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摘要：为解决在各种复杂环境条件下地铁车站建设的难题，以北京地铁14号线试验段车站建设工法的研究为背景，提出了采用大直径盾构扩挖修建车站的方案研究。
关键词：大直径盾构 扩挖 地铁车站限界 侧式站台
Study on design schemes for metro station driven with enlarging large-diameter shield tunnels
Wang Wenjun,Li Aimin,Zeng Deguang
Abstract：For solving the problem of the construction of metro station in a complex environment, the trial section project of the Beijing metro Line 14 is taked as subject investigated for the construction schemes, the design schemes of metro station driven with enlarging large-diameter shield tunnels were proposed to study.
Key words：large-diameter shield; enlarged excavation; metro station; gauge ; side platform
1背景
随着北京城市建设、地面交通和地铁建设的快速发展，地铁的建设用地愈来愈紧张，周边环境愈来愈复杂。特别是一些道路狭窄、周围建筑物密集、地下管线复杂的地段采用常规的地铁施工方法，给人民生活带来不便，对城市交通产生很大影响，同时造成管线改移困难、费用高等问题。在城市中心区修建地铁，这些问题将愈发突出。为了适应今后北京地铁的发展，结合北京的特点，寻求一种适应性高、灵活性好、对现状地上和地下环境影响小的设计和施工方法，故在北京地铁十四号线进行盾构扩挖设计和施工试验研究。结合本线的环境条件和工程难点等情况，选择将台路站、万红西街站、东四环北路站~将台路站区间、将台路站~万红西街站区间、万红西街站~阜通东大街站区间两站三区间作为试验段为背景，提出大直径盾构扩挖修建地铁的思路，并进行了分析研究。
2 大盾构扩挖车站方案的提出
2.1目前地铁车站和区间常规的施工方式及存在的问题
目前地铁车站主要采用明（盖）挖法和暗挖法施工，区间主要采用盾构法和矿山法施工，也有部分区间采用明挖法施工。 通常车站采用明（盖）法施工，在车站两端设置盾构端头井，区间才有条件采用盾构法施工；而暗挖车站目前只做到盾构调头，还不具备直接在车站端部设置始发井和接收井，实现始发和接收的功能。若要具备始发条件，需要在区间上另设盾构始发井。要具备接收条件，也需要在车站端部将盾构机平移到风井后，再进行接收。这些因素大大地制约了区间采用盾构施工的条件；目前，在建成区实施地铁车站受周边建筑、地下管线、地面交通等周边环境条件的制约，明挖施工条件越来越困难，另外车站暗挖施工又制约了区间的盾构施工。
2.2试验段工程特点
东四环北路站至阜通东大街段线路经过酒仙桥地区的老区，酒仙桥路是本地区唯一主干路，万红西街是连接广顺南大街与酒仙桥路主要道路，道路红线仅40m，特别是万红西街站处道路宽度仅为17m（图1为万红西街站道路断面），两侧建筑紧贴红线布置，交通导改难度大，地下管线改移量大，因此，将台路、万红西街站的车站明挖实施难度较大。本段起点东四环北路站位于四环路外，有大盾构的始发条件。万红西街站后具备较好的盾构接收条件,且根据地勘资料，这段范围的地层条件比较好，比较适合采用盾构施工，因此，经过研究和比选，选取本段线路作为大盾构扩挖车站的试验段。 图1 万红西街站道路断面
