京張高鐵清華園隧道建造關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用

趙 勇，呂 剛，劉建友，劉 方

(1.中國(guó)鐵路經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研究院有限公司,北京 100038；2.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055)

引言

隨著我國(guó)鐵路工程和市政公路工程的大規(guī)模開(kāi)發(fā)建設(shè)，在城市密集區(qū)域修建大直徑盾構(gòu)隧道的工程案例在不斷增加：如北京鐵路地下直徑線[1-3]、天津鐵路地下直徑線[4-5]、上海虹橋綜合交通樞紐[6]、上海長(zhǎng)江西路越江隧道等工程[7-8]。

北京鐵路地下直徑線連接北京西站與北京站，全長(zhǎng)9 151 m，其中隧道全長(zhǎng)7 285 m，占線路總長(zhǎng)的79%，盾構(gòu)隧道5 175 m，采用外徑為11.6 m的盾構(gòu)施工，最大開(kāi)挖深度41 m，最小覆土厚度1.5 m，盾構(gòu)施工先后安全通過(guò)護(hù)城河、天寧寺橋、西便門橋、地鐵4號(hào)線宣武門站、與既有地鐵2號(hào)環(huán)線南段平行布置。隧道主要穿越的地層為卵石層、圓礫層，局部為粉質(zhì)黏土層、粉土層和粉質(zhì)黏土層等土層，地層中存在φ650 mm的大直徑卵石，并且存在砂層與卵石層的膠結(jié)，最大抗壓強(qiáng)度約30 MPa[9-11]。

天津鐵路地下直徑線連接天津站和天津西站，線路全長(zhǎng)約5 005 m，其中隧道長(zhǎng)3 312 m，盾構(gòu)區(qū)長(zhǎng)度為2 146 m，采用1臺(tái)直徑11.97 m的泥水盾構(gòu)機(jī)從天津站端始發(fā)，盾構(gòu)隧道管片外徑11.6 m，內(nèi)徑10.6 m，每環(huán)管片縱向長(zhǎng)度1.8 m。地層主要為黏性土、淤泥質(zhì)土、淤泥、粉土、粉砂及細(xì)砂。盾構(gòu)隧道穿越海河、南運(yùn)河、獅子林橋、金鋼橋、慈海橋及其他多座景觀區(qū)、房屋建(構(gòu))筑物，施工環(huán)境復(fù)雜、沿線地下管線和不明障礙物多，且受城市施工條件限制，盾構(gòu)需在半徑600 m曲線段接收[12-13]。

上海虹橋綜合交通樞紐迎賓三路隧道工程采用直徑14.27 m土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，盾構(gòu)穿越七莘路高架、北橫涇、機(jī)場(chǎng)滑行道、機(jī)場(chǎng)主跑道、機(jī)場(chǎng)航油管、停機(jī)坪、101鐵路及歷史保護(hù)建筑物，掘進(jìn)長(zhǎng)度1 862 m。迎賓三路隧道于2009年開(kāi)工，2011年3月22日全線貫通[14-17]。

近年來(lái)，我國(guó)在城市密集區(qū)陸續(xù)修建了一些大直徑盾構(gòu)隧道工程，逐步積累了一些工程經(jīng)驗(yàn)，相關(guān)技術(shù)水平得到了長(zhǎng)足發(fā)展，但仍有一些理論和技術(shù)問(wèn)題有待進(jìn)一步深入研究，主要表現(xiàn)在：

(1)大直徑盾構(gòu)隧道掘進(jìn)對(duì)地層擾動(dòng)的定量分析尚不夠明確和完善，其中包括擾動(dòng)范圍、擾動(dòng)程度、變形特征等[18-20]；

(2)盾構(gòu)隧道穿越城市密集區(qū)建(構(gòu))筑物尤其是軌道交通繁忙線路的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、評(píng)價(jià)、管理，以及應(yīng)急安全保障措施和工后評(píng)價(jià)等問(wèn)題；

(3)城市密集區(qū)盾構(gòu)隧道施工過(guò)程的可視化監(jiān)控、預(yù)測(cè)技術(shù)；

(4)城市密集區(qū)盾構(gòu)隧道環(huán)保施工技術(shù)，尤其是泥漿的無(wú)害化處理技術(shù)[21-22]；

(5)大直徑盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)期長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)的方法和分析評(píng)價(jià)體系。

