作者：罗富荣 汪玉华 郝志宏
出版社：中国铁道出版社
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地铁车站洞桩法设计与施工关键技术试读：
前言
自20世纪60年代北京建成第一条地铁线路以来，经过近50年，中国进入了城市轨道交通蓬勃发展的时期，轨道交通已经成为解决大中城市交通问题的主要方式。以北京为例，目前地铁运营线路已达到18条，运营线路总长约527km，根据《北京市城市轨道交通第二期建设规划（2015～2021年）》，到2021年，北京市将形成27条运营线路、总长998.5km的城市轨道交通网络。
伴随着我国地铁建设规模的不断扩大，地铁修建技术也得到了较大的发展，施工工法已由原来单一的明挖法发展到现在的明挖法、盖挖法、浅埋暗挖法、盾构法等多种方法并存的局面，其中浅埋暗挖法因具有拆迁占地少，对城市环境及周边居民、交通等影响小，灵活方便等优点，已得到广泛应用。国内采用浅埋暗挖法修建地铁车站的历史相对较短，目前暗挖地铁车站施工方法主要有洞桩法、中洞法、柱洞法、侧洞法及双侧壁导坑法等，其中洞桩法特点最为突出，该工法结合了盖挖法和暗挖法的优点，在大部分土体开挖之前就已经形成了主受力的空间框架体系，大部分土体是在顶盖的保护下进行开挖，施工对地层扰动小，结构安全性高，能够较好地控制地层变形和对周边既有建（构）筑物的影响，对复杂的周边环境具有良好的适应性，特别适合于软土地区暗挖车站施工，因此，洞桩法具有十分广阔的发展前景，目前已成为北京地区暗挖地铁车站修建的主流工法，在北京地铁6号线一期及7号线工程17座暗挖地铁车站均采用了洞桩法进行施工。
虽然洞桩法目前在地铁修建过程中已得到大量应用，但关于洞桩法的设计及施工方面的系统研究仍然滞后，关键部位的受力机理和施工引起的变形规律不十分明确，因此有必要对洞桩法设计和施工过程中的关键技术进行系统的分析研究。本书通过对北京地铁复八线、4号线、10号线采用洞桩法修建的暗挖车站的调研，依托北京地铁6号线一期及7号线工程，全面、系统地研究了洞桩法设计及施工综合技术。进一步明确了关键部位的受力机理和结构与地层相互作用规律，统一了导洞断面尺寸、初期支护等参数，全面总结和提升了暗挖地铁车站洞桩法设计与施工关键技术，为工法的设计施工标准化作业奠定了基础。并冀望本书对地铁暗挖车站设计、施工能起到较好的借鉴作用。
本书主体内容分为6章。主要包括以下内容：
第1章：概述。主要介绍了国内暗挖地铁车站修建技术，洞桩法的发展历史及目前存在的问题等。
第2章：洞桩法车站设计关键技术。介绍了洞桩法的设计理念，结合工程实例系统论述了洞桩法结构型式及各自的适应条件。重点研究了施工竖井及横通道的设置形式，施工导洞的设计尺寸及开挖顺序，初支扣拱设计要点，车站结构计算方法，桩、柱下条形基础的设置方式及地基承载力计算，地下降水方案及多层洞桩法车站设计等。
第3章：洞桩法车站施工关键技术。系统论述了不同设置形式的施工竖井及横通道施工方法及措施，小导洞马头门施工要点，洞内围护桩成孔方式及对比，钻孔灌注桩设备选型，洞内钢管柱施工精度控制及顶纵梁、扣拱施工要点，关键节点防水施工等。
第4章：洞桩法车站地表沉降分析。结合工程实例，采用现场试验和理论分析，系统研究了不同地层洞桩法施工引起的地表变形规律。
第5章：北京市地铁建设发展特点及洞桩法的应用前景。分析了北京市地铁车站发展趋势及面临的问题，阐述了洞桩法在新形势发展下的前景。
第6章：北京市暗挖地铁车站洞桩法典型工程实例。选取北京地铁6号线一期及7号线部分典型工点，系统介绍了洞桩法修建暗挖地铁车站的设计与施工情况。
本书由罗富荣、汪玉华、郝志宏撰写，在撰写的过程中，北京市轨道交通建设管理有限公司刘天正、徐凌、张成满、童利红、曹伍富、虞蕹、高亚彬、张昊、黄齐武、赵元根、王余良、张登科、张瑜、朱胜利、陈明昊，中铁隧道集团有限公司王刚、林纯鹏、韩建坤、白纪军，北京市轨道交通设计研究院有限公司李铁生，北京城建设计发展集团股份有限公司王文胜，北京建筑大学土木与交通工程学院刘军、荀桂富以及中铁十六局集团有限公司、中铁十四局集团有限公司等参建单位及人员给予了大力支持与帮助。本书在撰写过程中，还参考了大量的专业文献，谨向相关作者深表感谢!
同时，本书的撰写也得到了北京市国有资本经营预算项目“深层空间地铁工程建设科技创新团队”的支持和资助，在此深表感谢!
