刘启琛：几代人的地铁梦
作者简介
刘启琛：男，1933年4月出生，广东番禺人，中国铁道科学院研究员。1952年入唐山铁道学院桥隧系学习，1954年入苏联列宁格勒铁道学院桥隧系学习，1959年毕业后到铁道部北京地铁工程局施工处、第一、第二工程处，任技术员、技术室主任，参加北京地铁建设工程第一期施工。1973年调铁道科学研究院铁道建筑研究所，任研究室主任、副所长、研究员。1993年获国务院政府特殊津贴。1988～1999年受聘为北京市人民政府第3届～第7届地铁组专家顾问。1980年代担任中国土木工程学会隧道学会秘书长、副理事长。
1. 选择地铁专业
1954年我被派到苏联留学，赴列宁格勒（现名圣彼得堡）铁道学院学习铁路建筑专业。当时新中国建立不久，国内没有一个城市建设地下铁道。为了学习苏联经验，几个准备留学的同学决心选择地下铁道专业作为留学学习的方向。
莫斯科地铁1935年开始修建，经过几十年的建设逐步形成路网，当时已有一百多公里的地下铁道。在卫国战争期间，莫斯科地铁建设一天也没有停歇。当时我们学习的所在城市列宁格勒，也正在建设列宁格勒第一条地铁。1957年暑假实习期间，我们在这座城市的盾构施工工地实习和劳动，像工人一样三班倒，一样跟班作业。见证了这个城市在寒武纪黏土中第一次使用机械化盾构开挖地铁隧道，而且第一次使用钢筋混凝土管片替代传统的铸铁管片。
1958年，一个由铁道部副部长余光生带领的、汇集众多专家的“地铁考察团”，来莫斯科和列宁格勒考察地铁的设计和施工。当时我们正在列宁格勒地铁设计院实习，并收集资料准备毕业设计，遇到北京派来的地铁考察团，了解到北京已经开始规划修建地铁，我们非常兴奋，并准备为北京地铁做点事。于是向导师里曼诺夫教授请求，将我们的毕业设计设定为以北京地铁为工程背景，教授表示完全同意，这一想法也得到了考察团领导的赞同，并且留下了一部分资料，供我们毕业设计时使用。当时北京地铁一号线规划为深埋方案，地铁线路埋设在无水或少水的第三纪砂砾岩地层。在城区砂砾岩上覆盖有第四纪70~80 m厚的含水层。地铁线路要埋设在百米以下，这是莫斯科、列宁格勒城市地铁从未有过的情况，莫斯科和列宁格勒城市地铁埋深最深也只有40 m左右。这样大的埋深如何修建施工竖井，如何修建车站出入口的斜隧道，都是面临的技术难题。当时在导师指导下我选择了"东单车站"作为毕业设计课题。记得为了解决长大斜隧道的施工难题，我提出了一个用垂直竖井代替斜隧道，用大容量连续直升电梯代替斜隧道电梯的工程方案，得到了导师的肯定。
1959年毕业回国，我被分配到铁道部北京地铁工程局施工处工作。当时北京地铁是在“战备为主，兼顾交通”的方针指导下筹建的，工程局负责路网规划和一号线的筹建准备工作，我作为一名实习生，跟着前辈们做施工方案比选，计算每个施工方案所需的资金、人员、材料、工期等，准备向中央汇报。
1960年，组建了地铁工程局第一工程处，北京两个为深埋方案试验的施工竖井已经开工，我被派到第一工程处工作。记得当时局领导对我说：“你是国家培养的第一批地铁专业人才，要从施工第一线培养做起。”现在想起来，这条路走得对，使我终生受益匪浅。
2. 地铁的两座竖井
1960年，为北京地铁一号线深埋方案作准备的工程正式启动，在公主坟和木樨地两处开挖两座深埋竖井，竖井深度都在百米以上，公主坟竖井采用沉井法穿过第四纪含水砂砾石层，木樨地竖井采用钻孔桩帷幕穿过含水层。这两座竖井都是准备将来用作公主坟车站和木樨地车站的施工竖井。