1 工程背景

1.1 工程概況

清華園隧道是新建北京至張家口高速鐵路重點(diǎn)控制性工程之一。全隧位于北京市海淀區(qū)，于學(xué)院南路南側(cè)入地，沿原京包鐵路向北敷設(shè)，五環(huán)路內(nèi)出地面，呈“V”形坡。隧道自南向北依次穿越學(xué)院南路、北三環(huán)、知春路、北四環(huán)、成府路、清華東路、雙清路共7條主要市政道路和106條重要市政管線；同時(shí)，清華園隧道還上穿地鐵12號(hào)(在建)、10號(hào)、15號(hào)線等3條地鐵線，隧道近距離并行側(cè)穿地鐵13號(hào)線(隧道結(jié)構(gòu)與橋樁最近處僅3.4 m)。清華園隧道是目前國(guó)內(nèi)位于城市核心區(qū)，穿越重要建(構(gòu))筑物最多的國(guó)鐵單洞雙線大直徑盾構(gòu)高風(fēng)險(xiǎn)隧道之一，是目前北京地區(qū)直徑最大的盾構(gòu)隧道，盾構(gòu)隧道內(nèi)徑11.1 m，外徑12.2 m。本隧區(qū)段設(shè)計(jì)速度目標(biāo)值為120 km/h。清華園隧道進(jìn)口里程為DK13+400，出口里程為DK19+420。分段施工工法如圖1所示。

圖1 清華園隧道施工區(qū)段平面示意(單位：m)

清華園隧道建成后，進(jìn)入北京北站的列車將全部入地，實(shí)現(xiàn)了學(xué)院南路、成府路、清華東路道路立交(現(xiàn)有四道口、五道口、雙清路道口等鐵路道口將移除)，這將有效緩解地面市政道路交通擁堵問(wèn)題，減輕地面交通壓力，改善出行環(huán)境。清華園隧道充分利用地下空間，達(dá)到了減少占地、降低環(huán)境影響、消除城市分割的設(shè)計(jì)目的，有利于城市區(qū)域合理規(guī)劃。

1.2 工程地質(zhì)特征

地層以第四系全新統(tǒng)人工堆積層(Q4ml)雜填土和第四系全新統(tǒng)沖洪積層(Q4al+pl)黏性土、粉土、砂類土、圓礫土及卵石土，地層參數(shù)見(jiàn)表1所示。

表1 地層主要參數(shù)

1.3 水文地質(zhì)特征

清華園隧道隧址區(qū)主要含有上層滯水、潛水和承壓水，其中上層滯水埋藏深度一般在3.4～5.7 m，潛水分布在兩個(gè)地層層位：①層間潛水的水位高程為31.86～34.40 m(水位埋深為15.2～18.0 m)，②層間潛水的水位高程為23.50～27.50 m(水位埋深為22.0～24.0 m)。隧址區(qū)承壓水埋深較大，對(duì)本隧道無(wú)影響。地下水對(duì)混凝土具微腐蝕性，對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具微腐蝕性，在干濕交替條件下，對(duì)鋼筋混凝土中的鋼筋具弱腐蝕性，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具弱腐蝕性。

2 清華園隧道技術(shù)難點(diǎn)及解決措施

清華園隧道的技術(shù)難點(diǎn)及相應(yīng)的解決措施如下。

(1)隧道長(zhǎng)距離穿越黏粒含量高的硬塑粉土和卵石地層，其中夾雜密實(shí)粉砂透鏡體，易產(chǎn)生黏土糊刀盤(pán)及刀具磨耗嚴(yán)重等問(wèn)題，施工風(fēng)險(xiǎn)較高。針對(duì)該地層，設(shè)計(jì)中對(duì)盾構(gòu)選型和刀盤(pán)配備進(jìn)行了專項(xiàng)研究，采用了常壓換刀、刀盤(pán)自動(dòng)沖洗等先進(jìn)技術(shù)，制定了切實(shí)可靠的方案。

(2)全隧近距離并行地鐵13號(hào)線、穿越3條地鐵線及7處繁忙的市政道路，重要管線多，周邊建筑物密集，對(duì)地層變形控制要求極其嚴(yán)格，必須制定更明確、更周密、更安全的變形控制標(biāo)準(zhǔn)、措施和方案。為保證施工安全、滿足地層沉降要求，設(shè)計(jì)施工過(guò)程中對(duì)多種施工工法和工藝進(jìn)行了詳細(xì)分析研究，最終選擇采用泥水平衡盾構(gòu)法施工，這是目前對(duì)沉降控制最有效的施工方法；同時(shí)，對(duì)每處風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行安全評(píng)估和風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分，根據(jù)不同的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，采取配套防護(hù)措施，對(duì)癥下藥，保證周邊建筑物安全。

