京張高鐵清華園隧道南延施工方案研究

王建功

(京張城際鐵路有限公司，北京 100070)

近年來，隨著我國城鎮化進程的加快，城市規模越來越大，從而導致既有鐵路線網逐漸向城區靠攏。為了緩解城市交通壓力以及減少市民日常出行時長，同時也為了避免地面道路整改以及既有建筑征拆等問題，新建鐵路線網通過地下隧道引入城區成為一種首選方案[1-2]，如北京鐵路直徑線[3-6]、天津鐵路直徑線[7-8]、廣深港高鐵益田路隧道[9]、京沈高鐵望京隧道[10]、京張高鐵清華園隧道[11]等。

近年來，眾多研究學者和技術人員對鐵路隧道下穿施工引起的房屋建筑沉降[12-13]、既有鐵路沉降[14]、地表沉降[15-17]以及下穿施工技術[18-21]等進行了一系列研究，取得了豐碩成果，但較少涉及鐵路隧道延長施工方案等問題。

自京張高鐵清華園隧道下穿學院南路項目開工建設以后，北京市區征拆工作推進困難。據地方相關部門測算，學院南路下挖改造工程投資約17.8億元，其中工程費約2億元，管線遷改費約1.7億元，房屋拆遷費約14.1億元；清華園隧道1號井施工臨時場地涉及金五星商貿城、好家居建材裝飾市場部分臨街商鋪征拆費用也高達約1.2億元。以上兩處是制約工程工期的關鍵點，工程征拆費用高、難度大、交通導改困難，且時間節點難以保證。

為減少學院南路下挖改造及敷設管線的遷改，鐵路總公司與北京市共同研究決定，將普速列車始發終到調整至清河站辦理，北京北站僅承擔動車組列車始發作業，區間最大坡度由23.5‰調整為30‰。線路自北京北站引出后，采用最大30‰坡度于學院南路南側入地，以隧道形式依次下穿學院南路，隧道向南總延長690 m，由原5 330 m調整為6 020 m。同時調整1號井～2號井盾構區間的掘進方向，由1號井向2號井掘進調整為由2號井向1號井掘進，以解決1號井施工場地征拆帶來的問題。

1 工程概述

1.1 工程概況

清華園隧道是新建京張高鐵重點控制性工程之一，位于北京市海淀區。清華園隧道原設計由學院南路北側入地，沿既有京包鐵路走行，于五環內出地面，隧道全長5.33 km(單洞雙線)，設計速度120 km/h。全隧近距離并行地鐵13號線，與地鐵12號線(在建)、10號線、15號線交叉穿越，下穿北三環、知春路、北四環、成府路、清華東路、雙清路等重要城市道路及道路下方大量重要市政管線，周邊建(構)筑物密集。清華園隧道是目前國內位于城市核心區，穿越地層復雜、重要建(構)筑物最多的高鐵單洞雙線大直徑盾構高風險隧道之一[11]。盾構管片內徑11.1 m，外徑12.2 m，管片厚55 cm，刀盤開挖直徑12.64 m。全隧共設置3座施工豎井，采用2臺φ1 264大直徑泥水平衡盾構機施工，一臺由小里程端1號井始發，中間2號井接收，盾構區間1 991 m；另一臺由3號井始發，中間2號井接收，盾構區間長1 741 m。

隧道南延方案以盾構形式下穿學院南路后,,隧道進口里程由DK14+090調整至DK13+400，隧道向南總延長690 m，隧道整體長度由5.33 km調整為6.02 km(見圖1)。小里程端盾構始發井自1號井調整至2號井，在原2號井南側增加2-A始發井，原2號井調整為2-B接收井，井間設置明挖基坑，滿足盾構整體始發要求，原1號始發井調整為接收井。調整后小里程端盾構掘進方案為2-A井始發，1號井接收，大里程端盾構為3號井始發，2-B井接收，均由北向南掘進。1.2 工程地質與水文條件

京張高鐵清華園隧道位于北京市海淀區，處于北京市平原區的西北部，地面高程為48.92～451.35 m，地勢平坦。地層上部主要為第四系全新人工堆積雜填土，中部為第四系全新統沖洪積層粉質黏土、粉土和粉砂，下部主要為圓礫土和卵石土。隧道所處地層主要為粉質黏土和卵石土(以卵石土為主)，隧道穿越卵石地層約2.4 km，含卵石復合地層約3.7 km。

圖1 清華園隧道平面示意

北京市平原地區第四系地層中的松散巖類孔隙水可以分為上層滯水、潛水和承壓水，上層滯水補給主要以大氣降水為主，管溝滲流為輔，集中分布在粉土與粉砂層，水位埋深3.4～5.7 m，高程44.91～49.62 m。層間潛水主要受區域性地下水影響，且局部承壓，水位埋深21.0～25.0 m，高程27.97～29.00 m。

