上海軟弱地層采用盾構(gòu)法及頂管法建造地鐵車站的可行性方案研究

陳衛(wèi)軍

(中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 200070， 上海∥高級(jí)工程師)

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(yīng)性廣等優(yōu)點(diǎn)，但易受市政設(shè)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(shí)，明挖法施工方案并不可行。或明挖法雖可行，但對(duì)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(hù)等措施后，明挖法的造價(jià)不經(jīng)濟(jì)。地鐵建設(shè)已進(jìn)入智能化發(fā)展新時(shí)代[2]，城市經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的高質(zhì)量發(fā)展迫切要求對(duì)車站的暗挖法施工進(jìn)行深入研究。

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

在對(duì)國內(nèi)外暗挖法修建地鐵車站進(jìn)行案例研究的基礎(chǔ)上，本文分析、歸納了采用盾構(gòu)法及頂管法建造地鐵車站幾種技術(shù)路線，提出了幾種適用于軟弱地層的大斷面盾構(gòu)或頂管等機(jī)械暗挖法的新方案，并對(duì)其研究現(xiàn)狀、適應(yīng)性條件、爭(zhēng)論焦點(diǎn)與發(fā)展前景等進(jìn)行評(píng)析。

1 采用盾構(gòu)法及頂管法建造地鐵車站的技術(shù)現(xiàn)狀分析

盾構(gòu)法及頂管法均是適用于各種地質(zhì)環(huán)境下暗挖施工的全機(jī)械化施工方法，均在鋼護(hù)殼保護(hù)下進(jìn)行開挖、推進(jìn)、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(nèi)的坍塌。將智能感知技術(shù)與精細(xì)化監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用于盾構(gòu)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(fēng)道及地面風(fēng)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(jìn)出站及上下車的站廳層與站臺(tái)層、設(shè)備用房、管理用房等。采用盾構(gòu)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(gòu)機(jī)或頂管機(jī)的始發(fā)井或接收井；然后用盾構(gòu)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(jìn)出站通道、設(shè)備用房與管理用房連通。為降低工程的技術(shù)難度與總造價(jià)，車站的設(shè)備用房與管理用房多布置在明挖區(qū)或外掛建筑物內(nèi)。

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

在國外，采用盾構(gòu)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(gòu)法與橫向連通道法相結(jié)合。采用2個(gè)或多個(gè)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(hào)線木場(chǎng)鎮(zhèn)站。

2) 盾構(gòu)法與半盾構(gòu)法相結(jié)合。采用2臺(tái)單圓盾構(gòu)先平行掘進(jìn)貫通軌行區(qū)隧道，然后在1臺(tái)半盾構(gòu)掩蓋下掘進(jìn)中間站廳部分。其案例如莫斯科的巴維列茨克站。

3) 盾構(gòu)法與托梁法相結(jié)合。首先采用盾構(gòu)平行掘進(jìn)貫通軌行區(qū)隧道；然后在隧道內(nèi)修建立柱，再從兩側(cè)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(jìn)行土體開挖，對(duì)車站結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工。其案例如東京地鐵9號(hào)線新御茶水站。

4) 盾構(gòu)法與礦山工法相結(jié)合。采用盾構(gòu)先行掘進(jìn)貫通軌行區(qū)隧道，然后采用礦山法擴(kuò)挖2個(gè)軌行區(qū)隧道之間的部分。

5) 采用兩連體或三連體盾構(gòu)機(jī)直接建造地鐵車站，其案例如東京地鐵的12號(hào)線飯?zhí)飿蛘竞?號(hào)線白金臺(tái)地鐵站等。

6) 采用大直徑單圓盾構(gòu)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(gòu)隧道(10.9 m內(nèi)凈空)內(nèi)。

在國內(nèi)，北京地鐵14號(hào)線高家園站將傳統(tǒng)PBA(洞樁)法的中部導(dǎo)洞調(diào)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(gòu)掘進(jìn)中部軌行區(qū)單洞雙線隧道,并進(jìn)行兩側(cè)礦山法導(dǎo)洞施工；然后在盾構(gòu)隧道內(nèi)施作底梁、矩形柱、頂梁，并架設(shè)臨時(shí)支撐，仿照PBA法兩側(cè)對(duì)稱擴(kuò)挖形成地下2層側(cè)式標(biāo)準(zhǔn)站；最后在站臺(tái)兩側(cè)明挖修建車站的站廳及設(shè)備用房，通過連通道連接站臺(tái)和外掛結(jié)構(gòu)。上海軌道交通靜安寺站是軌道交通2號(hào)、7號(hào)、14號(hào)線交匯形成的“門”字形換乘站，其14號(hào)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(jié)構(gòu)需下穿延安路高架橋，因此14號(hào)線靜安寺站的建筑設(shè)計(jì)采用端進(jìn)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(gòu)法與站臺(tái)層連通。

