北京地鐵2號線與8號線前門站換乘廳明挖與暗挖施工對比分析

馬軍

(中鐵十四局集團有限公司，山東濟南250014)

北京地鐵2號線與8號線前門站換乘廳明挖與暗挖施工對比分析

馬軍

(中鐵十四局集團有限公司，山東濟南250014)

以北京地鐵2號線和8號線前門站換乘廳工程為背景，對換乘廳施工采用明挖順作法及暗挖PBA法進行技術、經(jīng)濟、安全、工期及社會效益等方面的綜合對比分析。依據(jù)分析結果將換乘廳施工方法由明挖順作法改為暗挖PBA法。施工方法優(yōu)化后大幅節(jié)約了工期。

地鐵車站 明挖法 PBA法 工法比選

1 工程概況

1.1 設計概況

北京地鐵8號線前門站位于前門東路與前門大街交叉路口，在箭樓東側沿前門大街呈南北方向布置，2號線前門站位于前三門大街中軸線處。由于2號線前門站修建年代很早，當時未考慮城市規(guī)劃及預留換乘條件。為實現(xiàn)車站換乘功能，換乘方式只得采用兩條通道進行單向換乘。

由于換乘距離較長，為滿足消防疏散要求，在兩條換乘通道中心處、8號線車站主體結構西北角通道中間設置換乘廳。換乘廳將換乘通道分成4條，編號依次為1，2，3，4號。其中1，2號換乘通道位于換乘廳南側，連接8號線前門車站及換乘廳，3，4號換乘通道位于換乘廳北側，連接換乘廳及2號線車站。8號線至2號線客流通過2，3號換乘通道換乘，2號線至8號線客流通過1，4號換乘通道換乘。原方案換乘廳及換乘通道平面布置見圖1。

圖1 換乘廳及換乘通道平面布置

換乘廳位于前門站西北，為地下2層鋼筋混凝土框架箱涵結構。采用明挖順作法施工，平面尺寸為26.6 m×50.0 m，頂板覆土厚1.6 m，基底埋深約14.2 m。采用圍護樁+內(nèi)支撐結合支護體系，局部采用錨索。圍護結構采用φ800@1 500 mm鉆孔灌注樁，沿基坑豎向設3道φ609×16 mm鋼支撐，中間設鋼管柱+鋼系梁，鋼管柱嵌入底板以下4.14 m，局部設置3道抗拉強度1 320 MPa的預應力鋼絞線錨索。4條換乘通道、過街通道接駁及1個安全出入口結合換乘廳布設，換乘廳結構完成后再進行過街通道接駁、換乘通道及安全出入口的施工。

1.2 周邊環(huán)境條件

1)地理位置

前門站周邊區(qū)域是全國最早的傳統(tǒng)商業(yè)區(qū)之一，商業(yè)、旅游客流量大。

2)建設用地

換乘廳所處位置為箭樓東側規(guī)劃的廣場綠地。3，4號換乘通道需下穿2號線前門站南側的人行道。

3)交通現(xiàn)狀

前門大街周邊是北京市南北向中軸線，規(guī)劃寬為80 m，為已建成的商業(yè)步行街，街西側為新建的前門西大街，東側為前門東大街，規(guī)劃寬為80 m。前門大街為雙向四車道，前門東西大街均為雙向八車道。

4)地下管線情況

φ 1 000污水管位于換乘廳基坑北側，管內(nèi)底標高38.13 m，埋深約5.3 m，與基坑水平凈距0.8～12.0 m;φ1 800雨水管為混凝土管，管內(nèi)底標高為39.10 m，埋深6.3 m，與換乘廳水平凈距最近約1 m; 2.1 m×1.1 m熱力溝溝內(nèi)底標高為39.32 m，埋深2.53 m，與換乘廳基坑平行，水平凈距0.8～3.0 m; φ1 200上水管，管頂標高為40.74 m，埋深3.79 m，與換乘廳水平凈距約6.5 m。施工前須改移電信及電力溝槽、φ150上水管、φ500雨水管。

5)地上、地下構筑物

換乘廳明挖基坑鄰近箭樓。箭樓為明代磚砌壁壘式四層建筑，為磚木結構，與換乘廳基坑水平距離約28 m?；颖眰葹檫B接北京站與北京西站的國鐵直徑線，地鐵2號線前門站，東側為前門過街通道。