鉴于作者水平及认识的局限性，书中难免存在不妥之处，恳请读者批评指正。
作者2015年9月第1章概述1.1国内地铁暗挖车站修建技术概况
1.1.1 国内地铁的发展及现状
当前我国经济社会已进入高速发展时期，国内大中城市普遍存在着大城市通病，道路交通拥挤、车辆堵塞、交通秩序混乱、环境代价突出，这些问题已经成为城市进一步深入发展的瓶颈。城市轨道交通是城市融入国际大都市现代交通的标志，它不仅是国家国力和科技发展水平的展现，也是解决城市交通综合问题的优选解决方案，同时为解决大城市综合瓶颈问题提供了有力的支撑。
自20世纪60年代北京建成第一条地铁线路以来，经过近50年的发展，中国进入了城市轨道交通蓬勃发展的时期，轨道交通已经成为解决大中城市交通问题的主要方式。国家“十二五”规划期间，全国城市轨道交通总建设里程将超过3000km，总投资将超过15000亿元。目前国内大陆地区已有22个城市（分别是：北京、上海、广州、天津、深圳、南京、重庆、长春、武汉、大连、沈阳、成都、佛山、西安、苏州、杭州、长沙、哈尔滨、宁波、郑州、昆明、无锡）拥有运营线路，总里程约2000km。另外青岛、东莞、合肥、南昌、南宁、福州、贵阳、石家庄、济南、太原、乌鲁木齐、兰州等城市轨道交通线路正在建设中。全部在建线路总里程超过2000km。目前国内已发展和规划发展城市轨道交通的城市总数已经超过50个，全部规划线路超过400条，总里程超过13000km。
与此同时，北京、上海、广州、深圳、南京、天津等一线大城市轨道交通已进入了大规模网络化建设和运营时代。北京目前运营线路已达到18条，线路长度约510km，即将开通和在建线路里程约130km。根据《北京市城市轨道交通建设规划方案（2011～2021年）》，至2020年北京轨道将包括30条线路，总长度为1177km，车站约450个。远景规划线网由35条线路组成，总长度1524km。预测2021年，北京市公共交通占机动化出行量比例为60％，轨道交通占公共交通出行量比例为62％。
轨道交通形成的大型网络正以前所未有的速度利用着城市地下空间，它与其他交通设施、地下市政设施、城市防灾设施、地下公共空间以及其他地下设施一起，成为地下空间开发利用的重要组成部分。
1.1.2 国内暗挖地铁车站发展及现状
地铁车站是地下铁道系统中一个重要组成部分，是乘客集散和候车的场所，须满足客流需求、乘候安全、疏导迅速、环境舒适、布置紧凑，便于管理等要求，目前地铁车站的发展趋势是综合化、人文化及科技化。
我国早期地铁车站主要是以北京地铁一、二期工程为代表，车站施工均采用明挖，车站型式主要为单层三跨岛式车站，局部为两层（上层为站厅），设备管理用房处于地下。随着城市道路交通量的急剧增加，受到某些地段不允许中断交通，或车站结构顶板覆土较厚，采用明挖法施工造价不合理等因素的影响，1986年后，北京出现了暗挖法施工地铁区间及车站的工程。全暗挖车站一般为双层，根据站台宽度的大小分为双柱三连拱、单柱双连拱型式，北京地铁采用此种型式较多。另外，当线路中间有高架桥桩基等构筑物时，多采用分离的暗挖双层车站型式，北京地铁10号线国贸站、公主坟站等便采用此种车站型式。
国内地铁车站暗挖的历史较短，但由于暗挖法施工具有占地小、拆迁量小、不影响城市交通、不扰民、不污染城市环境，且对地层有较强适应性和高度灵活性等优点，现已广泛应用于城市地铁车站施工。近期修建的北京地铁6号线一期及7号线采用暗挖法修建的地铁车站占比将近达到一半。随着社会的进步、人们环保意识的增强以及暗挖技术的进一步提高，采用暗挖法修建城市地铁车站必将越来越广泛。
目前国内暗挖地铁车站施工主要有三种方法：新奥法、浅埋暗挖法及盾构与暗挖综合法修建地铁车站。（1）新奥法
新奥法是在监控量测的基础上，及时更改喷射混凝土的厚度，锚杆、钢支撑和钢丝网的参数以及二次衬砌等支护措施，来保持开挖洞室的稳定，从而保证施工的安全。新奥法施工对大断面的开挖有侧壁导坑、台阶和CRD等，其施工流程为：放线→钻孔、装药和放炮→通风除尘后出渣→打锚杆、钢拱架支撑和挂钢筋网→施作喷射混凝土初期支护→最后修建模筑混凝土二次衬砌。用到的辅助工法有降水、大小导管注浆和采取必要的监控量测措施。（2）浅埋暗挖法
浅埋暗挖法是在“新奥法”原理上发展起来的新型暗挖工法，是以加固、处理软弱地层为前提，采用足够刚性的复合衬砌（由初期支护和二次衬砌及中间防水层所组成）为基本支护结构的一种用于软土地层隧道的暗挖施工方法。它以施工监测为手段指导设计与施工，保证施工安全，控制地表沉降。浅埋暗挖法的施工原则是：管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测。与明挖法相比，浅埋暗挖法的最大优点是避免了大量拆迁、改建工作，减少了对周围环境的粉尘污染和噪声影响，对城市交通的干扰小。虽然盾构法也具有上述同样优点，但盾构法不能适应隧道断面变化，而且当盾构开挖的隧道不是足够长时，盾构法的经济性不明显。浅埋暗挖法的缺点是地下作业风险大、机械化程度低。
