大直徑盾構隧道在北京地鐵工程中的應用

王全賢

(北京市政建設集團有限責任公司 北京 100055)

1 工程概況

隨著國內城市化進程的加快，城市交通擁堵問題日益突出，北京、上海、廣州等一線大城市出現嚴重擁堵，二、三線城市也逐漸擁堵起來，各地基本都以發展地鐵作為解決城市交通擁堵問題的首選舉措。由于城市環境條件的復雜性、多樣性，加上各地地層的差異，出現了許多新技術、新工藝，例如盾構法、逆作法、蓋挖法、洞樁法等，尤其是盾構法的應用，極大地減少了施工對城市交通的干擾，以及工程對周邊建構筑物的影響，并且成為穿越河湖路障的主要施工手段。

盾構法目前已成為地鐵區間隧道施工的主要方法，在隧道斷面選取上，國內地鐵大多采用雙洞單線隧道，隧道內徑5.4或5.5 m，但一些大直徑盾構隧道逐漸被應用于地鐵工程，上海地鐵6號線、8號線采用了雙圓盾構，上海長江隧道采用了公路軌道一體化設計，在公路隧道下部預留了地鐵位置，盾構機外徑15.43 m［1］，上海地鐵 16 號線采用 11.58 m 盾構，隧道設置中隔墻［2］。

北京地鐵14號線東風北橋站以北的3個區間采用了10.22 m盾構，隧道內徑9 m，為單洞雙線線路。中間的將臺站和高家園站采用先隧后站的施工方式，即大盾構先行通過車站，然后再利用盾構隧道擴挖成車站。從已貫通的一個區間來看，該段的盾構機選型、管片設計、沉降控制等都是比較成功的。

2 選用大直徑盾構的背景

地鐵建設一般都與城市線網布局相結合，先期建設的線路一般布置在城市主干道或次干道下，由于主干道或次干道道路較寬，選線條件相對寬松。隨著地鐵線網的逐漸形成，地鐵進入線網加密完善階段，地鐵線路不可避免地進入一般城市道路、繁華商業區或狹小街道下布局，兩側建筑物對選線的制約越來越嚴重;同時另一個制約地鐵建設的因素是占路施工交通疏導問題，這個非技術因素往往改變地鐵施工工法，在北京施工占路遵循“占一還一”的原則，在較窄的街道實施“占路明開”的地鐵施工實際上是很難實現的;還有一個因素就是前期費用，由于拆遷、管線改移、占地、商業補償費用的上漲(有些車站的管線改移費用甚至超過車站本身土建費用)，地鐵建設有時不得不采用更為復雜的施工方法。

北京地鐵14號線東風北橋站以北的3個區間就存在這樣的情況。東風北橋站在現況綠地內，具備明開條件，東風北橋站至將臺站區間，穿越四環路、大片平房等，宜采用盾構法;將臺站位于酒仙橋路上，酒仙橋路規劃紅線55 m，但未實現規劃，道路實際寬度33～45 m，車站處道路實際寬度38 m，地下有雨水管線2條、污水管線2條，以及燃氣、電信、上水等管線，將臺站實施占路明開難度很大，宜采用暗挖法;將臺站—高家園站區間，大部分在現況道路下，但穿越兩處建筑，一處為2層樓房，另一處為5層樓房，宜采用盾構法;高家園站位于萬紅西街，萬紅西街規劃道路寬度40 m，未全部實現規劃，道路實際寬度17～31 m，車站處寬度26 m，地下管線較多，高家園站占路明開難度很大，宜采用暗挖法;高家園站至京順路站區間，道路兩側建筑以多層磚混結構為主，磚混結構整體性較弱，距離線路距離較近，抵抗變形能力較差，并且穿越機場高速、機場快軌、京順路等風險源，宜采用盾構法。

將臺站及高家園站采用“暗挖島式車站+盾構雙洞單線區間”方案，技術上是最優的，但存在暗挖車站較難解決盾構接收、拆解、吊出、組裝、始發、出渣、運料等問題，而區間隧道暗挖法由于風險太大不宜采用，就該段而言需要一種區間盾構法及車站暗挖法相結合的施工方法，因此“側式站臺車站+單洞雙線盾構區間”方案被提出，即區間采用單洞雙線的大直徑盾構隧道，盾構不在中間車站接收和始發，而是通過，最終利用盾構隧道擴挖修建車站。采用“大盾構+擴挖車站”方案可以解決的問題是:暗挖車站與盾構區間的結合問題;相比兩條小盾構隧道，單條大盾構隧道與兩側建筑物的距離要遠5～6 m，振動影響范圍更小;實現大盾構多個區間連續掘進，減少盾構轉場次數，發揮了盾構連續掘進的優勢;在不具備始發井場地條件的車站，也可以采用盾構法修建相鄰區間隧道;不用設置聯絡通道，減少了施工風險源;渡線設置容易，不用開挖多種斷面隧道，節約渡線段土建造價;對地面交通干擾很小;改移管線量大為減少，節約前期費用。