(3)隧道周邊分布居住區(qū)、學(xué)校及醫(yī)院，對(duì)施工和運(yùn)營(yíng)振動(dòng)、噪聲、污染等要求嚴(yán)格，對(duì)環(huán)保施工和施工減、降振提出了更高的要求，通過(guò)采用控制盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)和姿態(tài)，預(yù)制拼裝等技術(shù)解決了環(huán)保施工的問(wèn)題。

(4)本線為2022年冬奧會(huì)交通保障工程，須在2019年底通車，受拆遷影響，施工滯后計(jì)劃工期，剩余工期異常緊張，采用軌下預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)等技術(shù)極大提高了施工工效，縮短了工期。

(5)隧道位于城市繁華區(qū)地下，斷面空間狹小，防災(zāi)疏散救援結(jié)構(gòu)布局及設(shè)備布置難度大，研發(fā)了繁華城區(qū)明洞盾構(gòu)組合長(zhǎng)大隧道防災(zāi)救援疏散綜合技術(shù)，保障了運(yùn)營(yíng)安全。

為更好地解決清華園隧道以上技術(shù)難題，為京張高鐵建設(shè)做好技術(shù)保障，同時(shí)為以后類似工程項(xiàng)目積累經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)鐵路總公司研究批準(zhǔn)，依托京張高鐵清華園隧道工程，開(kāi)展城市密集區(qū)復(fù)雜地質(zhì)高風(fēng)險(xiǎn)大直徑盾構(gòu)隧道施工關(guān)鍵技術(shù)研究，其主要研究?jī)?nèi)容包括：(1)大直徑盾構(gòu)隧道掘進(jìn)技術(shù)及周邊地層擾動(dòng)特征研究；(2)大直徑盾構(gòu)施工的城市軌道線路變形控制和安全保障技術(shù)研究；(3)盾構(gòu)隧道洞內(nèi)軌下結(jié)構(gòu)的預(yù)制拼裝技術(shù)研究；(4)大直徑盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期變形監(jiān)測(cè)技術(shù)研究；(5)城市繁華區(qū)大直徑鐵路盾構(gòu)隧道防災(zāi)疏散救援技術(shù)研究。

3 主要?jiǎng)?chuàng)新成果及應(yīng)用

以京張高鐵清華園隧道工程為依托，開(kāi)展了復(fù)雜地質(zhì)條件下高風(fēng)險(xiǎn)大直徑盾構(gòu)隧道施工關(guān)鍵技術(shù)研究，取得了如下創(chuàng)新性成果。

3.1 首次提出了軌下結(jié)構(gòu)全預(yù)制拼裝技術(shù)，并在工程中成功應(yīng)用

清華園隧道軌下結(jié)構(gòu)和附屬管槽均進(jìn)行預(yù)制化拼裝建造，在國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了盾構(gòu)軌下結(jié)構(gòu)全預(yù)制拼裝。

3.1.1 全預(yù)制拼裝技術(shù)的意義

全預(yù)制拼裝技術(shù)是指隧道的主體結(jié)構(gòu)，包括支護(hù)結(jié)構(gòu)、軌下結(jié)構(gòu)、水溝電纜槽等均采用工廠化預(yù)制、現(xiàn)場(chǎng)拼裝建造的施工技術(shù)。采用全預(yù)制軌下拼裝結(jié)構(gòu)，解決了現(xiàn)澆軌下結(jié)構(gòu)施工對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)的干擾，實(shí)現(xiàn)了軌下結(jié)構(gòu)和掘進(jìn)作業(yè)平行同步施工，創(chuàng)新了盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)建造理念。全預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)與現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)相比，該施工方法機(jī)械化程度高，施工速度快，預(yù)制構(gòu)件運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)即可利用機(jī)械進(jìn)行拼裝，大大提高了工人的工作效率和機(jī)械使用效率；工廠化預(yù)制件生產(chǎn)可實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)化，且對(duì)其做好防護(hù)措施后不受自然環(huán)境影響，可以充分保證預(yù)制件質(zhì)量和批量化生產(chǎn)，構(gòu)件統(tǒng)一生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)性和規(guī)范性也確保了現(xiàn)場(chǎng)施工的質(zhì)量和效率；現(xiàn)場(chǎng)施工無(wú)需周轉(zhuǎn)材料、無(wú)需占用大量材料堆場(chǎng)，施工時(shí)間大為減少，可有效降低盾構(gòu)隧道的建設(shè)成本；工廠化生產(chǎn)、現(xiàn)場(chǎng)拼裝，除后續(xù)砂漿灌封，無(wú)現(xiàn)場(chǎng)混凝土澆筑，避免了商品混凝土到場(chǎng)不及時(shí)、甚至遇政策調(diào)整及天氣情況影響無(wú)法開(kāi)展混凝土運(yùn)輸?shù)膯?wèn)題。

