北京地下直徑線工程施工技術探究

王 紅，劉紅梅，董曉剛

(1.大連大學財務處;2.大連大學經(jīng)濟管理學院)

0 引言

從2007年6月開工至今，歷時8年，被北京市列為“最難、風險最大的在建地下工程”，被鐵道部列為“極高風險1號”工程的，連接北京站和北京西站兩個北京主要客運站的北京地下直徑線工程，終于于2013年8月貫通，預計2014年北京站的列車將可直通北京西站。這將對完善北京地區(qū)鐵路樞紐、緩解城市地面交通壓力，實現(xiàn)兩客運站的對接具有十分重要的意義。

北京地下直徑工程按不同區(qū)域根據(jù)施工工法的不同劃分為5個施工段，分別是明挖段、淺埋暗挖段、盾構段、淺埋暗挖段和蓋—暗結(jié)合段。不少學者曾經(jīng)就某一施工工藝或技術進行了深入細致的分析與研究，但是將各個施工技術進行匯總的文獻還很少?？紤]到北京地下直徑線工程的現(xiàn)實意義，就幾個關鍵施工段的主要施工技術與施工難點進行歸納，進而更加全面的展示北京地下直徑線工程的整體情況。

1 淺埋暗挖段

DK6+804～DK7+673和DK0+850～DK1+620段采用淺埋暗挖法施工，沿用了新奧法的基本原理，采用復合式襯砌結(jié)構，初期支護承擔全部基本荷載，二次襯砌作為安全儲備，遵循“管超前、嚴注漿、短進尺、強支護、早封閉、勤測量”十八字方針，初支自上而下施工，初支基本穩(wěn)定后，再自下而上做二襯。淺埋暗挖法施工按基本開挖和支護技術不同，分為正臺階或上半斷面法、導坑法、中隔壁法(CD和CRD法)和中洞法、洞樁法或側(cè)洞法。北京地下直徑線工程淺埋暗挖段隧道采用洞樁法、CRD法及雙側(cè)壁導洞法。選取DK7+061～DK7+443、DK6+084～DK7+061及DK0+850～DK0+880三段就洞樁法、CRD法和雙側(cè)壁導洞法做簡單介紹。

1.1 洞樁法

隧道DK7+061～DK7+443段位于蓮花池東路北側(cè)機動車道下，為了控制地表沉降，減少開挖對周邊建筑及地下管線的影響，采用洞樁法進行全暗挖施工。洞樁法的原理是將暗挖法與地面框架結(jié)構施工方法進行有機結(jié)合。為了盡量減少承載體系的轉(zhuǎn)換和對土層的擾動，遵循少分塊、快封閉的施工原則。洞樁法隧道開挖斷面為(11.6×10.25)m2，先施作導洞小導管超前支護，灌注樁施工完成后，在小導洞施作樁頂冠梁，并在冠梁中精確預埋地腳螺栓和中洞拱腳節(jié)點鋼板。架立小導洞范圍內(nèi)的模板支架，澆筑完成后實現(xiàn)初期支護，再用混凝土回填導洞初支，運用弧形導坑開挖上部土體，并完成中部扣拱支護。后轉(zhuǎn)入下部土體開挖及襯砌作業(yè)，采用一臺9m模板臺車進行襯砌。開挖的同時進行強錨支護及底板墊層施工，隨后鋪設防水底板、綁扎鋼筋及澆筑混凝土，待拆除鋼支撐后即可進行模板臺車拱墻襯砌。