鑒于上述情況，在北京14地鐵號線東風北橋至京順路站之間采用“大斷面盾構+車站擴挖”的方案。

3 盾構機選型

盾構機選型主要是確定盾構機開挖面的平衡形式，確定刀盤的開口率，這兩個系統決定了盾構機安全性能和適應性能。盾構機選型一般根據使用地段的土層情況、地下水、地面環境、安全要求、沉降要求、工期、造價等多方面綜合對比確定。大直徑盾構國外應用得較多，國內上海較多，目前北京地區僅有北京站—北京西站地下直徑線盾構機可以借鑒。

3.1 工程基本條件

隧道穿越地層主要為粉細砂、中粗砂、黏質粉土、粉土、細中砂等。地下水有4層，第1層為上層滯水，水位埋深 4.3～6.6 m;第 2層為潛水，水位埋深為9.4 ～11.3 m;第3 層為層間水，水位埋深18.3 ～18.4 m，第4層為承壓水，水位埋深22.3 m。隧道所在深度內主要為第2層潛水、第3層層間水，埋深最深處局部進入到了第4層承壓水。

隧道覆土厚度11.3～20.2 m，隧道上方有平房、綠地、道路、地下管線、2層及5層樓房等，需要穿越的有電力塔、河道、橋梁、輕軌等。

3.2 盾構機機型的選擇

從地層條件看，土壓平衡盾構與泥水平衡盾構均能適應本工程，泥水式平衡盾構能抗較高的水壓，洞內運輸設備簡單，但因泥水處理設備復雜且龐大，需要較大的始發井場地，機械造價高于土壓平衡式盾構，更適用于高水壓、厚覆土、超大斷面的工程;土壓平衡盾構抗高水壓能力不如泥水平衡盾構，洞內運輸和提升系統較復雜，但無泥水處理設備，始發井占地面積較小，機械造價較泥水平衡盾構低，更適用于水壓不高、覆土較淺的工程。

在數量上，大直徑盾構機采用泥水平衡形式的居多，但近幾年由于技術的發展，大直徑盾構機采用土壓平衡形式的逐漸增多，如日本東京中央外環線公路隧道，也采用了土壓平衡盾構機，上海外灘通道工程采用了14.27 m土壓平衡盾構機。北京地鐵14號線在盾構選型時，主要考慮了以下幾個方面:

1)始發井場地條件，東風北橋站作為盾構始發井，能提供場地10000 m2，可以滿足土壓平衡和泥水平衡盾構的始發占地條件，但考慮到本工程結束后，該盾構機用于其他地鐵線或工程，場地條件可能沒有這么寬松，在始發井占地方面，土壓平衡盾構要比泥水平衡盾構機具有優勢。

2)北京地鐵埋深較淺，基本在30 m以內，14號線擬采用大盾構地段覆土厚度11.3～20.2 m，縱坡3‰～27‰，土壓平衡盾構在較小覆土條件下具有優勢，雖然止水方面不如泥水平衡盾構機，但因北京無大江大河等高水頭地段，土壓平衡盾構止水性能完全能滿足北京地鐵工程要求。

3)擬采用大盾構段，穿越大片民房、一般道路和地下管線，以及四環路、機場高速高架橋、機場快軌高架橋，地面沉降和地層變位控制標準高，而土壓平衡盾構機在控制地面沉降及地層變位方面較泥水平衡盾構具有一定優勢。

4)雖然該段未勘探到砂卵石地層，但考慮到該盾構機可能用于北京其他地鐵工程，泥水平衡盾構機尚需加裝破碎裝置，而土壓平衡盾構機地層適應性更強。

5)土壓平衡盾構機無泥水分離裝置，整體構造簡潔，便于維護，用電量較省，盾構機造價相對較低。

6)北京具有豐富的土壓平衡盾構施工經驗，有利于操作人員盡快掌握機械性能、操作工藝等。

7)在與國外知名盾構制造商進行交流時，多數廠商建議采用土壓平衡盾構機。

綜合上述各項因素，土壓平衡盾構在本工程具有更大優勢，完全能夠滿足地質條件、工程條件、環境條件與工期等要求，因此選用土壓平衡盾構機。

3.3 刀盤形式的確定

刀盤形式大體可分輻條式和面板式，兩種刀盤外觀差別在開口率上，內在差別在開挖面土體穩定性的控制機理上。對于外徑10.22 m的盾構機，兩種形式的刀盤形式均能滿足工程的要求，面板式刀盤適應性更強一些，但本工程要求的側重點在于地面沉降和地層變位控制，開挖面土體穩定性要求更高，土壓調整反應速度要更迅速。本工程地層無需加裝滾刀，輻條式刀盤更適合于北京地區的地層，該盾構直徑適中，所以選用輻條式刀盤。盾構機刀盤形式見圖1。