3.1.2 軌下預(yù)制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

清華園隧道的管片、軌下結(jié)構(gòu)及水溝電纜槽均采用了預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)，其中軌下結(jié)構(gòu)采用三塊箱涵拼裝設(shè)計(jì)，即中間一塊中箱涵，左、右兩側(cè)各一塊邊箱涵拼裝而成，如圖2所示。中箱涵分三種型號(hào)：A型中箱涵長(zhǎng)3.3 m，寬1.98 m，高2.805 m；理論混凝土方量6.18 m3；該型箱涵用在清華園隧道軌下結(jié)構(gòu)普通段。B型中箱涵用于逃生通道樓梯段，理論混凝土方量7.53 m3，每100 m使用2塊。C型中箱涵側(cè)壁開(kāi)孔，理論混凝土方量5.991 m3，隧道每隔三、四百米設(shè)置一處該型箱涵，用于通風(fēng)通道，共24塊。邊箱涵分A和B兩種類型，A型邊箱涵用于普通段，與A型中涵及B型中涵兩側(cè)拼裝，理論混凝土方量4.74 m3；B型邊箱涵側(cè)壁開(kāi)孔，與C型中箱涵側(cè)壁開(kāi)孔相拼裝，理論混凝土方量4.58 m3。

圖2 軌下預(yù)制結(jié)構(gòu)示意

3.1.3 軌下結(jié)構(gòu)預(yù)制

箱涵預(yù)制生產(chǎn)工藝主要分為鋼筋、模板、混凝土三大工序。

鋼筋原材進(jìn)場(chǎng)經(jīng)試驗(yàn)室檢驗(yàn)合格后，開(kāi)料投入使用。直螺通過(guò)鋼筋切斷機(jī)切成指定長(zhǎng)度，盤(pán)條通過(guò)調(diào)直切斷機(jī)調(diào)直切斷。切制完成的鋼筋經(jīng)過(guò)彎曲機(jī)、彎箍機(jī)加工，制成鋼筋半成品備用。鋼筋籠焊接在專用焊接胎具上完成，保證了鋼筋籠的尺寸精度。焊接人員依次將箍筋、底筋、面筋等穿入胎具中，采用CO2保護(hù)焊將鋼筋籠焊接成型，經(jīng)行車吊至指定區(qū)域存放。

箱涵生產(chǎn)采用固定臺(tái)座生產(chǎn)方式，箱涵鋼模采用精度高、強(qiáng)度高、不漏漿、性能穩(wěn)定且連續(xù)生產(chǎn)不變形的全新模板，根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)及工期安排，投入13套中箱涵模型(其中包括1套逃生通道模型)和11套邊箱涵模型(1套包括左右兩塊邊箱涵模型)。

攪拌完成的混凝土放至運(yùn)輸罐車中，由罐車運(yùn)輸至箱涵生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，由龍門吊吊運(yùn)灰斗進(jìn)行灌注作業(yè)。最終，混凝土在人工振搗棒作用下振搗成形?；炷凉嘧⑼瓿珊螅M(jìn)入下一塊模型的生產(chǎn)。

箱涵生產(chǎn)繼續(xù)流轉(zhuǎn)，當(dāng)表面溫度與環(huán)境溫度相差符合要求，且達(dá)到拆模強(qiáng)度時(shí)，拆除相關(guān)預(yù)埋件，打開(kāi)模板，由專門吊具吊出模具。龍門吊吊裝箱涵進(jìn)入灑水養(yǎng)護(hù)區(qū)，經(jīng)過(guò)14 d的灑水養(yǎng)護(hù)，吊運(yùn)至存放場(chǎng)繼續(xù)養(yǎng)護(hù)存放至出廠。

3.1.4 軌下結(jié)構(gòu)拼裝

清華園隧道軌下結(jié)構(gòu)采用3塊獨(dú)立箱涵拼裝形式(2塊邊箱涵和1塊中箱涵)，中箱涵隨盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)利用盾構(gòu)機(jī)自帶箱涵拼裝機(jī)施工，邊箱涵由特制邊箱涵拼裝機(jī)進(jìn)行拼裝，滯后于中箱涵，位于盾構(gòu)機(jī)四號(hào)臺(tái)車尾部。

邊箱涵預(yù)制件拼裝機(jī)主要由車架、行走車輪組、行走驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、小車供電、橫移機(jī)構(gòu)、四點(diǎn)起吊三點(diǎn)平衡機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、U形吊具、箱涵件調(diào)整定位機(jī)構(gòu)等組成。該設(shè)備可以將邊箱涵預(yù)制件從運(yùn)輸車吊起，并平移旋轉(zhuǎn)調(diào)整后移動(dòng)到指定安裝位置，最終將邊箱涵預(yù)制件精確安裝于中箱涵兩側(cè)，實(shí)現(xiàn)邊箱涵快速施工。

