北京地下直徑線工程施工技術(shù)探究

王 紅，劉紅梅，董曉剛

(1.大連大學(xué)財(cái)務(wù)處;2.大連大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院)

0 引言

從2007年6月開(kāi)工至今，歷時(shí)8年，被北京市列為“最難、風(fēng)險(xiǎn)最大的在建地下工程”，被鐵道部列為“極高風(fēng)險(xiǎn)1號(hào)”工程的，連接北京站和北京西站兩個(gè)北京主要客運(yùn)站的北京地下直徑線工程，終于于2013年8月貫通，預(yù)計(jì)2014年北京站的列車(chē)將可直通北京西站。這將對(duì)完善北京地區(qū)鐵路樞紐、緩解城市地面交通壓力，實(shí)現(xiàn)兩客運(yùn)站的對(duì)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(gè)施工段，分別是明挖段、淺埋暗挖段、盾構(gòu)段、淺埋暗挖段和蓋—暗結(jié)合段。不少學(xué)者曾經(jīng)就某一施工工藝或技術(shù)進(jìn)行了深入細(xì)致的分析與研究，但是將各個(gè)施工技術(shù)進(jìn)行匯總的文獻(xiàn)還很少?？紤]到北京地下直徑線工程的現(xiàn)實(shí)意義，就幾個(gè)關(guān)鍵施工段的主要施工技術(shù)與施工難點(diǎn)進(jìn)行歸納，進(jìn)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(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，初期支護(hù)承擔(dān)全部基本荷載，二次襯砌作為安全儲(chǔ)備，遵循“管超前、嚴(yán)注漿、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤測(cè)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(kāi)挖和支護(hù)技術(shù)不同，分為正臺(tái)階或上半斷面法、導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)洞法做簡(jiǎn)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(jī)動(dòng)車(chē)道下，為了控制地表沉降，減少開(kāi)挖對(duì)周邊建筑及地下管線的影響，采用洞樁法進(jìn)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(gòu)施工方法進(jìn)行有機(jī)結(jié)合。為了盡量減少承載體系的轉(zhuǎn)換和對(duì)土層的擾動(dòng)，遵循少分塊、快封閉的施工原則。洞樁法隧道開(kāi)挖斷面為(11.6×10.25)m2，先施作導(dǎo)洞小導(dǎo)管超前支護(hù)，灌注樁施工完成后，在小導(dǎo)洞施作樁頂冠梁，并在冠梁中精確預(yù)埋地腳螺栓和中洞拱腳節(jié)點(diǎn)鋼板。架立小導(dǎo)洞范圍內(nèi)的模板支架，澆筑完成后實(shí)現(xiàn)初期支護(hù)，再用混凝土回填導(dǎo)洞初支，運(yùn)用弧形導(dǎo)坑開(kāi)挖上部土體，并完成中部扣拱支護(hù)。后轉(zhuǎn)入下部土體開(kāi)挖及襯砌作業(yè)，采用一臺(tái)9m模板臺(tái)車(chē)進(jìn)行襯砌。開(kāi)挖的同時(shí)進(jìn)行強(qiáng)錨支護(hù)及底板墊層施工，隨后鋪設(shè)防水底板、綁扎鋼筋及澆筑混凝土，待拆除鋼支撐后即可進(jìn)行模板臺(tái)車(chē)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(yàn)，隧道DK6+804～DK7+061段采用交叉中隔壁加橫隔壁法(CRD法)進(jìn)行全暗挖施工，此段全長(zhǎng)255m，分為3種斷面形式。為了控制地面沉降變形，需要對(duì)地層進(jìn)行加固處理。加固措施先采用密排超前小導(dǎo)管護(hù)頂，其次通過(guò)小導(dǎo)管向地層注漿，邊墻施作3m長(zhǎng)Ф25中空注漿錨桿。施工中遵循“管超前，后開(kāi)挖”的施工工序。施工中預(yù)支護(hù)、預(yù)加固一段，開(kāi)挖一段;開(kāi)挖一段，支護(hù)一段;支護(hù)一段，封閉成環(huán)一段。分6部開(kāi)挖導(dǎo)坑，并及時(shí)網(wǎng)噴支護(hù)，形成初支結(jié)構(gòu)。接下來(lái)局部拆除豎隔墻及下層臨時(shí)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(cè)指導(dǎo)下繼續(xù)分部拆除中隔壁及中板等臨時(shí)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(mǎn)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(jìn)行襯砌外，其余部分在隧道初支全部完成后再進(jìn)行襯砌施工。