木樨地竖井穿过第四纪含水层的帷幕施工时，为了赶工期，错误地采用了钻孔帷幕施工与竖井中间土方开挖平行作业，结果发生泥浆护壁的钻孔坍塌，泥浆涌出淹没了井内挖土的两名工人，造成地铁第一次开工以来的惨痛教训。木樨地竖井施工临时封底后，混凝土井壁漏水严重，当时请来了天津有名的“五层抹面防水法”的传人来北京作井壁防水施工示范。开始还真有效果，水泥层作为防水层，砂浆层作为加固层。但是随着竖井开挖越深，水压增加越大，当挖到地面以下27 m时，五层抹面防水层已不能抵挡增大的水压，漏水不止，以致最后完全失效。竖井防水试验到此结束。
1961年国家经济困难，地铁暂时停工。封井作业后，人员撤离工地。后来，深埋地铁方案被否定，工程按浅埋方案规划。如今竖井已消失在一片楼群之间，两座竖井的故事也逐渐被人们淡忘。
3. 铁道部华北工程局地铁研究组
1961年进入三年经济困难时期，国内不少工程被迫下马。地铁筹建工作也宣布暂停，北京地铁工程局撤销。原地铁大部分人员并入刚组建的铁道部华北工程局（铁道部第四工程局前身）。以陆明为处长的地铁设计处整个编制并入铁道科学研究院，继续进行设计前期的科研工作。原工程局留下40余人，在华北铁路工程局编制下设立了由张宪祖处长为组长的地下铁道研究组。其主要任务是为浅埋地铁施工的诸多技术难题继续进行科学研究。
深埋施工研究工作停止后，转入浅埋施工技术研究，包括施工降水、基坑开挖与支护、围护桩施工、木樨地过河段施工方案、结构混凝土远距离输送等。现在看起来一些课题似乎很幼稚，但当时对城市施工中可能遇到的各种难题确实没底。
地铁下马以后，我被调到地铁研究组，负责基坑开挖与支护和围护桩的施工机械设备配套研究。我们把当时在武汉大桥工程中广泛使用的震动锤调来试验。由于振动太大，城市环境不容许。大吨位柴油锤国内又没有，国外采购也不可能。最后不得不选用又老又笨的6吨蒸汽锤。当时在木樨地工地试验了一根长24 m 55号的工字钢桩。试验结果证明6吨蒸汽锤是可行的，为此不得不为将来开工配备蒸汽锤及锅炉。
北京的地下水位当时在地面以下6 m，开挖基坑必须配合施工降水，当时没有现在广泛使用的潜水泵，用什么降水机械抽水成了难题。为此我们试验过空气泵、真空泵等抽水设备抽水，但效率太低，最后不得不采用深井泵。深井泵当时主要是供应城市自来水厂使用的抽水设备，当询问生产厂家几百台深井泵的供货问题，使工厂十分吃惊，从来没有哪个单位提出这么大数量的供货要求，当时全国也只有个别几家工厂具有深井泵的生产能力。
降水设计计算也是一个难题，长条形基坑降水计算方法当时是一个空白，学术界只有圆形基坑降水计算方法。研究组提出等效面积套用是否可行，现场试验的结果证实是可行的。
1965年地铁重新开工时，降水设备布置在基坑两边，十分壮观，基坑两侧每十几米就有一个泵房。而深井泵的安装技术精度要求非常严格，不允许偏斜、不允许弯曲。开始时十几个工人一个班安装不了一台深井泵。现在降水广泛采用潜水泵，大大简化了施工，但当年第一、二期地铁的确经过了这样一个困难时期。
基坑开挖支护当时规划全部采用工字钢桩支撑，工程量相当大。后来根据具体工点施工方案的研究，大部分地段均可采用放坡的方法，只有局部施工场地受限制的地段采用工字钢桩支撑，因此大大节省了打桩及支撑的工程量，放坡开挖方案使施工进度大大加快。