3.2 開(kāi)發(fā)了大直徑盾構(gòu)施工過(guò)程可視化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了盾構(gòu)施工的可視化監(jiān)控和實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)

清華園隧道搭建了基于三維BIM模型和VR技術(shù)的可視化、信息化智慧施工管理監(jiān)控平臺(tái)，如圖3所示，實(shí)現(xiàn)對(duì)掘進(jìn)、拼裝、注漿等施工環(huán)節(jié)的全過(guò)程管理和監(jiān)控，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的可視化實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)和分析。盾構(gòu)機(jī)采用常壓換刀技術(shù)，有效降低施工風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 可視化信息化智慧管理監(jiān)控平臺(tái)

(1)基于清華園隧道沿線水文地質(zhì)勘察、周邊既有建(構(gòu))筑物相對(duì)位置關(guān)系調(diào)查及工程措施(包括盾構(gòu)施工參數(shù)及防護(hù)措施)監(jiān)控及數(shù)值模擬，實(shí)現(xiàn)了盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中地質(zhì)條件、周邊建(構(gòu))筑物、工程措施的數(shù)字化。通過(guò)以上方法，將地層資料及參數(shù)數(shù)字化后植入到施工系統(tǒng)中，盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中可以即時(shí)獲取當(dāng)前所處地質(zhì)環(huán)境及風(fēng)險(xiǎn)源環(huán)境，同時(shí)可以獲取盾構(gòu)施工參數(shù)，如果需要施作防護(hù)措施，則防護(hù)措施信息及仿真結(jié)果同樣可以在施工系統(tǒng)獲取。

(2)基于清華園隧道實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)資料，建立了基于Peck理論及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論的地層沉降預(yù)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)了盾構(gòu)隧道施工引起地層沉降及周邊風(fēng)險(xiǎn)源沉降的可靠預(yù)測(cè)及預(yù)測(cè)結(jié)果的可視化顯示。通過(guò)對(duì)前期盾構(gòu)施工引起地層沉降的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析總結(jié)，基本摸清了清華園隧道在粉質(zhì)黏土及砂卵石地層中施工引起地層沉降的規(guī)律，進(jìn)而建立相應(yīng)的預(yù)測(cè)模型，可對(duì)沉降進(jìn)行可靠預(yù)測(cè)。同時(shí)，根據(jù)既有建(構(gòu))筑物與隧道的空間位置關(guān)系，可以進(jìn)一步預(yù)測(cè)其施工變形響應(yīng)。此預(yù)測(cè)結(jié)果可以在施工系統(tǒng)中可視化顯示。

(3)基于清華園隧道周邊風(fēng)險(xiǎn)源的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)、變形控制標(biāo)準(zhǔn)、施工數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)及沉降預(yù)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)了施工引起臨近建(構(gòu))筑物危險(xiǎn)性的實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。通過(guò)對(duì)沉降實(shí)測(cè)值的分析總結(jié)，對(duì)預(yù)測(cè)方法進(jìn)行不斷完善，當(dāng)預(yù)測(cè)值在容許誤差范圍內(nèi)，可與控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較。如果預(yù)測(cè)值超過(guò)控制標(biāo)準(zhǔn)則報(bào)警；如果未超過(guò)控制標(biāo)準(zhǔn)則安全。當(dāng)超過(guò)控制值，則需要反饋調(diào)整盾構(gòu)施工參數(shù)。

(4)基于清華園隧道地質(zhì)條件、風(fēng)險(xiǎn)源、工程措施的數(shù)字化技術(shù)，實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)及其可視化顯示技術(shù)，建立了京張高鐵清華園隧道智能建造系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)施工進(jìn)度、盾構(gòu)實(shí)時(shí)及歷史掘進(jìn)參數(shù)的即時(shí)顯示，地層及風(fēng)險(xiǎn)源施工變形響應(yīng)的實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)與風(fēng)險(xiǎn)源安全狀態(tài)的實(shí)時(shí)判別，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的上傳及測(cè)點(diǎn)歷時(shí)曲線與沉降槽的繪制，盾構(gòu)施工實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控等功能，使施工人員的動(dòng)態(tài)管理成為可能，為清華園隧道的信息化、智能化施工提供了堅(jiān)實(shí)保障。