1.3 雙側(cè)壁導(dǎo)洞法

暗挖雙側(cè)壁導(dǎo)洞法的施工段為里程DK0+850～DK1+142，共包含2種斷面類(lèi)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(fù)合襯砌，需要承擔(dān)全部基本荷載的初支結(jié)構(gòu)采用格柵C25噴射混凝土;作為安全儲(chǔ)備的二次襯砌結(jié)構(gòu)采用C35P8鋼筋混凝土。雙側(cè)壁段的具體施工工序?yàn)橄确?步開(kāi)挖1～9號(hào)導(dǎo)坑，再分2步進(jìn)行二襯。即開(kāi)挖1～9號(hào)導(dǎo)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(fù)雜且緊鄰既有地鐵線，因此必須采取必要的技術(shù)措施以使沉降控制在安全范圍內(nèi)。首先是超前小導(dǎo)管注漿加固技術(shù)，該技術(shù)不僅達(dá)到超前加固圍巖和止水的目的，而且小導(dǎo)管也起到了超前管棚預(yù)支護(hù)的作用。其次，在小導(dǎo)洞施工過(guò)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(shè)初支背后回填注漿管，埋設(shè)部位為格柵頂部，且每個(gè)導(dǎo)洞注漿斷面埋設(shè)根數(shù)不少于2根。另外，對(duì)施工段內(nèi)位于粉細(xì)沙地層內(nèi)的導(dǎo)坑，為了防止因砂層含水量較低引起局部坍塌，對(duì)這些導(dǎo)坑內(nèi)進(jìn)行深孔注漿。采用水灰比為0.8∶1的TGRM加固型漿液進(jìn)行掌子面超前注漿加固，將深孔主要布置在兩側(cè)導(dǎo)洞開(kāi)挖輪廓線周邊，注漿后要求保護(hù)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(gòu)區(qū)段

起訖里程為DK1+620～DK0+795的施工段為盾構(gòu)段，隧道總長(zhǎng)為5.175km，自天寧寺4#豎井始發(fā)，由一臺(tái)盾構(gòu)機(jī)自西向東，沿天寧寺橋、西便門(mén)橋，宣武門(mén)西大街、前門(mén)大街掘進(jìn)。目前，在砂卵石地層的盾構(gòu)施工依然是一個(gè)世界難題，本標(biāo)段盾構(gòu)穿越的地層95.21％就為砂卵石地層，且最大水壓力為0.3MPa，無(wú)疑，該標(biāo)段的富水砂卵石地層使盾構(gòu)掘進(jìn)變得更加艱難。

2.1 盾構(gòu)機(jī)選型

盾構(gòu)機(jī)的選型是盾構(gòu)隧道施工成敗的關(guān)鍵，是盾構(gòu)法施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。根據(jù)本標(biāo)段地層富水、強(qiáng)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(gòu)，可供選擇的機(jī)型有土壓平衡盾構(gòu)和泥水平衡盾構(gòu)。相比土壓平衡盾構(gòu)，泥水平衡式盾構(gòu)在以下方面具有更明顯的優(yōu)勢(shì):(1)使地層受到的擾動(dòng)程度減少到最低，可以有效地防止地表的沉降。(2)在機(jī)倉(cāng)內(nèi)配置破碎機(jī)，對(duì)粒徑達(dá)600mm的漂石、卵石進(jìn)行破碎，在掘進(jìn)過(guò)程中不必進(jìn)行渣土的運(yùn)輸，加快了掘進(jìn)進(jìn)度。(3)減少了掘進(jìn)中換刀、開(kāi)倉(cāng)的次數(shù)，減少了危險(xiǎn)，保證了施工進(jìn)度。(4)可使設(shè)備運(yùn)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(gòu)機(jī)對(duì)直徑線工程進(jìn)行施工。