圖1 10.22 m盾構機

3.4 盾構機主要參數

盾構機的其他主要參數見表1。

表1 盾構機主要參數

4 隧道設計

4.1 線路設計

東風北橋站為明開島式站臺車站，在站后設置120 m過渡段，線間距由15 m漸變至4.0 m，在過渡段端頭設置盾構始發井，始發井尺寸16.2 m×21 m。

大盾構線路平面設計最小曲線半徑350 m，最大縱坡27‰，區間隧道線間距4.0 m，將臺站和高家園站線間距調整為4.2 m，在將臺站站后設置渡線，在區間中間低點設置泵站。

4.2 隧道斷面內徑

北京地鐵14號線車輛為A型車，通過對區間車輛限界、區間空間利用、車站布置、工程造價等方面的比較，單洞雙線盾構區間隧道的建筑限界為8800 mm，另外，考慮施工誤差、結構變形、隧道沉降以及測量誤差等，在隧道周邊預留100 mm的裕量，隧道管片內凈空理論值為R=8800+100+100=9000 mm，即盾構隧道內徑9 m。

4.3 襯砌環組合類型

由于區間及擴挖車站管片需設置預埋鐵，因而選用標準襯砌環、左轉彎襯砌環和右轉彎襯砌環組合的形式。雖然管片類型有3種，管片模具的利用率有所降低，但該組合施工方便，操作簡單，預埋鐵板位置也容易得到保證。

4.4 襯砌環的寬度

加大襯砌環的寬度，可使同等長度隧道內縱向連接螺栓數量減少，防水密封膠條用量減少，并減少漏水環節，有利于提高隧道的縱向剛度，降低工程造價，加快施工進度，因此綜合考慮隧道直徑、管片重量等因素環寬選用1.8 m。

4.5 襯砌環分塊

因采用擴挖法，襯砌環分塊需要滿足區間和車站兩部分的結構受力和車站擴挖施工要求，襯砌環分塊綜合考慮的因素有:①區間采用錯縫拼裝;②車站擴挖范圍采用通縫拼裝;③管片分塊需結合車站擴挖工序、擴挖臨時支撐位置;④方便管片的拆除，盡可能整塊拆卸，利于管片的回收和再利用;⑤盡量減小管片質量。

由于隧道直徑大，車站為盾構過站后擴挖形式，為降低擴挖施工難度，控制管片最大質量，襯砌環分塊采用8+1形式，每環9塊，每塊40°。區間錯縫拼裝，錯縫角度10°，擴挖車站通縫拼裝，封頂塊正放，單塊最大質量77.6 kN。

隧道管片分塊見圖2，管片主要參數見表2。

4.6 隧道襯砌結構內力計算

圖2 隧道管片分塊

表2 管片參數

襯砌結構計算考慮的荷載有:永久荷載(結構自重、地層壓力、隧道上部設施及建筑物壓力、水壓及浮力、設備質量等)、可變荷載(地面車輛荷載及其沖擊力、地下鐵道車輛荷載及其沖擊力、人群荷載等)、偶然荷載(地震荷載、人防荷載)、施工荷載(盾構千斤頂頂力、不均勻注漿壓力、相鄰隧道施工的影響等)、結構內部荷載(地鐵車輛震動荷載、固定設備荷載等)、特殊荷載等。

上覆土層以及盾構穿越土層取典型地層斷面，管片采用C50混凝土，厚度500 mm，考慮最高和最低地下水位兩種工況，采用修正慣用法進行管片內力計算。按照兩種計算工況進行計算后，管片內力分布見圖3～圖5。

圖3 彎矩圖

5 大盾構隧道掘進施工

5.1 始發井占地

始發場地設置在東風北橋站，先施工過渡段結構及明開車站主體結構，完成之后回填，硬化地面，作為盾構的始發用地，本車站可提供8000 m2作為盾構的始發場地。考慮盾構推進距離在3 km以上，盾構后配套設備的能力均按一次出土考慮，豎井設置2臺門式起重機，1臺下放管片，1臺提升土斗。

