1 引 言
随着经济社会的发展，地下空间作为人类赖以生存的第二空间，其重要性日益凸显。对城市地下空间的开发利用已成为解决城市土地资源紧缺、环境恶化、人口过度聚集等难题的重要举措，是实现城市可持续发展的重要技术路径。其中，地铁系统建设是城市地下空间开发利用的重点方向。在过去几十年的发展历程中，明挖法和盖挖法是地铁车站建设中应用最广泛的施工方法。然而，随着城市化建设的进行，明挖法和盖挖法对周边环境的影响越来越难以忽视，因此地铁车站暗挖技术得到飞速发展和广泛应用。
我国地域辽阔且地质环境差异显著，工程实践中形成了多种不同适用性的暗挖工法。当前新建地铁车站正朝着大跨度、大规模的方向发展，车站结构日趋复杂，进一步加剧了建设过程的不可预测性、耦合效应及高风险性。为了推动地铁车站建设的高效、安全和可持续发展，对地铁车站暗挖工法研究和最新技术应用进行综述。首先，建立地铁车站文献数据库，通过运用VOSviewer软件对文献进行可视化分析，明确研究主题、方法及演进趋势；其次，对我国地铁车站各暗挖工法的应用现状和重点研究方向进行总结；最后，归纳地铁车站暗挖工法的研究趋势，为推动地铁车站科学化、合理化、绿色化施工提供一定的参考和借鉴。
2 地铁车站暗挖工法研究国内外期刊源可视化分析
2.1 数据来源
基于中国知网与WebofScience数据库，以“地铁车站施工”和“浅埋暗挖&地铁车站”为关键词，检索2000—2023年的相关文献，共得到876篇，去除“地铁运营”等与主题关联性较小的文献，最终得到196篇。通过调查发现，《现代隧道技术》是发文量最高的中文期刊，共28篇；《Tunnelling and Under⁃ ground Space Technology》是发文量最高的英文期刊，共12篇，详见表1。
表1 地铁车站暗挖工法的主要期刊
2.2 研究主题
为明确我国地铁车站暗挖工法领域的研究主题，借助VOSviewer对上述文献关键词进行可视化分析，如图1所示。节点代表关键词，节点直径代表发文频率，颜色代表活跃主要年份。除了“地铁车站”“地铁”“隧道工程”等关键词之外，其他热点关键词也能揭示相关研究关注的问题。例如，“地表沉降”是地铁车站暗挖施工研究关注的重点，“数值模拟”是常用的研究方法。
图1 关键词年份共现网络
2.3 研究方法
统计各文献研究方法，如图2所示。可见，各文献主要采用数值模拟、现场监测、模型试验3种方法，有74.9%的文献采用1种研究方法，其中最多的是数值模拟，占62.0%；有25.1%的文献采用了多种研究方法，其中现场监测+数值模拟占17.9%，模型试验+数值模拟占5%，还有2.2%的文献同时采用以上3种研究方法。
图2 研究方法
2.4 研究演进趋势
对地铁车站暗挖工法进行统计，如图3所示。可见，洞桩法是最热门的暗挖工法，其次是盾构综合法，我国部分已建成地铁车站的结构形式和施工方法见表2。在实际工程中，通常结合多种工法进行施工，如针对特大断面车站，采用中洞法+台阶法或柱洞法+双侧壁导坑法等。
图3 暗挖工法研究频次
表2我国部分已建成地铁车站
3 地铁车站暗挖工法研究应用现状
3.1 盾构综合法
盾构综合法即为在盾构隧道基础上进行扩挖地铁车站的暗挖工法，既能提高施工机械化程度和工程质量，缩短周期，降低造价，又不用中断地面交通和管线改迁；已在伊朗（混凝土拱门预支撑体系扩建浅埋盾构隧道）、英日德（多隧道互联构建车站）成功应用。