2.2 盾構(gòu)始發(fā)豎井

隨著盾構(gòu)向大直徑、深埋深方向發(fā)展，盾構(gòu)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(gòu)始發(fā)豎井。由于受地鐵4號(hào)線宣武門(mén)車(chē)站標(biāo)高的限制，豎井基坑深度達(dá)到了31.72m，緊鄰天寧寺2號(hào)匝道橋，最小距離僅為4.6m。因此，地下連續(xù)墻的施工技術(shù)、豎井開(kāi)挖及襯砌方法和盾構(gòu)洞門(mén)預(yù)留等成為施工的關(guān)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(gè)施工槽段，編號(hào)分別為DLQ-01～20，三段開(kāi)洞處采用玻璃纖維筋替代普通鋼筋，既能實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)直接切削又能規(guī)避洞門(mén)鑿除后土體暴露的風(fēng)險(xiǎn)，保證了支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。成槽過(guò)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(kāi)始進(jìn)行豎井開(kāi)挖及襯砌，豎井開(kāi)挖采用遞作法與順作法結(jié)合的施工技術(shù)，保證了豎井結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

2.3 盾構(gòu)掘進(jìn)術(shù)

為了保證盾構(gòu)掘進(jìn)的安全進(jìn)行，初期進(jìn)行試掘進(jìn)，嚴(yán)格控制始發(fā)掘進(jìn)的各種參數(shù)，包括泥水倉(cāng)壓力控制、掘進(jìn)進(jìn)度控制、進(jìn)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(gòu)推進(jìn)提供指導(dǎo)。里程為DK6+668.4～DK6+771.4的盾構(gòu)隧道段下穿護(hù)城河，盾構(gòu)頂距護(hù)城河最短距離小于1倍盾構(gòu)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(duì)護(hù)城河進(jìn)行加固處理。對(duì)天寧寺橋及熱力管線分別采用隔離樁保護(hù)，盾構(gòu)兩側(cè)進(jìn)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(jìn)行開(kāi)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(gè)整體，解決了盾構(gòu)在近距離下穿河底時(shí)的掘進(jìn)安全問(wèn)題。盾構(gòu)在DK4+540～DK4+567里程下穿地鐵4號(hào)線宣武門(mén)車(chē)站，與車(chē)站僅有4.98～6.12m的距離，必須采取必要的加固措施對(duì)宣武門(mén)車(chē)站進(jìn)行保護(hù)。保護(hù)方案為用板凳樁——托梁+預(yù)注漿加固措施。即在宣武門(mén)車(chē)站結(jié)構(gòu)底板下沿隧道兩側(cè)設(shè)2道縱梁，橫梁下設(shè)鉆孔灌注樁，并采用小導(dǎo)管注漿的方式對(duì)車(chē)站進(jìn)行預(yù)注漿加固。

2.4 平行既有地鐵2號(hào)線施工

盾構(gòu)自長(zhǎng)椿街開(kāi)始與既有地鐵2#線平行，平行長(zhǎng)度約3.99km，兩隧道結(jié)構(gòu)間水平距離最近僅2.34m，盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中刀盤(pán)對(duì)土層造成擾動(dòng)，導(dǎo)致出現(xiàn)土體沉降，可能會(huì)對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響，為了保證地鐵列車(chē)的運(yùn)營(yíng)安全，設(shè)置平行地鐵2#線的盾構(gòu)試驗(yàn)段。通過(guò)對(duì)盾構(gòu)隧道與2號(hào)線位置關(guān)系及周邊環(huán)境進(jìn)行分析，將影響2號(hào)線的并行盾構(gòu)施工區(qū)前150m作為試驗(yàn)盾構(gòu)段。試驗(yàn)段盾構(gòu)姿態(tài)為下坡段，坡度約為3‰。根據(jù)施工要求，盾構(gòu)掘進(jìn)引起的2號(hào)線軌道及隧道結(jié)構(gòu)沉降值必須控制在3mm以?xún)?nèi)，以確保施工安全及2號(hào)線軌道結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、穩(wěn)定。因此，在施工前即為2#線安裝防脫護(hù)軌，做好軌道防護(hù)工作，全力保證運(yùn)營(yíng)安全。