2 施工方案

2.1 盾構法

(1)方案簡介

施工方案將原1號井由學院南路北側DK14+435.5處調整至學院南路南側DK13+601.2處， 1號井至出口段采用明挖法施工，見圖2。

(2)基坑支護設計

基坑圍護結構采用“φ1 000@1 400 mm鉆孔灌注樁+內撐”，樁間旋噴樁止水。按45°基坑開挖影響線控制，影響線以內的橋樁采取防護措施，影響線以外不再額外增設防護措施。1號井為明挖段基坑最深處，開挖深度為21 m，鄰近地鐵層采用雙排圍護樁，以增加基坑的穩定性，見圖3。

圖2 盾構法施工方案示意(單位：m)

圖3 橋樁斷面(單位：cm)

(3)地鐵13號線保護措施

盾構法隧道結構距13號線橋樁6.6～15.3 m，其中有一異型橋墩與盾構隧道凈距為3.4 m。該段地鐵13號線段主要為橋梁，無縫線路，整體道床，變形控制要求嚴，為特級風險源，施工風險高。

采取的保護措施主要有： 以洞內控制措施為主，洞外防護為輔。穿越前，設置盾構試驗段，確定合理的盾構掘進參數；穿越時，嚴格控制掘進參數，嚴格控制地層損失率；穿越后，根據監測結果，必要時從洞內采用徑向注漿加固。根據橋樁與結構距離關系及施工作業空間，采取不同的防護措施。橋樁與盾構結構凈距小于1倍洞徑，采用3排φ180 mm復合錨桿樁交錯布置，樁頂設置冠梁，并預埋φ42 mm袖閥管，進行跟蹤補償注漿加固；橋樁與盾構結構凈距大于1倍洞徑，采用預埋雙排φ42 mm袖閥管@1 500 mm交錯布置，進行跟蹤補償注漿加固，橋樁縱向加固范圍為橋臺前后各5 m范圍(見圖4)。異性橋墩橋樁采用“門型”防護方案：盾構隧道兩側分別采用3排φ180 mm復合錨桿樁交錯布置，樁頂設置冠梁，兩側冠梁用4根鋼筋混凝土橫撐連接，以增加防護結構的整體抗變形能力。在隧道頂部進行注漿加固，并預埋雙排φ42 mm袖閥管進行跟蹤注漿，見圖5。

圖4 橋樁加固典型斷面(單位：cm)

圖6 盾構方案施工組織示意

圖5 異性橋樁加固典型斷面(單位：cm)

(4)學院南路段保護措施

盾構法下穿學院南路段洞頂覆土僅7.0 m，屬超淺覆土。已探明道路下方敷設管線15條，其中2條污水管線需要遷改，2條3 200 mm×2 500 mm雨水方溝底與隧道的最小凈距為1.89 m(見表1)，施工難度大，風險高。

保護措施主要有：采用泥水平衡法施工，嚴格控制掘進參數，控制地層損失率。2條污水管線需要永久遷改，原污水管道采用水泥砂漿充填，防止泥漿沿管道流失。穿過后進行襯砌背后二次補償注漿，嚴格控制路面沉降，確保道路運營安全。

表1 主要管線與隧道結構關系

注：表中“-”代表結構之間交叉。

(5)施工組織與工期

調整后的盾構區間由1991 m增加為2707.5 m，增加了716.5 m。結合近年完工或正在施工類似直徑的盾構施工進度(如京沈高鐵望京隧道、武漢地鐵8號線越江隧道等均達200 m/月)，通過對盾構穿越地層、設備工裝的研究，將盾構掘進綜合指標由150 m/月調整至190 m/月。圖6為調整后的盾構法施工組織進度圖。由圖6可知，該方案隧道土建工期為36.3個月，于2019年3月11日提供鋪軌條件，滿足全線指導性施組要求(2019年3月10日提供鋪軌條件)。

2.2 明挖法

(1)方案簡介

明挖法施工方案將1號井由DK14+435.5向南移至DK14+280處，1號井由始發井調整為接收井，隧道南延段以明挖法施工為主，局部采用暗挖法，見圖7。

圖7 明挖方案工法示意(單位：m)

(2)基坑支護措施

基坑明挖深度為10.0～24.8 m，1號井更是深達30 m，且鄰近既有地鐵13號線，屬于特級風險工程。DK13+400～DK13+640段基坑圍護結構采用“φ1 000@1 400鉆孔灌注樁+內支撐”，DK13+730～DK14+289段基坑圍護結構采用“φ1 200@1 600鉆孔灌注樁+內支撐”。樁間采用“旋噴樁止水+坑內降水”。