采用盾构综合法修建地铁车站时需统筹车站结构及隧道施工进度，以降低盾构过站影响。盾构综合法过站方式分为两类：（1）“先站后隧”，按支护方式分为初期支护步进过站和二次衬砌步进过站，如图4所示；（2）“先隧后站”，采用盾构直接掘进过站，后期破除管片后再施作车站，如图5所示。初期支护步进过站施工灵活，但难度大、风险高；二次衬砌步进过站经济、安全，但要求严格；直接掘进过站施工方便，但管片废量大。
图4“先站后隧”的两种过站方式
图5 先隧后站
目前“先站后隧”施工工艺较为成熟，相关过站方案案例见表3。其中，滚杠法施工简便但受制于场地平整度要求；滑动过站法存在工期长、无法通过“台阶”、姿态控制困难等缺点；弧形导台法过站方向可控但缺乏顶升或平移功能；轮轨法借鉴了导台过站的优点，加入了顶升功能，减小了摩擦力，但施工难度较大。
表3 盾构过站案例
“先隧后站”过站方式目前研究和应用最多的为浅埋暗挖扩挖法，其中应用最广的是PBA法扩挖盾构隧道（图6），如北京地铁14号线将台站。在浅埋暗挖扩挖法的基础上，衍生出了一系列施工方法：横通道法（SCB法）适用于两平行隧道组成的侧式站台车站（图7），如北京樊家村站；半盾构法用来修建较宽站台的岛式单层车站（图8）；托梁法主要适用于单层岛式站台车站（图9），如日本永田盯站；管棚法是在拱形管棚支护作用下进行管片拆除和土体开挖（图10），如滨街车站；扩径盾构法是对原有隧道通过盾构扩径来修建车站（图11）；插管冻结法是指在插管冻结的双线盾构隧道区间扩建地铁车站（图12），杭州地铁2号线某盾构隧道采用此方法扩建车站，成功穿越了软弱地层。相较于“先站后隧”过站方现式，“先隧后站”施工机械复杂，同时隧道间距越大，对刀头性能的要求越高。
图6 PBA法扩挖盾构地铁车站
图7 SCD法
图8 半盾构法
图9 托梁法
图10 管棚法
图11 扩径盾构法
图12 插管冻结法
“先隧后站”扩挖施工会造成较大的地表沉降，可采取小导管注浆或大管棚等预加固措施进行控制。同时，伴随内部土方开挖，车站整体结构会产生上浮效应，须采取相应的抗浮措施：一方面可以在开挖前对下部土体进行预加固，另一方面可以布设抗拔桩以提高结构抗浮能力。在下部基岩强度较高时，采用“牛腿抗浮结构+抗浮桩”可显著抑制地下水浮力对地铁车站的影响。
盾构综合法虽已较为成熟，但实际应用过程中需重点关注扩挖引起的围岩应力变化，尤其在管片拆除后受力结构体系发生改变，由整环管片受力变为开口管片受力，目前对结构体系转换的力学响应研究仍有不足。
3.2 顶管法
顶管法施工无需中断交通及改迁管线，具有施工效率高、扰动小等优点，主要适用于淤泥质土、黏土等地区。
我国部分采用顶管法建成的地铁车站见表4。表4中的顶管机大多采用矩形断面形式，具有浅埋适应性强、空间利用率高两大显著优势。但在顶进时易发生背土效应，即隧道卸载拱以下的土体因自重塌覆于顶管机顶面，在摩阻力作用下沿顶进方向产生压缩或移动，进而影响顶管的稳定性和施工效率。可通过注浆减阻来控制背土效应，常用的注浆材料有膨润土和高分子材料。针对顶管回退难题，需安装止退装置限制反向位移，上海地铁14号线静安寺站创新性地提出采用“止退钢结构+千斤顶”系统（图13），实现了管节收缩量小于35mm的精准控制。
