北京地铁黄庄站地下结构工程技术创新

2012-06-24黄美群

都市快轨交通 2012年5期

黄美群

(北京城建设计研究总院有限责任公司北京 100037)

1 工程概况

北京地铁海淀黄庄站是地铁4号线与10号线的换乘车站，位于海淀区中关村大街与知春路相交的十字路口正下方，是北京地铁线网中环线与南北线重要的大型交通枢纽，也是奥运工程中轨道交通的重点建设项目之一，项目建设的目的在于最大限度上满足中关村商业圈乘客的出行需求，以及地铁4号线与10号线乘客的换乘需求，可满足高峰每小时约1.8万乘客正常的上下车，对改善中关村地区的交通环境及提升该地区的业态价值意义深远。

黄庄站两线车站主体均跨路口设置并呈十字斜交75°(见图1)，工程总建筑面积为25122 m2。4号线主体为14 m岛式站台车站，车站总长216.7 m，呈南北走向，为地下2层(节点区单层)3跨端头厅形式;10号线主体为2×7.5 m侧式站台车站，车站总长157 m，呈东西走向，为地下2层3跨结构。4号线岛式站台在下、10号线侧式站台在上，4个象限的环形通道连接4号线站厅与10号线站台，实现上侧下岛十字换乘，车站主体覆土厚5～7 m。车站附属建筑有6个出入口、4条环形换乘通道、4组风道和风亭、2条消防疏散通道。

图1 海淀黄庄站建筑总平面

2 工程特点与难点

本车站建筑功能完备、乘客使用便捷，所采用的十字换乘形式是目前地铁交叉线路中换乘路径最多、换乘距离最短、使用最为便捷的换乘方式之一，而工程面临的重要挑战是施工期间的地面道路交通及地下管线的拆改难题，同时建设环境复杂，安全控制标准高;场地地质缺陷多，对工程影响大;尤其作为奥运节点工程，工期紧迫，对安全、快速施工要求高，种种因素使得本工程的复杂程度和技术难度在国内外地铁工程中都是首屈一指的。

本工程的特点和难点:①规模是标准车站的2.5倍，有20多座大小不同、形式各异的隧道组成，最大的主体隧道开挖面积达420 m2;暗挖交叉节点多达30余处，且存在暗挖主体大断面十字斜交75°;②周边敏感性建筑物密集，道路交通繁忙，56根地下管线纵横交错;③地层以砂卵石为主，含有地下水，且存在水囊、空洞等不良地质体;④作为奥运配套工程，要求2.5年主体隧道贯通;⑤本工程是国内外第一座采用全暗挖技术建造的十字换乘车站，无成熟的经验可供借鉴，需要解决的关键技术难题多，具有极大的挑战性。

3 工程设计主要创新点

本工程以大规模的暗挖隧道及其环境影响为设计对象，采用理论分析、工程类比及现场监测等手段，对结构力学转换机理、稳定性控制及地层变形等进行全面深入的分析，确保了工程建设的安全、快捷、环保及高质量，其主要创新点有:

1)首次采用全暗挖技术成功实施地铁十字换乘车站，改变了地铁十字换乘车站只能采用明挖或盖挖法施工的现状，创下了国内外迄今为止规模最大、结构体系最复杂、工期最紧迫、环境又异常复杂的暗挖地铁车站的新纪录，为城市轨道交通工程提供了一种经济、高效、环保的建设新模式。

2)创新性地提出并成功应用了“一次扣拱法”浅埋暗挖新技术，形成了设计与施工成套技术，并取得了国家发明专利，实现了浅埋暗挖技术领域的新突破。

针对地铁换乘车站采用全暗挖法修建的特点和难点，在对传统暗挖法进行深入分析的基础上，创新性地提出并应用了“一次扣拱法”新技术。通过系统、深入的研究分析，提出了“一次扣拱法”结构体系的设计计算方法、主要受力构件的设计技术要点、结构构造及防水技术措施、不同施工环节的地面沉降规律和施工开挖技术关键、结构体系形成各主要阶段的稳定性技术措施等，形成了浅埋暗挖“一次扣拱法”设计与施工成套新技术。

“一次扣拱法”的技术核心是在暗挖导洞内由下至上依次施作(顺作)底拱、边桩或立柱、顶拱等主要受力构件，一次性整体完成框架结构的承载体系，在其支承作用下实现隧道内大面积土体开挖和衬砌作业，图2为“一次扣拱法”技术要点示意。与传统暗挖CRD法和洞桩(柱)逆作法相比，该技术凸显了施工工序简单、结构稳定、施工安全、地表沉降控制显著、工程质量易控、作业效率高、工程造价低等优点。新技术除适用于地铁工程外，同样适用于修建其他大型的地下建筑物，如地下商场、地下停车场等，应用非常广泛(见图3)。