浅埋暗挖技术从减少地表沉陷考虑，还必须辅以其他配套技术，比如地层加固、降水等。浅埋暗挖法十分重视施工方法的选择（尤其是地铁车站多跨结构和大跨结构），一个合理的结构型式和正确的施工方法能起到事半功倍的作用。
采用浅埋暗挖法时要注意其适用条件。首先，浅埋暗挖法不允许带水作业。如果含水地层达不到疏干，带水作业是非常危险的，开挖面的稳定性时刻受到威胁，甚至发生塌方。大范围的淤泥质软土、粉细砂地层，降水有困难或经济上选择此工法不合算的地层，不宜采用此法。其次，采用浅埋暗挖法要求开挖面具有一定的自立性和稳定性。常用单跨隧道浅埋暗挖方法选择如图1.1所示。
图1.1 常用的单跨隧道浅埋暗挖方法选择（3）盾构与暗挖综合法修建地铁车站
这种施工方法可一次采用盾构法将区间隧道和过站隧道贯通，再在盾构隧道的基础上扩挖而形成地铁车站，如正在修建的北京地铁14号线将台路站等，或直接利用大直径盾构机或连体盾构机修建地铁车站。
配合盾构法修建地铁车站的优点是可充分有效地利用盾构设备，达到进一步提高地铁工程的建设质量、缩短建设周期。从而使得盾构法在城市地铁工程中得到了大规模的采用。此工法具有不影响地面交通，不中断地下生命线（上下水道、电线和电话线管道以及天然气管道等），施工安全、机械化程度高等优点。适用于市区深埋车站和线路交汇处换乘下层站等。但是，其施工所使用的机械复杂，安装操作难度大。
1.1.3 暗挖法修建地铁车站的特点及难点（1）暗挖法修建地铁车站的特点
1）工程施工环境复杂
暗挖地铁车站一般都设置在城市中心城区交叉路口，车流量大，交通繁忙，地下管线纵横交错且周边高楼林立，环境非常复杂。
2）地铁车站通常跨度大、埋深浅
在软弱地层条件下修建浅埋、大跨、动载暗挖大型地下工程，施工条件困难，施工难度大。
3）施工场地狭窄，场地布置困难
城市中心区地铁施工，在减少对路面交通等周边环境影响的前提下，施工场地布置存在很大的局限性，如何在有限的施工场地内满足现场施工要求，是需要研究解决的一个难题。
4）车站高度通常较大，边墙所受侧压力大。
5）地质条件多变，地层不均匀、不连续，多有地下水发育。（2）暗挖法修建地铁车站的难点
1）很多城市地处河流冲击形成的平原上，地质软弱富水。浅埋大跨隧道要穿越淤泥层和含水砂层，必须采用人工降水措施，以创造无水作业条件，还要解决好人工降水以后车站的所存残留水，处理好地下水既是工程施工的重点，也是工程施工的一大难点。
2）大部分在城市干道下或建筑物下修建，且穿越河流、铁路及各种地下管线等，因而确保地面不发生沉降和坍塌，确保建筑物、道路、铁路、河流及地下管线等的安全是工程施工的一大难点。
3）车站规模大，多为双层，每座车站建筑面积达1万m 2 左右，且暗挖车站附属工程体量亦较大，确保结构自身施工安全是一大难点。
4）确保地铁车站结构防水质量，符合规范要求，做到不渗漏，既是工程质量重点，也是施工难点。
5）暗挖地站一般施工场地狭窄，场地布置困难。且施工工序多，工作面多，相互干扰大，因此施工组织是其一大难点。
1.1.4 暗挖地铁车站的主要施工方法（1）暗挖地铁车站的主要施工方法分类
目前国内暗挖地铁车站主要施工方法有洞桩法和分部开挖法，而分部开挖法又分为中洞法、侧洞法、柱洞法和双侧壁导坑法。
1）洞桩法
洞桩法是先施工小导洞，在小导洞内施作梁柱体系，然后再施作顶部结构，并在其保护下进行后期的土方开挖及二衬施工，其施工步序如图1.2所示。
图 1.2
图1.2 洞桩法施工步序图（三跨双层）
第一步，自横通道进洞，施工导洞拱部超前小导管，并注浆加固地层，开挖导洞并施作初期支护，下导洞贯通后，开挖横向导洞。
第二步，在导洞（A）（D）及横导洞内施工条基，在两边上下导洞内施工挖孔桩及桩顶冠梁，并在中间导洞内施工上下导洞间钢管混凝土柱挖孔护筒，挖孔前在下导洞需要开挖孔的四周打设小导管，进行孔周预注浆加固土层。
第三步，在下导洞（B）（C）内施工底板梁防水层及底板梁后，施工钢管混凝土柱，然后在导洞（2）（3）内施工顶拱梁防水层及顶纵梁，并在顶纵梁中预埋钢拉杆。
第四步，施工洞室Ⅰ、Ⅱ及Ⅲ拱顶超前小导管，并注浆加固地层，开挖导洞Ⅰ、Ⅱ及Ⅲ土体，施工顶拱初期支护。
第五步，导洞Ⅰ、Ⅱ及Ⅲ贯通后，由车站端头向横通道方向后退，沿车站纵向分段凿除小导洞（1）（2）（3）（4）部分初期支护结构，施工顶拱防水层及结构二衬，并及时施工钢拉杆。
