城市軌道交通地下車站暗挖工法綜述

劉洪波

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城市軌道交通地下車站暗挖工法綜述

劉洪波

（上海申通地鐵集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，201103，上海∥高級工程師）

暗挖法修建地鐵車站具有不影響城市交通，以及管線搬遷少、建筑拆遷量小、環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，具有良好的應(yīng)用前景。介紹了國內(nèi)外修建地鐵車站采用的各類暗挖工法，并進(jìn)行了綜合比較，提出了選擇暗挖工法應(yīng)考慮的因素。應(yīng)根據(jù)工程地質(zhì)條件、既有施工設(shè)備、車站自身特點(diǎn)及周邊環(huán)境等因素來選擇具體的暗挖工法。

城市軌道交通；地下車站；淺埋暗挖法；新管幕法；盾構(gòu)法

Author's address Technical Center of Shanghai Shentong Metro Group Co.，Ltd.，201103，Shanghai，China

在城市軌道交通建設(shè)中，地鐵車站施工方法的選擇至關(guān)重要，它直接影響到車站的土建投資、建設(shè)工期及周邊環(huán)境等。經(jīng)過幾十年的探索和實(shí)踐，我國各城市都形成了比較成熟的地鐵車站施工方法，如明挖順作法、明挖逆作法、蓋挖法等。但這些施工方法往往需要占用地面道路，對車站上方的管線需進(jìn)行臨時或永久搬遷，建筑、綠化拆遷量大，施工期間機(jī)械施工噪聲對城市生活干擾大，容易引發(fā)建設(shè)與環(huán)境、交通、社會的矛盾。特別是在城市主干道，這些矛盾會更加突出。

隨著國內(nèi)各城市軌道交通線網(wǎng)的不斷加密及網(wǎng)絡(luò)化建設(shè)的不斷推進(jìn)，車站埋置深度越來越深，采用明挖法施工可能并不經(jīng)濟(jì)；或車站所處站位不允許車站采用明挖法施工；或明控法施工因車站上方有重要管線或建筑物需搬遷而帶來較大的工程前期費(fèi)用；或隨著人們環(huán)境意識的增強(qiáng)，不適宜在繁華市區(qū)或居民區(qū)附近進(jìn)行大開挖施工，這時暗挖法會顯示出其獨(dú)特的優(yōu)勢。暗挖法無需占用地面道路或拆遷地面建筑物，不需要搬遷管線，不影響地面交通，施工噪聲小，在軌道交通網(wǎng)絡(luò)化建設(shè)中具有廣泛的應(yīng)用前景。

1　國內(nèi)外各種車站暗挖工法介紹

經(jīng)調(diào)研，國內(nèi)外許多城市軌道交通地下車站采用了暗挖法進(jìn)行修建。主要的暗挖法有淺埋暗挖法、新管幕法和盾構(gòu)法。國內(nèi)地下車站采用最多的是淺埋暗挖法，新管幕法僅有一個應(yīng)用案例。國外如日本、前蘇聯(lián)、韓國、意大利等國家的地下車站較多地采用了盾構(gòu)法和新管幕法施工。

1.1淺埋暗挖法

淺埋暗挖法是利用圍巖的自穩(wěn)能力或在超前支護(hù)（如超前小導(dǎo)管或管棚等）保護(hù)下施工初期支護(hù)、柔性防水層及二襯結(jié)構(gòu)的施工方法。淺埋暗挖法已在北京、廣州、深圳、南京等城市的地鐵車站修建中得到了廣泛應(yīng)用，如北京地鐵5號線東單站為不影響繁忙的地面交通而采用了淺埋暗挖法施工，如圖1、圖2所示。淺埋暗挖法還在廣州地鐵越秀公園站、南京地鐵南京火車站站，以及北京地鐵復(fù)興門站、王府井站、西單站、東單站、磁器口站等得以應(yīng)用。因淺埋暗挖法施工工藝比較成熟，因此本文不作詳細(xì)介紹。

