“明、暗、盖”挖地铁车站，多工法组合施工关键技术及应用总结

作者：宫志群 中建华东投资有限公司

多工法组合地铁车站施工关键技术及应用

汇报提纲：

一、项目背景与总体思路

二、主要技术创新

三、主要成果

1、项目背景

中国轨道交通全面快速发展，已上升为新基建七大领域之一

未来15年，我国城市轨道交通规划里程超2.8万公里

截至目前，我国地铁车站运营 超4660座

截至2020年12月31日，全国大陆共有44个城市开通运营城市轨道交通线路233条，运营里程7545.5公里，车站4660座。展望“十四五”，中国城市轨道交通运营里程有望新增5000公里，年均新增1000公里左右，届时总运营里程将达到13000公里。

随着地铁建设面临的周边环境越来越复杂，传统的地铁车站形式已难以满足城市中心区域复杂敏感环境下地铁建设的需求，超大规模复杂地铁车站建设不断涌现给传统的地铁车站建造技术及管理方式带来了极大的挑战。

先期建成车站往往为后期预留的条件不完善、不充分，同时城市中心与周边密集建筑物相协调的各种近接关系也为车站建设带来了更多的挑战。

谋篇布局，施工设计优化方案

设计与施工面临的问题-- 交通

淮海路是东西向城市主干道，现状车流量巨大，根据徐州市委市政府的要求，施工期间应采取一切措施 不影响 淮海路的交通 。彭城路应尽量减少占用时间， 保证苏宁广场综合体正常开业 。

设计与施工面临的问题-- 拆迁

工可及 初步设计阶段 市政府确定可拆迁范围： 古彭地下商场及时尚大道下沉广场处商业 。实施阶段根据轨道公司与时尚大道商业对接，该商业 拆迁补偿需10万元/㎡，拆迁代价巨大 ，另外拆迁区域有时尚大道商业设备用房，拆迁后保证其他未拆迁区域的正常使用， 需设计变电所、冷水机房等设备的过渡方案，难度大、可行性差。

设计与施工面临的问题-- 用地

彭城广场站是1、2号线换乘站 ，站位周边主要有 古彭大厦 、凤凰书城、百货大楼、 时尚大道及悠沃地下商业区 、 金鹰、苏宁 等商业综合体。站位周边规划主要以商业用地、广场绿化用地为主。

站位地处城市中心商业区，周边既有建筑多，附属用地与施工用地紧张。

设计与施工面临的问题-- 地质

1号线 彭城广场站 场地范围内土层自上而下分布：①1杂填土、①1-2老城杂填土、⑤3-4粘土、 ⑤3-3粘土、(12)中风化灰岩、 (12)中风化页岩， (12) 中风化粉砂岩。 中风化灰岩最大强度130MP，平均强度41MP。

地下水主要为第四纪孔隙潜水和基岩裂隙水， 基岩裂隙水主要为承压水 ，承压水位埋深6.08m 。馒头组灰岩含水量较大、且呈南北条带状分布。

方案优化- 多方案比选找答案

彭城广场站前后共设计有 十余种 方案，最具代表性的有 中山路联络线方案→彭城路小洞暗挖分离岛 方案→ 彭城路PBA 方案→彭城路大洞暗挖方案。

2014年，在王梦恕院士指导下最终方案确定为明-暗-盖挖组合施工方法

方案优化- 多工法组合解难题

鉴于此，综合施工边界条件、成本安全等多方面因素，最终选定 “明-暗-盖” 为一体的大型组合式换乘车站的设计施工方案。

2、技术难题

规模宏大：

Ø 整体造价近7亿元

Ø 最深达34米

Ø 土石量33万方

Ø 17个出入口，3组风亭及2个下沉广场

Ø 体量为普通车站的6倍

徐州地铁1号线彭城广场站建造施工刷新国内超大超深地铁施工的多项记录

彭城广场站突破 “四特” 技术难题

难题1：

明挖基坑围护结构采用“地下连续墙+内支撑”形式。1号线车站基坑为坑中坑形式，最大开挖深度约34m，共设置五道混凝土支撑；2号线车站基坑最大开挖深度约23m，第一道支撑为混凝土支撑，第二~四道支撑为钢支撑。

难题2：

土岩结合面暗挖爆破易坍塌失稳

难题3：

城区中心交通主干道施工，周边高楼林立敏感度高

临近商业建筑保护难度大，对沉降及扰动控制要求严格

难题4：

施工组织特别困难—— “紧、小、大”