混凝土远距离输送当时也是一个难题。无论采用空气输送泵还是往复式机械泵，混凝土的堵管问题始终是一个老大难问题。好在吊车运送混凝土，虽然效率较低，但也还跟得上工程的进度。现在才知道解决泵送混凝土堵管的问题，必须在混凝土中加进一种掺加剂，在泵送过程中保持混凝土的流动性。
北京是一个具有上千年历史的古城，市区有大量地下管线，有些管线埋设位置的档案早已丢失。在城市环境下施工，需要格外小心。对城市地下管线的处置也是地铁研究组的课题之一。横过线路的地下管线处置原则是，能移走的都移走，不能移走的就地悬吊过基坑。跨基坑悬吊管线种类繁多，为此研究组提出了几类悬吊的方案。基坑两侧还有不少管线，虽然基坑开挖对这类管线没有影响，但基坑两侧的打桩及打降水孔时仍有可能涉及。当时没有管线探测仪器，只有在开工前开挖探沟进行探测，虽然很费工费时，但为了保护管线的安全，这种探测也是必不可少的。记得当时有一个地质勘探队在打地质钻孔时，误将一条直通中央的通讯电缆打断，造成当时的一个重大事故。
1965年7月1日北京地铁重新上马。铁道部重新成立了地铁工程局，局机关仍设在王府井南口原铁道部的旧大楼内。这时，地铁研究组被撤销，人员大多按专业分别调到新成立的各专业部门，为即将来临的地铁全面开工进行前期各项准备工作。
4. 北京地铁正式开工
1965年7月1日，北京地铁正式开工。据说，朱德、邓小平等领导同志参加了当时的开工典礼。实际上，7月1日以前有些条件已具备的工点已陆续开工。
开工前的施工场地尤为壮观，一夜之间复兴路道路两侧的大杨树全部放倒，电杆拆移。原来大道上行驶的车辆转移到两侧的施工便道上行驶，复兴路的一个路段已经封闭，为即将开工的北京地铁工程做好了一切准备。北京地铁作为中央支持的07号重点工程，是一项十分重要的战备工程。北京市为地铁早日开工，专门成立了“拆迁办公室”。办公室的机构不大，但却十分权威，各单位按统一要求，各自分别按统一期限完成拆迁任务。当时有句流行的话：“自己的‘孩子’，自己抱走。”涉及到工程拆迁的各单位，必须按期完成任务，没有讨价还价的余地。
当时地铁近期规划是一条东西线和一个环线。北京地铁一期工程由地铁一号线的一段和地铁二号线的一段组成，即由苹果园车站（实际向西还有两个站）经过复兴门站到二号线的北京站，当时由铁道部北京地铁工程局和新调来的铁道兵11师共同承担建设。铁道兵过去一直承担大铁路的建设任务，初来北京市，在技术上对地铁工程不太熟悉。当时工程局曾派我到铁道兵11师的56团帮助做一些技术参谋工作。记得在玉泉路车站，基坑开挖前，首先要进行打桩和降水。打桩采用了一台6吨蒸汽锤和一台移动式打桩架。6吨蒸汽锤打起桩来，声音很响，几乎可传遍半个北京城。当时附近的市民很好奇，走近围观。蒸汽打桩锤必须配置锅炉，工地作业面向前延伸，锅炉也必须跟着迁移，很不适应地铁的施工条件。但当时国内没有合适吨位的柴油打桩机，只能在这种困难条件下修建北京地铁一期工程。
当时打降水孔使用的机械是冲击钻机（УКС），钻孔效率比较低，对地层震动也比较大，不像现在使用的旋转钻机这样灵便。记得一次施工时，冲击钻机的钻头脱落，坠入钻孔里，出了机械事故。一位铁道兵的老领导一听就急了，命令班长赶快派一个战士下去，把钻头捞上来。我们一听吓坏了，劝说道：“首长，千万不能派战士下井捞钻头。如果遇到坍孔，战士就出不来了。这种事时有发生，用专用打捞工具就可以把钻头捞上来。”老领导十分谦虚地说：“好吧！这次听专家的，这技术我是外行。”这个故事反映了地铁刚开工时施工人员使用施工设备缺乏经验的状况。以后部队的官兵在施工过程中，边施工、边学习，技术不断长进，经验不断积累。
