北京地鐵黃莊站地下結構工程技術創(chuàng)新

黃美群

(北京城建設計研究總院有限責任公司 北京 100037)

1 工程概況

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

黃莊站兩線車站主體均跨路口設置并呈十字斜交75°(見圖1)，工程總建筑面積為25122 m2。4號線主體為14 m島式站臺車站，車站總長216.7 m，呈南北走向，為地下2層(節(jié)點區(qū)單層)3跨端頭廳形式;10號線主體為2×7.5 m側式站臺車站，車站總長157 m，呈東西走向，為地下2層3跨結構。4號線島式站臺在下、10號線側式站臺在上，4個象限的環(huán)形通道連接4號線站廳與10號線站臺，實現(xiàn)上側下島十字換乘，車站主體覆土厚5～7 m。車站附屬建筑有6個出入口、4條環(huán)形換乘通道、4組風道和風亭、2條消防疏散通道。

圖1 海淀黃莊站建筑總平面

2 工程特點與難點

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，同時建設環(huán)境復雜，安全控制標準高;場地地質缺陷多，對工程影響大;尤其作為奧運節(jié)點工程，工期緊迫，對安全、快速施工要求高，種種因素使得本工程的復雜程度和技術難度在國內外地鐵工程中都是首屈一指的。

本工程的特點和難點:①規(guī)模是標準車站的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420 m2;暗挖交叉節(jié)點多達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;③地層以砂卵石為主，含有地下水，且存在水囊、空洞等不良地質體;④作為奧運配套工程，要求2.5年主體隧道貫通;⑤本工程是國內外第一座采用全暗挖技術建造的十字換乘車站，無成熟的經驗可供借鑒，需要解決的關鍵技術難題多，具有極大的挑戰(zhàn)性。

3 工程設計主要創(chuàng)新點

本工程以大規(guī)模的暗挖隧道及其環(huán)境影響為設計對象，采用理論分析、工程類比及現(xiàn)場監(jiān)測等手段，對結構力學轉換機理、穩(wěn)定性控制及地層變形等進行全面深入的分析，確保了工程建設的安全、快捷、環(huán)保及高質量，其主要創(chuàng)新點有:

1)首次采用全暗挖技術成功實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)下了國內外迄今為止規(guī)模最大、結構體系最復雜、工期最緊迫、環(huán)境又異常復雜的暗挖地鐵車站的新紀錄，為城市軌道交通工程提供了一種經濟、高效、環(huán)保的建設新模式。

2)創(chuàng)新性地提出并成功應用了“一次扣拱法”淺埋暗挖新技術，形成了設計與施工成套技術，并取得了國家發(fā)明專利，實現(xiàn)了淺埋暗挖技術領域的新突破。

針對地鐵換乘車站采用全暗挖法修建的特點和難點，在對傳統(tǒng)暗挖法進行深入分析的基礎上，創(chuàng)新性地提出并應用了“一次扣拱法”新技術。通過系統(tǒng)、深入的研究分析，提出了“一次扣拱法”結構體系的設計計算方法、主要受力構件的設計技術要點、結構構造及防水技術措施、不同施工環(huán)節(jié)的地面沉降規(guī)律和施工開挖技術關鍵、結構體系形成各主要階段的穩(wěn)定性技術措施等，形成了淺埋暗挖“一次扣拱法”設計與施工成套新技術。

“一次扣拱法”的技術核心是在暗挖導洞內由下至上依次施作(順作)底拱、邊樁或立柱、頂拱等主要受力構件，一次性整體完成框架結構的承載體系，在其支承作用下實現(xiàn)隧道內大面積土體開挖和襯砌作業(yè)，圖2為“一次扣拱法”技術要點示意。與傳統(tǒng)暗挖CRD法和洞樁(柱)逆作法相比，該技術凸顯了施工工序簡單、結構穩(wěn)定、施工安全、地表沉降控制顯著、工程質量易控、作業(yè)效率高、工程造價低等優(yōu)點。新技術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、地下停車場等，應用非常廣泛(見圖3)。

3)首次研究并提出了“暗挖交叉節(jié)點結構體系”設計與施工關鍵技術，建立的“雙層直墻+單層曲墻”暗挖交叉節(jié)點模式，大大改善了結構受力狀況，降低了工程難度和風險。

