相約西安站，筑夢北廣場——西安火車站北廣場基坑設計那些事

郭東欣

辛丑除夕，臨近午夜，牛年的鐘聲即將響起，至此辭舊迎新時刻，思緒萬千，想起了去年的庚子除夕、想起了不平凡的庚子年…… 說起西安人的城墻，那在全國是杠杠地！??????但是說起西安人的火車站??那是酸酸地。?????? 1934年12月20日，一輛蒸氣火車開到西安，汽笛聲在古城回蕩。這一年，火車已經發明120年，火車引進中國也有整整70個年頭。這一年，古城總算進入了火車時代，拉開了現代化發展序幕。 第二年，也就是1935年6月1日，西安火車站正式啟用。這是當年的西安火車站建筑，大屋頂宮廷式高挑房檐，精致的民國建筑風格。從1931年規劃建設國民政府用了四年時間，其助推因素是日本侵華戰爭，國府決定洛陽為行都、西安做為戰時陪都，“隴海鐵路準備展筑至西安”（當年鐵路已修到潼關）。 火車站的設計理念就是簡單的平面布局，火車站候車廳建在鐵道站臺南邊，城墻東北角護城河外。 　　而同期的沈陽火車站已運行三十年，經幾次改造，于1934年6月至1935年2月建成第四站臺，連通地下出站通道，并建成橫跨一至四站臺的高架候車室。《沈陽市志》p663。 　　1984年西安民國老火車站拆除，1985年西安新火車客站建成。但依舊是平面設計理念，只是把候車廳加大加高。而1987年我國第一座高架跨線式新型客站投入運行。（是上海站確切說是新中國第一座??） 很顯然，西安火車站落伍了！落伍的是設計理念！ 近些年，高鐵發展迅速，高鐵站的設計理念頗具現代思想，各種交通立體無縫對接成潮流，由此也引導著舊的鐵路客運站改建設計。火車站在各地都是城市的門面，不出火車站就能坐上地鐵，要不你都不好意思說你是一線城市！??同為副省級城市的長春還處在經濟塌陷的東北多年前就把地鐵站和火車站地下通道連在了一起。經濟總量遠大于長春的國際大都市西安在火車站卻坐不上地鐵？！??而東邊的鄭州火車站西廣場2012年已改造完成，東西兩廣場均可進站高架候車。回看西安火車站北面狹窄的自強路，確實讓人汗顏。??????所以，改建西安火車站勢在必行！！！ 改建西安火車站說著容易做著難！長春、鄭州歷史不過百年，而號稱十三朝古都的西安最不缺的就是文物，火車站恰巧就坐落在大明宮遺址內，當年國民政府建設火車站時就發現不少文物。如今文保是工程首先面對的問題。 火車站南臨古城墻，北臨大明宮，要實現火車站和公路地鐵無縫對接換乘，必須有布置設施的空間，離建筑紅線二三十米遠的大明宮丹鳳門當年威儀天下，如今的丹鳳門雖是復制品但它周圍的視野必須確保其獨享“高傲”尊貴，因此不可能用高架解決公路交通換乘問題。改造后的火車站北廣場只能是開闊的、草坪式的廣場，所有設施不能“上天”只能“入地”！加上有兩條地鐵線在此交匯換乘，地下空間的深度已超過三十米。也就是說要在大明宮丹鳳門遺址博物館前挖個三十米深的大坑，以確保整個西安火車站站改工程的施工。 這個坑近一公里長，一百二十米寬，最深處有三十一米，出土方量大致一百萬方，整個工程造價原概算60億人民幣，但工期緊只有十八個月的時間。從正式確定施工單位開始，給我們設計單位幾乎沒有設計思考論證的時間，設計團隊壓力山大。??????那么，火車站北廣場基坑設計的難點在哪里？ 　　首先了解一下火車站周邊的地質情況。火車站的地層說也簡單，無非是西北的黃土，所謂“黃天厚土”。不過這地的厚土并不厚，但卻有點“軟”！??