2 軟弱地層采用盾構(gòu)法或頂管法建造地鐵車站的適應(yīng)性分析

國內(nèi)外采用盾構(gòu)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(gòu)法施工，但考慮到地鐵車站橫斷面面積約為單線盾構(gòu)區(qū)間隧道橫斷面面積的10倍，業(yè)界對(duì)采用大直徑盾構(gòu)建造地鐵車站仍存在顧慮：① 與明挖法相比，盾構(gòu)法機(jī)械設(shè)備造價(jià)昂貴，經(jīng)濟(jì)性較差；② 受大直徑盾構(gòu)機(jī)及修建技術(shù)制約，盾構(gòu)隧道與橫向連通道法相結(jié)合的施工僅適用于客流量較小的車站，車站的建設(shè)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(jìn)式車站站型，盾構(gòu)法建造段長度一般控制在90 m以內(nèi)；④ 在富水軟弱地層中，連通道施工被認(rèn)為是地鐵建設(shè)的高風(fēng)險(xiǎn)事件；⑤ 盾構(gòu)法隧道是裝配式結(jié)構(gòu)，主體受力結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)處于劣勢(shì)。

1994年，日本東京灣隧道首次采用直徑為14.14 m的盾構(gòu)進(jìn)行施工。2004年，上海的上中路隧道引進(jìn)了14.87 m的盾構(gòu)機(jī)。截至目前，國內(nèi)的盾構(gòu)隧道項(xiàng)目中，盾構(gòu)直徑在14 m及其以上的項(xiàng)目有近40項(xiàng)。大直徑盾構(gòu)被廣泛應(yīng)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(shè)中，大直徑盾構(gòu)的設(shè)計(jì)與施工已積累了豐富經(jīng)驗(yàn)。

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(zhì)多變等復(fù)雜建設(shè)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(shù)突破，為盾構(gòu)法建造地鐵車站提供了技術(shù)可行的替代解決方案。

隧道工程的建設(shè)推動(dòng)了新技術(shù)、新工藝、新材料、新設(shè)備的引進(jìn)、開發(fā)和應(yīng)用。隧道掘進(jìn)裝備的國產(chǎn)化率已超過90%，使盾構(gòu)法施工的工程造價(jià)大幅降低。

在軟弱地層中聯(lián)絡(luò)通道施工普遍采用凍結(jié)法，眾多工程實(shí)踐表明其施工風(fēng)險(xiǎn)是可控的。寧波地鐵公司在采用頂管法實(shí)施連通道方面做了深入的研究與實(shí)踐，在頂管鋼殼保護(hù)下進(jìn)行聯(lián)絡(luò)通道施工的風(fēng)險(xiǎn)已顯著降低。

盾構(gòu)法與托梁法、礦山法應(yīng)用于上海軟土地層時(shí)，需采取地層預(yù)加固和降水措施，其工程經(jīng)濟(jì)性較差，可考慮在小規(guī)模項(xiàng)目或局部節(jié)點(diǎn)處選用。另外，盾構(gòu)法與半盾構(gòu)組合法建造的車站橫斷面與三連體盾構(gòu)機(jī)全斷面掘進(jìn)法形成的車站橫斷面較相似，而三連體盾構(gòu)機(jī)在軟弱地層中掘進(jìn)優(yōu)勢(shì)更為明顯。對(duì)于異形盾構(gòu)機(jī)或多連體盾構(gòu)機(jī)全斷面掘進(jìn)建造地鐵車站，其關(guān)鍵技術(shù)在于盾構(gòu)機(jī)的研發(fā)與制造，本文暫不做深入評(píng)析。

經(jīng)綜合分析，在上海的軟弱地層中采用盾構(gòu)法或頂管法等機(jī)械化施工方法建造地鐵車站，其可行的技術(shù)路線推薦如下：① 11～16 m大直徑盾構(gòu)全斷面掘進(jìn)法；② 8～10 m中等直徑盾構(gòu)法與其它方法施工聯(lián)絡(luò)通道相結(jié)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(zhuǎn)換法。

3 軟弱地層中采用盾構(gòu)法或頂管法建造地鐵車站的方案評(píng)析

為便于方案闡述，盾構(gòu)隧道橫斷面設(shè)計(jì)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(shí)側(cè)式站臺(tái)的最小寬度為2.5 m；出入口側(cè)接的側(cè)式站臺(tái)寬度按3.5 m考慮；島式站臺(tái)寬度不小于8.0 m。

