北京地铁车站浅埋暗挖法建造技术发展综述

杨秀敏，张顶立，房 倩

(1.中国人民解放军军事科学院国防工程研究院，北京 100850; 2.北京交通大学城市地下工程教育部重点实验室，北京 100044)

1 引言

地铁作为我国城市化进程中最重要的交通基础设施之一，以其安全、快速以及舒适等诸多优点已受到越来越多城市管理者及市民青睐[1]。1965年北京首条地铁动工建造，在经历半个世纪的发展变革后，北京地铁建造理念从早期的“战备为主”转变为现在的“交通运营为主”[2-4]。随着我国城市规模的不断扩大，地铁线路日趋增多、线路网络不断织密，地上/地下的复杂结构对城市地铁车站建造技术提出了更高要求。基于浅埋暗挖施工理念，利用PBA法(Pile-Beam-Arch)建造地铁车站的施工技术正在我国各大城市地铁建设中推广应用。为此，在梳理北京地铁车站建造理念基础上，结合浅埋暗挖法建造地铁车站的工法创新进行阐述，并指出了目前存在问题与未来展望，以期能够进一步推广PBA法在地铁车站及其他地下工程领域的应用。

2 北京地铁车站建造理念

2.1 战备为主，兼顾交通

基于毛泽东主席在新中国成立之际提出“北京要搞地下铁道，不仅北京要搞，有很多城市也要搞，一定要搞起来”的指示精神，中共北京市委于1953年制定的《关于改建与扩建北京市规划草案》首次明文规定要在北京修建地下铁道。地铁建造之际正值社会主义改造进行中，我国经济尚未全面恢复，且地铁建造成本高、技术要求严、耗时长，对当时我国所具有的施工技术来说是一个巨大的挑战。第一次全国人民防空工作会议于同年11月在北京召开并制定了“长期准备，重点建设 ”的指南方针，并确定在全国36个沿海省会及大中城市开展人民防空工作的要求。周恩来总理指出地铁建造的目的是：“北京修建地铁，完全是为了备战。如果为了交通，只要买200辆公共汽车，就能解决”。20世纪50～60年代世界战争格局发生巨大变化，国际复杂形势及美苏核威胁的共同影响下，为了战备需要，诸多国家选择在地下修建工厂、仓库以及军事设施。20世纪60年代末、70年代初，毛泽东主席针对国际形势提出“深挖洞、广积粮、不称霸”的号召，从而在我国诸多大中城市中开展了一场建设防护工程的人民战争[5-8]。

基于“战备为主，兼顾交通”的指南方针，我国于1965年设计并建造了北京地铁一期工程，标志着我国地铁建造历程正式进入历史舞台。然后，由于我国地下工程建造技术的局限性，无论是人防战备还是交通运输，早期的深埋设计方案均存在一系列技术难题。随后，经过方案比选及优化完善，北京地铁一期工程设计方案最终确定为浅埋加防护，施工工法确定为明挖法施工。考虑当时国际形势，北京地铁一期工程安全等级参照民用建筑最高级别进行修建。在毛泽东主席“精心设计，精心施工，在建设过程中一定会有不少错误失败，随时注意改正”的指示精神下，地铁建设者们克服重重困难最终使得北京地铁一期工程于1969年10月1日开始试运营，开创了我国地铁建设的先河，为我国地铁行业的发展积累了宝贵经验。虽然北京地铁一期工程建造技术水平不高，但防护级别却具有较高等级，而且地铁各口部均安装了与工程防护等级相适应的孔口防护设施。交通运输过程中的普通风道和战争时期的特殊风道均各成体系、互不干扰，且战备特殊风道还装设有滤除核爆炸放射性灰尘功能的过滤设备。除此之外，地铁隧道之上还铺设有厚达0.7 m的钢筋混凝土与1.0 m的防爆破材料，从而使得北京地铁具有防原子辐射、化学武器以及细菌武器渗透的“三防”功能[9-10]。

1971年，由铁道兵负责设计、施工的北京地铁二期环线工程正式开工。鉴于当时国际形势与“要准备打仗”的指导思想，北京地铁二期工程防护等级在一期工程基础上又进行了提高。其中，二期工程从建国门向北至东直门后改道向西，后经西直门向南至复兴门，并下穿北京旧城墙，共设12个车站。

20世纪80年代前，受限于我国经济发展以及技术水平，北京地铁一、二期工程为代表的早期地铁车站主要以明挖法施工为主。

2.2 交通为主，兼顾人防

20世纪90年代以后，我国城市地铁建造理念开始从“战备为主，兼顾交通”向“交通运营为主，兼顾人防”转变[3]。如北京地铁复八线全线工程防护等级均有较大幅度下降，防护标准也随之调整，但依旧保留防护密闭的要求。