2.3盾构扩挖的思路
为了解决上述问题，我们通过研究提出了区间盾构先推过车站后，在车站范围采用盾构法与暗挖法联合修建车站的方法（简称盾构扩挖车站），该方法实现了车站暗挖和区间盾构的有机结合，既解决了困难地段车站的修建问题，也提高了盾构在区间的利用效率。
针对这一设计思路，国内学者对单洞单线已有进行过研究和应用。如广州地铁6号线东山口站已成功应用（左线站台隧道在6m直径盾构机先行过站后，再破除管片，将盾构隧道扩挖成车站左线站台）。北京地铁早在10号线一期工程三元桥车站进行过设计研究，当时主要是针对区间采用外径为6m的常规盾构进行了研究，通过研究发现，采用常规盾构扩挖修建车站实施难度很大，且不易满足车站的功能。为此需另寻新的思路，提出本试验段主要采用大直径盾构扩挖实现车站。
2.4扩挖车站形式
通过前期对日本、俄罗斯、德黑兰1、2号线（法国设计）等国外地铁工程的调研，国外有很多先施工盾构区间 ，后实施车站的成功经验和思路。在此基础上，分析研究了盾构区间与扩挖车站的可能性， 根据十四号线建设条件特点，主要概括为以下三种形式，并进行了比较，即：图1为单洞双线盾构扩挖侧式车站，图2为单洞双线盾构扩挖岛式车站，图3为双洞双线盾构扩挖岛式车站。
图2 单洞双线盾构扩挖岛式车站 图3 双洞双线盾构扩挖岛式车站
三种车站都是利用盾构扩挖形成车站站台层，而其站厅及设备用房则尽量置于路侧可明挖施工的场地内（可以在地上或地下），站厅与站台之间则用暗挖通道连接，设备用房与站台之间则用暗挖电缆廊道连接。
经过比较，单洞双线的侧式车站虽然在功能上与其它两种形式相比稍有不足，但从总体的工程量和施工难度上相比，还是有较大的优势，所以试验段车站推荐采用单洞双线扩挖侧式车站的形式，对有特殊需要的车站可采用单洞双线扩挖岛式车站。双洞双线扩挖岛式车站虽然在功能上优势比较明显，但区间的工程量太大，工程中一般不采用。
3大直径盾构的确定
3.1单洞单线岛式车站圆形隧道限界
区间盾构机通过车站，需利用盾构空间作为车站的一部分。当采用分离岛式车站时，由于站台宽度在站台面以上2米高度范围内，最小宽度需3.5m，B2型车轨道中心线距离站台边直线段为1500mm，曲线段最大1580mm，以及考虑车辆肩部距离车辆动态限界空间最小300mm的要求，确定车站及区间隧道圆形隧道合理建筑限界为直径7600mm。
3.2单洞双线盾构隧道限界
为了充分利用盾构隧道经过车站后的空间以及区间的行车限界要求，综合考虑到侧式车站中间立柱的线间距要求、设置9号单渡线道岔的線间距要求及疏散平台的设置要求，本工程区间采用线间距4.2m。按照车辆肩部与设备限界最小间隙300mm控制建筑限界，确定本工程单洞双线盾构隧道的建筑限界为8800mm，为经济合理限界。
4大盾构扩挖车站方案的选择和优势
经过比较，单线大盾构在工程量、造价、安全性、实施难度等方面相对其它形式具有综合优势，经比选，采用限界8.8m，隧道内径9m的单线盾构隧道方案，在单线盾构隧道基础上进行车站扩挖施工，形成侧式站台车站，车站平面见图4，车站断面见图1。 图4 万红西街站平面图
东四环北路站具有始发条件，将台路站、万红西街站为扩挖站，在万红西街~阜通东大街区间具备设置接收井条件，根据地勘资料，这段范围的地层条件比较好，适合采用盾构施工，因此确定本段作为大盾构试验段，全长约3.6km。
经过比较，大盾构扩挖法具有一定的优势：
1、对地面周边环境影响小，外部协调工作量大大减小。
2、与明盖挖法相比，将台路站、万红西街站两座大盾构扩挖车站可少改移管线36根，约3400m。
3、与明盖挖法相比，可节省交通导改费用。