3.3 研制了城市盾構(gòu)泥漿環(huán)保處理技術(shù)，解決了盾構(gòu)隧道泥漿運(yùn)輸和環(huán)境污染問(wèn)題

清華園隧道地處北京市海淀區(qū)境內(nèi)，位于北京市城市核心區(qū)，盾構(gòu)機(jī)在全斷面黏土地層掘進(jìn)，刀盤(pán)極易結(jié)泥餅，施工廢漿量大、處理困難；粉質(zhì)黏土地層長(zhǎng)達(dá)1 200 m，粒徑在50 μm以下成分在粉質(zhì)黏土地層中占比50%以上，目前此類黏土顆粒較難通過(guò)泥水分離設(shè)備分離，掘進(jìn)期間需廢棄大量泥漿。因施工地點(diǎn)位于北京市海淀區(qū)，無(wú)處理場(chǎng)地成為制約盾構(gòu)施工效率的一大難點(diǎn)，同時(shí)受特殊性政策及北京市高標(biāo)準(zhǔn)環(huán)保要求的影響，泥漿處理也是制約施工的一大難題。

為響應(yīng)京張高鐵綠色辦奧運(yùn)理念，清華園隧道盾構(gòu)施工采用ZXSⅡ-2500/20泥水處理設(shè)備、壓濾設(shè)備、離心設(shè)備相結(jié)合的泥漿綜合處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)泥漿的循環(huán)利用，達(dá)到綠色環(huán)保、節(jié)能高效的施工目標(biāo)。

泥漿處理過(guò)程分為以下幾個(gè)步驟：泥漿收集→泥漿改性→壓濾(含送漿、建壓)→排水→隔膜壓榨→吹氣脫水→卸料→管路沖洗。全部壓濾流程均為PLC自動(dòng)控制，自動(dòng)進(jìn)行壓濾流程切換；壓濾后渣料含水率可低至23%，可以直接裝車外運(yùn)。壓濾后回收的清水直接回調(diào)漿池與二級(jí)旋流后的泥漿混合，使比重還原到進(jìn)泥所需之值，實(shí)現(xiàn)泥漿重復(fù)利用。

工科新教師培訓(xùn)的目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)必然體現(xiàn)個(gè)人目標(biāo)與學(xué)校目標(biāo)的有機(jī)統(tǒng)一，體現(xiàn)知識(shí)掌握、技能訓(xùn)練、理念培育、行為養(yǎng)成、能力發(fā)展目標(biāo)的相輔相成與互促互進(jìn)，實(shí)現(xiàn)短、中、長(zhǎng)期目標(biāo)的有機(jī)結(jié)合。

3.3.1 技術(shù)原理

(1)采用預(yù)篩分，一、二級(jí)旋流分離，實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)循環(huán)泥漿中砂、泥的良好分離。

(2)采用脫水篩高頻振動(dòng)脫水，實(shí)現(xiàn)對(duì)外棄渣含水率≤23%，適合自卸汽車直接運(yùn)輸。

(3)采用壓濾設(shè)備處理多余的廢漿來(lái)保證地面工程泥漿的零排放。

(4)采用制調(diào)漿設(shè)備，實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)環(huán)流系統(tǒng)的流量平衡、物質(zhì)平衡及環(huán)流泥漿調(diào)節(jié)與快速補(bǔ)償。

(5)采用PLC集中控制室遠(yuǎn)程控制模式，實(shí)現(xiàn)地面泥水處理系統(tǒng)的遠(yuǎn)程集中控制及實(shí)時(shí)監(jiān)控。

3.3.2 泥水處理設(shè)備

泥水處理設(shè)備如圖4所示。盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)排出的污漿由排泥泵經(jīng)分配器分配后送入泥水分離設(shè)備的進(jìn)漿槽，經(jīng)過(guò)預(yù)篩分器的兩層粗篩振動(dòng)篩選后，將粒徑在3 mm以上的渣料分離；篩余的泥漿進(jìn)入一級(jí)儲(chǔ)漿槽，由2臺(tái)渣漿泵分別給2套一級(jí)旋流器組進(jìn)料，經(jīng)過(guò)旋流除砂器分選，粒徑微細(xì)的泥砂由下端的沉砂嘴排出，落入除泥篩的下層細(xì)篩，旋流除砂器的溢流進(jìn)入一級(jí)中儲(chǔ)箱，沿排漿管排出或進(jìn)入一級(jí)或二級(jí)儲(chǔ)漿槽，由二級(jí)旋流除砂器進(jìn)漿泵泵入二級(jí)旋流除砂器組，二級(jí)旋流除砂器組底流口濃漿進(jìn)入除泥篩的上層細(xì)篩，一、二級(jí)旋流器底流經(jīng)細(xì)篩脫水篩選后，干燥的細(xì)渣料分離出來(lái)，篩下漿液進(jìn)入一級(jí)儲(chǔ)漿槽池；二級(jí)旋流器溢流自溜槽流入沉淀池或調(diào)漿池或二次除砂系統(tǒng)。