1.2新管幕法

新管幕法全稱為New&Tubu-lar-Roof-Method，簡稱NTR工法［1］，是在管幕法的基礎(chǔ)上演變而來的。該工法在意大利、韓國得到廣泛應(yīng)用，如韓國首爾市中心的地鐵9號線913快速換乘站采用了NTR工法施工。NTR工法在國內(nèi)的首次應(yīng)用案例是沈陽地鐵2號線新樂遺址站。該站的橫斷面示意圖如圖3所示［2］。

圖1　北京地鐵5號線東單站縱斷面圖

圖2　北京地鐵5號線東單站橫斷面圖

圖3　沈陽地鐵2號線新樂遺址站橫斷面示意圖

NTR工法的施工程序?yàn)椋阂詳M建結(jié)構(gòu)的橫斷面為施工工作面，沿著結(jié)構(gòu)的軸線方向頂入鋼管，鋼管沿著結(jié)構(gòu)橫斷面的輪廓線布設(shè)并進(jìn)行密排，在頂管的過程中，管內(nèi)的土隨鋼管頂進(jìn)逐步挖出，人可在管內(nèi)操作；所有鋼管頂進(jìn)去形成管排后，將相鄰鋼管的鄰接部位切開，切口的高度大于設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)厚度；同時用鋼板將相鄰鋼管的切口橫向焊接并在連接鋼板之間加支撐，使相鄰鋼管連接并形成一個完整的廊道；在廊道內(nèi)進(jìn)行結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土施工；在已形成的結(jié)構(gòu)內(nèi)進(jìn)行土方開挖及結(jié)構(gòu)施工。其施工關(guān)鍵技術(shù)包括超前管棚施工、地下水的防治處理、二次襯砌的澆筑等。

1.2.1超前管棚施工

由于NTR工法施工的管棚均為大直徑管棚，且管棚在后期又是永久結(jié)構(gòu)的一部分，因此施工工藝較為復(fù)雜。管棚施工步驟如下：

（1）將管棚先導(dǎo)管頂入土體，先導(dǎo)管的外徑略大于管棚外徑，內(nèi)徑等同于正常管棚外徑（先導(dǎo)管相當(dāng)于盾構(gòu)的外殼）；

（2）管棚先導(dǎo)管正常頂入土體后，在先導(dǎo)管內(nèi)部推入直徑小于正常管棚管徑的鋼管，在先導(dǎo)管的支護(hù)下將小管徑鋼管側(cè)面切開，從小管內(nèi)徑向設(shè)置千斤頂將小管直徑擴(kuò)大到正常管直徑，然后加鋼板焊接。施工步驟如圖4所示。

圖4　管棚施工步驟示意圖

（3）在先導(dǎo)管與后續(xù)就位鋼管之間設(shè)置頂進(jìn)設(shè)備，為確保管棚開挖面前方土體穩(wěn)定，阻止地下水的滲入，在掌子面前方采用超前注漿止水，如圖5所示。

圖5　工作面超前注漿加固止水示意圖

1.2.2地下水的防治處理

NTR工法的特點(diǎn)是施工期間不必采用人工降水。因?yàn)镹TR工法在施工各個階段均采用了止水措施：豎井施工期間的降水采用止水帷幕；打設(shè)管棚期間在管棚掌子面前方超前注漿止水，并在各個鋼管之間外側(cè)注漿止水，如圖6所示。管棚之間注漿止水是為方便結(jié)構(gòu)施工前各個管棚連接期間過渡，一旦各個管棚采用防水鋼板連接后，整個鋼板即形成一個封閉的防水空間，澆筑結(jié)構(gòu)及內(nèi)部土方開挖均可在無水條件下實(shí)施。NTR工法的永久結(jié)構(gòu)防水是外鋼板全包防水加混凝土結(jié)構(gòu)自防水的防水體系。