(3)地鐵13號線保護措施

明挖法圍護樁與13號線橋樁凈距5～8 m， 13號線異型墩圍護樁與橋樁凈距僅1.7 m，基坑開挖深度達30 m，為特級風險源，施工風險極高。

采取的保護措施主要有：以加強基坑圍護結構自身強度為主，風險源加固防護為輔。采用注漿方式對13號線橋墩進行加固(見圖8)。對于異型橋墩，除橋樁采用注漿加固以外，還采用了鋼管支架進行支頂，以便對梁進行動態調整，確保運營安全(見圖9)。

圖8 橋樁加固典型斷面(單位：cm)

圖9 異性橋樁加固典型斷面(單位：cm)

(4)學院南路段保護措施

暗挖法下穿學院南路段共計90 m，洞頂最小覆土僅7.8 m，屬超淺覆土。其中，φ700 mm和φ1100 mm的污水管線只需臨時導改， 2條污水管至隧道超前支護結構最小凈距為0.3 m，2條3 200 mm×2 500 mm雨水方溝底與隧道最小凈距僅2.4 m(見表2)，施工風險高，難度大，屬于特級風險源。

表2 主要管線與隧道結構關系

保護措施主要有：采用“拱腳側導洞超前+扣拱”工法(見圖10)，在導洞內施作鋼筋混凝土擴大拱腳結構，為正洞拱墻結構提供穩定的基礎。由短臺階弧形導坑開挖正洞，并施做拱墻初期支護結構，架設臨時支撐結構，最后分布開挖核心土及下部土體，施做仰拱，最后施做二次襯砌結構。拱部設置φ299 mm互鎖管幕超前支護，采用螺旋出土導向頂管法施工。工作面采用φ25 mm纖維錨桿進行加固并進行洞內疏干降水。

圖10 暗挖工法示意

(5)施工組織與工期

圖11為調整后的明挖法施工組織進度圖。由圖11可知，該方案隧道土建工期為34個月，于2019年1月1日提供鋪軌條件，可滿足全線指導性施組要求(2019年3月10日前提供鋪軌條件)。但是，由于隧道南延段基坑深、規模大、風險高，施工場地狹窄，施工組織困難，周期較長，對周邊環境及交通影響大，需要導改明光村西路，手續辦理困難。若要按期完成，須于2017年6月底前完成拆遷和臨建。

圖11 明挖方案施工組織示意

3 方案對比分析

從工程風險因素、基坑支護措施、施工方案、地鐵13號線以及學院南路保護措施、工期等方面對盾構法和明挖法施工方案進行對比分析(見表3)。從投資、風險、工期以及場地等方面對盾構法和明挖法施工方案進行對比分析，根據對比結果，建議采用盾構法施工方案(對比分析結果見表4和表5)。

表3 盾構法和明挖法施工方案對比

表4 不同施工方案投資對比 萬元

注：工程投資比較范圍：DK13+400～DK15+800，共計2400 m。

4 施工安全控制

(1)加大建設單位的監管力度，建立包保制，由專業工程師負責穿越期間的安全、協調工作。

(2)執行專家評審制度，做到每一處風險源防護措施均應先通過專家評審，方可實施。

表5 不同施工方案綜合對比

(3)堅持做到風險工程先防后穿的原則。

(4)執行施工監測及第三方的監測制度，建立實時監測系統，指導施工。

(5)成立由建設單位、風險源產權單位、設計單位、監理單位、監測單位組成的聯合辦公小組，保證信息暢通，切實做到信息化施工，確保安全。

(6)建立有效的應急相應機制，編制應急預案，成立應急小組。應急響應劃分為黃、橙、紅三級預警，嚴格按照監測值進行預警，及時啟動應急預案。

5 方案實施效果分析

清華園隧道南延工程包含站前及站后(含清河站普速配套工程及北京北動車所新增機務折返段工程)，工程費增加約3.5億元，學院南路下挖改造及拆遷征地費用節省約19億元，工程總投資共計節約15.5億元。在重新調整北京北站功能定位的條件下，綜合考慮征拆、規劃，采用隧道形式下穿學院南路的方案是經濟可行的。

經參建各方精心策劃、組織施工，保證了2號井按時開工，但期間由于霧霾、中高考及政策性停工影響，2號井于2017年12月12日盾構機組裝完成始發，較原計劃滯后一個月，盾構掘進歷時11.3月，于2018年11月20日安全順利接收，較原計劃提前了2個月，單月最高掘進達476 m/月，綜合進度指標為240 m/月，確保了鋪軌工期。周邊風險源變形安全可控，地鐵13號線變形均在安全范圍內，異型墩(風險最高處)軌道變形沉降僅1.38 mm；下穿學院南路路面變形4.5 mm，均遠小于變形控制值。可見，清華園隧道南延段采用盾構為主的施工方案具有安全可靠和工效高等優點。