表4 我国部分顶管法建成的地铁车站
图13 新型止退装置
研究顶管施工引起的地层变形对后续优化施工技术和安全距离至关重要。顶管施工引起的地表变形如图14所示，呈3阶段特征：顶管穿越断面前地表缓慢隆起，穿过断面时地表产生的沉降增大，穿过断面后随顶进距离的增加沉降持续积累。顶推力、管土摩擦力及注浆压力是影响地表沉降的3个重要因素。顶推力计算关系着能否顺利贯通，一般顶推力计算仅考虑顶管上覆土压力和周围注浆情况，土压力计算理论主要有普氏土压力理论（深埋）和太沙基理论（浅埋）。顶管位于水位线以下时，还应考虑水的浮力与润滑作用对顶推力的影响。如上海地铁华山路站通过冻结-曲线顶管工法，不仅有效解决了车站止水问题，还提高了地层整体力学性能。
图14 顶管施工地表变形规律
管幕法又称排管顶进法，是在拟暗挖位置外围顶进钢管形成封闭支护体系的施工方法。近年来，随着管幕法应用愈发成熟，针对不同地质条件研制出了多种不同管幕类型与接头形式，形成了新管幕工法（NTR法），如图15所示。2009年，沈阳新乐遗址站采用管幕预筑法施工，采取切割焊接密排顶管构建的钢管廊道代替封闭密排顶管。该工法有矩形和拱形两种断面（图16），具有工期短、空间大、扰动小等优势，适用于砂土、软黏土、卵石等地层，辅以冻结法可用于富水土层。
图15 新管幕法钢管幕廊和结构横断面
图16 管幕预筑法两种常见断面
管幕预筑法引起地表沉降主要有3个因素：顶管顶进（主因）；相邻顶管切割时上方土体垮落；管幕建完后周围土体固结沉降。其合理的施工顺序是先施工管幕上排顶管，再施工两侧和下排顶管，且需在每层顶管施工完成后采取注浆等措施控制地表沉降，保证土体开挖安全。此外，顶管间距过大或过小也会对地表沉降造成一定的影响，因此还应合理控制顶管间距。对于拱形结构管幕，应考虑上排顶管在施工过程中出现的土拱效应（图17），可有效屏蔽下排顶管施工的扰动影响。由于前期顶管作业和切割阶段多次对地层扰动，需采取措施确保沉降在可控范围内，预留足够的安全值，实现沉降控制总目标。
图17 土拱效应
3.3 洞桩法
洞桩法（PBA法）是把地面建筑的施工理念引入到地下工程中，集成小导洞、挖孔桩、扣拱等技术体系，先开挖导洞，在导洞内施作条（桩）基、底纵梁、边桩、中柱、冠梁、顶纵梁等，随后开挖并施作扣拱，最终在桩-梁-拱支撑系统中逐层向下开挖并施作内部结构。PBA法可分为条基PBA法和桩基PBA法，如图18所示。PBA法对环境扰动控制的优势显著，是目前我国地铁车站建设应用最多的工法，特别适用于高敏感城区建设。
图18 PBA法的两种典型类型
PBA法施工引起的地表位移可分为纵向沉降和横向沉降。纵向沉降分为前期沉降、快速沉降、沉降收敛三阶段。其中快速沉降阶段又分为小导洞施工沉降、扣拱施工沉降、下部土体开挖沉降三阶段，导洞及扣拱施工阶段发生的沉降可达总沉降量的90%。横向沉降符合Peck曲线，影响范围为3~4倍洞径。在大跨度工程中，中隔墙拆除的风险远超导洞开挖的风险，需在拱顶注浆以改善土体力学性能。