第六步，顶拱二衬施工完成后，沿车站纵向分为若干个施工段，在每个施工段分层开挖土体至中楼板下0.5m处，分段施工中楼板梁及中楼板，并施工侧墙防水层、保护层及侧墙。
第七步，沿车站纵向分为若干个施工段，在每个施工段分层开挖土体至基底，施工底板防水层及底板，然后施工部分侧墙防水层及侧墙。
第八步，沿车站纵向分为若干个施工段拆除钢支撑，在每个施工段内施工结构侧墙防水层及侧墙，完成车站主体结构施工。
2）中洞法
中洞法施工一般先开挖中间部分（中洞），在中洞内施作梁、柱结构，然后再开挖两侧部分（侧洞），并逐渐将侧洞顶部荷载通过中洞初次支护转移到梁、柱结构上。这种施工方法，由于中洞的跨度较大，一般采用CD法、CRD法或眼镜工法等施工。中洞法施工工序复杂，但两侧洞对称施工，比较容易解决侧压力从中洞初次支护转移到梁柱上时产生的不平衡侧压力问题，施工引起的地表下沉较易控制。其施工工序如图1.3所示。
图1.3 车站中洞法施工工序（双跨双层）
3）柱洞法
柱洞法施工时，先在立柱位置施作一个小导洞，可用台阶法开挖。当小导洞做好后，在洞内再做底梁、立柱和顶梁，形成一个细高的纵向结构，该工法的关键是如何确保两侧开挖后初期支护同步作用在顶梁上，而且柱子左右水平力要同时加上且保持相等，涉及到工程结构静力平衡与动态转换交织等问题。其施工工序如图1.4所示。
图 1.4
图1.4 柱洞法施工顺序（三跨单层）
4）侧洞法
侧洞法施工首先根据暗挖断面的大小，将断面划分为两个侧洞，一个中洞。然后开始对两侧洞进行初衬施工，施工完侧洞的初衬之后，紧接着施工侧洞的二衬，待二衬施工完并达到设计强度后，对中洞再进行土方开挖及初衬施工，最后进行中洞二衬的施工。侧洞法施工步序如图1.5所示。
图1.5 侧洞法施工步序图
5）双侧壁导坑法
双侧壁导坑法也称眼镜法，为大断面暗挖施工方法的一种。各分块在开挖后立即各自闭合，结构相对较简单，很好地解决了大断面隧道开挖的安全性问题。
双侧壁导坑法（6导洞）施工步序如图1.6所示。
图 1.6
图1.6 双侧壁导坑法施工步序图
第一步：施作两侧洞室超前小导管，注浆加固地层，开挖洞室1土体，施作拱部支护及临时隔壁、临时仰拱。
第二步：1号洞室超前2号洞室3～5m，开挖洞室2土体，施作边墙、仰拱支护及临时隔壁。
第三步：施作3部超前小导管，注浆加固地层，根据监测情况确定与2号洞室之间错开的距离，弧形导坑开挖3部土体，施作初期支护；3部土体前进3～5m后开挖4部土体，施作临时仰拱，架设临时支撑。
第四步：4部土体前进3～5m后开挖5部土体，施作临时支护。
第五步：分段依次截断中隔壁，然后铺设防水保护层（第一环拆除长度6～7m，后续拆除长度根据洞内变形监测情况确定），浇筑仰拱混凝土，待上段混凝土达到设计强度后，进行下一段中隔壁截断及仰拱浇筑。
第六步：架设临时支撑，纵向分段（第一环拆除长度为6～7m，后续拆除长度根据洞内变形监测情况进行确定）拆除剩余临时隔壁，分次浇筑边墙，拱部二次衬砌，封闭成环。（2）暗挖地铁车站的主要施工方法对比分析
暗挖地铁车站主要施工方法特点见表1.1。
表1.1 暗挖地铁车站主要施工方法特点分析
主要施工方法对比分析见表1.2。
表1.2 施工技术对比表
洞桩法相比于浅埋暗挖法的其他工法比如中洞法、侧洞法、柱洞法等，主要的优势是地表沉降控制效果比较显著，其次断面利用率高、临时支撑少、施工作业面大、后期土方利于机械化开挖，施工速度快，尤其适合浅埋、软弱地层的多层多跨暗挖地铁车站施工。随着城市地铁的日益兴起相信该工法将有越来越广阔的应用前景。
1.1.5 暗挖地铁车站所面临的挑战及发展方向
随着现代施工技术的不断进步，暗挖法以其独特的优势成为当今城市地铁施工的主流施工技术之一。但是，随着城市轨道交通新的需求发展，暗挖法也面临新的挑战。
1）机械化、自动化程度不高。浅埋暗挖法多应用于软土或软岩地层，开挖一般采用分步开挖工法，常规的大型机械设备难以派上用场。劳动力投入较多，作业环境相对较差，劳动强度较大。
2）对专业技能、专业管理水平要求高。浅埋暗挖法一般设计在环境敏感、复杂，没有明挖施工条件的地段。周边的管线、地表的建筑物相对密集繁杂，环境风险突出。这就要求从业人员必须具有较高的管理水平，操作人员具有较高的专业技能。
3）强化环保意识，地铁的修建较大地改变了城市区域地层的地应力和水文地质的原始状态，尤其是水土流失会造成生态环境的改变，施工过程中如何保护地下水资源及施工安全是一大难题。
4）随着地铁线路向深埋方向发展，传统意义上的浅埋暗挖法不能完全满足我国轨道交通建设新的发展需求，这将对暗挖法施工技术是一个全新的挑战与机遇。1.2洞桩法的发展及现状
1.2.1 洞桩法的特点及难点