5. 木樨地地铁过河段
北京地铁改为浅埋明挖以后，全线的一个重点工程，也是一个难点工程，是线路如何穿过木樨地河。木樨地河河面宽60多米，河水流量大，直接关系着下游大面积的农田灌溉。
如果采用常规的施工降水和钢桩支护穿越木樨地河，可能由于河水补给地下水，形不成降水漏斗而导致失败。当时曾提出过沉井方案，气压盾构方案，甚至在河上沉放管段的施工方案也都提了出来。各种方案都有致命弱点，难予采纳。最后经过北京市协调，木樨地河可以特批在冬季断水四个月。在1966年11月中旬断水，1967年3月中旬以前，必须向下游放水，这是保证下游农田春灌所必须做到的。这样只能采用钢板桩围堰，而且必须在1966年11月中旬断水以前，把围堰工程全部完成，交给下面几道工序，其中包括土方开挖及基坑支护，结构施工和防水，回填土方，以及在1967年3月中旬以前恢复河道通水。短短的4个月120天完成这样大量的工作，困难是很大的，但没有商量余地，方案确定后可能出现的问题由各部门分头解决。
首先，地铁施工队伍中都是隧道专业的，工地没有钢板桩，也没有钢板桩围堰施工队伍和施工经验。当时年过花甲的蔡为苍局总工程师带领我们几个年轻人到南京大桥局施工现场学习考察，回京后进行施工技术准备。第一个难题就是用什么打桩机。为了便于打桩，且提高打桩效率，决定采用三根钢板桩为一组，桩长18 m。如当时选用工地已有的蒸汽锤，能力是足够的。但在马路上安装蒸汽锅炉既不安全，又不方便，且效率过低。如果采用国内已有的柴油打桩机，锤头只有1.8 吨，打三根一组的18 m钢板桩，能力不足，只有采用国外2.2 吨柴油打桩机。现在购买国外设备不是什么难事，但是在50年前文革时期却是一件不小的难题。多亏北京地铁是国家重点工程，一切部门要为北京地铁工程提供条件，最后批准购买了日本三菱公司的4套2.2 吨柴油打桩机和近万吨拉森III型抗锈蚀钢板桩。
记得桩架立起来以后，锤头上有一个十分明显的三菱公司红色标记，引来了一位日本人的兴趣，用照相机拍摄了这个场景，同时还拿走了一块土样。当时工地上的工人们警惕性很高，马上把这个日本人围了起来，最后这位日本人不得不把土块扔掉算是解了围。自此以后，桩锤上的红色标记一律涂掉，免得再发生此类事端。
地铁过河段是由军事博物馆站至木樨地站之间的一段区间隧道，全长约180 m，宽约14 m，是一段双线矩形隧道。过河段从纵向分成三个施工段：一段为河中段，另外东西各有一段岸上段。岸上段将与两端常规施工的区间隧道衔接。
为了进行河中段钢板桩施工，在围堰两侧架设了两座施工便桥，如果加上已通车的临时便桥，这是在近百米河段上架设了相当规模的四座便桥，十分壮观。
钢板桩围堰施工的工序很多，包括钢板桩进入工地以后对每根钢板桩质量检验、每根桩锁口的通过试验、桩头加工、万能杆件导向架拼装、打桩机进入工地后的拼装及性能试验等。总共近3千根钢板桩要全部打入地下，只给了不到半年期限，必须在11月停水前全部完工，围堰合龙，不能影响断水后的后续工程开工。
让人们最担心的是围堰最后一组钢板桩能否顺利就位合龙。由于从开始就要求每组钢板桩严格按设计位置就位，因此保证了最后一组钢板桩一次合龙成功，并保证了下一道工序有可能按时开工。在这里不能不提到的是，当时工程邀请来了铁道部大桥工程局的一些专业工人来支援，给工程增加了技术上的有生力量。