在地下水位附近有層黃土軟的像流泥，施工時有時候回“流動”，因而回引起周邊地面及建筑物變形。????另外是地下水。火車站周邊地下水位在地下六米左右，開挖三十米的坑必須抽水，而抽水同樣會引起地表的不均勻沉降，地表產生裂縫，這地兒是擔心文物的破壞。其實要求更苛刻。??????基坑設計首先要確保文物的安全，下來才是工期，造價，可行性。 再說說火車站周邊的環境。首先是原來有條地鐵四號線，在基坑的東南角，四號線離基坑最近的地方只有十一米！！！開挖施工要保證原來地鐵隧道不變形，不上浮，也不敢含糊！?????? 南邊是運行的隴海線、火車站，北邊地上是大明宮丹鳳門，地下是條大直徑水泥污水管線。場地東南角還有一天地裂縫。地裂縫的水文情況不詳，據說修地鐵四號線時豎井里扔了幾臺大泵抽水！?? 按計劃我們做了個專門抽水實驗方案，以了解場地的水文地質情況，但事情有變就像當時七月的天氣，變幻無常。就在進場做實驗的關鍵時候，場地內有重大文物發現，實驗被迫叫停。????一拖就是三個月，總包單位意外換人，想做也來不及了，基坑設計對水的認知也成了“摸著石頭過河”。???? 　　整個方案歸根結底，是把整個工地“大坑”安全圍起來，能把一百萬方的土挖走，能在里面安全施工。??怎么挖？怎么圍？是設計核心。要達到此目的，各種可行的施工工藝是保障，有句話“拼工藝就是拼設備”。復雜的工程就是各種工藝的博覽會，火車站北廣場即是如此。 首先用什么工藝“圍”？要求“圍”的滴水不漏，”圍”的經濟，“圍”的快。這個“圍”專業叫止水帷幕，西安常用的做法是旋噴樁，就是通過高壓旋噴將水泥攪拌到土里待凝固后水泥土起到隔水作用。它的工藝特點是一根樁一根樁進行作業，大面積難免有紕漏，工期效率自然也低。而近些年在南方軟土地區，有種工藝叫三軸或者五軸攪拌樁，一次成樁長度可達兩米多，效率是旋噴樁的幾倍，密封效果也好于旋噴樁。但大面積在西安地區沒人用過！??施工單位不愿冒險吃這個“螃蟹”，而我們設計團隊堅持選用三軸工藝不變！????我們的底氣來自對三軸工藝的了解，對方提出西安黃土土質堅硬不便施工，擔心有點多余，鉆具施工參數可以調整，綜合比較三軸是首選。最終使用結果多方滿意，工期提前三個月，綜合成本也低于旋噴工藝，隔水效果更是讓人贊嘆可謂滴水不漏。?????? 說起新工藝的運用，還有“拉有SMW工法。SMW工法、拉森樁起源于日本????，多運用于上海等我國南方地區。它的最大好處是環保經濟，鋼材可回收。以往的基坑支護樁都是鋼筋混凝土，基坑回填以后地下的鋼筋沒法回收。SMW工法是將型鋼插入三軸施工后的灰土中，待基坑回填后再將型鋼拔出，型鋼可以重復利用。同樣選型拉森樁，施工單位有“疑慮”，擔心二十多米的型鋼能拔出來嗎？擔心緣于對新工藝的認知不足，實際上南方軟土地區SMW工法反倒不容易拔出來，原因是土軟其側向阻力較大，而西北黃土土質堅硬，其側向阻力反倒小于南方軟土，所以SMW工法在北廣場工地應用成功，真正實現經濟環保雙收益。??????拉森樁的應用也是同樣的道理。 　　基坑支護追求的是“簡單節約”，過度支護一則成本太大，二則不利于坑內施工。保險的模式是內支撐形式，但內支撐形式會占用基坑內大量空間給施工帶來麻煩。