洞桩法（PBA法）是在浅埋暗挖法的基础上，结合了盖挖法的理念发展起来的，由边桩、中桩（柱）、顶底梁、顶拱共同构成初期受力体系，承受施工过程的荷载。其核心思想在于尽快形成竖向承载结构。该工法灵活多变，适应性较强。首先设法形成由侧壁支撑结构和拱部初期支护组成的整体竖向支护体系，代替传统的预支护和初期支护结构，以保证在进行洞室主体部分开挖时具有足够的安全度，并有效地控制地层沉降。具体为利用预先开挖的两侧小导洞空间，施作侧壁支撑结构（钻孔灌注桩或人工挖孔灌注桩加桩顶冠梁）和主洞的拱脚，再进行主洞的扣拱施工，最后在侧壁支撑结构和主洞拱顶初期支护构成的整体支护体系形成后，采用大型机械进行全断面开挖洞室的主体部分。小导洞施工有利于洞室的自稳，对地层的扰动小，引起的地表沉降较小；侧壁支撑结构强度高、稳定性好，可以作为施工止水帷幕，也可作为永久结构的一部分。（1）洞桩法的优点
1）桩、梁、拱、柱先期形成，首先形成了主受力的空间框架体系，后面的开挖都是在顶盖的保护下进行，施工安全且后期土方开挖施工空间开阔，可采用机械开挖，作业效率高，整体施工速度快，精度高，施工中也便于地下水的处理。
2）施工化大为小，独立成洞，支撑体系成型后进行后期土方施工，有利于变形控制，对周边环境影响小，适用于复杂条件下大跨暗挖车站施工。
3）洞桩法施工灵活，施工基本不受层数、跨数的影响，底部承载结构可根据地层条件做成底纵梁（条基）或桩基。
4）小导洞施工技术成熟、安全可靠，由于各导洞间具有一定距离，故可同步进行导洞施工，施工干扰小，各导洞内的柱、纵梁也可同时作业。
5）直墙式结构内有效净空大，节省了曲墙及仰拱结构工程投入。
6）结构二次衬砌分段浇筑，工序简单，作业面宽敞，能较好地保证防水层及二次衬砌混凝土的浇筑质量。（2）洞桩法的缺点
1）施工工艺复杂，施工难度大（特别是洞内进行钻孔灌注桩施工难度较大，泥浆排泄比较难），结构力系转换频繁，给设计和施工都增加了不小的难度。
2）洞桩法在一个十分狭窄的小导洞内完成一系列的钢筋、立模、浇筑、吊装等操作，作业环境较差。
3）扣拱施工作业条件差，拱架节点不易连接，操作技术难度大。
4）施工工序多，工作面多，相互有一定干扰，施工组织复杂。
1.2.2 洞桩法的发展及现状
洞桩法技术首次在北京地铁复八线暗挖地铁车站工程中得到了成功应用。由于洞桩法施工方式灵活，基本不受结构层数、跨数的影响，且对周边环境具有良好的适应能力，特别适合于复杂环境下暗挖地铁车站的施工，因而在后续的北京地铁4、10号线施工中得到了大量推广，在现阶段的北京地铁6、7号线暗挖地铁车站施工过程中，洞桩法技术得到了普遍应用，在6、7号线所有的暗挖车站中均涉及到洞桩法，目前已成为北京地区暗挖车站的一种主流工法。从其发展来看，洞桩法主要经历了以下几个阶段：（1）应用初期（北京地铁复八线，约1988～1998年）
北京地铁复八线的东单站、王府井站及天安门西站都采用了洞桩法施工，但在设计施工方面既有相同之处，也有不同之处。
在王府井站和东单站的设计和施工时，采用了边桩基+中桩基类结构，其施工步序见表1.3。
表1.3 王府井站施工步序
续上表
在天安门西站的设计与施工时，采用了边条基+中条基类结构，其简要施工步序如图1.7所示。
图1.7 天安门西站洞桩法施工步序图
天安门西站与东单站、王府井站在设计施工方面不同之处主要为：
1）增设了下层导洞，改桩基为条基。
2）抛弃临时中柱方案，直接利用钢管柱作为支撑。
3）改顺做为逆做，用结构板当支撑，施工更安全。
4）减少了力的转换，减少了由于工序的繁杂而引起的地面沉降。（2）应用推广期（北京地铁4号线和10号线，约2003～2008年）
在北京地铁10号线洞桩法设计施工的暗挖车站大多采用了边桩基类结构，如10号线的工体北路站、国贸站、呼家楼站和光华路站，均采用分离式单跨双层结构。劲松站结构型式为三跨双层结构，为了减少力的转换次数，减小临时支撑拆除量，在设计和施工中于中柱基础位置设置两个导洞，施作条形基础，形成边桩基+中条基类结构，其施工步序如图1.8所示。
图1.8 劲松站简要施工步序图
在4号线宣武门站和10号线苏州街站的设计中采用了边条基+中条基类结构，其施工工法同图1.8所示。唯一不同的是苏州街站为双层双跨结构，其简要施工步序如图1.9所示。
图1.9 苏州街站简要施工步序图（3）应用高峰期（现阶段北京地铁6、7号线，约2007～2012年）
洞桩法在北京地铁6、7号线得到了大量的应用，成为现阶段暗挖车站的主流工法，在两条线的所有暗挖车站中均涉及到了洞桩法。现阶段洞桩法车站在设计时，采用了边条基+中条基类结构，但在前期的基础上又有所发展，施工过程中，通过在两中柱下方的底纵梁之间及边桩与中柱下方的底纵梁与条基之间都增加了横向连接，形成了十字条形基础，使得整体性得到了加强，同时也提高了地基承载力，但也相应地增加了工程量及工程难度。其施工步序如图1.10所示。