圖4 泥水分離設(shè)備

3.4 探明了大直徑盾構(gòu)土層擾動(dòng)特征，預(yù)確定了相應(yīng)地層盾構(gòu)施工關(guān)鍵參數(shù)，提高盾構(gòu)施工安全度和工效

(1)針對(duì)大直徑泥水盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)周邊地層擾動(dòng)，對(duì)3號(hào)井盾構(gòu)掘進(jìn)擾動(dòng)情況進(jìn)行了數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，得到了盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)周圍土體的水平擾動(dòng)特征，如圖5、圖6所示。土體的水平位移主要發(fā)生在盾構(gòu)脫環(huán)之后。盾構(gòu)施工最終產(chǎn)生的應(yīng)力釋放率在0.13左右，顯著地表沉降范圍為隧道軸線兩側(cè)20 m，應(yīng)在盾構(gòu)切口到達(dá)相應(yīng)斷面前12 m(約1倍洞徑)開(kāi)始監(jiān)控水平位移的變化，在盾構(gòu)通過(guò)期間為重點(diǎn)監(jiān)控防范階段，當(dāng)盾構(gòu)刀盤(pán)通過(guò)相應(yīng)斷面超過(guò)20 m(約1.6倍洞徑)之后，可減小對(duì)相應(yīng)斷面的監(jiān)控防范頻率。

圖5 大直徑盾構(gòu)變形影響范圍的數(shù)值模擬結(jié)果

圖6 清華園隧道沉降現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果

(2)針對(duì)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行掘進(jìn)適應(yīng)性分析，尤其是對(duì)兩個(gè)盾構(gòu)區(qū)間出現(xiàn)的特殊情況進(jìn)行研究，總結(jié)了問(wèn)題產(chǎn)生的原因及處理措施。主要針對(duì)2號(hào)井盾構(gòu)區(qū)間掘進(jìn)效率低、盾構(gòu)機(jī)盾尾隆起及3號(hào)井刀盤(pán)刀具磨損等問(wèn)題進(jìn)行盾構(gòu)掘進(jìn)適應(yīng)性分析，給出了相應(yīng)的處理措施。

(3)基于盾構(gòu)掘進(jìn)關(guān)鍵參數(shù)記錄及地勘資料，運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的分析方法，確定了盾構(gòu)施工掘進(jìn)關(guān)鍵參數(shù)與地層參數(shù)之間的變化關(guān)系。刀盤(pán)扭矩、盾構(gòu)推力及掘進(jìn)速度表現(xiàn)出明顯的分階段性變化規(guī)律，當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)從粉質(zhì)黏土地層進(jìn)入到復(fù)雜互層，呈現(xiàn)出刀盤(pán)扭矩和盾構(gòu)推力大幅變大、掘進(jìn)速度變慢的趨勢(shì)。對(duì)于掘進(jìn)參數(shù)的選擇與控制，盾構(gòu)機(jī)操控人員應(yīng)在保證掘進(jìn)速度的前提下實(shí)時(shí)地根據(jù)地勘資料進(jìn)行調(diào)整。

(4)針對(duì)清華園大直徑泥水盾構(gòu)超淺埋始發(fā)問(wèn)題進(jìn)行了總結(jié)與分析研究，包括洞門端頭土體加固技術(shù)等始發(fā)關(guān)鍵技術(shù)以及始發(fā)掘進(jìn)參數(shù)控制，通過(guò)數(shù)值模擬確定了始發(fā)段加固范圍，驗(yàn)證了加固技術(shù)的可靠性。始發(fā)段加固范圍為盾構(gòu)外輪廓線上、下、左、右各5 m，隧道掘進(jìn)方向17 m，垂直隧道軸線方向22 m。使用旋噴樁進(jìn)行土體加固后，土體性質(zhì)得到大幅改善，洞門破除后的土體滿足穩(wěn)定性要求。

3.5 提出了大直徑盾構(gòu)施工對(duì)周邊環(huán)境影響的變形控制和安全保障技術(shù)，最大程度減小了盾構(gòu)隧道施工對(duì)周邊建(構(gòu))筑物的影響