4、盾构机可连续施工几个区间和车站，施工可操作性强，避免了常规暗挖车站需要过站或站内调头，解决了暗挖车站与盾构区间结合的难题。
5、单洞双线側式站台车站，空间大，地下乘车空间效果好。
通过初步的设计研究，大盾构扩挖车站在管线改移、交通导改、外部协调工作量、站位布置、盾构施工等方面具有较大优势，这种方法适合在城市中心区修建地铁，特别是在地铁沿线建筑密集，交通繁忙，地下管线直径大、种类多、埋深等困难环境下修建地铁。
6结束语
（1）在日益发展和复杂的城市环境下，在国内首次对大直径盾构扩挖地铁车站方案及工法进行了试验和研究，确定了盾构合理的隧道内径为9m。
（2）从车站功能和经济合理性来说，采用单洞双线扩挖形成侧式站台车站较为合理。
（3）为今后北京地铁，乃至全国地铁的建设提供一条新的工法和设计思路。
虽然本工法仍有很多具体问题需要继续研究解决，但其本身无论是技术还是经济上都是完全可行的，使得我们对解决特殊及困难地段地铁车站的建设问题拥有了更多的技术解决手段，对困难地段地铁车站方案设计有指导意义。
参考文献
[1]施仲衡，张弥，王新杰等．地下铁道设计与施工[M]．西安：陕西科学技术出版社，1997
[2]林朝．盾构区间扩挖技术在东山口地铁站施工中的应用[J] ．广州土木与建筑，2006，6（6）：23-25
[3]许世伟．盾构扩挖修建地铁车站施工方案研究[硕士论文D] ．北京：北京交通大学，2006
[4]吴占瑞．盾构扩挖修建地铁车站对临近建筑物的影响研究[硕士论文D] ．成都：西南交通大学，2009
[5]北京城建设计研究总院有限责任公司，天津市市政工程设计研究院．北京地铁十四号线工程11标段总体设计方案及初步设计方案[R] ．北京：北京城建设计研究总院有限责任公司，2009
[6]张新金，刘维宁，路美丽等．盾构法与明挖法结合建造地铁车站的结构方案研究[J] ．铁道学报，2009，31（6）：84-90
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词：大直径盾构 扩挖 地铁车站限界 侧式站台
Study on design schemes for metro station driven with enlarging large-diameter shield tunnels
Wang Wenjun,Li Aimin,Zeng Deguang
Abstract：For solving the problem of the construction of metro station in a complex environment, the trial section project of the Beijing metro Line 14 is taked as subject investigated for the construction schemes, the design schemes of metro station driven with enlarging large-diameter shield tunnels were proposed to study.
Key words：large-diameter shield; enlarged excavation; metro station; gauge ; side platform
1背景