1.3 工程地質及水文地質條件

建設范圍內(nèi)土層由上到下依次為:人工堆積層，一般為厚度4.0～7.8 m的雜填土(①層)、黏質粉土填土(①1層);人工堆積層以下為新近沉積層，層頂標高約35.59～37.54 m，包括黏質粉土、砂質粉土(②層)、粉質黏土(②1層);新近沉積層以下為第四紀沉積層，包括黏質粉土、砂質粉土(③層)，粉質黏土(③1層)及細砂、粉砂(③3層);細砂、中砂(④1層)及粉質黏土(④2層)、黏質粉土、砂質粉土(④3層);粉質黏土(⑤層)，砂質粉土、黏質粉土(⑤1層)，黏土(⑤2層);卵石、圓礫(⑥層)及細砂、中砂(⑥1層)、粉質黏土(⑥2層)。

坑深45 m范圍內(nèi)勘測到4層地下水，由上到下分別為上層滯水，水位埋深5.50～7.30 m，標高為37.33～38.37 m;層間水，水位埋深13.40～17.00 m，標高為28.55～32.19 m;潛水，水位埋深23.70～25.50 m，標高為18.78～20.09 m;承壓水，水位埋深25.20～29.70 m，標高為15.85～18.41 m。

2 方案優(yōu)化

依據(jù)初步設計，換乘廳采用明挖順作法施工。由前期調(diào)查可知該工法理論上可行，但在實施過程中施工條件極其困難，無法實現(xiàn)單項工程工期與整體工期目標的協(xié)調(diào)一致。

2.1 采用明挖順作法存在的難題

2.1.1 前期工作壓力大

1)園林伐移及恢復難度較大

換乘廳所處場地內(nèi)有大量樹木及景觀植物，其中部分銀杏樹位于換乘廳基坑范圍之內(nèi)，胸徑可達32～35 cm。由于該齡段的銀杏移植難度大，移植成活率低，且考慮施工場地地處天安門廣場南端，位置敏感，對天安門廣場、前門等景點會造成影響。此外，位于基坑南側的大直徑銀杏樹伐移難度大。園林單位要求減少占地面積和伐移量，盡最大可能減小對園林景觀的影響。

2)電信管線改移實施難度大，工期不可控

換乘廳場地內(nèi)管線眾多，產(chǎn)權復雜，施工前需對部分管線進行遷改。尤其是電信管道、管線及光纜數(shù)量多達90根，涉及多家產(chǎn)權單位，包括4根不明鉛纜、公安部的光纜，改移工程量大。根據(jù)以往類似經(jīng)驗，該管線部分光纜改移無法實施，其他光纜改移難度極大，改移費用高，對施工及造價影響大。另外，換乘廳所有管線的改移只有通過明挖基坑北側圍護樁外皮到熱力管溝之間的空間進行，間距僅為3.4 m，空間上無法滿足改移需要。

3)過街通道征占及改造施工難度大，人流疏散難度大

換乘廳施工過程中需長期占用并封閉過街通道出口，該處人流量較大，一旦征占，將阻斷道路兩側人員流通。路政局要求優(yōu)化換乘廳和接駁通道方案，降低社會影響。

換乘廳與過街通道接駁需占用快速公交專用道和人行道進行接駁通道的改造和還建施工，交通導改及改造施工實施難度較大。

2.1.2 施工場地較小，工效低

換乘廳明挖基坑寬25 m，位于箭樓東側綠地范圍內(nèi)，其余三面為公交停車帶，南側為公交站。因受公交站和周邊交通限制，該場地僅能從東端開門，換乘廳場地被基坑分為南北兩部分，且西側圍擋鄰近箭樓外擴難度大，造成場地南北兩塊分離、無通道。整個基坑主要靠北側場地施工，造成材料運輸、吊裝作業(yè)、鋼支撐架設、混凝土澆筑等施工組織不便，功效低。

2.1.3 施工時間長，節(jié)點工期不可控，工期緊

按照原方案籌劃，進行換乘廳場地一期圍擋的征占地、園林伐移、明挖順作換乘廳結構;換乘廳施工完畢后，進行地上物拆除、道路導行，完成二期圍擋的征占地，進行綜合換乘廳與過街通道的接駁及改造。其中一期圍擋占地面積為3 675 m2，二期圍擋占地面積新增620 m2，施工場地狹小，工效較低。