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)點就多達30余處，尤其是4號線與10號線車站主體為75°斜交結構，設計與施工技術難度很大，其結構體系的確定是十字換乘車站實現(xiàn)全暗挖施工的關鍵環(huán)節(jié)。本設計首次針對暗挖交叉節(jié)點進行了深入、系統(tǒng)的研究，結合車站使用功能，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)點的受力特點、地表沉降和群洞效應、施工難度和安全風險等，提出了暗挖交叉節(jié)點合理的組合模式，以及暗挖十字正交和十字斜交節(jié)點的設計技術要點。

通過研究建立的“雙層直墻+單層曲墻”暗挖交叉節(jié)點模式，使原本極其復雜的空間受力簡化為雙向平面受力，此結構體系不僅受力簡單、明確，地面沉降控制可靠，而且暗挖施工難度小、風險低，很大程度上解決了暗挖隧道交叉節(jié)點空間殼體結構所帶來的一系列難題，并形成了設計與施工關鍵技術。

4)針對黃莊站大型復雜的暗挖建筑群，首次通過對暗挖群洞之間施工轉換方式的研究，應用了多種新型的暗挖隧道快速進洞技術，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)的二襯結構完成后進洞施工的條件，需確定新的進洞方式以滿足工期要求，尤其對于開挖面積較大、主要控制工期的風道和主體隧道，采用快速進洞方式意義重大。通過對進洞轉換的結構形式、受力分析、構造措施、施工技術要點等一系列技術的研究，提出并應用了倒掛井壁豎井進洞、暗挖風道進洞、邊樁支護基坑進洞等技術，采用新型的加強環(huán)梁或加強框架形成封閉、穩(wěn)定的結構體系，替代傳統(tǒng)的二襯馬頭門體系，有效承擔了初期支護破除后的受力轉換，成功實施了暗挖隧道快速進洞，極大地提高了施工工效，縮短了工期。

5)首次研究并應用了不良地質體綜合處理技術及126 m長大管棚一次性打設技術，保證了復雜地層環(huán)境下的大型空間結構的安全建成。

分析了不良地質體的形成和誘因，通過數值模擬，分析不同空洞位置、大小、形狀條件下的圍巖應力、應變場，初步掌握了空洞對地表沉降的影響規(guī)律。對空洞、水囊等不良地質體可能引起的安全隱患進行評價和預測，使控制方案和技術措施更具科學性。

通過對超前長大管棚的作用特性、機理及施工技術的深入研究，對管棚計算模型進行修正，采用了樁單元模擬管棚的新思路，獲得了管棚對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。

6)首次將地下管線的保護列為一級風險源專項設計，建立了地下管線狀態(tài)與地表沉降的對應關系，科學制定了沉降控制標準、過程控制措施，確保了道路及地下管線的安全。

根據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行計算分析，建立管線變形與地層變形之間的對應關系，從而根據管線變形控制標準制定相應的地面沉降控制標準;并將控制目標分解到施工各個階段，通過階段控制來實現(xiàn)整體控制目標，同時動態(tài)實時監(jiān)測并及時反饋信息，有針對性地采取相應的技術措施。

施工過程實測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，實施的變形控制措施達到了預期的效果，保證了道路和地下管線的安全使用。

4 工程技術的先進性

黃莊站設計理念先進，結構安全可靠，工程交付運營后，無質量事故發(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，結合結構特性、環(huán)境情況、工程地質和水文地質條件等工程特點和難點，在地下結構淺埋暗挖技術方面通過攻關和創(chuàng)新取得了重大的技術突破。其技術先進性主要體現(xiàn)在以下幾方面:

1)首次提出并應用的新型暗挖建造關鍵技術屬國內外首創(chuàng)，達到了國際領先水平，具有突出的創(chuàng)新性。

黃莊站工程復雜程度高、技術難度大，為了解決實際工程中的關鍵技術難題，項目組開展了“地鐵換乘車站新型暗挖建造關鍵技術”專題研究，形成了設計、施工成套技術，共取得了5大類、幾十項研究成果，并在工程中均得到了成功應用，其中“一次扣拱淺埋暗挖法”獲得國家發(fā)明專利，項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、地鐵換乘車站全暗挖同步建造技術等方面取得了重大突破，自主創(chuàng)新在總體技術中占據主導地位，項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認為，“此套技術屬國內外首創(chuàng)，達到了國際領先水平，建議加大該技術的推廣力度”。

本項目獲2010年度北京市科學技術獎一等獎、2011年度全國優(yōu)秀工程勘察設計行業(yè)(市政公用工程)一等獎、2011年度全國優(yōu)秀工程勘察設計行業(yè)(建筑結構)一等獎、北京市第十五屆優(yōu)秀工程設計一等獎、北京市第十五屆優(yōu)秀工程軌道交通站點設計優(yōu)秀獎、北京市第十五屆優(yōu)秀工程設計建筑結構創(chuàng)新專項一等獎、中國建筑學會第七屆全國優(yōu)秀建筑結構設計一等獎。