随着北京城市建设、地面交通和地铁建设的快速发展，地铁的建设用地愈来愈紧张，周边环境愈来愈复杂。特别是一些道路狭窄、周围建筑物密集、地下管线复杂的地段采用常规的地铁施工方法，给人民生活带来不便，对城市交通产生很大影响，同时造成管线改移困难、费用高等问题。在城市中心区修建地铁，这些问题将愈发突出。为了适应今后北京地铁的发展，结合北京的特点，寻求一种适应性高、灵活性好、对现状地上和地下环境影响小的设计和施工方法，故在北京地铁十四号线进行盾构扩挖设计和施工试验研究。结合本线的环境条件和工程难点等情况，选择将台路站、万红西街站、东四环北路站~将台路站区间、将台路站~万红西街站区间、万红西街站~阜通东大街站区间两站三区间作为试验段为背景，提出大直径盾构扩挖修建地铁的思路，并进行了分析研究。
2 大盾构扩挖车站方案的提出
2.1目前地铁车站和区间常规的施工方式及存在的问题
目前地铁车站主要采用明（盖）挖法和暗挖法施工，区间主要采用盾构法和矿山法施工，也有部分区间采用明挖法施工。 通常车站采用明（盖）法施工，在车站两端设置盾构端头井，区间才有条件采用盾构法施工；而暗挖车站目前只做到盾构调头，还不具备直接在车站端部设置始发井和接收井，实现始发和接收的功能。若要具备始发条件，需要在区间上另设盾构始发井。要具备接收条件，也需要在车站端部将盾构机平移到风井后，再进行接收。这些因素大大地制约了区间采用盾构施工的条件；目前，在建成区实施地铁车站受周边建筑、地下管线、地面交通等周边环境条件的制约，明挖施工条件越来越困难，另外车站暗挖施工又制约了区间的盾构施工。
2.2试验段工程特点
东四环北路站至阜通东大街段线路经过酒仙桥地区的老区，酒仙桥路是本地区唯一主干路，万红西街是连接广顺南大街与酒仙桥路主要道路，道路红线仅40m，特别是万红西街站处道路宽度仅为17m（图1为万红西街站道路断面），两侧建筑紧贴红线布置，交通导改难度大，地下管线改移量大，因此，将台路、万红西街站的车站明挖实施难度较大。本段起点东四环北路站位于四环路外，有大盾构的始发条件。万红西街站后具备较好的盾构接收条件,且根据地勘资料，这段范围的地层条件比较好，比较适合采用盾构施工，因此，经过研究和比选，选取本段线路作为大盾构扩挖车站的试验段。 图1 万红西街站道路断面
2.3盾构扩挖的思路
为了解决上述问题，我们通过研究提出了区间盾构先推过车站后，在车站范围采用盾构法与暗挖法联合修建车站的方法（简称盾构扩挖车站），该方法实现了车站暗挖和区间盾构的有机结合，既解决了困难地段车站的修建问题，也提高了盾构在区间的利用效率。
针对这一设计思路，国内学者对单洞单线已有进行过研究和应用。如广州地铁6号线东山口站已成功应用（左线站台隧道在6m直径盾构机先行过站后，再破除管片，将盾构隧道扩挖成车站左线站台）。北京地铁早在10号线一期工程三元桥车站进行过设计研究，当时主要是针对区间采用外径为6m的常规盾构进行了研究，通过研究发现，采用常规盾构扩挖修建车站实施难度很大，且不易满足车站的功能。为此需另寻新的思路，提出本试验段主要采用大直径盾构扩挖实现车站。
2.4扩挖车站形式
通过前期对日本、俄罗斯、德黑兰1、2号线（法国设计）等国外地铁工程的调研，国外有很多先施工盾构区间 ，后实施车站的成功经验和思路。在此基础上，分析研究了盾构区间与扩挖车站的可能性， 根据十四号线建设条件特点，主要概括为以下三种形式，并进行了比较，即：图1为单洞双线盾构扩挖侧式车站，图2为单洞双线盾构扩挖岛式车站，图3为双洞双线盾构扩挖岛式车站。
图2 单洞双线盾构扩挖岛式车站 图3 双洞双线盾构扩挖岛式车站
三种车站都是利用盾构扩挖形成车站站台层，而其站厅及设备用房则尽量置于路侧可明挖施工的场地内（可以在地上或地下），站厅与站台之间则用暗挖通道连接，设备用房与站台之间则用暗挖电缆廊道连接。
经过比较，单洞双线的侧式车站虽然在功能上与其它两种形式相比稍有不足，但从总体的工程量和施工难度上相比，还是有较大的优势，所以试验段车站推荐采用单洞双线扩挖侧式车站的形式，对有特殊需要的车站可采用单洞双线扩挖岛式车站。双洞双线扩挖岛式车站虽然在功能上优势比较明显，但区间的工程量太大，工程中一般不采用。