目前換乘廳內(nèi)已探明的需要永久及臨時改移的管線有:電信管(埋深1.8 m)、φ150上水管(埋深1.5 m)、電力管(埋深0.8 m)、φ400混凝土雨水管(埋深2.5 m)、φ500混凝土雨水管(埋深2.8 m)、φ300混凝土雨水管(埋深2.2 m)、電力管(埋深0.45 m)，其中電信管線改移周期長、不可控。除此外，在挖探過程中還將可能發(fā)現(xiàn)圖紙上未標明的管線，管線是否進行改移還需與產(chǎn)權單位進行溝通協(xié)調(diào)。綜上可見，管線遷改工作與產(chǎn)權單位協(xié)調(diào)工作量大，影響換乘廳施工，工期無法準確估計，根據(jù)以往類似經(jīng)驗，保守估計為12月。

換乘廳與過街通道接駁需占用快速公交專用道和人行道，交通導改實施須嚴格按照交管部門批準的時間進行，由于管線改移及其他不可預見因素干擾，導致無法在規(guī)定的時間內(nèi)恢復交通，該如何施工也是需要提早解決的難題。

如2013年7月1日開始進場，施工換乘廳場地園林伐移及電信管線改移，換乘廳及過街通道的改造將延遲到2015年7月，比預計工期滯后6個月，整體通車延遲至2018年5月，無法滿足合同工期要求。

2.1.4 施工與交通的安全問題

1)換乘廳場地圍擋占地面積本身較小，扣除基坑所占場地后，可利用的場地難以堆放施工材料、安排人員居住，人、機、材的安置均需依賴車站其余場地，人員、材料進出場都要穿越前門東路及前門大街，對施工人員及行人造成較大的安全風險。

2)換乘廳明挖圍護樁長16.8 m，鋼筋籠采用整體吊裝。根據(jù)以往經(jīng)驗，旋挖鉆機作業(yè)空間約9 m，吊車作業(yè)空間約12 m，鋼筋籠吊裝已超過圍擋范圍。由于前門人行道及前門大街人、車流量較大，吊裝作業(yè)嚴重危及車輛和行人安全。

綜上可見，換乘廳施工制約條件較多，明挖方案實施難度較大，實質性開工時間和總體工期無法保證，建議對方案進行優(yōu)化。

2.2 明挖順作法優(yōu)化為暗挖PBA工法方案可行性及優(yōu)化內(nèi)容

1)換乘廳整體降低后，具備明挖改暗挖施工條件

換乘廳明挖基坑基底埋深14.2 m，場地內(nèi)需要遷改的管線最大埋深為2.8 m，具備由明挖變?yōu)榘低谑┕l件。明挖結構頂板覆土厚度為1.6 m，需要將換乘廳結構標高下調(diào)至覆土厚7 m，底板埋深約21 m，使換乘廳拱頂位于黏質粉土層，拉大與管線之間豎向距離，保證自身及管線施工安全，同時底板未進入承壓水層，仍可采用堵水方案來處理地下水。

2)換乘廳明挖變暗挖施工方案優(yōu)化

經(jīng)與建筑設計溝通，為實現(xiàn)順利換乘，換乘廳內(nèi)需設置樓扶梯、進出站閘機、自動售票機等站內(nèi)設備及必備的車站用房，換乘廳平面尺寸適當調(diào)整，變?yōu)?0.6 m×26.1 m。為避免換乘廳調(diào)暗后與過街通道位置沖突、避開電信管線的改移、滿足交管局開門條件及方便確定豎井位置，換乘廳平面角度順時針旋轉37.94°。在施工場地內(nèi)，新增豎井及橫通道，換乘廳標高變化后相應調(diào)整換乘通道、接駁通道結構形式、坡度及長度。

方案優(yōu)化后換乘廳及換乘通道平面如圖2所示。

圖2 方案優(yōu)化后換乘廳及換乘通道平面

3)增加施工豎井、橫通道方案

換乘廳場區(qū)內(nèi)增設換乘廳豎井及橫通道，豎井位置選擇不占壓管線及對周邊管線影響較小且有利于材料進出場的位置。采用標準豎井，內(nèi)凈空尺寸為4.6 m×7.0 m，深約24.6 m，初支由噴射混凝土、鋼筋網(wǎng)及鋼筋格柵組成，井內(nèi)采用臨時型鋼支撐體系。橫通道設置在換乘廳主體中端偏右處，拱頂覆土厚度5.43 m，毛洞尺寸4.70 m×17.54 m，豎向采用5導洞開挖，每導洞采用臺階法施工，由噴射混凝土、深孔注漿、鎖腳錨管及格柵鋼架組成聯(lián)合支護體系。