1.2 CRD 法

結(jié)合已建地鐵大跨度雙線隧道施工經(jīng)驗，隧道DK6+804～DK7+061段采用交叉中隔壁加橫隔壁法(CRD法)進行全暗挖施工，此段全長255m，分為3種斷面形式。為了控制地面沉降變形，需要對地層進行加固處理。加固措施先采用密排超前小導管護頂，其次通過小導管向地層注漿，邊墻施作3m長Ф25中空注漿錨桿。施工中遵循“管超前，后開挖”的施工工序。施工中預支護、預加固一段，開挖一段;開挖一段，支護一段;支護一段，封閉成環(huán)一段。分6部開挖導坑，并及時網(wǎng)噴支護，形成初支結(jié)構。接下來局部拆除豎隔墻及下層臨時仰拱，施作仰拱襯砌;局部拆除下層中隔墻，施作邊墻襯砌。在監(jiān)控量測指導下繼續(xù)分部拆除中隔壁及中板等臨時支撐，完成襯砌。由于地面天寧寺匝道橋、五交化大樓和斷面之間相差較大，所以襯砌施工采用滿堂支架+組合鋼模板的形式，除了后盾洞段90m初支完成后立即進行襯砌外，其余部分在隧道初支全部完成后再進行襯砌施工。

1.3 雙側(cè)壁導洞法

暗挖雙側(cè)壁導洞法的施工段為里程DK0+850～DK1+142，共包含2種斷面類型，矩形斷面和拱形斷面。其中，矩形斷面位于里程DK0+850～DK0+880段，拱形斷面位于里程DK0+880～DK1+142段。采用復合襯砌，需要承擔全部基本荷載的初支結(jié)構采用格柵C25噴射混凝土;作為安全儲備的二次襯砌結(jié)構采用C35P8鋼筋混凝土。雙側(cè)壁段的具體施工工序為先分9步開挖1～9號導坑，再分2步進行二襯。即開挖1～9號導坑;拆除中隔壁，施作二襯底板;拆除中隔壁，施作二襯拱頂;隧道清理。由于該施工段地上建筑物眾多、地下管線復雜且緊鄰既有地鐵線，因此必須采取必要的技術措施以使沉降控制在安全范圍內(nèi)。首先是超前小導管注漿加固技術，該技術不僅達到超前加固圍巖和止水的目的，而且小導管也起到了超前管棚預支護的作用。其次，在小導洞施工過程中，采用鎖腳錨管施工工藝，每榀格柵在拱頂與邊墻交界處施作鎖腳錨管，用高壓氣管以水平向下10°的角度打孔后將錨管捶入，并注入水灰比為1∶1的水泥砂漿。再次，每間隔2～3m即埋設初支背后回填注漿管，埋設部位為格柵頂部，且每個導洞注漿斷面埋設根數(shù)不少于2根。另外，對施工段內(nèi)位于粉細沙地層內(nèi)的導坑，為了防止因砂層含水量較低引起局部坍塌，對這些導坑內(nèi)進行深孔注漿。采用水灰比為0.8∶1的TGRM加固型漿液進行掌子面超前注漿加固，將深孔主要布置在兩側(cè)導洞開挖輪廓線周邊，注漿后要求保護圈的巖體滲透系數(shù)降至0.01m/d，漿土粘結(jié)力不小于50 kPa。

2 盾構區(qū)段

起訖里程為DK1+620～DK0+795的施工段為盾構段，隧道總長為5.175km，自天寧寺4#豎井始發(fā)，由一臺盾構機自西向東，沿天寧寺橋、西便門橋，宣武門西大街、前門大街掘進。目前，在砂卵石地層的盾構施工依然是一個世界難題，本標段盾構穿越的地層95.21％就為砂卵石地層，且最大水壓力為0.3MPa，無疑，該標段的富水砂卵石地層使盾構掘進變得更加艱難。