3大直径盾构的确定
3.1单洞单线岛式车站圆形隧道限界
区间盾构机通过车站，需利用盾构空间作为车站的一部分。当采用分离岛式车站时，由于站台宽度在站台面以上2米高度范围内，最小宽度需3.5m，B2型车轨道中心线距离站台边直线段为1500mm，曲线段最大1580mm，以及考虑车辆肩部距离车辆动态限界空间最小300mm的要求，确定车站及区间隧道圆形隧道合理建筑限界为直径7600mm。
3.2单洞双线盾构隧道限界
为了充分利用盾构隧道经过车站后的空间以及区间的行车限界要求，综合考虑到侧式车站中间立柱的线间距要求、设置9号单渡线道岔的線间距要求及疏散平台的设置要求，本工程区间采用线间距4.2m。按照车辆肩部与设备限界最小间隙300mm控制建筑限界，确定本工程单洞双线盾构隧道的建筑限界为8800mm，为经济合理限界。
4大盾构扩挖车站方案的选择和优势
经过比较，单线大盾构在工程量、造价、安全性、实施难度等方面相对其它形式具有综合优势，经比选，采用限界8.8m，隧道内径9m的单线盾构隧道方案，在单线盾构隧道基础上进行车站扩挖施工，形成侧式站台车站，车站平面见图4，车站断面见图1。 图4 万红西街站平面图
东四环北路站具有始发条件，将台路站、万红西街站为扩挖站，在万红西街~阜通东大街区间具备设置接收井条件，根据地勘资料，这段范围的地层条件比较好，适合采用盾构施工，因此确定本段作为大盾构试验段，全长约3.6km。
经过比较，大盾构扩挖法具有一定的优势：
1、对地面周边环境影响小，外部协调工作量大大减小。
2、与明盖挖法相比，将台路站、万红西街站两座大盾构扩挖车站可少改移管线36根，约3400m。
3、与明盖挖法相比，可节省交通导改费用。
4、盾构机可连续施工几个区间和车站，施工可操作性强，避免了常规暗挖车站需要过站或站内调头，解决了暗挖车站与盾构区间结合的难题。
5、单洞双线側式站台车站，空间大，地下乘车空间效果好。
通过初步的设计研究，大盾构扩挖车站在管线改移、交通导改、外部协调工作量、站位布置、盾构施工等方面具有较大优势，这种方法适合在城市中心区修建地铁，特别是在地铁沿线建筑密集，交通繁忙，地下管线直径大、种类多、埋深等困难环境下修建地铁。
6结束语
（1）在日益发展和复杂的城市环境下，在国内首次对大直径盾构扩挖地铁车站方案及工法进行了试验和研究，确定了盾构合理的隧道内径为9m。
（2）从车站功能和经济合理性来说，采用单洞双线扩挖形成侧式站台车站较为合理。
（3）为今后北京地铁，乃至全国地铁的建设提供一条新的工法和设计思路。
虽然本工法仍有很多具体问题需要继续研究解决，但其本身无论是技术还是经济上都是完全可行的，使得我们对解决特殊及困难地段地铁车站的建设问题拥有了更多的技术解决手段，对困难地段地铁车站方案设计有指导意义。
参考文献
[1]施仲衡，张弥，王新杰等．地下铁道设计与施工[M]．西安：陕西科学技术出版社，1997
[2]林朝．盾构区间扩挖技术在东山口地铁站施工中的应用[J] ．广州土木与建筑，2006，6（6）：23-25
[3]许世伟．盾构扩挖修建地铁车站施工方案研究[硕士论文D] ．北京：北京交通大学，2006
[4]吴占瑞．盾构扩挖修建地铁车站对临近建筑物的影响研究[硕士论文D] ．成都：西南交通大学，2009
[5]北京城建设计研究总院有限责任公司，天津市市政工程设计研究院．北京地铁十四号线工程11标段总体设计方案及初步设计方案[R] ．北京：北京城建设计研究总院有限责任公司，2009
[6]张新金，刘维宁，路美丽等．盾构法与明挖法结合建造地铁车站的结构方案研究[J] ．铁道学报，2009，31（6）：84-90
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。