上海软弱地层采用盾构法及顶管法建造地铁车站的可行性方案研究

陈卫军

(中铁上海设计院集团有限公司， 200070， 上海∥高级工程师)

在软弱地层中修建地铁车站多采用明挖法[1]。明挖法虽然具有适应性广等优点，但易受市政设施的限制，如下穿既有的城市隧道或市政管廊、地铁车站、地面铁路线、低净空高架桥时，明挖法施工方案并不可行。或明挖法虽可行，但对于大埋深地下空间开发而言，综合考虑交通疏解、管线迁改、建筑物拆迁、环境保护等措施后，明挖法的造价不经济。地铁建设已进入智能化发展新时代[2]，城市经济和社会的高质量发展迫切要求对车站的暗挖法施工进行深入研究。

暗挖法施工通常包括矿山法、盾构法、顶管法等[3]。在软弱地层中，矿山法需考虑地层预加固措施，其工程造价偏高。近年来地下施工装备技术迅猛发展,为采用盾构法、顶管法等建造地铁车站奠定了坚实基础，盾构法或顶管法日益成为地下工程建设高效、安全、经济、智能、绿色的代名词[4]。

在对国内外暗挖法修建地铁车站进行案例研究的基础上，本文分析、归纳了采用盾构法及顶管法建造地铁车站几种技术路线，提出了几种适用于软弱地层的大断面盾构或顶管等机械暗挖法的新方案，并对其研究现状、适应性条件、争论焦点与发展前景等进行评析。

1 采用盾构法及顶管法建造地铁车站的技术现状分析

盾构法及顶管法均是适用于各种地质环境下暗挖施工的全机械化施工方法，均在钢护壳保护下进行开挖、推进、衬砌和注浆等作业，可有效防止周边岩土体发生往隧道内的坍塌。将智能感知技术与精细化监控技术应用于盾构法或顶管法施工中，使土体开挖或切削、出渣、管片拼装和注浆作业等工序变得更加高效、安全、绿色。

地铁车站一般由车站主体、出入口、通风道及地面风亭等3部分组成。其中，车站主体包括轨行区隧道、供乘客进出站及上下车的站厅层与站台层、设备用房、管理用房等。采用盾构法或顶管法建造地铁车站，首先在车站的两端或中部修建工作井，作为盾构机或顶管机的始发井或接收井；然后用盾构法或顶管法分别贯通轨行区隧道；最后将轨行区隧道与进出站通道、设备用房与管理用房连通。为降低工程的技术难度与总造价，车站的设备用房与管理用房多布置在明挖区或外挂建筑物内。

文献[3]和文献[5-10]对国内外基于盾构组合方法建造地铁车站进行了研究。文献[11-12]对上海软弱地层中采用盾构法修建地铁车站进行了初探。在上述研究中可以归纳出盾构法修建地铁车站的2种技术路线：一是根据车站自身特点灵活采用各种盾构组合方法，即先采用盾构机将轨行区隧道贯通，后辅以横向连通道法、半盾构法、托梁(盖挖)法、矿山法等，扩充形成地铁车站；二是利用大直径盾构机或多连体盾构机直接进行全断面掘进，形成地铁车站。

在国外，采用盾构组合法修建地铁车站的方法与案例可归纳为以下几种类型：

1) 盾构法与横向连通道法相结合。采用2个或多个并列的圆形隧道通过横向连通道组合形成地铁车站。其案例如东京地铁5号线木场镇站。

2) 盾构法与半盾构法相结合。采用2台单圆盾构先平行掘进贯通轨行区隧道，然后在1台半盾构掩盖下掘进中间站厅部分。其案例如莫斯科的巴维列茨克站。

3) 盾构法与托梁法相结合。首先采用盾构平行掘进贯通轨行区隧道；然后在隧道内修建立柱，再从两侧立柱顶端向轨行区隧道之间的地层中压入托梁；最后在托梁的支撑下进行土体开挖，对车站结构进行施工。其案例如东京地铁9号线新御茶水站。