3 蓋—暗結(jié)合施工段

起訖里程為DK0+700～DK0+850的崇文門(mén)三角地特殊地段，隧道長(zhǎng)度為150m。該隧道DK0+565洞門(mén)進(jìn)洞后以16‰下坡至DK0+850，且該段隧道上方即為崇文門(mén)路口，考慮到該標(biāo)段覆土厚度、地下管線、交通導(dǎo)改、周邊建筑物情況十分復(fù)雜，經(jīng)過(guò)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(biāo)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(gè)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(guò)明挖法施工時(shí)預(yù)留的材料進(jìn)出口，在導(dǎo)洞貫通后開(kāi)始施工左右導(dǎo)洞，導(dǎo)洞開(kāi)挖完成后，開(kāi)始路面人工挖孔樁和臨時(shí)路面系統(tǒng)的施工，并在蓋板完成后進(jìn)行主體結(jié)構(gòu)施工。

3.2 DK0+752～DK0+783段

該段隧道上跨地鐵5號(hào)線崇文門(mén)站，斷面形式為平頂直墻段，且斷面尺寸也是城市隧道開(kāi)挖中鮮有的大斷面類(lèi)型。因此，安全開(kāi)挖時(shí)整個(gè)開(kāi)挖過(guò)程中擺在首位的工作。另外，由于施工中的開(kāi)挖擾動(dòng)、地層損失等因素會(huì)引起地層的移動(dòng)和變形，進(jìn)而導(dǎo)致車(chē)站凈空發(fā)生變化、站臺(tái)層內(nèi)的軌道產(chǎn)生移動(dòng)和變形。因此。該段隧道施工中對(duì)既有地鐵5號(hào)線采取了對(duì)軌道加固的抗浮保護(hù)措施。同時(shí)，隧道底施做每段7m的縱向小導(dǎo)洞進(jìn)行導(dǎo)洞臺(tái)階法開(kāi)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(guò)冠梁與反壓梁連接成整體，控制車(chē)站上方土體擾動(dòng)。

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(mén)站東南出入口距直徑線結(jié)構(gòu)外側(cè)最近距離約1.86m，地鐵5號(hào)線至地鐵2號(hào)線的換乘通道距離直徑線最近距離約0.5m，崇文門(mén)飯店距隧道約10.15m，這都大大增加了該標(biāo)段的施工風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。因此，施工中將原設(shè)計(jì)方案中自上而下逐步施工9個(gè)小導(dǎo)洞的順序變?yōu)樽韵露?。即?#導(dǎo)洞將1#豎井和明挖段連通后，開(kāi)始自下而上的進(jìn)行1#-6#導(dǎo)洞開(kāi)挖，施工至DK0+783處停止，在滿(mǎn)足實(shí)施地面加固措施的條件下，進(jìn)行上方3條導(dǎo)洞的施工。

4 結(jié)束語(yǔ)

北京地下直徑線工程是我國(guó)城市地下隧道工程的典型代表，是目前我國(guó)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(guó)內(nèi)同類(lèi)地質(zhì)條件下第一條采用大直徑泥水盾構(gòu)施工的隧道。由于其所處位置、地層和四周環(huán)境十分復(fù)雜，使得直徑線工程具有工程類(lèi)型及工法繁多、施工專(zhuān)業(yè)性強(qiáng)、技術(shù)含量高等特點(diǎn)，其獨(dú)特的施工技術(shù)、工藝將為北京乃至全國(guó)的城市隧道工程施工提供寶貴的借鑒。

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