地铁车站施工方法不仅取决于工程所处水文地质环境，而且受地面日常交通运维影响。“交通运营为主，兼顾人防”理念转变，减少了人防功能需求，降低了城市地铁建造约束，从而促进了城市地铁的快速发展。为了避免地铁建造阻断地面交通，利用暗挖法建造地铁车站的施工技术应运而生。

2007年4月，北京市组织召开了关于地铁线路人防工程设防方案的讨论会。会议在贯彻“交通运营为主，兼顾人防”指导思想的同时，提出了“兼顾人防，建设和谐轨道交通”的新思路。随后，《轨道交通工程人民防空设计规范》对地铁车站防护要求提出了新规定，如“一个车站和一个区间段划分一个防护单元”，且每座地下车站与其相连区间需作为一个独立防护单元。

3 北京地铁车站浅埋暗挖法建造技术发展

3.1 浅埋暗挖法的诞生

1964年新奥法理念提出后，新奥法以其技术可行、施工安全以及经济合理等诸多优点而在世界各地隧道工程建造过程中受到广泛关注及推广应用[11]。20世纪60年代末，新奥法传入我国并首次成功用于衡广复线大瑶山铁路隧道(双线，长14.3 km，1981年1月至1988年11月建造)，随后应用于大秦铁路军都山隧道工程的软岩段(双线，长8.5 km，1985年1月至1988年8月建造)。

1984年，北京地铁二期工程建成通车，但因无法与一期工程前门站及北京站进行连接环行，从而降低了地铁工程带来的经济社会效益。为了能使苹果园站—复兴门站的区间车辆在复兴门站进行折返，北京市政府决定修通复兴门站折返线，从而通过在二环路下形成环线地铁来吸引客流，提高运送能力。为了避免对复兴门大街等交通要道“开膛破肚”开挖，王梦恕等专家基于军都山软岩隧道建造的经验，提出了不影响地面交通的施工方案，由此创立了浅埋暗挖技术体系[12-16]，并成功应用于复兴门折返线工程(图1)，开辟了建造地铁的新途径。这套施工理念于1987年正式被命名为“浅埋暗挖法”，并获北京市科学进步一等奖以及国家科学技术进步二等奖。

图1 复兴门站折返线工程

浅埋暗挖法吸纳了新奥法中广泛采用的顺序开挖、地面加固、喷射混凝土以及监控量测等技术。然而，采用浅埋暗挖法进行隧道结构设计时，还需采用多种辅助工法来调动围岩自承能力，并及时支护、尽早封环，从而使得支护结构与围岩共同形成联合支护体系。此外，隧道施工过程中还需辅以监控量测、信息反馈来对初始设计进行动态优化。最后基于形成的综合配套技术来达到不塌方、少沉降、安全施工的目的。浅埋暗挖法能灵活适用于埋深较浅、地层条件差、地下水存在等周围环境复杂的工程地质条件[17-20]。同时，由于其不干扰地面交通与周围环境等特点而被广泛推广应用于其他工程领域。

浅埋暗挖法是一种新型的隧道施工理念，而非一套具体的开挖支护技术。经过多年的工程实践以及理论提升，浅埋暗挖法的核心理念被归纳为“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”十八字口诀方针。

3.2 PBA法的诞生

天安门西站位于北京市西长安街与南长街交汇处，东西侧分别为人民大会堂与中南海新华门，特殊的地理位置不允许断路施工，且一旦发生安全事故将导致不良的社会影响与负面的国际形象。因传统浅埋暗挖法的群洞效应及变形难控的限制而无法满足周边环境安全要求。因此亟需研发一种变形量小、安全度高的暗挖车站建造技术。

天安门西站设计初期，“中洞法”建造地铁车站的施工技术已在国外普遍应用，而国内北京复八线西单站则采用了“侧洞法”。此外，天安门东站成功采用了挖孔桩柱下导洞条基盖挖逆做法[21]，且长安街大跨度超浅埋暗挖过街通道也成功建成，将传统房屋建筑工法引入到隧道与地下工程的施工中。在总结众多成功案例经验的基础上，我国隧道与地下工程专家提出了基于桩、梁、拱的洞桩法(Pile-Beam-Arch，简称PBA法)暗挖建造技术[21-22]。PBA法于1992年首次成功应用于复八线天安门西站，解决了大断面暗挖地铁车站施工沉降过大的技术难题(图2)。PBA法可分为导洞开挖，导洞内顶底纵梁与桩、柱施作，扣拱施工以及扣拱后开挖、支护4个阶段[23]。在结合传统浅埋暗挖法的“短开挖、快封闭”的核心思想基础上，辅以框架围护结构与盖挖法理念，通过导洞快速形成由边桩与顶拱组成的支护体系，从而较好地控制由开挖引起的地层沉降。此后，浅埋暗挖法修建地铁车站开始走向以PBA法为主导工法的时代。