圖6　鋼管外側(cè)注漿止水示意圖

1.2.3二次襯砌的澆筑

國內(nèi)淺埋暗挖工程均在超前支護(hù)下方設(shè)置初期支護(hù)，在初期支護(hù)內(nèi)開挖土體并澆筑二次襯砌。NTR工法是直接在管棚內(nèi)綁扎鋼筋并澆筑混凝土。各個鋼管聯(lián)通并綁扎鋼筋后，在每根鋼管內(nèi)分別埋設(shè)混凝土澆筑管、空氣排出管、補(bǔ)償注漿管；混凝土由下而上澆筑，縱向澆筑長度根據(jù)具體情況確定；澆筑過程中隨澆筑隨拔出混凝土澆筑管［3］。具體如圖7所示。

1.3盾構(gòu)法

可直接利用大直徑單圓盾構(gòu)機(jī)或連體盾構(gòu)機(jī)（如三圓盾構(gòu)、四圓盾構(gòu)）修建地鐵車站，車站斷面可

一次成型；也可采用單圓盾構(gòu)與其他工法如礦山法、半盾構(gòu)法等配合修建，即在單圓盾構(gòu)修建隧道的基礎(chǔ)上擴(kuò)挖形成地鐵車站。據(jù)調(diào)查，國外采用盾構(gòu)法修建地鐵車站的主要方法有以下幾種。

1.3.1單圓盾構(gòu)與礦山法結(jié)合修建地鐵車站

單圓盾構(gòu)與礦山法結(jié)合修建地鐵車站的結(jié)構(gòu)斷面相對比較靈活，具體根據(jù)客流情況確定。礦山法修建地鐵車站時，會配合使用各類輔助工法，如超前管棚、超前小導(dǎo)管、冰凍法等。

對于客流較大的車站，可利用礦山法修建島式車站中間集散廳。即車站兩旁側(cè)隧道采用盾構(gòu)法施工，與區(qū)間隧道斷面相同，列車停在圓形的“區(qū)間隧道”里；車站集散廳采用礦山法施工，站臺全部置于中央集散廳內(nèi)，在行車隧道和集散廳之間用連續(xù)開洞的隔墻代替原有的梁柱體系，在墻上對應(yīng)車廂的部位設(shè)屏蔽門。這種方法在前蘇聯(lián)較為常見。圖8為采用此工法施工的圣彼得堡地鐵三拱墻柱式車站標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖。

對于客流較大的車站，也可采用由三個并列的圓形隧道組成三拱塔柱式車站。這種型式的車站在前蘇聯(lián)的地鐵中也較多。圖9為采用該方法施工的基輔地鐵三拱塔柱式車站標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖，兩側(cè)的圓形隧道作為行車隧道并在其內(nèi)設(shè)置站臺，中間隧道作為集散廳，用橫向通道將三個隧道連成一個整體。

對于客流量較小的車站，可由橫向通道將兩個并列的圓形隧道連成假島式站臺車站。即在橫向通道處可視為島式站臺車站。每個隧道內(nèi)都設(shè)有一組軌道和一個站臺，乘客從車站兩端或車站中部夾在兩圓形隧道之間的豎井（或自動扶梯隧道）進(jìn)入車站橫通道，再進(jìn)入站臺乘車。圖10為采用這種方法修建的倫敦地鐵車站標(biāo)準(zhǔn)橫斷面。

圖7　管棚內(nèi)混凝土澆筑示意圖

圖8　圣彼得堡地鐵三拱墻柱式車站標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖

圖9　基輔地鐵三拱塔柱式車站標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖

圖10　倫敦地鐵暗挖法車站標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖

上述車站采用的盾構(gòu)隧道斷面通常與區(qū)間隧道斷面一致，但也可與區(qū)間隧道斷面不一致，如日本成功運(yùn)用子母式盾構(gòu)修建了雜司谷地鐵車站和西早稻田地鐵車站，如圖11所示。在雜司谷車站及西早稻田車站范圍內(nèi)采用了Φ8.17 m的母盾構(gòu)進(jìn)行掘進(jìn)施工，車站掘進(jìn)完成后，從母盾構(gòu)中推出Φ6.77 m子盾構(gòu)繼續(xù)掘進(jìn)單線區(qū)間隧道。母子式盾構(gòu)如圖12所示。