工期紧迫、工序交叉； 场地狭小、转运低效；全程管控考验大

3、总体思路

以徐州市轨道交通1号线彭城广场站为依托，针对车站结构异常复杂、周边环境十分敏感、地质问题极其突出、施工组织特别困难四个工程难点，对 明-暗-盖挖复杂结构体系转换及环境影响、土岩水耦合致灾机理及控制、全过程动态风险演变分析及智慧管控 三个科学问题展开研究，最后 形成了12项明-暗-盖挖地铁车站安全施工关键技术 。

创新技术

1、复杂结构体系的施工顺序、力学转换与优化控制

采用有限元软件PLAXIS 3D软件建立的彭城广场地铁车站开挖阶段的三维模型。为消除边界条件影响：基坑距离模型水平边界的最小距离为基坑开挖深度的3倍以上，基坑底部距离模型底部超过1倍最大开挖深度，隧道距离模型水平边界及底部边界的最小距离为隧道最大宽度的3倍以上。

隧道群结构测线示意图

为研究后建隧道施工对先建隧道的影响，以各隧道两侧拱肩位置处变形增量作为评价指标，在各隧道结构上设置测线如图所示。其中，X、Y方向变形正方向如图所示，Z方向变形以向下（沉降）为正。

S1~Sn表示第1~n个结构，Si-j表示先施工第i个结构后施工第j个结构组成的复杂结构体系。选取施工过程的中的某一受力变形特征值P作为评价指标，Pi-j表示先施工第i个结构后施工第j个结构时的P值， △ P(i-j)-k表示依次施工第i个和第j个结构，再施工第K个结构时P的增量。以此类推，可得到n个不同结构之间的相互影响强弱， 将P和△P累加可得到结构体系在不同施工顺序下的最终评价值∑ P 。

计算及实测结果表明，使用组合式格构柱托换方法引起的立柱附加沉降不超过2mm，既可确保受力转换过程中的安全，又有利于降低施工成本。

后建隧道对先建平行隧道结构的变形影响十分小，基本控制在0.5mm以内，远小于软土地区小净距平行双隧的相互影响，这是因为隧道之间为刚度较大的岩层，后建隧道开挖卸荷对地层扰动范围小。

综合对比不同施工方案下的隧道群变形、跨中处墙后地表沉降及地连墙侧移的变化可知 ，采用从一侧至另一侧依次施工的方案（方案一、方案二）引起的变形较小，从车站施工变形控制的角度，从右往左依次施工（方案二）为最优方案。

基于基坑开挖三维效应进行平面分区，基于墙后地表沉降曲线特征，以分区内最大地表 沉降和倾斜率作为评价指标得到变形分级S1，根据分区Aij内保护建筑的重要性等级及与基坑之间的距离得到建筑物分级S2，综合S1和S2得到环境分区影响值进行综合分级。

1倍基坑开挖深度范围内基坑中部区域环境分区影响等级为Ⅲ级，该区域为车站施工影 响最大区域，角部区域为Ⅳ级；1~2倍开挖深度范围内环境分区影响等级为Ⅴ级；3~4倍开挖深度范围内环境分区值为零，可认为该区域不受基坑开挖影响。

2、土-岩-水耦合致灾机理及控制技术

3、复杂地铁车站施工全过程动态风险演变分析

4、施工全过程动态智慧化管控技术

标准化

快速化

轻量化

提出了 基于SAT/FBX中间格式转换的轻量化技术、多尺度BIM模型融合技术的轻量化 方法以及基于三维BIM模型构件信息重建技术的的轻量化方法 ，让地铁车站的BIM模型能够被放入便携移动设备（手机、平板电脑等）使用，实现了BIM模型的移动互联应用。

基于BIM的人、机、物料动态追踪管控技术

主要功能： 每个账户在GIS模块可以看到相关的工程进度、质量安全相关汇总情况（自己权限范围内的），可以处理与自己相关的任务事件，可以安排自己的日程，可以直接跳转到自己相关工程的BIM视图。

