比CRD和洞樁(柱)逆作法快10% ～30%;可一次性形成地下框架結(jié)構(gòu)承載體系，有效提高了結(jié)構(gòu)的承載性、穩(wěn)定性和安全性;工程造價(jià)比洞樁(柱)逆作法省10%以上，黃莊站采用的新工法，可比洞樁(柱)逆作法省3000萬元以上。

黃莊站全暗挖技術(shù)的采用，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益。與明挖法相比，雖然暗挖法土建工程費(fèi)用偏高，但綜合考慮管線改移、交通疏導(dǎo)等費(fèi)用，黃莊站暗挖法比明挖法綜合投資節(jié)約達(dá)9250萬元，經(jīng)濟(jì)性顯著;確保了3.5年的施工期間道路交通沒有一天被中斷，并節(jié)約交通疏導(dǎo)費(fèi)近870萬;使得繁雜的56根地下管線免除了改遷或臨時(shí)懸吊保護(hù)，不僅保證了施工期間地下管線的正常使用，而且節(jié)約投資近1.44億元;將施工對(duì)環(huán)境噪聲、大氣污染及對(duì)城市景觀的影響降到了最低，為城市環(huán)境保護(hù)作出了貢獻(xiàn);使得周邊的商業(yè)、辦公、醫(yī)療、娛樂等經(jīng)營(yíng)活動(dòng)基本沒有受到影響，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益顯著;總體工期縮短20%以上，確保了奧運(yùn)節(jié)點(diǎn)工程順利通車，意義重大。

3)對(duì)推動(dòng)工程建設(shè)行業(yè)技術(shù)發(fā)展具有重大的影響，同時(shí)對(duì)提高地下結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)水平具有顯著的指導(dǎo)意義。

①我國(guó)大中城市的交通擁堵是當(dāng)今的普遍問題，大力發(fā)展城市軌道交通急不可待，而目前在軌道交通建設(shè)中最突出的問題是施工對(duì)道路交通的影響、地面建筑物拆遷、地下管線改移、環(huán)境保護(hù)、工期等問題。黃莊站的新型暗挖建造關(guān)鍵技術(shù)為城市軌道交通建設(shè)提供了一種經(jīng)濟(jì)、高效、環(huán)保的建設(shè)新模式，并且已經(jīng)在北京、沈陽、長(zhǎng)春、哈爾濱等地鐵工程建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用。

②“一次扣拱法”技術(shù)實(shí)現(xiàn)了淺埋暗挖技術(shù)領(lǐng)域的新突破，該項(xiàng)技術(shù)不僅適用于地鐵建設(shè)，同樣適用于城市修建其他大型的地下商場(chǎng)、地下道路、地下停車場(chǎng)等多層多跨地下建筑物，具有極大的可擴(kuò)展性，應(yīng)用非常廣泛，為城市地下空間的建設(shè)和發(fā)展提供了一種先進(jìn)的新技術(shù)。從北京地鐵西單站的暗挖“雙眼鏡法”到天安門西站的“洞柱法”，再到黃莊站的“一次扣拱法”，這一次又一次的突破，展示了我國(guó)淺埋暗挖技術(shù)領(lǐng)域不斷創(chuàng)新的進(jìn)程，為進(jìn)一步提升我國(guó)在該領(lǐng)域的國(guó)際領(lǐng)先地位作出了重要的貢獻(xiàn)。

③不良地質(zhì)體處理技術(shù)、地下管線變形控制技術(shù)以及長(zhǎng)大管棚施工技術(shù)等在實(shí)際工程中得到了很好的應(yīng)用，使得地下工程建設(shè)中的環(huán)境保護(hù)和風(fēng)險(xiǎn)控制技術(shù)得到了進(jìn)一步的提升和擴(kuò)充，意義深遠(yuǎn)。

④黃莊站由于第一次采用新型全暗挖技術(shù)在復(fù)雜條件下建造規(guī)模巨大的換乘車站，一直備受業(yè)界專家和學(xué)者的關(guān)注，中央和地方的新聞媒體曾10余次跟蹤報(bào)道，提出“從黃莊站建設(shè)，看北京地鐵全面升級(jí)”。黃莊站的建設(shè)是北京乃至國(guó)內(nèi)外地鐵及地下工程界的杰出代表之一，展示了我國(guó)地下工程暗挖技術(shù)的長(zhǎng)足發(fā)展，對(duì)推動(dòng)工程建設(shè)行業(yè)技術(shù)發(fā)展具有重大的影響，同時(shí)對(duì)提高地下結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)水平具有顯著的指導(dǎo)意義。

5 結(jié)語

北京地鐵黃莊站在地下結(jié)構(gòu)工程技術(shù)創(chuàng)新方面取得了一定成績(jī)，提供了一種新的思路和方法，而技術(shù)創(chuàng)新是促進(jìn)城市軌道交通及地下空間利用可持續(xù)發(fā)展的永恒主題，地下工程領(lǐng)域還有許多需要不斷探索的新課題，新技術(shù)的研究和推廣應(yīng)用仍然任重道遠(yuǎn)。

［1］北京城建設(shè)計(jì)研究總院.北京地鐵四號(hào)線、十號(hào)線黃莊站施工圖文件［G］.北京，2005.

［2］北京城建設(shè)計(jì)研究總院，中鐵十四局，北京交通大學(xué).地鐵換乘車站新型暗挖建造關(guān)鍵技術(shù)研究［R］.北京，2009.

［3］黃美群.地鐵十字交叉換乘車站全暗挖同步建造技術(shù)［J］.都市快軌交通.2010，23(3):75-80.

［4］張梅.地鐵車站暗挖逆筑法設(shè)計(jì)施工技術(shù)研究［D］.成都:西南交通大學(xué)，2002.

［5］王夢(mèng)恕.地下工程淺埋暗挖技術(shù)通論［M］.合肥:安徽教育出版社，2004.

［6］彭澤瑞.北京地鐵復(fù)－八線土建工程施工技術(shù)［M］.北京:中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，2003.