“先上后下，先边后中”的导洞开挖顺序被广泛采用。从纵向沉降分析，“先上后下”避免了土体的二次扰动；从横向沉降分析，“先边后中”可有效减少群洞效应，但这种导洞施工顺序并非适用于所有情况。赵江涛等针对四上四下八导洞PBA工法存在的群洞效应，将八导洞下侧的导洞进行精简（图19），发现六导洞形式下地表沉降可减少20%，四导洞形式下地表沉降可减少37%。故在条件允许的情况下，可通过导洞精简策略控制群洞效应。
图19 改进的PBA工法
扣拱施工阶段的地表沉降呈现工程差异性，全断面开挖引起的地表沉降和桩顶水平位移大于分跨开挖引起的，但桩其余节点水平位移要小于分跨开挖引起的。中板下部土体开挖是边桩受力发生变化的主要阶段，开挖至轨道层底部还未施作二次衬砌时，边桩达到受力峰值。Liu等通过试验（图20）研究了桩径、桩距、埋深对桩的影响，发现桩径增大或桩距减小，桩身水平位移减小、弯矩增大；当埋深大于2倍开挖深度时桩底基本满足固定端约束条件，对边桩位移控制要求较高时增大桩径比减小桩距更经济。地铁车站结构与上覆土层作为一个复杂的系统，国内对PBA法地铁车站施工的研究大多结合实际工程案例分别对地表沉降和结构受力进行研究，缺乏综合研究。
图20 模型试验
管幕法对地表沉降的控制有着良好的效果，故PBA法结合管幕法衍生出了棚盖暗筑法、STS管幕工法等新型的管幕洞桩工法，显著减小了浅埋暗挖地铁车站施工引起的地层扰动。沈阳奥体中心站（图21）采用STS管幕-洞桩工法进行修建，验证了该体系技术应用于超浅埋车站修建的可行性。管幕洞桩法尚处于发展阶段，存在理论研究不足与工程数据库薄弱等瓶颈。
图21 管幕洞桩法横断面
3.4 拱盖法
拱盖法是一种适用于“上软下硬”土岩复合地层及风化岩石地层的暗挖法，具有工序精简、废弃量低的优势。按施作顺序可分为全逆作、半逆作半顺作和全顺作，见表5；按衬砌施作时间分为二次衬砌拱盖法、初期支护拱盖法和叠合初期支护拱盖法，如图22所示。相较于二次衬砌拱盖法，初期支护拱盖法更能充分利用围岩自稳能力，初期支护拱盖法与叠合初期支护拱盖法仅在结构上稍有不同，均采用加强初期支护来提高拱盖承载力。
表5 拱盖法方案对比
图22 施工工序图
拱盖法施工沉降集中发生在导洞开挖、支护施作和竖撑拆除3个阶段。杨忠年等发现中导洞开挖及临时支撑拆除均会引起围岩应力二次释放，提出以拱顶沉降作为判断依据。张光权等在开挖前进行超前支护，有效地控制了地表沉降。隗志远等发现交替的拆撑顺序对地表沉降影响最小。针对拱脚强风化岩层承载力不足的问题，采用桩锚体系（图23）可提升基岩承载能力。诸多研究表明，拱盖法可充分发挥下部硬岩的承载能力，有效控制地表沉降及围岩变形。
图23 拱盖—桩锚支护体系
3.5 大断面施工法
3.5.1 单侧壁与双侧壁导坑法
单侧壁导坑法（图24）是优先开挖荷载较小侧导洞并支护，再分步扩挖，适用于Ⅳ～Ⅴ级围岩偏压地层。施工中需及时支护并封闭成环，强化分段处衬砌连接效果，控制对衬砌扰动的影响。
图24 单侧壁导坑法
双侧壁导坑法采用三跨分部施工，两侧导洞（Ⅰ）采用台阶法开挖，上台阶（Ⅱ）可采用中隔墙法或环形留核心土法开挖，同步支护后逐层下挖至基底，如图25所示，适用于黏土、砂土、砂卵石等地层。该工法在重庆1号线大坪站、3号线红旗河沟站已成功实践。
图25 双侧壁导坑法
双侧壁导坑法能有效控制地表沉降并保持掌子面稳定，但存在以下局限：机械应用受限导致工效低下；工序繁多，成本高；拆除临时支护会诱发围岩二次变形；初期支护衔接性差易引发应力集中，质量难以保证。