移动端开发（iPad端及手机端）：为BIM大面积推广 和低门槛应用奠定了基础，真正实现了“人人BIM”。

5、研发了解决复杂地铁车站中四种工序相互干扰的12项关键创新技术

解决复杂地铁车站中明-暗、明-盖、暗-暗、暗-盾之间工序相互干扰的难题

1）明挖深基坑施工关键创新技术

Ø“旋挖钻+成槽机+双轮铣”超深地连墙快速、精准、微扰动成槽技术

Ø高压富水条状带直立围岩吊脚墙截水帷幕施工技术

Ø分阶段多型变坡系统综合倒运出渣技术

Ø配套可调节装置的格构柱托换盾构过站技术

2）暗挖施工关键创新技术

Ø6/4导洞步序协调优化技术

ØCRD中支撑主动托换技术

Ø周边及中心机械掏槽减振微爆控制技术

Ø暗挖洞室群曲墙进洞施工技术

3）明-暗-盖挖施工关键创新技术

Ø明暗转换超前进洞工序优化施工技术

Ø明盖交互区永临结合钢管混凝土柱快速施工技术

Ø五道混凝土撑“炮击+绳锯+静态胀裂”组合高效拆除技术

采取“旋挖钻+成槽机+双轮铣”的三位一体系统组合设备施工，综合各型设备作业优势，协同各型设备联合作战，形 成系统优化的连续墙成槽技术，成功克服地质条件恶劣、周边环境敏感、工程体量巨大等难题，保证了作业安全，加快了地下连续墙成槽施工，施工工效提高了22.4倍，极大的缩短了施工工期，降低了软弱富水地层塌孔的概率，解决了成槽偏孔的问题，有效控制了敏感周边环境的沉降，严格控制了对周围构筑物的干扰。

该技术采用镀锌钢管5m每段前进式注浆，安装3根注浆管，位置分别位于连续墙底3m处、8m处、13m处；加固 范围为13.5m，从标高-6.15m～7.35m。

通过高压注浆在北 侧 地连墙处切断交错灰岩条带水力通道，增加地下水渗流路径长度，减小承压水抽水量，最终全覆盖整个加固范围，切实达到封浆止水的效果，确保基坑开挖安全顺利。

通过“L型”放坡、“人字型”放坡、“双S型”放坡施工技术解决了车站周边环境敏感，支撑系统复杂，施工场地狭窄，施工条件局限等难题，实现了6个月内基坑分段、分块、分阶段快速见底的目标。

本技术适用于不同的基坑（包含本工程的车站内狭窄场地深大基坑），安装和拆卸都相对简单，从而节省工期和降低施工的操作难度，且可以重复利用，降低了施工成本。最大程度的解决了盾构过站节点工期，保证了1号线顺利通车运营。

为加快施工进度、减小多导洞施工多次扰动围岩，现场充分利用施工阶段、合理优化；

通过6导洞优化至4导洞CRD工法，减少施工工序，并充分利用原下导洞形成出渣通道，加快了横通道导洞施工进度，实现提早进入右线隧道主洞施工，总体节约了施工工期3个月；同时减少对围岩扰动，保证了横通道施工安全，控制拱顶沉降在0.5cm。

由于临时中隔壁分割使单侧导洞内净空尺寸仅为3.8m，不能满足装载机及挖机作业空间要求，并存在较大安全隐患。

为创造机械作业条件，对中导洞的中隔壁支撑采取“型钢回撑+角钢连接+锚杆锚固”门字型支撑方式对中支撑进行主动托换。

为实现减震爆破及控制爆破能量传递方向，本技术采取“机械掏槽成减震带”和“竖向掏槽微爆控制技术”有效结合，通过“人工 +小型炮机”开挖隧道上部的上台阶小导洞，快速形成初支面，进而掏槽形成台阶的临空面，下方石质部分采用优化CRD法进行减震控 制爆破，成功解决中心城区敏感地带爆破振速超控的安全问题。 

在软弱泥岩中充分利用机械辅助掏槽的方法可以减少常规掏槽时钻孔数量、单段药量和总耗药量，实现控制爆破质点振动速度、降低隧道地表沉降等目的，实现减振爆破、提高了控制爆破的施工效果、保护了隧道及环境安全。

施工通道进主洞隧道存在曲墙上施工交叉口的情况，由于曲墙为弧形面，开洞过程中其上方土体在重力作用下必 然会向下塌落；由于开洞时隧道结构的刚度被削弱，在上方土体的重力下，隧道结构的安全风险大大增加。因此， 需要采取特殊措施对曲墙进洞处进行处理、确保交叉口施工安全。现场提出一种保护曲墙上开洞门稳定性的悬挑保护装置，并合理安排曲墙进洞洞口工程加固、洞口段施工工序，降低交叉口施工安全风险。

彭城广场车站施工过程中既存在水平结构体系转换，又存在竖向结构体系转换，水平结构转换体现 在车站基坑开挖和主体结构施工向暗挖洞室群施工的过渡。

通过明暗转换超前进洞工序优化施工技术，确保暗挖隧道施工不受车站结构影响；等距三榀钢架增 加支护强度，保证隧道上方的淮海路及中心时尚大道既有安全；第五道支撑上方及坑中坑联系部位设 置临时出渣道路，减少结构施工与土方开挖间的交叉施工，进而减少安全隐患。

明暗转换超前进洞工序优化施工技术

4.1 技术背景

4.2 创新技术：左线暗挖施工思路

①第五道撑施工阶段：

Ø鉴于1号线左线暗挖工期紧（提供盾构过站条件），左线暗挖隧道需要提前进洞： 开挖到第五道砼支撑标高后，在第五道砼支撑及站 厅层底板施工阶段，同步启动暗挖管棚施工 。