4)暗挖主體方案

換乘廳暗挖主體部位設置在主體結構西北角，為地下二層三跨結構，長50.76 m，寬25.1 m，覆土厚約7 m，底板埋深約22.33 m。按施工工序，暗挖法又細分為PBA法、側洞法、中洞法及眼鏡法。各方法優(yōu)缺點對比見表1。

表1 前門站換乘廳暗挖工法比選

綜合考慮各暗挖工法的優(yōu)缺點及工程造價，換乘廳采用8導洞PBA工法逆作施工。小導洞為拱頂直墻斷面，拱頂覆土約7 m，小導洞及頂拱初支均由噴射混凝土、深孔注漿、鎖腳錨管及格柵鋼架組成，初期支護與結構內(nèi)襯墻組成復合墻結構，兩者間設置防水層。主體結構邊樁起支護作用兼作豎向受力樁基，承受暗挖逆作法頂拱拱腳豎向壓力，灌注樁與結構內(nèi)襯墻組成復合墻結構，兩者間設置防水層。

5)換乘廳洞內(nèi)增加豎井方案

3，4號換乘通道需上跨(局部側邊平行上跨)國鐵直徑線，考慮到直徑線于2015年底開始試運營，為減少換乘通道對直徑線的影響(運營后風險增加)，提前施工換乘通道上跨直徑線部分。

直徑線通車后會加大3，4號換乘通道施工難度，受地下列車運營影響沉降不易控制，初支及二次結構施工又增加一不良風險因素，可控性降低。此外，換乘通道施工會導致國鐵直徑線不均勻沉降，造成國鐵軌道沉降過大，給國鐵直徑線正常運營帶來影響。由于場地受限，無法找到合適的單獨設置豎井的位置，采用在換乘廳橫導洞內(nèi)增加豎井的方式提前開挖換乘通道，自豎井進洞施工換乘通道，出土利用小導洞作為運輸通道。同時，在不影響運輸?shù)那闆r下，可同期施工新增豎井所在換乘廳一跨以外小導洞內(nèi)結構。換乘通道二襯完畢后，回填豎井，按標準步序繼續(xù)進行換乘廳施工(含大拱、二襯、大土方開挖、內(nèi)部結構等)。

6)3，4號換乘通道施工步序調(diào)整方案

換乘通道自換乘廳內(nèi)豎井進洞施工，自換乘廳橫導洞6施工換乘通道雙層段超前支護，其中換乘通道雙層段及4號換乘通道爬坡段先期施工CRD工法南半側導洞，待換乘通道南半側導洞跨越國鐵直徑線后，設置橫向導洞，然后按CRD工法全斷面向西施工4號換乘通道;同時錯開8 m步距先期向東施工4號換乘通道北半側導洞;3號換乘通道待4號換乘通道施工超過3號換乘通道不小于10 m后，自換乘通道雙層段進洞施工;換乘通道初支結構施工完成后，自2號線方向向換乘廳施工換乘通道二襯結構，3號、4號換乘通道分別施工至雙層換乘通道接口處及臨時封端墻位置。待換乘廳二襯施工完畢，自換乘廳向外施工雙層換乘通道北半側導洞，導洞封端后施工剩余換乘通道二襯結構，分別與換乘廳、3號及4號換乘通道銜接。

7)接駁通道及風道方案

換乘廳主體部分設一個出入口，與既有的地下市政通道接駁，接駁通道從換乘廳西北角接出。

在換乘廳導洞開挖完成后，進洞破除馬頭門，待換乘廳結構完成后，爬坡與過街通道相接。換乘廳設置一組風亭，用于換乘廳與換乘通道部分的排風。為實現(xiàn)永久與臨時結構結合，風亭采用低矮風亭，與換乘廳豎井結合起來布置。

2.3 明挖順作法優(yōu)化為暗挖PBA法方案對比分析

2.3.1 前期工作難度大大降低

管線:新增豎井施工范圍內(nèi)不涉及管線遷改，且可避免電信管線改移。地上物:新增豎井施工場地內(nèi)存在部分草地，地上物拆遷明顯減少。征占地:新增豎井施工場地位于原明挖換乘廳圍擋范圍內(nèi)，現(xiàn)狀為園林用地，無需進行征占地。交通導改:換乘廳方案調(diào)整后，可避免占用前門大街7 m寬停車道及二次交通導改，縮短整體工期。過街通道改造與還建:方案調(diào)整后，無需封閉及破除過街通道，不影響人流疏導。