3)首次研究并提出了“暗挖交叉节点结构体系”设计与施工关键技术，建立的“双层直墙+单层曲墙”暗挖交叉节点模式，大大改善了结构受力状况，降低了工程难度和风险。

黄庄站仅车站主体与主体、主体与附属通道间的暗挖交叉节点就多达30余处，尤其是4号线与10号线车站主体为75°斜交结构，设计与施工技术难度很大，其结构体系的确定是十字换乘车站实现全暗挖施工的关键环节。本设计首次针对暗挖交叉节点进行了深入、系统的研究，结合车站使用功能，分析直墙与曲墙、单层与双层等多种形式、不同组合的暗挖交叉节点的受力特点、地表沉降和群洞效应、施工难度和安全风险等，提出了暗挖交叉节点合理的组合模式，以及暗挖十字正交和十字斜交节点的设计技术要点。

通过研究建立的“双层直墙+单层曲墙”暗挖交叉节点模式，使原本极其复杂的空间受力简化为双向平面受力，此结构体系不仅受力简单、明确，地面沉降控制可靠，而且暗挖施工难度小、风险低，很大程度上解决了暗挖隧道交叉节点空间壳体结构所带来的一系列难题，并形成了设计与施工关键技术。

4)针对黄庄站大型复杂的暗挖建筑群，首次通过对暗挖群洞之间施工转换方式的研究，应用了多种新型的暗挖隧道快速进洞技术，替代了传统的二次衬砌马头门体系，可提高施工工效20%以上，缩短了工期。

因工期紧迫，不具备传统的二衬结构完成后进洞施工的条件，需确定新的进洞方式以满足工期要求，尤其对于开挖面积较大、主要控制工期的风道和主体隧道，采用快速进洞方式意义重大。通过对进洞转换的结构形式、受力分析、构造措施、施工技术要点等一系列技术的研究，提出并应用了倒挂井壁竖井进洞、暗挖风道进洞、边桩支护基坑进洞等技术，采用新型的加强环梁或加强框架形成封闭、稳定的结构体系，替代传统的二衬马头门体系，有效承担了初期支护破除后的受力转换，成功实施了暗挖隧道快速进洞，极大地提高了施工工效，缩短了工期。

5)首次研究并应用了不良地质体综合处理技术及126 m长大管棚一次性打设技术，保证了复杂地层环境下的大型空间结构的安全建成。

分析了不良地质体的形成和诱因，通过数值模拟，分析不同空洞位置、大小、形状条件下的围岩应力、应变场，初步掌握了空洞对地表沉降的影响规律。对空洞、水囊等不良地质体可能引起的安全隐患进行评价和预测，使控制方案和技术措施更具科学性。

通过对超前长大管棚的作用特性、机理及施工技术的深入研究，对管棚计算模型进行修正，采用了桩单元模拟管棚的新思路，获得了管棚对于控制地表沉降的影响规律，提出了合理的管棚直径和注浆量的使用参数。

6)首次将地下管线的保护列为一级风险源专项设计，建立了地下管线状态与地表沉降的对应关系，科学制定了沉降控制标准、过程控制措施，确保了道路及地下管线的安全。

根据地下管线承插式和焊接两种接头形式，就管线与隧道垂直、平行、斜交三种情况分别进行计算分析，建立管线变形与地层变形之间的对应关系，从而根据管线变形控制标准制定相应的地面沉降控制标准;并将控制目标分解到施工各个阶段，通过阶段控制来实现整体控制目标，同时动态实时监测并及时反馈信息，有针对性地采取相应的技术措施。

施工过程实测的地下管线沉降及差异沉降值均可满足允许变形值的要求，实施的变形控制措施达到了预期的效果，保证了道路和地下管线的安全使用。

4 工程技术的先进性

黄庄站设计理念先进，结构安全可靠，工程交付运营后，无质量事故发生、无投诉意见。在充分满足车站功能要求和极大方便乘客使用的前提下，结合结构特性、环境情况、工程地质和水文地质条件等工程特点和难点，在地下结构浅埋暗挖技术方面通过攻关和创新取得了重大的技术突破。其技术先进性主要体现在以下几方面:

1)首次提出并应用的新型暗挖建造关键技术属国内外首创，达到了国际领先水平，具有突出的创新性。

黄庄站工程复杂程度高、技术难度大，为了解决实际工程中的关键技术难题，项目组开展了“地铁换乘车站新型暗挖建造关键技术”专题研究，形成了设计、施工成套技术，共取得了5大类、几十项研究成果，并在工程中均得到了成功应用，其中“一次扣拱浅埋暗挖法”获得国家发明专利，项目组在不同的核心期刊发表论文12篇，成果显著。