2.1 盾構機選型

盾構機的選型是盾構隧道施工成敗的關鍵，是盾構法施工的關鍵環(huán)節(jié)。根據(jù)本標段地層富水、強滲透性、基本不能自穩(wěn)的工程地質(zhì)情況，需選擇壓力平衡盾構，可供選擇的機型有土壓平衡盾構和泥水平衡盾構。相比土壓平衡盾構，泥水平衡式盾構在以下方面具有更明顯的優(yōu)勢:(1)使地層受到的擾動程度減少到最低，可以有效地防止地表的沉降。(2)在機倉內(nèi)配置破碎機，對粒徑達600mm的漂石、卵石進行破碎，在掘進過程中不必進行渣土的運輸，加快了掘進進度。(3)減少了掘進中換刀、開倉的次數(shù)，減少了危險，保證了施工進度。(4)可使設備運行噪音降至環(huán)境背景噪聲以下的程度。綜合考慮后決定采用泥水平衡式盾構機對直徑線工程進行施工。

2.2 盾構始發(fā)豎井

隨著盾構向大直徑、深埋深方向發(fā)展，盾構豎井的施工難度也在不斷加大，尤其是北京地下直徑工程的4#盾構始發(fā)豎井。由于受地鐵4號線宣武門車站標高的限制，豎井基坑深度達到了31.72m，緊鄰天寧寺2號匝道橋，最小距離僅為4.6m。因此，地下連續(xù)墻的施工技術、豎井開挖及襯砌方法和盾構洞門預留等成為施工的關鍵。該地下連續(xù)墻采用厚1.0m的C30鋼筋混凝土，共劃分為20個施工槽段，編號分別為DLQ-01～20，三段開洞處采用玻璃纖維筋替代普通鋼筋，既能實現(xiàn)盾構機直接切削又能規(guī)避洞門鑿除后土體暴露的風險，保證了支護結(jié)構的穩(wěn)定性。成槽過程中，采用鉆抓法替代先期的純抓法，大幅提高了工作效率，槽壁穩(wěn)定性和成槽質(zhì)量良好。在地下連續(xù)墻施工完畢后，開始進行豎井開挖及襯砌，豎井開挖采用遞作法與順作法結(jié)合的施工技術，保證了豎井結(jié)構的穩(wěn)定性。

2.3 盾構掘進術

為了保證盾構掘進的安全進行，初期進行試掘進，嚴格控制始發(fā)掘進的各種參數(shù)，包括泥水倉壓力控制、掘進進度控制、進度方向控制、同步注漿漿液質(zhì)量及注漿量的控制、泥水控制和地面沉降的控制。這些參數(shù)為后期的盾構推進提供指導。里程為DK6+668.4～DK6+771.4的盾構隧道段下穿護城河，盾構頂距護城河最短距離小于1倍盾構直徑。為了避免施工中發(fā)生盾尾漏漿、河底冒漿、河底土層沉降或坍塌、隧道上浮、隧道磕頭等安全事故，必須對護城河進行加固處理。對天寧寺橋及熱力管線分別采用隔離樁保護，盾構兩側(cè)進行2排沖孔灌注隔離樁施工，灌注樁樁徑Ф800mm。將地下天然氣管線進行開挖，采用管箍延伸至地面。清理河床底部并施作混凝土蓋板，與隔離樁樁頭澆筑在一起形成一個整體，解決了盾構在近距離下穿河底時的掘進安全問題。盾構在DK4+540～DK4+567里程下穿地鐵4號線宣武門車站，與車站僅有4.98～6.12m的距離，必須采取必要的加固措施對宣武門車站進行保護。保護方案為用板凳樁——托梁+預注漿加固措施。即在宣武門車站結(jié)構底板下沿隧道兩側(cè)設2道縱梁，橫梁下設鉆孔灌注樁，并采用小導管注漿的方式對車站進行預注漿加固。