綜上分析可知:換乘廳方案調(diào)整后，只需對圍擋內(nèi)的地上物和園林樹木進行拆除和伐移，基本不用遷改管線，圍擋后拆除地上物和園林樹木即可展開施工，前期工作量及實施難度大大降低，施工制約因素減少，可控性強。

2.3.2 暗挖施工較明挖施工工期可控，有利于保證整體工期目標

原方案換乘廳、換乘通道工期安排分別如表2、表3所示。

換乘廳頂板回填施工完成后即進行換乘通道施工。前期工作、換乘廳及3，4號換乘通道施工工期為1 240 d。3，4號換乘通道在2015年8月13日方能完成下穿段初期支護施工，無法滿足國鐵直徑線于2015年底試運營要求。

方案優(yōu)化后換乘廳、換乘通道施工工期安排分別如表4、表5所示。

表2 明挖順作法換乘廳施工工期安排

表3 3，4號換乘通道施工工期安排

表4 PBA暗挖法換乘廳施工工期安排

換乘廳洞內(nèi)豎井完成后，即可提前進行3，4號換乘通道的開挖。前期工作、換乘廳及換乘通道完成施工工期為810 d。3，4號換乘通道可在2015年2月15日完成下穿段初支施工，可以滿足在國鐵直徑線通車之前完成開挖，減少后續(xù)施工風險，工期可控。

明挖變更暗挖后，制約工程開工因素減少，圍擋完成及地上物和園林拆遷后即可組織施工，可提前換乘廳開工時間，工期可控。方案優(yōu)化后，換乘廳完工日期提前10月，換乘通道完工工期提前4.5月，并能確保在國鐵直徑線運營前完成下穿段初支及二襯施工。

2.3.3 暗挖施工較明挖施工工程實體費用雖有所增加，但可大大減少前期費用，降低總體造價1)工程實體增加費用

明挖施工換乘廳費用為1 667.4萬元，暗挖施工豎井費用為100.5萬元，橫通道費用為408.9萬元，換乘廳洞內(nèi)豎井費用為50.0萬元，換乘廳暗挖主體費用為2 824.1萬元。3，4號換乘通道僅涉及步序調(diào)整，未有明顯工程量及費用變化。實體工程量變化導致規(guī)費增加92.0萬元，稅金增加65.1萬元。實體工程費用增加18 731.2萬元。

2)因前期工作量減小，降低了總費用

前期專項費用變化統(tǒng)計見表6。

表5 3，4號換乘通道施工工期安排

表6 前期費用變化統(tǒng)計

綜合實體工程費用及前期費用，總體工程費用降低111.5萬元。

2.3.4 社會效益好，降低施工風險

1)采用暗挖施工，可以增加場地利用率，可有效減少施工與交通的干擾，大幅提高工效，減少施工期間人員及材料穿行時施工人員、車輛和行人安全風險。

2)換乘通道施工風險大，變更后有充足的時間進行風險源的加固保護，避免了因搶工期增加的安全施工風險。

3)工程所在地理位置敏感，對文明施工要求較高。采用暗挖法施工，豎井實現(xiàn)全封閉施工，材料堆放實現(xiàn)模塊化布置，場地文明施工可得到有效保證。

4)原方案由于過街通道的改造施工需要占用前門大街7 m寬停車道，優(yōu)化方案可降低對既有過街通道及人流疏導的影響。

2.4 方案優(yōu)化分析結果

綜上所述，經(jīng)過對技術、經(jīng)濟、社會效益等方面的綜合對比，最終確定2，8號線換乘廳施工方法由明挖順作法改為暗挖PBA法。

3 結語

目前，換乘廳豎井及橫通道、主體導洞已開挖完成，正在進行樁、梁體系施工，3號換乘通道已開挖至人防段，4號換乘通道已開挖至雙層段，施工進度可以確保在國鐵直徑線運營前成功穿越。與采用明挖法相比，暗挖法可以大幅度節(jié)約工期。

本文對北京地鐵2、8號線前門站換乘廳明挖施工與暗挖施工的對比分析是在本工程特定的條件下進行的，有一定的局限性，僅供類似工程參考。

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(責任審編李付軍)

U455.4

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.06.16

1003-1995(2015)06-0058-06

2015-01-27;

2015-02-28

馬軍(1965—)，男，山東棲霞人，高級工程師。