能趕工期又經濟的形式是與之對應的樁錨結構，但樁錨結構有一定的使用條件，比如錨索能有地方打，打了還要有強度，因此有些地方打不成錨索，北廣場周邊條件復雜，這就有了北廣場基坑多種支護形式的出現：門架結構圍護北側大直徑水泥管道；東北側階梯式支護結構；復雜中部水泥內支撐與錨索相結合形式；地鐵四號線上部抗拔設計等多種形式。可以說是各種工藝一應俱全，旋挖設備，三軸攪拌，五軸攪拌，SMW工法，拉森樁，旋噴錨索，跟管鉆進等等等等。?????? 　　這么多的施工工藝和支護形式，揉在一起還是需要技術含量的，??有些問題當時能思考清楚，有些問題事后才有時間去思考，去做科研。1.整個圍護結構止水效果非常理想，地下水除去降雨自然波動外幾乎沒有因為基坑內抽水（疏干降水”），而下降，因而施工降水對周邊文物、建筑物的影響幾乎為零！??這是出乎意料的成績。隨之問題來了，按以前掌握的周邊水文地質資料，地下水含水量大，黃土地層的滲透系數每天也要13米，坑內抽水坑外“紋絲不動”，真是神了，??一定另有原因！即地層水平滲透能力和垂直方向滲透能力（系數）差異變化大，某種程度上講可能有一層相對隔水層存在。這是其中一種推測，還有一種推測是基坑的北側也即丹鳳門北側有一道相對隔水作用的地裂縫存在。這都需要去驗證做工作。?? 　　.2，拉森樁、三軸攪拌樁進場施工效果不錯，也該總結一下經驗。拉森樁的關鍵問題是回收型鋼，插的太深拔著困難。南方軟土地區地層土質松軟側向阻力大，基坑會有一定量的變形，做為主要抗側作用的型鋼可能會有一定的彎曲變形，如此一來，拔出400的型鋼就有困難。而西安地區的黃土土質堅硬，型鋼受到的側向阻力相對較小，型鋼變形相對也小，所以同樣深度的拉森樁容易拔出，這樣也意味著在西安地區拉森樁的施工深度可以增加，這需要數據、模型去推算。三軸攪拌樁同樣也有類似的問題，即在黃土地層的適宜性研究問題。 3，協調問題。首先各種支護結構的協調問題，春夏秋冬四季交替，不同材料的性能隨溫度變化會產生差異變化，之間的控制協調是超大基坑必須研究的問題。其次施工組織的協調，它看似管理問題實際是技術問題。合理科學的設計，有效經濟的工法是施工組織的前提。100萬方土方的外運是生產組織也是技術安排，同樣是科研課題。 　　4.設計優化。設計方案沒有最好只有更好。當初的設計思路，經實踐驗證會帶來更多的思考，甚至是遺憾，尤其巖土工程行業是理論加經驗的設計，研究的地質對象千變萬化，以至于世界上沒有物理性質同樣的兩塊地層，所以就有永遠總結不完的經驗；永遠優化不完的方案；一直都可以去質疑、豐富巖土專業理論。機會和挑戰共存！?? 　　鼠年的挑戰不光是技術，還有新冠。全國封城的艱難日子，火車??站工地沒停，設計服務沒停，但餐飲服務停了，城市功能停了。在如此環境下做總體設計，困難可想而知，但，別人又不知。好在社會進步，網路發達，移動通訊互聯網拉近了人們的距離，為遠程技術實時交流、服務提供了方便，因此設計工作沒問題。但人的基本需求吃飯成問題，無奈方便面是不二選擇。疫情的影響是心理層面的，相對壓力山大的設計而言，也就不經意間讓人忘卻了，迫使記住的是每天遵守的防疫規則。方便面吃膩了，測溫戴口罩習慣了。 　　設計團隊最大的成就是工程順利安全完工，基坑回填了，主創人員心里緊繃著的弦才會松弛，才能睡個安穩覺。伴生的專利發明是次要的，論文更是事后一扯。???? 但，能讓人回味的是曾經的挑戰。????????

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