圖11　雜司谷/西早稻田地鐵車站橫斷面圖

圖12　母子式盾構(gòu)機(jī)

1.3.2單圓盾構(gòu)與半盾構(gòu)結(jié)合修建地鐵車站

先用2臺盾構(gòu)平行開挖兩旁側(cè)隧道，然后在1臺半盾構(gòu)的掩護(hù)之下掘進(jìn)車站中間站廳部分，乘客從車站兩端的斜隧道或豎井進(jìn)入站臺。圖13為前蘇聯(lián)采用這種方法修建的巴維列茨克地鐵車站標(biāo)準(zhǔn)斷面。

圖13　維列茨克地鐵半盾構(gòu)法車站標(biāo)準(zhǔn)斷面圖

1.3.3三圓盾構(gòu)修建地鐵車站

20世紀(jì)80年代以后，以日本為代表，為滿足在城市繁華地區(qū)及一些特殊工程的施工需要，大量的新型盾構(gòu)施工技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。這些新技術(shù)主要反映在施工斷面上從常規(guī)的單圓形向2圓形、3圓形、4圓形、方形、矩形及復(fù)合斷面發(fā)展。

日本于1994—1998年第一次成功應(yīng)用三圓泥水盾構(gòu)技術(shù)修建了東京地鐵7號線白金臺車站，如圖14所示。之后12號線飯?zhí)飿蛘疽膊捎昧巳龍A盾構(gòu)施工。三圓盾構(gòu)有中央大直徑圓和兩側(cè)小直徑圓、三個等直徑圓兩種形式，如圖15所示。

1.3.4四圓盾構(gòu)修建地鐵車站

該方法適用于車站寬度受到限制且客流量較小的車站。四圓盾構(gòu)暗挖法在東京地鐵12號線六本木站有過成功的經(jīng)驗(yàn)。六本木站站位上方有兩根電

圖15　三圓盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的兩種形式

力隧道，受此影響，車站埋深很深，且不能采用大開挖的形式施工。為盡量減小對周邊環(huán)境影響，該站選用四圓泥水盾構(gòu)方案暗挖車站，詳見圖16。該盾構(gòu)有兩個主刀盤，兩個輔助刀盤。盾構(gòu)高7.06 m，寬13.18 m，兩端主刀盤直徑為6 560 mm，上下小刀盤直徑為1 720 mm，如圖17所示。

圖16　六本木車站橫剖面效果圖

圖17　四圓盾構(gòu)

1.3.5大直徑單圓隧道直接作為車站主體

此法目前僅見于巴塞羅那地鐵車站。該類型車站和區(qū)間隧道一起用Φ12.06 m大直徑盾構(gòu)施工，車行區(qū)上下雙層設(shè)置，在車站范圍隧道內(nèi)設(shè)置側(cè)式站臺，乘客從隧道旁的豎井進(jìn)車站，上下運(yùn)輸利用垂直電梯，如圖18所示［4］。

圖18　巴塞羅那地鐵車站橫剖面圖

2　各種暗挖工法的綜合比較

通過分析上述三種暗挖工法的特點(diǎn)，從工程地質(zhì)的適應(yīng)性、車站斷面尺寸、地面沉降影響、工程造價(jià)、主要優(yōu)缺點(diǎn)等方面對三種暗挖工法進(jìn)行了比較，如表1所示。

3　選擇暗挖法需考慮的因素

地鐵車站暗挖工法的選擇，必須綜合考慮車站所處工程地質(zhì)條件、施工現(xiàn)有設(shè)備、車站自身特點(diǎn)及車站周邊環(huán)境等情況。

（1）工程地質(zhì)條件。工程地質(zhì)條件對于車站暗挖工法的選擇至關(guān)重要。根據(jù)多年的地鐵施工經(jīng)驗(yàn)，對于含水量較高的軟弱土層，選擇淺埋暗挖法需慎重；對于相對較好的土層，淺埋暗挖法因斷面尺寸選擇靈活、工程造價(jià)低等特點(diǎn)有獨(dú)特的優(yōu)勢；盾構(gòu)法對地層的適應(yīng)性較強(qiáng)，但若配合其他工法，則必須考慮其他暗挖工法的地層適應(yīng)性。