4) 盾构法与矿山工法相结合。采用盾构先行掘进贯通轨行区隧道，然后采用矿山法扩挖2个轨行区隧道之间的部分。

5) 采用两连体或三连体盾构机直接建造地铁车站，其案例如东京地铁的12号线饭田桥站和7号线白金台地铁站等。

6) 采用大直径单圆盾构隧道直接造建地铁车站，通过将上、下行线竖向叠落布置在单圆盾构隧道(10.9 m内净空)内。

在国内，北京地铁14号线高家园站将传统PBA(洞桩)法的中部导洞调整为采用大直径单洞双线隧道，仿照PBA暗挖法建造地铁车站，即：首先采用大直径盾构掘进中部轨行区单洞双线隧道,并进行两侧矿山法导洞施工；然后在盾构隧道内施作底梁、矩形柱、顶梁，并架设临时支撑，仿照PBA法两侧对称扩挖形成地下2层侧式标准站；最后在站台两侧明挖修建车站的站厅及设备用房，通过连通道连接站台和外挂结构。上海轨道交通静安寺站是轨道交通2号、7号、14号线交汇形成的“门”字形换乘站，其14号线的站址位于上海市中心区域，道路交通繁忙，地下管线密集，车站结构需下穿延安路高架桥，因此14号线静安寺站的建筑设计采用端进式站型，下穿延安路高架桥段施工则采用分离式类矩形盾构法与站台层连通。

2 软弱地层采用盾构法或顶管法建造地铁车站的适应性分析

国内外采用盾构法修建的地铁车站大多处于自稳性较好的土层环境中，在软弱地层中施工案例较少。虽然上海轨道交通线路的区间隧道普遍采用盾构法施工，但考虑到地铁车站横断面面积约为单线盾构区间隧道横断面面积的10倍，业界对采用大直径盾构建造地铁车站仍存在顾虑：① 与明挖法相比，盾构法机械设备造价昂贵，经济性较差；② 受大直径盾构机及修建技术制约，盾构隧道与横向连通道法相结合的施工仅适用于客流量较小的车站，车站的建设规模受到限制；③ 为满足楼扶梯布置和消防逃生要求，多将车站建筑固化为端进式车站站型，盾构法建造段长度一般控制在90 m以内；④ 在富水软弱地层中，连通道施工被认为是地铁建设的高风险事件；⑤ 盾构法隧道是装配式结构，主体受力结构存在纵横向接缝，且整体刚度在受力与防水上较现浇钢筋混凝土结构处于劣势。

1994年，日本东京湾隧道首次采用直径为14.14 m的盾构进行施工。2004年，上海的上中路隧道引进了14.87 m的盾构机。截至目前，国内的盾构隧道项目中，盾构直径在14 m及其以上的项目有近40项。大直径盾构被广泛应用在上海越江隧道及城市轨道交通单洞双线区间隧道的建设中，大直径盾构的设计与施工已积累了丰富经验。

近年来，地下施工装备聚焦超大直径、超长距离、深埋高压、地质多变等复杂建设条件，围绕智能化、数字化与绿色化广泛开展科技创新，且取得了重大技术突破，为盾构法建造地铁车站提供了技术可行的替代解决方案。

隧道工程的建设推动了新技术、新工艺、新材料、新设备的引进、开发和应用。隧道掘进装备的国产化率已超过90%，使盾构法施工的工程造价大幅降低。

在软弱地层中联络通道施工普遍采用冻结法，众多工程实践表明其施工风险是可控的。宁波地铁公司在采用顶管法实施连通道方面做了深入的研究与实践，在顶管钢壳保护下进行联络通道施工的风险已显著降低。

盾构法与托梁法、矿山法应用于上海软土地层时，需采取地层预加固和降水措施，其工程经济性较差，可考虑在小规模项目或局部节点处选用。另外，盾构法与半盾构组合法建造的车站横断面与三连体盾构机全断面掘进法形成的车站横断面较相似，而三连体盾构机在软弱地层中掘进优势更为明显。对于异形盾构机或多连体盾构机全断面掘进建造地铁车站，其关键技术在于盾构机的研发与制造，本文暂不做深入评析。

经综合分析，在上海的软弱地层中采用盾构法或顶管法等机械化施工方法建造地铁车站，其可行的技术路线推荐如下：① 11～16 m大直径盾构全断面掘进法；② 8～10 m中等直径盾构法与其它方法施工联络通道相结合的施工方法；③ 矩形顶管水平并列、竖向叠落施工；④ 大断面分割矩形顶管转换法。

3 软弱地层中采用盾构法或顶管法建造地铁车站的方案评析

为便于方案阐述，盾构隧道横断面设计方案中假定轨行区的建筑限界宽度为3 850 mm；与楼扶梯并排布置时侧式站台的最小宽度为2.5 m；出入口侧接的侧式站台宽度按3.5 m考虑；岛式站台宽度不小于8.0 m。