1966年11月中旬准时断水。在这以前各有关单位完成了全部拆迁及地下管道改移工作，使土方开挖按时开工。于1967年3月中旬，包括开挖、结构施工、土方回填、恢复河道等多道工序，一个环节接着下一个环节，工程准时完工，按时通水。整个工程是在北方三九严冬恶劣天气条件下完成的。至今已过50年，经向北京地铁管理单位了解，此段木樨地过河段地铁区间隧道结构工程完好，结构滴水不漏，工程质量是优质的。
河道恢复通水，过河段施工完成后，最后留下一个大难题。就是如何将几千根打入地下的钢板桩拔出来，进行回收。为此曾用过震动锤，也用过液压拔桩机，最后还是采用最原始的方法，用两台100 吨千斤顶，把钢板桩一根根拔出来。这道工序整整用了一年多时间，而中段的钢板桩这时已淹没在水下，不得不放弃了。
时间过去了50年，用现在眼光来看这项工程算不了什么，可能还有更好的施工方案，但是在当时的技术条件下，加上当时的社会坏境，虽然集中了不少专家，反复讨论了多时，最后还是用了最简单，而又最可靠的断水过河的办法解决了。
这项工程不大，但在决不影响下游农田春灌的有限工期前提下，完成了十几道相互不可能平行作业的工序顺利衔接，也是很不容易的。其施工的科学组织、严格管理、责任明确、共同为整个工程负责的精神，至今仍有借鉴意义。
6. 采用暗挖法修建复兴门折返线是一个重要的转折点
北京地铁一期、二期工程建成后，将近10年没有新的规划，地铁建设处于停滞不前的状态。地铁公司决定以修建复兴门折返线为契机，使1号线列车在复兴门站实现折返，环线（2号线）列车实现名副其实的环行。这样，不但可以充分发挥既有线路的运输能力，而且还能为1号线向东延伸创造必要的前提条件。这是一着妙棋，有望连带搞活北京地铁这盘大棋。地铁总公司修建复兴门折返线的建议很快获得北京市的批准。
复兴门折返线建于西长安街下，隧道穿过第四纪冲、洪积层的圆砾层。最大埋深19 m，最小埋深9 m。包括南、北正线，库线，渡线。其中单线隧道跨度5.5 m，双线隧道跨度12.5m，渡线隧道跨度14.5 m。
如何修建复兴门折返线，是采用过去一、二期沿用的大敞口明挖法，还是采用铁路工程使用的已见成效的暗挖法，引起不小争论。暗挖法与大敞口明挖法相比，有许多明显的优点: 不影响城市地面交通, 不影响市民生活, 减少拆迁工作量。两个投标方案经过专家和领导的比选评议，最后，铁道部隧道工程局中标，用暗挖法修建复兴门折返线工程。
说起暗挖法，追根溯源必须涉及新奥法。新奥法最早用于奥地利阿尔卑斯山深层硬岩隧道，采用柔性支护并充分利用围岩的自承能力。后来经过概念和技术上的变革，新奥法用于德国城市地铁软岩（土）隧道。德国缪勒教授来华讲学时，一开始就强调，在硬岩与软岩（土）中应用的新奥法有原则性区别：软岩（土）地层中，隧道在近地表的情况下，地层薄，覆盖土重力作用较大。如仍应用柔性支护，显然不合适，他还特别指出，隧道的变形会很快反映到地表沉降，开挖和支护必须在短时间内完成，初期支护必须尽快闭合，形成封闭圆环。根据这些原则德国城市地铁软岩（土）近地表隧道，采用新奥法施工是成功的。
在这一时期，我国铁路系统，在黄土地层的几座单线和双线隧道中，试验采用新奥法，取得了成功的实践经验。这些卓有成效的工作，为北京地铁复兴门折返线应用暗挖法，增强了获得成功的信心。