2)本工程地下結構淺埋暗挖技術與國內外同類技術相比，技術、經濟指標處于先進的位置，工程在建設過程中和建成后均取得了重大的技術、經濟、社會和環(huán)境效益。

“一次扣拱法”新技術與傳統(tǒng)的暗挖法相比，具有明顯的技術經濟效益。地面沉降控制顯著，比CRD法減少50%～65%左右;結構受力轉換次數少，比CRD法減少50%以上，施工安全性高;施工工序簡捷，比洞樁(柱)逆作法減少關鍵工序5道以上;結構施工縫數量少，比CRD和洞樁(柱)逆作法減少40% ～80%，工程質量易保證;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構承載體系，有效提高了結構的承載性、穩(wěn)定性和安全性;工程造價比洞樁(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。

黃莊站全暗挖技術的采用，取得了顯著的經濟、社會和環(huán)境效益。與明挖法相比，雖然暗挖法土建工程費用偏高，但綜合考慮管線改移、交通疏導等費用，黃莊站暗挖法比明挖法綜合投資節(jié)約達9250萬元，經濟性顯著;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)約交通疏導費近870萬;使得繁雜的56根地下管線免除了改遷或臨時懸吊保護，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;將施工對環(huán)境噪聲、大氣污染及對城市景觀的影響降到了最低，為城市環(huán)境保護作出了貢獻;使得周邊的商業(yè)、辦公、醫(yī)療、娛樂等經營活動基本沒有受到影響，經濟和社會效益顯著;總體工期縮短20%以上，確保了奧運節(jié)點工程順利通車，意義重大。

3)對推動工程建設行業(yè)技術發(fā)展具有重大的影響，同時對提高地下結構的設計水平具有顯著的指導意義。

①我國大中城市的交通擁堵是當今的普遍問題，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中最突出的問題是施工對道路交通的影響、地面建筑物拆遷、地下管線改移、環(huán)境保護、工期等問題。黃莊站的新型暗挖建造關鍵技術為城市軌道交通建設提供了一種經濟、高效、環(huán)保的建設新模式，并且已經在北京、沈陽、長春、哈爾濱等地鐵工程建設中得到了廣泛的應用。

②“一次扣拱法”技術實現(xiàn)了淺埋暗挖技術領域的新突破，該項技術不僅適用于地鐵建設，同樣適用于城市修建其他大型的地下商場、地下道路、地下停車場等多層多跨地下建筑物，具有極大的可擴展性，應用非常廣泛，為城市地下空間的建設和發(fā)展提供了一種先進的新技術。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，展示了我國淺埋暗挖技術領域不斷創(chuàng)新的進程，為進一步提升我國在該領域的國際領先地位作出了重要的貢獻。

③不良地質體處理技術、地下管線變形控制技術以及長大管棚施工技術等在實際工程中得到了很好的應用，使得地下工程建設中的環(huán)境保護和風險控制技術得到了進一步的提升和擴充，意義深遠。

④黃莊站由于第一次采用新型全暗挖技術在復雜條件下建造規(guī)模巨大的換乘車站，一直備受業(yè)界專家和學者的關注，中央和地方的新聞媒體曾10余次跟蹤報道，提出“從黃莊站建設，看北京地鐵全面升級”。黃莊站的建設是北京乃至國內外地鐵及地下工程界的杰出代表之一，展示了我國地下工程暗挖技術的長足發(fā)展，對推動工程建設行業(yè)技術發(fā)展具有重大的影響，同時對提高地下結構的設計水平具有顯著的指導意義。

5 結語

北京地鐵黃莊站在地下結構工程技術創(chuàng)新方面取得了一定成績，提供了一種新的思路和方法，而技術創(chuàng)新是促進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，地下工程領域還有許多需要不斷探索的新課題，新技術的研究和推廣應用仍然任重道遠。

［1］北京城建設計研究總院.北京地鐵四號線、十號線黃莊站施工圖文件［G］.北京，2005.

［2］北京城建設計研究總院，中鐵十四局，北京交通大學.地鐵換乘車站新型暗挖建造關鍵技術研究［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［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計施工技術研究［D］.成都:西南交通大學，2002.

［5］王夢恕.地下工程淺埋暗挖技術通論［M］.合肥:安徽教育出版社，2004.

［6］彭澤瑞.北京地鐵復－八線土建工程施工技術［M］.北京:中國科學技術出版社，2003.