3.1 11～16 m大直徑盾構(gòu)全斷面掘進(jìn)法

將上、下行線路平行布置在單圓盾構(gòu)隧道內(nèi)，當(dāng)采用島式站臺(tái)時(shí)，地鐵車站的平面及豎向布置可參考地下2層標(biāo)準(zhǔn)島式車站，即設(shè)計(jì)為單洞雙層，上層為站廳層，下層為站臺(tái)層，如圖1 a)所示，此時(shí)隧道內(nèi)凈空尺寸D1不宜小于15.4 m；當(dāng)采用側(cè)式站臺(tái)時(shí)，為減少工程規(guī)模，宜優(yōu)先考慮出入口通道側(cè)接方案。地鐵車站的平面及豎向布置可參考地下1層側(cè)式車站，如圖1 b)所示，此時(shí)隧道內(nèi)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(shè)計(jì)，將上、下行線路分別布置在2個(gè)獨(dú)立的大直徑圓形盾構(gòu)隧道內(nèi)，隧道間通過橫向連絡(luò)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(tái)層，通過樓扶梯連接站臺(tái)、站廳層，如圖2所示，此時(shí)的隧道內(nèi)凈空尺寸D3為10～12 m。

圖2 采用大直徑盾構(gòu)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(gòu)與橫通道結(jié)合法

廣州地鐵2號(hào)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(shè)計(jì)采用3個(gè)平行礦山法洞室方案，兩側(cè)為外徑不小于8 m的側(cè)式站臺(tái)洞室，中間為人行通道，通過設(shè)計(jì)橫向聯(lián)絡(luò)通道將3個(gè)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(hào)線敦化路站基巖埋深淺，地面道路交通繁忙。建設(shè)時(shí)將主要設(shè)備外掛至地塊明挖區(qū)域，分別在車站兩端設(shè)豎井及橫通道，在橫通道內(nèi)用礦山法暗挖建設(shè)上、下行軌行區(qū)隧道，然后用橫通道連通站臺(tái)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(nèi)采用盾構(gòu)與橫通道結(jié)合法建造地鐵車站，如圖3所示。

a) 2個(gè)平行洞室

b) 3個(gè)平行洞室

3.3 矩形頂管水平并列、豎向疊落施工法

經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化研究，將傳統(tǒng)地下2層標(biāo)準(zhǔn)車站劃分為多個(gè)獨(dú)立矩形框架，各框架結(jié)構(gòu)間為水平或豎向疊落。通過頂管法依次分步密貼頂進(jìn)框架結(jié)構(gòu)，在明挖工作井位置或通過聯(lián)絡(luò)通道連通各框架洞室，最終實(shí)現(xiàn)地鐵2層標(biāo)準(zhǔn)車站功能，如圖4所示。

圖4 采用矩形頂管分步頂進(jìn)施工的地鐵

3.4 大斷面分割矩形頂管轉(zhuǎn)換法

國內(nèi)某地下1層停車庫試驗(yàn)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(shè)計(jì)停車位約為100個(gè)，并設(shè)1個(gè)車行出入口、2個(gè)人行出入口、3個(gè)自然采光井和1個(gè)機(jī)械排煙井。該工程采用頂管法和裝配式結(jié)構(gòu)相結(jié)合的施工方法，在兩端工作井內(nèi)依次水平密貼頂進(jìn)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(nèi)修建結(jié)構(gòu)梁柱；最后拆除中部臨時(shí)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(dāng)車站埋深較深或車站上部有結(jié)構(gòu)物不可拆遷時(shí)，可考慮在兩端設(shè)計(jì)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(gè)小斷面，分步依次頂進(jìn)小斷面頂管；然后在臨時(shí)頂管結(jié)構(gòu)內(nèi)修建地鐵車站梁柱，依序拆除中部臨時(shí)鋼管片；最后再施筑車站二次結(jié)構(gòu)。該施工方法主要實(shí)施步驟如下：

第1步：如圖5 a)所示，用矩形頂管機(jī)依序頂進(jìn)n個(gè)臨時(shí)導(dǎo)洞，臨時(shí)導(dǎo)洞襯砌采用鋼管片。

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

第3步：如圖5 c)所示，拆除中間部分臨時(shí)鋼管片隔墻，最后澆筑施工站臺(tái)板等二次結(jié)構(gòu)。

c) 站臺(tái)板等二次結(jié)構(gòu)施工

4 結(jié)語

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