图1.10 朝阳门站施工步序图
1.2.3 目前存在的问题（1）洞桩法的设计及施工方面的系统研究仍然滞后。洞桩法的设计和施工系统研究滞后，缺少统一标准。洞桩法施工技术难度大，在施工中结构受力多变，受力转换复杂，而结构设计多采用工程类比法，小导洞、初期支护以及边桩、钢管柱等结构参数设计一般根据以往经验进行选取，安全系数的取值不同，导致不同设计单位对条件相差不大的两座车站选取的结构设计参数存在差异明显的情况，不利于成本控制。（2）设计方面洞桩法应用的边界条件不明确。洞桩法施工适用地层的相关研究缺失，产生洞桩法相关施工工序适用地层不明确，根据工程类比法进行设计时产生一定的资源浪费，比如北京地铁10号线建设中大量使用的洞桩-柱法，因圆砾卵石层中施作钻孔灌注桩比较困难且导洞内泥浆排出困难，在北京地铁6号线一期建设中改为洞桩法。（3）未对导洞断面尺寸、初期支护设计参数等取值进行系统研究，随意性较大。洞桩法结构在设计中，没有现成的标准可以指导导洞断面尺寸和初期支护的参数选取，只能参照以往的经验，随意性较大，例如北京地铁6号线一期各洞桩法车站（使用人工挖孔桩）的边导洞尺寸均存在差异，且与地铁10号线洞桩法车站（使用机械钻孔桩）的差异不大，不利于减少工程成本。（4）仅依托单个工程对洞桩法施工引起的变形特点及变形控制措施进行研究，未进行系统研究。现阶段仅存在对单个地铁车站洞桩法施工引起的变形特点分析，和相应的变形控制措施研究，未系统探索洞桩法施工引起的地表沉降规律以及对周边环境的影响，还未有系统的洞桩法施工变形控制措施。第2章洞桩法车站设计关键技术2.1洞桩法车站设计理念
洞桩法（PBA法）的设计理念仍属于软地层浅埋暗挖法范畴，是在暗挖工法基础上结合了盖挖法技术特点，其工法思想：在即将开挖的结构轮廓周边，先期施作部分断面较小的洞室，在其中利用人工或机械形成由边桩、中桩（柱）、顶底梁、顶拱共同组成整个结构框架的初期结构竖向受力体系，以承受施工过程中较大的竖向土体荷载，同时形成侧壁支撑体系，以承受土体侧压力，在此过程中尽量减少结构体系的受力转换。其核心思想与浅埋暗挖法中的化大为小的开挖思路相统一。
对于地下暗挖工程而言，施工过程中对四周围岩压力的处理，是保证施工过程安全及环境安全的重点。传统的暗挖工法，主要采取将大断面分割成数个小断面分部开挖，随逐步二衬砌筑的同时实现初支及二衬间的受力转换。而洞桩法车站的理念更注重于以较小的环境扰动代价尽快完成主要结构框架受力构件，其工法设计理念构思巧妙、工序转换严谨，实现方法灵活，结构形式多变，环境适应性强，施工安全性高，经济指标合理，是目前国内外暗挖车站施工较为先进的建造技术。
对于北京地区的第四纪黏性土、粉性土及各种黏粉互层等较敏感围岩地质，洞桩法的理念能较好地满足工程建设在施工工期、技术难度、环境保护、工程造价、施工风险等方面的和谐统一，是目前北京地区使用最多的车站暗挖工法。2.2洞桩法车站结构选型
洞桩法在传统浅埋暗挖工法的基础上吸收了盖挖逆筑法的特点，在此理论前提下，其结构型式灵活多变，可根据不同的环境情况、地层条件及功能需要选用。按照分类方式的不同，可以有不同的分类结果。
按建成规模划分，有单跨双层、单跨多层、双跨双层、双跨多层、多跨双层、多跨多层等结构型式；单层结构一般不采用洞桩法施工。
按洞桩承载方式划分，有边条基+中条基类、边桩基+中条基类、全桩基类等。
按竖向构筑顺序划分，有暗挖逆筑法、暗挖顺筑法、暗挖半逆筑法。
2.2.1 按建成规模划分（1）单跨双层结构
单跨双层洞桩法结构，在结构上层开挖两个边导洞，在边导洞内施作边桩，边桩可采用人工挖孔或机械成孔型式。其结构断面如图2.1所示。
当车站受环境条件的限制（主要是桥桩），需要设计成分离岛式车站时，每个单岛车站主体结构通常采用单跨双层结构型式。此外，净跨较大的区间盾构接收通道、车站风道、区间风道等，一般也采用单跨双层洞桩法结构。
图2.1 单跨单层结构断面
例如，北京地铁6号线一期工程车公庄站由于西二环路官园桥桥桩的限制，车站左右线线间距达到50m才能保证区间隧道能够从桥桩中间穿过，此时车站设计为分离岛式，采用单跨双层洞桩法施工，为图2.1断面一的结构型式。北京地铁10号线二期工程公主坟站由于西三环路新兴桥的限制，车站左右线在新兴桥桥桩两侧通过，线间距达到70.5m，车站设计为分离岛式，采用单跨双层洞桩法施工，为图2.1断面一的结构型式。在稍早的北京地铁10号线一期工程国贸站、呼家楼站由于桥桩的限制也都采用了单跨双层分离岛式的做法，其断面结构型式为图2.1断面二。（2）双跨双层结构