铁道部隧道工程局运用他们丰富的施工经验，采用暗挖法出色地完成了复兴门折返线工程，总结出“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”的十八字诀，为北京地铁建设闯出了一条新路。暗挖法在向东延伸的复八线施工中得到了广泛的应用，创造了西单地铁车站的侧壁导坑法，天安门西、王府井、东单车站采用的暗挖法与逆筑法相结合的新工法。
我们有幸参与，并见证复兴门折返线以及向东延伸的复八线工程的艰辛历程。在施工方案和技术措施的论证、设计方案的变更、以及保证工程质量与安全、规避风险、消除隐患等方面，建言献策，贡献绵薄之力。
7. 我们的地铁梦
六十多年来，我直接或间接参加北京地铁建设，风风雨雨，日日夜夜，由筹建到开工，由下马到复工，从地铁一期、二期工程，到现在已建成几百公里地铁、十几条线路的路网。每天运送一千多万乘客，为纾缓城市交通压力、方便居民通勤出行，作出了重要贡献。
北京地铁同时承载着北京市民更高的殷切期望。随着路网的完善，近年来客流量以30%的速率增长。高峰期间进站量占日均进站量47.46% ，有些路段超载率达144%，地铁拥挤不堪（据2014年资料），潜伏着严重的交通隐患，不得不采取短时限流的应急措施。规划设计时预估的客流量，跟后来通车后的实际客流量出入较大，10号线开通不到一年，客流量已达到远期的客流量，现在的设备能力已达极限。地铁是一个包含不同专业门类、综合各种复杂技术的系统工程，地铁工程建成后的改造扩能通常是十分困难的，希望规划和设计部门及时总结经验教训，进一步做好新线前期的客流量预测工作。
随着北京地铁路网的扩展，线路之间的换乘问题日益凸出。上班族反映：“有些车站换乘很不方便，花在换乘上的时间太多，穿行换乘通道艰难跋涉，非常辛苦”。据说，这与“一线一设计”，对先后修建的线路之间的换乘通盘考虑不周有关。希望规划和设计部门做好路网的总体协调，加强顶层设计，解决好地铁换乘问题。
地铁进出站与地面交通的衔接问题，值得引起重视。尤其是四环以外的郊区，出站以后没有方便的地面交通工具衔接，于是黑车成堆。这个所谓“最后一公里”的问题，希望能得到妥善解决。
是否可以利用第三层（30m以下）的深度空间，建设与普通地铁线路相衔接的大站快车地铁网。不少市民居住在五环以外，在市中心上班，每天就是乘地铁也要花几小时，而且地铁车厢里拥挤不堪。如能建一些大站快车地铁，将为远郊区的乘客带来方便。早期路网中曾有两条对角线的线路规划，这对在西北部居住、东南部上班，或在西南部居住、东北部上班的乘客带来极大的方便。
我们希望，经过几代人的不懈努力，北京终将会呈现一个四通八达、舒适出行、换乘和进出站方便的地铁网，形成以地铁为骨干，多种公共交通互相衔接、互相补充的城市综合交通体系。这就是我们几代人萦绕于心的北京地铁梦。
作者简介
刘启琛：男，1933年4月出生，广东番禺人，中国铁道科学院研究员。1952年入唐山铁道学院桥隧系学习，1954年入苏联列宁格勒铁道学院桥隧系学习，1959年毕业后到铁道部北京地铁工程局施工处、第一、第二工程处，任技术员、技术室主任，参加北京地铁建设工程第一期施工。1973年调铁道科学研究院铁道建筑研究所，任研究室主任、副所长、研究员。1993年获国务院政府特殊津贴。1988～1999年受聘为北京市人民政府第3届～第7届地铁组专家顾问。1980年代担任中国土木工程学会隧道学会秘书长、副理事长。
本文曾在《中国地铁60年人和事》(中国建筑工业出版社，2017）一书发表。