针对双侧壁导坑法缺陷，提出了多种改进工法。其中，上双侧壁导坑+下台阶法（图26）可结合大型机械进行施工，青岛2号线汽车东站已成功应用；双侧壁CRD法（图27）通过加设临时横撑，提升了施工安全性；台阶临时支撑+双侧壁法（图28）是在上部开挖后采用竖向临时钢结构支护，中、下部分采用双侧壁导坑法开挖，实现了高效低扰；十字岩梁-掘进法（图29）适用于大跨浅埋车站，围岩稳定性与结构力学性能均优于双侧壁导坑法。
图26 双侧壁导坑+台阶法
图27 双侧直壁CRD法
图28 台阶临时支撑+双侧壁法
图29 十字岩梁-掘进法
3.5.2 中隔墙法
中隔墙法（CD法）是先开挖车站一侧并施作中隔墙，开挖一定距离后再开挖另一侧，如图30（a）所示。半步CD法（图30（b））是对CD法的改进，通过减少临时支护提升施工效率，节约施工成本，但上台阶的力学性能和结构安全仍需进一步验证。垂直中隔墙法（VCD法）采用轴对称施工，中隔板拆除时易引发应力重分布，如图30（c）所示，可通过分段拆除中隔板，增加监测频率以消除潜在安全隐患。
图30 中隔墙法及其改进工法
3.5.3 交叉中隔墙法
交叉中隔墙法（CRD法）是在CD法的基础上增设临时仰拱，实现了从单侧开挖到双侧交替开挖的转变，各步序快速闭合受力，如图31所示。其优势体现在临时中隔墙能有效控制结构整体沉降，提升系统稳定性。但上台阶中隔墙经历“收敛-扩展-收敛-扩展-稳定”阶段，下台阶中隔墙经历“收敛-扩展-稳定”阶段，也存在力学转换复杂、工期长、拆除量大等缺点。
图31 CRD法施工
大断面施工法对地表沉降控制效果较好，研究多集中在隧道施工方面，关于地铁车站施工的研究文献相对较少，且多针对宏观整合分析，集中在工艺流程、适用条件、工法优缺点等方面。
3.6 特大断面施工法
3.6.1 中洞法
中洞法（图32）通过设置仰拱和中柱，把断面分成若干个小空间，增强了支护刚度和承载力。其对称施工的特性可以有效平衡梁-柱上部侧向压力，优化围岩应力分布，如北京5号线磁器口站、蒲黄榆站均采用了该工法，取得了良好的地表沉降控制效果。
图32 中洞法施工
中洞法施工引起的地表沉降是以中洞轴线为对称轴向两侧扩展分布。中洞施工阶段引起的地表沉降量最大，故从中洞超前支护上着手控制沉降是最直接有效的方法。合理的中洞开挖步序可有效控制地表沉降，石山对图33中的3种方案进行模拟，发现方案1、3的地表沉降小于方案2的地表沉降，沉降相差约11％。
图33 中洞法3种施工方案
同时，由于中洞的二次衬砌浇筑与中洞开挖和初期支护施作之间的间隔时间较短，二次衬砌结构在初期支护变形尚未完成时已参与共同受力，在侧洞开挖时中洞二次衬砌结构的受力又将发生变化，加大了二次衬砌混凝土开裂甚至失稳的风险。为此，将原先初期支护所采用的三联拱结构改为单拱结构，断面改变后中洞、侧洞的顶拱和仰拱分别连接形成一个圆顺的大弧，可有效把中洞拱顶的竖向荷载传递至侧洞初期支护上，一定程度上减小了中洞二次衬砌在侧洞开挖过程中承担荷载的比例，提高了中洞支护结构的整体抗弯刚度。
3.6.2 柱洞法