②坑中坑开挖及底板施工阶段：

Ø管棚施工完毕后，兼并考虑连续墙稳定性和暗挖工期，在第五道支撑施工完成后， 同步坑中坑开挖及底板施工，利用第五道支撑搭建 材料施工平台，先打开一个1号导洞（6m×5.5m）进行暗挖,到达设计深度后再进行返挖2号导洞 。

③明挖车站负五/四层施工阶段：

Ø利用底板搭建门字通道， 同步明挖车站结构施工，通过门字通道和施工栈桥保证暗挖左右线物料和渣土运输，确保暗挖隧道3/4导坑 快速施工 。

④明挖车站负三/一层施工阶段：

Ø待负五、四层中板施工完成后并达到结构龄期，拆掉门字支架,完成剩余导洞开挖即开始仰拱及二衬施工。

4.2 创新技术：右线暗挖施工思路

①横通道上导坑施工：

Ø 利用第五道撑搭建物料运输通道 ，启动右线通过 2#及4#横通道上台阶进洞施工 。

②右线主隧道上导坑施工

Ø右线通过2#及4#横通道进洞，在车站处于负4层侧墙及结构中板施工阶段， 利用横通道上台阶进行双向主洞管棚施工 （错开车站结构 施工时间，节省约2个月工期）。

③右线主隧道下导坑施工

Ø 利用底板搭建门字通道 ，物料经过门字架通道运输至出土孔进行出土，材料经出土孔垂直吊运至底板上，再经 门字架通道运输至暗挖 隧道内，直至暗挖结构完成 。

4.3 技术效益

彭城广场车站施工过程中既存在 水平结构体系转换 ，又存在 竖向结构体系转换 ，水平结构转换体现在车站 基坑开挖 和主体 结构施工 向 暗挖洞室群 施工的 过渡。 通过 明暗转换超前进洞工序优化施工技术 ，确保 暗挖隧道施工不受车站结构影响 ；第五道支撑上方及坑中坑联系部位设置临时出渣道路，减少结构施工与土方开挖间的交叉施工，进而 减少明-暗、暗-暗、明-盾、暗-盾相互影响 ，确保了施工工期。

明-暗-盖挖施工关键创新技术

针对砼支撑及格构柱节点复杂、拆除体量大、盖挖区及超大基坑南端砼支撑均无法直接拆除吊运的 特点，采用“炮击+绳锯+静态胀裂”的综合实施方案，结合“叉车平运+汽车吊垂直运输”组合完成 砼支撑拆除。

面对彭城广场站围闭场地极其有限，狭小空间内多工法交叉、施工工序相互影响，又面临复杂的施 工力学体系转换和施工工序组织衔接等问题。而作为唯一的施工便道，北侧11m宽狭窄单口式施工便 道承担着33万方土方外运、10.5万方商砼进场浇筑、1.7万吨钢筋进场制安工作。

综合比对各吊装设备性能及优缺点，结合工程整体筹划，采取“塔吊+桁吊+汽车吊+随车吊”的组 合形式作为车站各类运输设备，安全有序地打开流水作业施工局面。

主要创新点

专家评价

（1）2015年4月，王梦恕院士参加 “彭城广场站风险应对专家咨询会“ ，提出方案优化及破解难题的思路。

（2）2016年1月，在 “2015年度江苏省城市轨道交通建设学术年会” 上，彭城广场站技术攻关得到钱七 虎、缪昌文院士的肯定，并鼓励立项开展专项研究。10月，叶可明、肖绪文院士指导施工现场。

（3）2017年3月，在 “江苏省城市轨道交通建设科技创新工作推进会暨现场观摩活动” 上，彭城广场站被 江苏省内专家及同行评价为“江苏最难，全国罕见”，并给以课题立项支持。

（4）2017年12月，在 “中国建筑2017年基础设施科技创新示范工程启动会” 上，彭城广场站被中建集团 列为首批基础设施科技示范工程并给予课题立项，杨秀敏、王景全、肖绪文、陈湘生等4位院士现场指导并一致评价： 彭城广场站代表了业内领先水平、部分是国际领先的，具有较高的科技创新含量。

成果鉴定

课题成果被肖绪文等7位专家、院士专家鉴定为：成果总体达到国际先进水平, 其中复杂结构体系施工的相互作用与 环境影响分区评价方法、地下工程结构失稳全过程模拟试验系统、基于贝叶斯概率准则的基坑变形安全状态识别方法和BIM 轻量化技术达到国际领先水平。

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