图2 天安门西站横断面(单位：m)

PBA法建造地铁车站的主要优点可归纳如下。

(1)地表沉降的有效控制。PBA法建造地铁车站引起的地层沉降主要发生在导洞开挖与拱结构施作阶段。后期土方开挖都在牢固的拱-桩-柱支撑体系下进行，从而可以有效降低大规模土体开挖对地表沉降的影响。

(2)开挖效率的显著提高。PBA法施工过程中，只要任意两个相邻导洞工作面之间有满足施工的距离，就可以同时进行多导洞施工。此外，在大断面空间形成后可实现机械化快速施工。

(3)车站空间的充分利用。直墙式地铁车站比弧形墙式更能充分利用空间。

(4)空间拓展的便于实施。相较传统浅埋暗挖法，PBA可以通过形成连续的柱拱支撑体系，便捷的实现地铁车站由传统三跨向多跨转变的标准化施工，且无需对支护设计进行过多改变。

3.3 PBA法的推广

随着我国城市地铁路网的加密，以及地下空间开发力度的加大，大量新建暗挖地铁下穿城市既有结构工程逐渐浮现。传统PBA法以2层3跨8导洞结构为主要形式，施工沉降主要由先行导洞开挖和拱结构施做引起[24]，同时面临着人工挖孔桩安全性、准确度较差且对施工降水要求较高的问题。单层导洞PBA法地铁车站建造技术较好地解决了这一难题。单层导洞PBA法最早在北京地铁15号线奥林匹克公园站应用[25-26]，该工程成功实现了暗挖洞室内直径1.8 m，成孔深度47 m中桩的施工。

北京地铁15号线奥林匹克公园站位于奥运场地核心区、大屯路隧道正下方，与大屯路隧道呈东西向平行布置，与国家体育馆、国家会议中心、国家体育场(鸟巢)以及国家游泳中心(水立方)等建筑距离近，周边环境保护要求高。根据15号线路要求，车站主体结构要全部平行密贴下穿既有大屯路公路隧道(图3)。通过应用单层导洞PBA法，成功将既有大屯路隧道沉降控制在标准以内[26]，保证了施工安全与环境要求，解决了超大断面地铁车站下穿地下敏感设施变形控制的技术难题。单层导洞PBA法取消了下层导洞，采用大直径中桩来承担结构荷载，缩短了降水周期，实现了少降水施工，保护了地下水环境。改进后的单层导洞PBA法提出利用边桩作为止水帷幕辅以底部封堵的地下水控制技术，从而解决了富水条件下地铁车站暗挖施工中的技术难题[27]。单层导洞PBA法因适应新时期的施工环保需求，故而在后续北京地铁16号线全线暗挖工程中得到了进一步推广应用。

4 思考与展望

当今国际形势日趋复杂，新冠肺炎疫情全球流行，俄乌战争爆发引起的军备程度提高以及战争风险上升。我国城市地铁工程虽然较欧美、日本等发达国家起步晚，但随着我国经济持续增长，进入21世纪以来，国家基础设施建设如火如荼，我国地铁建设呈现规模化发展态势。根据中国城市轨道交通协会发布的统计数据，截至2021年底，我国内地城市轨道交通运营线路总长达9 192.62 km，其中地铁里程为8 206.48 km。在北京地铁建造历程中，以PBA法为代表的浅埋暗挖地铁车站已超过100余座(含在役与在建)。新时期，地铁车站浅埋暗挖建造技术机遇与挑战并存[28-31]。

4.1 主要挑战

浅埋暗挖法作为一种适合我国国情的施工技术，从诞生至今已在北京得到长足发展，基础理论日臻完善，积累的成熟工法与核心技术也在全国范围推广应用，技术水平基本达到世界先进。随着时代发展，传统浅埋暗挖法也将面临着诸多挑战。

(1)高效率自动化机械设备应用程度不高。浅埋暗挖法以分步开挖为主，在软弱复杂地层条件下，工序繁复导致大型自动化机械设备难以应用。因此，施工过程中劳动力投入多、劳动强度大、作业环境差，且效率偏低，已不符合当今社会发展需求。浅埋暗挖法面临施工效率低下的挑战。