本工程在浅埋暗挖技术、地铁换乘车站全暗挖同步建造技术等方面取得了重大突破，自主创新在总体技术中占据主导地位，项目研究成果通过了北京市住建委组织的专家鉴定，有3位工程院院士及本行业知名专家组成的鉴定委员会认为，“此套技术属国内外首创，达到了国际领先水平，建议加大该技术的推广力度”。

本项目获2010年度北京市科学技术奖一等奖、2011年度全国优秀工程勘察设计行业(市政公用工程)一等奖、2011年度全国优秀工程勘察设计行业(建筑结构)一等奖、北京市第十五届优秀工程设计一等奖、北京市第十五届优秀工程轨道交通站点设计优秀奖、北京市第十五届优秀工程设计建筑结构创新专项一等奖、中国建筑学会第七届全国优秀建筑结构设计一等奖。

2)本工程地下结构浅埋暗挖技术与国内外同类技术相比，技术、经济指标处于先进的位置，工程在建设过程中和建成后均取得了重大的技术、经济、社会和环境效益。

“一次扣拱法”新技术与传统的暗挖法相比，具有明显的技术经济效益。地面沉降控制显著，比CRD法减少50%～65%左右;结构受力转换次数少，比CRD法减少50%以上，施工安全性高;施工工序简捷，比洞桩(柱)逆作法减少关键工序5道以上;结构施工缝数量少，比CRD和洞桩(柱)逆作法减少40% ～80%，工程质量易保证;施工速度快，比CRD和洞桩(柱)逆作法快10% ～30%;可一次性形成地下框架结构承载体系，有效提高了结构的承载性、稳定性和安全性;工程造价比洞桩(柱)逆作法省10%以上，黄庄站采用的新工法，可比洞桩(柱)逆作法省3000万元以上。

黄庄站全暗挖技术的采用，取得了显著的经济、社会和环境效益。与明挖法相比，虽然暗挖法土建工程费用偏高，但综合考虑管线改移、交通疏导等费用，黄庄站暗挖法比明挖法综合投资节约达9250万元，经济性显著;确保了3.5年的施工期间道路交通没有一天被中断，并节约交通疏导费近870万;使得繁杂的56根地下管线免除了改迁或临时悬吊保护，不仅保证了施工期间地下管线的正常使用，而且节约投资近1.44亿元;将施工对环境噪声、大气污染及对城市景观的影响降到了最低，为城市环境保护作出了贡献;使得周边的商业、办公、医疗、娱乐等经营活动基本没有受到影响，经济和社会效益显著;总体工期缩短20%以上，确保了奥运节点工程顺利通车，意义重大。

3)对推动工程建设行业技术发展具有重大的影响，同时对提高地下结构的设计水平具有显著的指导意义。

①我国大中城市的交通拥堵是当今的普遍问题，大力发展城市轨道交通急不可待，而目前在轨道交通建设中最突出的问题是施工对道路交通的影响、地面建筑物拆迁、地下管线改移、环境保护、工期等问题。黄庄站的新型暗挖建造关键技术为城市轨道交通建设提供了一种经济、高效、环保的建设新模式，并且已经在北京、沈阳、长春、哈尔滨等地铁工程建设中得到了广泛的应用。

②“一次扣拱法”技术实现了浅埋暗挖技术领域的新突破，该项技术不仅适用于地铁建设，同样适用于城市修建其他大型的地下商场、地下道路、地下停车场等多层多跨地下建筑物，具有极大的可扩展性，应用非常广泛，为城市地下空间的建设和发展提供了一种先进的新技术。从北京地铁西单站的暗挖“双眼镜法”到天安门西站的“洞柱法”，再到黄庄站的“一次扣拱法”，这一次又一次的突破，展示了我国浅埋暗挖技术领域不断创新的进程，为进一步提升我国在该领域的国际领先地位作出了重要的贡献。

③不良地质体处理技术、地下管线变形控制技术以及长大管棚施工技术等在实际工程中得到了很好的应用，使得地下工程建设中的环境保护和风险控制技术得到了进一步的提升和扩充，意义深远。

④黄庄站由于第一次采用新型全暗挖技术在复杂条件下建造规模巨大的换乘车站，一直备受业界专家和学者的关注，中央和地方的新闻媒体曾10余次跟踪报道，提出“从黄庄站建设，看北京地铁全面升级”。黄庄站的建设是北京乃至国内外地铁及地下工程界的杰出代表之一，展示了我国地下工程暗挖技术的长足发展，对推动工程建设行业技术发展具有重大的影响，同时对提高地下结构的设计水平具有显著的指导意义。