2.4 平行既有地鐵2號線施工

盾構自長椿街開始與既有地鐵2#線平行，平行長度約3.99km，兩隧道結(jié)構間水平距離最近僅2.34m，盾構掘進過程中刀盤對土層造成擾動，導致出現(xiàn)土體沉降，可能會對地鐵結(jié)構產(chǎn)生不利影響，為了保證地鐵列車的運營安全，設置平行地鐵2#線的盾構試驗段。通過對盾構隧道與2號線位置關系及周邊環(huán)境進行分析，將影響2號線的并行盾構施工區(qū)前150m作為試驗盾構段。試驗段盾構姿態(tài)為下坡段，坡度約為3‰。根據(jù)施工要求，盾構掘進引起的2號線軌道及隧道結(jié)構沉降值必須控制在3mm以內(nèi)，以確保施工安全及2號線軌道結(jié)構堅固、穩(wěn)定。因此，在施工前即為2#線安裝防脫護軌，做好軌道防護工作，全力保證運營安全。

3 蓋—暗結(jié)合施工段

起訖里程為DK0+700～DK0+850的崇文門三角地特殊地段，隧道長度為150m。該隧道DK0+565洞門進洞后以16‰下坡至DK0+850，且該段隧道上方即為崇文門路口，考慮到該標段覆土厚度、地下管線、交通導改、周邊建筑物情況十分復雜，經(jīng)過多次分析論證后，施工由原方案的明挖法改為暗挖與蓋挖結(jié)合的施工方法。按受外部環(huán)境影響的大小和施工難易程度將該標段隧道劃分為三部分:DK0+700～DK0+752段、DK0+752～DK0+783段、DK0+783～DK0+850段。三個施工段依次采取蓋挖法施工、蓋—暗結(jié)合的施工方法施工、特殊暗挖法施工。

3.1 DK0+700～DK0+752段

該段連接采用明挖法施工的DK0+640～DK0+700段，并通過明挖法施工時預留的材料進出口，在導洞貫通后開始施工左右導洞，導洞開挖完成后，開始路面人工挖孔樁和臨時路面系統(tǒng)的施工，并在蓋板完成后進行主體結(jié)構施工。

3.2 DK0+752～DK0+783段

該段隧道上跨地鐵5號線崇文門站，斷面形式為平頂直墻段，且斷面尺寸也是城市隧道開挖中鮮有的大斷面類型。因此，安全開挖時整個開挖過程中擺在首位的工作。另外，由于施工中的開挖擾動、地層損失等因素會引起地層的移動和變形，進而導致車站凈空發(fā)生變化、站臺層內(nèi)的軌道產(chǎn)生移動和變形。因此。該段隧道施工中對既有地鐵5號線采取了對軌道加固的抗浮保護措施。同時，隧道底施做每段7m的縱向小導洞進行導洞臺階法開挖，增加超前注漿、中空錨桿、鎖腳錨管及格柵密排等施工措施，通過冠梁與反壓梁連接成整體，控制車站上方土體擾動。

3.3 DK0+783～DK0+850段

該段隧道上方覆土非常淺，且兩側(cè)均為重要建筑物，崇文門站東南出入口距直徑線結(jié)構外側(cè)最近距離約1.86m，地鐵5號線至地鐵2號線的換乘通道距離直徑線最近距離約0.5m，崇文門飯店距隧道約10.15m，這都大大增加了該標段的施工風險等級。因此，施工中將原設計方案中自上而下逐步施工9個小導洞的順序變?yōu)樽韵露稀＜丛?#導洞將1#豎井和明挖段連通后，開始自下而上的進行1#-6#導洞開挖，施工至DK0+783處停止，在滿足實施地面加固措施的條件下，進行上方3條導洞的施工。

4 結(jié)束語

北京地下直徑線工程是我國城市地下隧道工程的典型代表，是目前我國在大城市中心區(qū)修建的第一條雙線電氣化鐵路隧道，是在國內(nèi)同類地質(zhì)條件下第一條采用大直徑泥水盾構施工的隧道。由于其所處位置、地層和四周環(huán)境十分復雜，使得直徑線工程具有工程類型及工法繁多、施工專業(yè)性強、技術含量高等特點，其獨特的施工技術、工藝將為北京乃至全國的城市隧道工程施工提供寶貴的借鑒。

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