双跨双层洞桩法结构，在结构上层开挖两个边导洞和一个中导洞，在边导洞内施作边桩，在中导洞内施作中柱，边桩和中柱可采用人工挖孔或机械成孔型式。其结构断面如图2.2所示。
图2.2 双跨双层结构断面
对于站台宽度较小的岛式车站或侧式车站，车站整体跨度较小，可采用双跨双层结构型式。此外，个别车站附属结构由于建筑功能需要也可采用该结构型式。
例如，北京地铁6号线一期工程花园桥站、北海北站为站台宽度10.8m的岛式车站，采用图2.2断面一的结构型式；北京地铁7号线工程广安门内站为站台宽度12m的岛式车站，采用图2.2断面一的结构型式；北京地铁10号线一期工程苏州街站为侧式车站，侧站台宽度6.65m，位于地下二层，采用图2.2断面二的结构型式；沈阳地铁2号线工程青年大街站为侧式车站，侧站台宽度6.2m，位于地下一层，采用图2.2断面二的结构型式，作为行车板的中板厚度有所加强；北京地铁8号线三期工程王府井站南端风道由于建筑功能需要采用双跨双层结构，采用图2.2断面一的结构型式。（3）三跨双层结构
三跨双层洞桩法结构，在结构上层开挖两个边导洞和两个中导洞，在边导洞内施作边桩，在中导洞内施作中柱，边桩和中柱可采用人工挖孔或机械成孔型式。其结构断面如图2.3所示。
图2.3 三跨双层结构断面
目前，大部分的岛式暗挖车站（站台宽度12～16m）均采用三跨双层结构断面。例如，北京地铁6号线一期工程车公庄西站（14m岛式车站）、东四站（14m岛式车站）、朝阳门站（13m岛式车站）、东大桥站（13m岛式车站）采用图2.3断面一的结构型式；北京地铁7号线工程达官营站（14m岛式车站）、虎坊桥站（14m岛式车站）、珠市口站（14m岛式车站）、桥湾站（12m岛式车站）、双井站（14m岛式车站）、九龙山站（14m岛式车站）采用图2.3断面一的结构型式；北京地铁10号线一期工程劲松站（12m岛式车站）采用图2.3断面二的结构型式。（4）三跨三层结构
三跨三层洞桩法结构，在结构上层开挖两个边导洞和两个中导洞，在边导洞内施作边桩，在中导洞内施作中柱，边桩和中柱可采用人工挖孔或机械成孔型式。其结构断面如图2.4所示。
当车站轨面埋深很大时（比如需下穿既有线），为充分利用地下空间和换乘的便利性，可将车站设计成三层结构。例如，北京地铁14号线工程蒲黄榆站由于线路下穿5号线蒲黄榆站，轨面埋深达到28m，为方便两线间的换乘，车站西端局部设计为三跨三层结构，采用图2.4断面一的结构型式；北京地铁8号线三期工程王府井站由于线路下穿1号线王府井站，轨面埋深达到29m，为方便两线间的换乘，车站全长设计为三跨三层结构，采用图2.4断面二的结构型式。
图2.4 三跨三层结构断面（5）四跨双层结构
四跨双层洞桩法结构，在结构上层开挖两个边导洞和三个中导洞，在边导洞内施作边桩，在中导洞内施作中柱，边桩和中柱可采用人工挖孔或机械成孔型式。其结构断面如图2.5所示。
图2.5 四跨双层结构断面
当车站主体结构与附属结构或周边开发功能整合设置时，可将车站设计成多跨结构。例如，北京地铁6号线三期工程廖公庄站、西黄村站和苹果园站将车站主体结构与风道整合设置，车站局部设计为四跨双层结构，采用图2.5的结构型式；北京地铁14号线工程安乐林站将主体结构与附属结构整合设置，车站全长设计为四跨双层结构，采用图2.5的结构型式。（6）其他结构型式
洞桩法结构可扩展性好，除了上述几种结构型式外，在横向和竖向可增加跨数和层数，具体结构型式可根据实际需要选用。图2.6列出了其他几种典型断面型式，这些断面目前虽尚无较多的工程实例，但根据洞桩法的工法特点及受力计算分析，其对下列断面形式具有较好的适应性。
对于多跨洞桩法结构，应尤为注意结构拱部地层沉降的控制及扣拱顺序对于拱顶不平衡推力的影响；对于多层洞桩法结构，地下水的控制和边桩、立柱竖向稳定性的计算尤为重要。
2.2.2 按洞桩承载方式划分
洞桩法车站的桩一般都在小导洞内施作，有条件时也可在地面施作，但暗挖法车站一般在地面交通繁忙或者地下管线及建（构）筑物众多的地段施工，因此自地面施作边桩及中桩的案例较少。根据洞桩法边桩与中桩（柱）的承载方式不同以及目前案例应用情况，把洞桩法分为以下三类：边条基+中条基类、边桩基+中条基类、边桩基+中桩基类。
图2.6 其他结构型式（1）边条基+中条基类
上导洞内施作边桩、中柱及顶纵梁与桩顶冠梁，下导洞施作底纵梁及条基，上下层导洞可分离或合并设置，边桩及中柱采用人工挖孔施工，如图2.7所示。
图2.7 边条基+中条基类
选用该结构做法，边桩及中柱护筒采用人工挖孔施作，施工便利且机动性强，基本不受地质条件的限制，应用范围较广。但由于上下层导洞开挖体量较大，相对其他结构做法会引起较大的地层沉降；且由于开挖导洞前即需进行地层降水，地下降水时间较长、降水量较大。