(2)对从业人员的专业技能水平要求较高。浅埋暗挖法一般在没有明挖施工条件的复杂城市核心区应用。周边管线情况复杂、地表建筑物相对密集，环境风险突出。复杂环境要求从业人员必须具有较高的业务能力及从业经验。浅埋暗挖法面临缺乏专业施工技术人员的挑战。

(3)我国社会老龄化趋势加速。全国第7次人口普查结果显示，我国劳动人口的规模在逐年下降，但劳动人口中45～64岁的人口比重却持续上升。我国人口红利在基建领域的优势正在失去，劳动力供给的减少直接导致人工成本上升，产业转移与技术革新成为未来发展趋势。浅埋暗挖法面临人工成本上升的挑战。

(4)全民素质明显提高，隧道作业面临用工荒。近些年我国人口受教育程度得到了持续改善，相比2010年第6次全国人口普查结果，全国文盲率由4.08%下降为2.67%，文盲人口减少2 084万人。拥有初中及以下文化程度的人口比例在现有人口中的“可见度”越来越小。此外，伴随着国民经济的发展，我国广大劳动者人均财富明显增长，全民物质生活水平显著提升，劳动者对工作的环境与条件要求越来越高。传统一人一镐、手提肩扛、满面尘灰的隧道作业已难以被新一代工人所接受。浅埋暗挖法面临缺乏施工人员的挑战。

(5)新兴工法抢占市场，传统浅埋暗挖法影响力弱化，市场份额下降。盾构技术自上世纪从海外引进以来，已在隧道施工领域逐渐普及推广，其成本逐步回落并接近传统浅埋暗挖法。然而传统浅埋暗挖法的成本却在逐渐增加，从而导致市场份额减少。且隧道工程领域青年从业人员对传统浅埋暗挖工法的认知程度有所下降。浅埋暗挖法面临被边缘化的挑战。

(6)新冠肺炎疫情防控常态化，对工程建设管理要求更高。在工程建设领域，常态化疫情防控对工程实体并不会产生较大的冲击，但会直接或间接导致工期延误、成本增加。常态化疫情防控对浅埋暗挖法工程建设工期、成本提出了更高的要求。

4.2 未来展望

新形势下，面对劳动成本提升、技术进步以及市场竞争压力，传统浅埋暗挖法必须有所突破与创新方能避免被淘汰。现如今，新一轮科技与产业变革持续推进，传统浅埋暗挖法同样经历着革新。

4.2.1 机械化

为将传统地铁施工“一人一镐”单一型施工模式向机械化施工模式转变，缓解目前劳动力紧张与劳动成本提升带来的问题，则必须坚定不移地走机械化发展道路。近年来浅埋暗挖机械化施工技术得到了快速发展，由此也将带来工法的进一步改进与提高。因此，当下阶段应重点在暗挖机械施工设备及施工方法开展重点攻关。

4.2.2 绿色化

“绿色化”概念首次在《关于加快推进生态文明建设的意见》中提出，中央政治局将其与新型工业化、城镇化、信息化、农业现代化相并列。2021年2月，国务院发布《关于加快建立健全绿色低碳循环发展经济体系的指导意见》，对推行绿色建造提出了新要求。从“污染防治”到“碳达峰、碳中和”，低碳政策高度契合我国经济转型与高质量发展的长远目标。浅埋暗挖法应顺应潮流，重视能源消耗与碳排控制，开展绿色技术，实现绿色装备转化。

4.2.3 智能化

现代人工智能、自动化机械技术的快速发展以及交通运输领域的广泛应用，为浅埋暗挖隧道智能化施工提供了实施基础。浅埋暗挖隧道智能化施工是暗挖隧道智能建造水平的综合体现。浅埋暗挖法智能化发展要以数字化资源为核心，以信息化管理与智能化施工为主要方法，同时辅以现代化监控测量手段，从而实现全方位的智能理念。可以尝试引入“数字孪生”的理念辅助进行革新。

4.2.4 平战结合

由于地铁工程埋深大、结构强度高、机动能力灵活，一直都是战时首选的防空、避难与疏散设施。二战中的伦敦、莫斯科以及东京等城市地铁在防空袭方面扮演了重要角色，减少了人员伤亡与财产损失。2022年俄乌战争爆发后，基辅民众将地铁站作为临时避难所，躲避可能遇到的战争伤害。在现今反空袭作战中，城市地铁系统兼顾战时防空需要是世界各国城市较为通用的做法，我国地铁人防工程的建设思想也一直与时俱进。利用浅埋暗挖法建造地铁车站，要做好战时功能定位，合理制定防护、防化等级，同时满足工程预留与平战转换要求，以增强城市战时抗爆能力。