表1　三種暗挖工法的綜合比較

（2）施工現(xiàn)有設(shè)備。車站暗挖工法的選擇也應(yīng)考慮現(xiàn)有設(shè)備情況，特別是選用盾構(gòu)法施工，若購買新設(shè)備將帶來巨大的前期投入，后期也應(yīng)有相應(yīng)的工程跟上，否則將帶來巨大的資源浪費(fèi)和長期的維護(hù)費(fèi)用；若利用既有盾構(gòu)設(shè)備，則應(yīng)考慮設(shè)備尺寸能否滿足車站使用功能需求。

（3）車站自身特點(diǎn)及功能需求。車站自身的客流情況對暗挖工法的選擇有所影響，對于客流量較大的車站，應(yīng)考慮設(shè)置乘客集散廳，因此對車站的站臺寬度及車站的斷面尺寸要求較高，這種情況下要評估利用既有盾構(gòu)設(shè)備能否適應(yīng)車站功能需要。車站的埋置深度也對車站暗挖工法的選擇有所影響，車站的埋置深度越深，施工對地表的影響越小，暗挖工法選擇所受的限制也越小。

（4）車站周邊環(huán)境。車站周邊環(huán)境情況如車站上方有無大的管線、車站周邊有無重要建筑物需要保護(hù)、車站距周邊建（構(gòu)）筑物的距離遠(yuǎn)近等決定了車站暗挖工法的選擇。對于相同的土層，盾構(gòu)法施工對地面的影響較小，地層損失率較低，對周邊環(huán)境影響小。4結(jié) 語

隨著軌道交通建設(shè)的不斷發(fā)展和人們環(huán)保意識的不斷增強(qiáng)，會有越來越多的車站不適宜采用明挖法施工，如開挖深度較深的車站、車站上方有重要管線或建筑物需搬遷但費(fèi)用很高的車站、上方道路交通不允許中斷的車站、地處環(huán)保要求較高的繁華市區(qū)或居民區(qū)的車站等。暗挖法因具有不影響城市交通、管線搬遷和建筑拆遷量小、對環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，將具有良好的應(yīng)用前景，但具體選擇哪一種暗挖工法，應(yīng)根據(jù)工程所處的地質(zhì)條件、既有設(shè)備情況、車站自身特點(diǎn)及周邊環(huán)境等因素來綜合確定。

［1］ 邢凱，陳濤，黃常波.新管幕工法概述［J］.城市軌道交通研究，2009（8）：63.

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［3］ 譚富圣.NTR工法在地鐵暗挖車站工程中的應(yīng)用［J］.市政技術(shù)，2009（3）：280.

［4］ 上海申通地鐵集團(tuán)有限公司技術(shù)中心.華山路站暗挖法設(shè)計(jì)施工技術(shù)專題［R］.上海：上海申通地鐵集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，2004.

［5］ 韋青岑，張俊儒，何基香.廣州地鐵5號線文沖站局部明挖改暗挖方案設(shè)計(jì)［J］.城市軌道交通研究，2013（5）：55.

Summary of Tunneling Method for Urban Rail Transit Station

Liu Hongbo

In the constructing of subway station，because of the advantages like smaller impact on urban traffic，lighter amount of pipeline removal and building demolition，minimum environment influence，etc.，tunneling method has a good application prospect.In this paper，various buried-tunneling methods adopted in the construction of subwaystations around the world are introduced and comprehensively compared，deliberative factors for adopting the buried-tunneling method are proposed，which put full consideration of engineering geologic conditions，the existing equipment，the surrounding conditions of a station and the neighboring environment.

urban rail transit；underground station；shallow buried tunneling method；new tubular roof method；shield tunneling method

U 231+.4；TU 94+1

10.16037/j.1007-869x.2015.07.023

2013-09-13）