3.1 11～16 m大直径盾构全断面掘进法

将上、下行线路平行布置在单圆盾构隧道内，当采用岛式站台时，地铁车站的平面及竖向布置可参考地下2层标准岛式车站，即设计为单洞双层，上层为站厅层，下层为站台层，如图1 a)所示，此时隧道内净空尺寸D1不宜小于15.4 m；当采用侧式站台时，为减少工程规模，宜优先考虑出入口通道侧接方案。地铁车站的平面及竖向布置可参考地下1层侧式车站，如图1 b)所示，此时隧道内净空尺寸D2不宜小于12.6 m。

a) 岛式车站横断面

参照分离岛式车站设计，将上、下行线路分别布置在2个独立的大直径圆形盾构隧道内，隧道间通过横向连络通道或端头井区域连通。单圆隧道的上层布置站厅层，下层布置站台层，通过楼扶梯连接站台、站厅层，如图2所示，此时的隧道内净空尺寸D3为10～12 m。

图2 采用大直径盾构施工的分离岛式隧道横断面布置图

3.2 8～10 m中等直径盾构与横通道结合法

广州地铁2号线越秀公园站位于五叉路口，地面交通非常繁忙，不具备明挖条件，设计采用3个平行矿山法洞室方案，两侧为外径不小于8 m的侧式站台洞室，中间为人行通道，通过设计横向联络通道将3个洞室连通，中间人行通道连接两端明挖站厅或地面厅。

青岛地铁3号线敦化路站基岩埋深浅，地面道路交通繁忙。建设时将主要设备外挂至地块明挖区域，分别在车站两端设竖井及横通道，在横通道内用矿山法暗挖建设上、下行轨行区隧道，然后用横通道连通站台与地下1层站厅层。

参照上述越秀公园站、敦化路站的施工方案，可在上海的软土地层内采用盾构与横通道结合法建造地铁车站，如图3所示。

a) 2个平行洞室

b) 3个平行洞室

3.3 矩形顶管水平并列、竖向叠落施工法

经标准化、模块化研究，将传统地下2层标准车站划分为多个独立矩形框架，各框架结构间为水平或竖向叠落。通过顶管法依次分步密贴顶进框架结构，在明挖工作井位置或通过联络通道连通各框架洞室，最终实现地铁2层标准车站功能，如图4所示。

图4 采用矩形顶管分步顶进施工的地铁

3.4 大断面分割矩形顶管转换法

国内某地下1层停车库试验工程[13-14]的总建筑面积为3 500 m2，车库的长、宽分别为90 m和36 m，设计停车位约为100个，并设1个车行出入口、2个人行出入口、3个自然采光井和1个机械排烟井。该工程采用顶管法和装配式结构相结合的施工方法，在两端工作井内依次水平密贴顶进矩形顶管，顶管管片为混凝土管片+钢管片拼装而成；然后在管片内修建结构梁柱；最后拆除中部临时钢管片。该工程为修建大规模地下工程提供了新的施工思路。

当车站埋深较深或车站上部有结构物不可拆迁时，可考虑在两端设计顶管工作井，参考矿山法中的CRD(交叉中隔墙)法，先将大断面合理分割成若干个小断面，分步依次顶进小断面顶管；然后在临时顶管结构内修建地铁车站梁柱，依序拆除中部临时钢管片；最后再施筑车站二次结构。该施工方法主要实施步骤如下：

第1步：如图5 a)所示，用矩形顶管机依序顶进n个临时导洞，临时导洞衬砌采用钢管片。

第2步：如图5 b)所示，在n个洞室内，纵向分段依次施工外圈现浇混凝土顶板、侧墙及底板，并与外侧临时钢管片形成叠合结构。中楼板及中柱、纵梁系统可考虑采用现浇或装配式结构。

第3步：如图5 c)所示，拆除中间部分临时钢管片隔墙，最后浇筑施工站台板等二次结构。

c) 站台板等二次结构施工

4 结语

地下工程施工装备技术聚焦超大直径、超长距离、深埋高压、地质多变的复杂建设环境，并结合智能化、数字化等进行科技创新，为机械化暗挖法建造地铁车站提供了新的解决方案。本文针对上海软弱地层特点，提出了盾构或顶管等机械化施工方法建造地铁车站的4种可行技术路线，为软弱地层的地铁车站设计提供智能化解决方案。