柱洞法有两种结构形式。双拱单柱形式是先用台阶法施作柱洞，在洞内施作纵梁-中柱-顶梁，形成细而高的纵向结构；三跨双柱形式是将断面分为侧洞、柱洞和中洞，如图34所示。上部荷载通过中柱两侧拱部和顶纵梁将荷载传递到中柱，最后传入地基，保持中柱平衡是柱洞法施工的关键，控制方法有：加固土体降低地层变形；加强梁-柱和初期支护的连接，在纵梁间设置临时横撑增强刚度；保持对称施工维持应力均衡；加强梁-柱体系实时监控，及时反馈监测信息指导工程施工。
图34 柱洞法施工
柱洞开挖及梁-柱施作阶段是控制沉降的关键阶段，应在各阶段开挖后及时施作初期支护和梁柱体系，在中洞初期支护施作后及时增设锁脚锚杆并注浆，初期支护封闭成环后实施背后注浆填充空隙，加固土体。但背后注浆在控制地表沉降方面的研究仍存在诸多问题，如注浆参数的选取具有不确定性，可能存在超前注浆导致地表隆起等情况。
3.6.3 侧洞法
侧洞法是先开挖左右两侧洞并施作梁-柱体系，将中洞顶部荷载通过侧洞初期支护逐渐转移到梁-柱上，再开挖中洞。在两侧洞开挖时，中洞顶部土体受到反复扰动，若有不慎就会坍塌。中洞施工时侧洞所承受的偏压也不利于车站稳定，可能引起二次衬砌开裂，采取对称顺序施工（图35）可达到控制地表总沉降的目的[55]。因两侧开挖扰动，在中洞开挖之前已有一定沉降，控制好中洞上台阶开挖是整个施工过程的关键，开挖后应尽快施作初期支护防止坍塌。
图35 侧洞法施工
特大断面车站的3种施工工法对比见表6。
表6 特大断面施工方法比选
3.7 地铁车站各暗挖工法对比
对地铁车站各暗挖工法的适用条件、环境安全风险等进行了总结，见表7。综上可知，对地表沉降的控制可分解到工法的每一步工序中，结合数值模拟与施工监测，动态调整施工支护方案，可以有效控制地层变形。
表7 地铁车站暗挖工法
4 结论与展望
4.1 结 论
本文回顾了我国近20年地铁车站暗挖工法的发展，发现当前研究多依托具体工程，采用数值模拟、现场监测、模型试验3种研究方法，重点围绕施工工艺流程、结构受力性能及地表沉降控制等方向展开，取得了显著成就，但理论研究滞后于工程实践。
4.2 展 望
随着我国城市地铁的快速发展，地铁车站的建设面临许多新的问题和挑战，未来的研究重点将向精细化、智能化、绿色化方向发展，以更好地适应时代需求和技术进步。
（1）设计精细化。地铁车站的设计需要建立多维度协同决策体系，既要系统评估工程地质构造、地下水分布及围岩稳定特征，又要统筹考量埋深、断面形式、支护结构等车站特性，同时结合施工设备水平及周边建筑物沉降控制要求。通过构建“精准勘探-智能分析-定量设计”技术链条，引入物联网勘探技术、三维地质建模和人工智能算法，进一步优化工法设计，改变传统经验决策模式，实现多种暗挖工法交叉搭配的精细化发展。
（2）建造绿色化。随着“生态文明”“低碳环保”等理念深入贯彻，越来越注重低碳、节能、环保新工法的应用。针对不同车站类型，建立以“生态化”为首要目标，“智能化”为技术手段，“低碳化”为实现路径的建造产业体系，预估车站全生命周期内的碳排放量，进而优化暗挖工法设计，同时提高科研成果与实际工程应用的转化，实现多学科领域交叉协同创新。
（3）施工智能化。随着科技的不断发展，施工智能化将在车站建设中发挥越来越重要的作用。通过应用智能化设备，结合数字信息传输和智能监控，搭建车站健康监测与安全管理平台，从而实现多维度、多动态、全领域的感知、回馈与评估。这不仅会提高施工过程的效率和安全性，也会使得工程管理更加精准和可控。
摘自《现代隧道技术》