目前施工的大部分洞桩法车站都属于这类，例如北京地铁4号线工程宣武门站（图2.7断面三），北京地铁6号线工程花园桥站（图2.7断面二）、车公庄站（图2.7断面三）、东四站（图2.7断面三）、朝阳门站（图2.7断面三）等，北京地铁7号线工程广安门内站（图2.7断面二）、双井站（图2.7断面三）、九龙山站（图2.7断面三）等均为边条基+中条基类洞桩法车站。（2）边桩基+中条基类
上导洞内施作边桩、中柱及顶纵梁与桩顶冠梁，下中导洞施作底纵梁，用边桩取代下边导洞内条基，边桩采用机械成孔施工，中柱采用人工挖孔施工，如图2.8所示。
图2.8 边桩基+中条基类
选用该结构做法，由于导洞开挖量较小且边桩的隔离作用，对地层沉降及周边建构筑物的影响较小，尤其适用于车站邻近敏感构筑物的情况。然而在导洞内施工钻孔灌注桩作业空间小，施工环境差，对施工机械能力要求高，尤其是遇到大直径卵石地层时对工效影响较大。由于开挖导洞前即需进行地层降水，地下降水时间较长、降水量较大。
北京地铁10号线一期工程苏州街站（图2.8断面二）、劲松站（图2.8断面二），沈阳地铁2号线青年大街站（图2.8断面二）属于边桩基+中条基类洞桩法车站。（3）全桩基类
上导洞内施作边桩、中柱及顶纵梁与桩顶冠梁；取消下层导洞，用边桩取代下边导洞内条基，用桩基作为（临时）中柱承载基础，边桩及中柱均采用机械成孔施工，如图2.9所示。
选用该结构做法，由于仅开挖上层导洞，对地层沉降的影响最小；且由于边桩的隔离作用，对周边建构筑物的影响也较小，尤其适用于车站临近敏感构筑物的情况。在导洞内施工钻孔灌注桩作业空间小，施工环境差，对施工机械能力要求高，尤其是遇到大直径卵石地层时对工效影响较大。由于未开挖下层导洞，故无需提前将地下水降至底板以下，地下降水时间缩短、降水量减小。
北京地铁10号线一期工程国贸站（图2.9断面一）、呼家楼站（图2.9断面一）、工体北路站（图2.9断面一），北京地铁复八线工程东单站（图2.9断面三）、王府井站（图2.9断面三）属于全桩基类洞桩法车站。
图2.9 全桩基类
2.2.3 按竖向构筑顺序划分
采用洞桩法修建地铁车站时，首先在导洞内施作围护边桩、中柱、顶底纵梁和顶拱，然后在拱顶和边桩的保护下，逐层向下开挖土体并施作主体结构。根据主体结构竖向构筑顺序不同，可将洞桩法结构划分为暗挖逆筑法、暗挖顺筑法、暗挖半逆筑法。（1）暗挖逆筑法
暗挖逆筑法是在形成“边桩-中柱-顶拱”承载体系后，浇筑形成地下结构的顶拱二衬，然后自上向下逐层进行土方开挖，每开挖完一层，即浇筑本层的底板（同时也是下一层的顶板）和侧墙，逐层建造主体结构直至整体结构的底板。其典型工序见表2.1。
表2.1 暗挖逆筑洞桩法结构施工步序示意
暗挖逆筑法施工工艺相对复杂，开挖到中板后即需施工中板，达到设计强度后才能继续开挖到底板，结构净空小，开挖及出土较困难，但无需在洞内架设钢支撑或打设锚索，且采用结构板作为水平支承体系，结构刚度大，对控制地层变形有利。近期实施的北京地铁4号线、6号线、8号线、10号线工程的洞桩法地铁车站基本均采用暗挖逆筑法施工。（2）暗挖顺筑法
暗挖顺筑法是在形成“边桩-中柱-初支顶拱”承载体系后，向下进行土方开挖，直至地下结构基底设计标高，然后按照普通明挖车站的施工顺序，由下而上修建地下结构的主体结构，进行防水处理。其典型工序见表2.2。
表2.2 暗挖顺筑洞桩法结构施工步序示意
暗挖顺筑法所形成的永久结构和普通明挖车站施工方法建成的结构类似，从上到下开挖到底后再由下向上施工结构，不存在逆筑施工所形成的结构应力逆转问题。结构依次形成，整体性好，次生应力小；防水施工易于进行，防水效果较好，这都是暗挖顺筑法的优点。但是采用暗挖顺筑法施工，结构内部的水平支承体系需采用钢支撑或锚索，在空间有限的洞内施工难度大；长时间采用初期支护扣拱来承受上部地层压力，支护结构刚度较小，对控制地层沉降不利；水平支承结构刚度有限且独立承载时间长，其间的应力和变形也很难精确控制，所诱发的地层沉降较大，对邻近建筑物安全的影响也较大。在较早的北京地铁10号线一期工程国贸站采用暗挖顺筑洞桩法施工，目前应用较少。（3）暗挖半逆筑法
暗挖半逆筑法是在形成“边桩-中柱-二衬顶拱”承载体系后，向下进行土方开挖，直至地下结构基底设计标高，然后按照普通明挖车站的施工顺序，由下而上修建地下结构的主体结构，进行防水处理。其典型工序见表2.3。
表2.3 暗挖半逆筑洞桩法结构施工步序示意
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