隧道內設置軌道運輸系統，軌距900 mm，電瓶車牽引。

5.2 盾構掘進

大直徑盾構機組裝比較復雜，周期長，需要2～3個月，設備調試需要1個多月。從完成的東風北橋站—將臺站區間施工情況看，大盾構正常掘進可以達到300—500 m/月，日進尺一般8～12環，最快日進尺16環。盾構刀盤扭矩在40% ～60%之間，盾構總推力在50000～60000 kN之間。隧道軸線偏差控制符合規范規定，管片拼裝外觀良好，見圖6。

5.3 沉降規律及沉降控制

通過對盾構掘進沉降監測數據的分析，在正常推進情況下，地面沉降存在以下規律:盾構機刀盤前方在1倍埋深距離范圍內的地表隆起，隆起量為5 mm左右，在管片脫出盾尾后下沉速率突然加大，下沉絕對值在10～20 mm，之后隨同步注漿，下沉速率減緩，累計下沉量在15 mm左右，至二次補漿結束，地面再度隆起8～10 mm，然后再緩慢下沉，最終沉降穩定時，累計沉降量在10 mm左右。

盾構隧道先后成功地穿越了四環路、大片民房、電力塔、壩河及酒仙橋橋，最終沉降值基本上控制在允許范圍內，總結720環的掘進經驗，以下措施對控制沉降是非常有效的:根據監測數據設置土壓力，并保持土壓力在一個合理的范圍，減少其波動幅度;適當加大同步注漿流量;適當提高二次補漿壓力。

圖6 盾構隧道

6 利用盾構隧道擴挖車站

6.1 大盾構隧道與車站結合方法

大盾構與車站施工結合問題，主要有兩個方案:①車站明挖，盾構空推過站，車站形成支撐結構后盾構整體通過，這種方法需要對車站局部結構進行調整，設置臨時支撐或后澆結構，以提供一個大于盾構機外徑的過站空間，這種過站方式在技術上是不難實現的;②盾構先行通過，車站擴挖，盾構機先行通過車站，然后利用盾構隧道作為車站的中洞，再擴挖形成車站的站臺層。

6.2 擴挖的施工步序

結合圖7～圖9，車站擴挖的主要步序是:①先施工車站外掛集散廳，利用集散廳基坑作為施工豎井，在車站的兩個端頭橫向開挖風道，完成風道二次結構;②盾構穿過風道和車站，在盾構隧道內施工底縱梁、中柱、頂縱梁，形成車站的中柱，并架設洞內臨時支撐;③利用風道作為施工橫通道，開挖車站兩側導洞，并在小導洞內實施PBA工法;④對稱開挖中洞，初襯扣拱，貫通后沿隧道縱向分段拆除管片，完成二襯扣拱;⑤自上而下開挖土方，拆除側導洞內部隔壁，拆除盾構管片，開挖至隧道底，完成二襯封閉，擴挖車站形成。

6.3 外掛集散廳

由于車站擴挖只形成了站臺層，設備用房乘客集散廳可通過站旁外掛結構的方式來解決，見圖10。

圖10 大直徑盾構擴挖車站外掛集散廳斷面

站臺層設于路中，集散廳和設備用房設置在車站之外，車站可結合周邊環境靈活布置，站臺與站廳由跨線通道連接。

6.4 管片拆除

在管片拆除時二襯未閉合成環，為關鍵受力工況，因此需分段拆除管片;在施工二襯時，采取頂梁設置抗剪鍵和側向臨時支撐措施避免偏載。單塊管片質量為77.6 kN，在有限空間內管片拆除力求對稱、快速，實際施工擬制作專用的拆除裝置，提高拆除效率，保證拆除安全。

7 結語

從北京地鐵14號線大直徑盾構隧道已經貫通的一個區間來看，盾構掘進速度、地面沉降控制等都達到了預期目的，盾構機選型、管片設計等均得到進一步驗證，北京地鐵大盾構技術取得初步成功。從現場施工效果來看，大盾構結合擴挖車站施工技術，基本上實現了不影響道路交通、不改或少改地下管線的設計意圖。

大斷面盾構結合擴挖車站的施工方法，是應對在狹窄街道下，且有大量地下管線的地段修建地鐵的有效方案，既解決了困難地段車站的修建問題，又提高了盾構在區間的利用效率，減少了施工風險，增加了車站站位選擇的靈活性，為今后北京地鐵乃至全國地鐵的建設提供一種新的工法和思路。

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