清華園隧道盾構(gòu)段工程是一項(xiàng)極復(fù)雜、高風(fēng)險(xiǎn)的工程。其風(fēng)險(xiǎn)控制主要存在以下幾個(gè)問(wèn)題：(1)理論研究不充分。風(fēng)險(xiǎn)分析長(zhǎng)期來(lái)看具有較大的研究潛力，但目前相關(guān)研究較少，距離“工程精算”的目標(biāo)相差甚遠(yuǎn)。(2)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)不準(zhǔn)確。風(fēng)險(xiǎn)控制影響因素多而復(fù)雜，一般僅考慮主要因素，簡(jiǎn)化次要因素的影響，還無(wú)法做到精準(zhǔn)預(yù)測(cè)。(3)監(jiān)控量測(cè)不及時(shí)。建立隧道沉降測(cè)量嚴(yán)格控制網(wǎng)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)未實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)同步更新，信息反饋效應(yīng)產(chǎn)生一定的滯后。(4)過(guò)程控制不精細(xì)。施工過(guò)程控制雖然可細(xì)化到每一步施工過(guò)程，但偏向宏觀控制，控制精細(xì)化程度仍需進(jìn)一步提高。因此，為保證項(xiàng)目的順利實(shí)施，深入研究盾構(gòu)施工過(guò)程的變形控制和安全保障技術(shù)十分必要。

針對(duì)清華園隧道的風(fēng)險(xiǎn)特點(diǎn)，提出了盾構(gòu)施工的城市軌道線路變形控制和安全保障技術(shù)，主要成果如下。

(1)基于周邊環(huán)境設(shè)施的重要性、與清華園隧道的接近程度、周邊環(huán)境設(shè)施的狀況，結(jié)合數(shù)值仿真方法，確定了隧道施工影響下的風(fēng)險(xiǎn)源及風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。根據(jù)以上方法共確定風(fēng)險(xiǎn)源48處，并給出其風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，確定重要風(fēng)險(xiǎn)源為：城鐵13號(hào)線高架橋，成府路、北四環(huán)、知春路及知春路地鐵站、北三環(huán)、大鐘寺地鐵站、學(xué)院南路。

(2)基于既有建(構(gòu))筑物的損傷評(píng)估體系，結(jié)合數(shù)值仿真方法，確定了隧道施工影響下重要風(fēng)險(xiǎn)源的變形控制指標(biāo)及其三階段控制標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)數(shù)值仿真模擬施工過(guò)程并綜合相關(guān)建(構(gòu))筑物的損傷折減系數(shù)制定其變形控制標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)北京市地鐵運(yùn)營(yíng)公司對(duì)于跨越地鐵工程列車安全運(yùn)營(yíng)有關(guān)規(guī)定或意見(jiàn)，將控制值的85%作為報(bào)警值，70%作為預(yù)警值，得到重要風(fēng)險(xiǎn)源的三階段控制標(biāo)準(zhǔn)，其中主要風(fēng)險(xiǎn)源的控制標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

(3)基于安全狀態(tài)識(shí)別，通過(guò)地層變形過(guò)程預(yù)測(cè)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及大數(shù)據(jù)融合分析方法，提出了透明化施工方法，為盾構(gòu)施工參數(shù)的合理選擇提供了理論依據(jù)，實(shí)現(xiàn)了施工全過(guò)程的安全可控。建立了包括基于Peck及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)方法，通過(guò)數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)盾構(gòu)施工影響下的地層變形，結(jié)合變形的傳播方式，進(jìn)一步預(yù)測(cè)既有建(構(gòu))筑物的變形，通過(guò)與實(shí)測(cè)變形比對(duì)，進(jìn)一步完善預(yù)測(cè)方法的完備性與準(zhǔn)確性；通過(guò)實(shí)測(cè)變形與控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比對(duì)，判斷其安全狀態(tài)，若變形過(guò)大，則通過(guò)建立的預(yù)測(cè)模型反分析調(diào)整施工參數(shù)，保證施工全過(guò)程的安全可控。

表2 主要風(fēng)險(xiǎn)源的控制標(biāo)準(zhǔn)

注：墩柱傾斜的控制標(biāo)準(zhǔn)為墩柱傾斜的斜率。

(4)基于重要建(構(gòu))筑物的變形監(jiān)測(cè)結(jié)果，為施工安全提供判斷依據(jù)，同時(shí)為預(yù)測(cè)方法提供數(shù)據(jù)支撐，提升預(yù)測(cè)方法的準(zhǔn)確度。通過(guò)對(duì)13號(hào)線高架橋、成府路和知春路等重大風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行監(jiān)測(cè)結(jié)果分析，得益于施工參數(shù)的優(yōu)化及結(jié)構(gòu)物自身大剛度的原因，結(jié)構(gòu)物在施工影響下的變形均在控制范圍以內(nèi)。

4 結(jié)語(yǔ)

清華園隧道是目前國(guó)內(nèi)位于城市核心區(qū)，穿越地層最復(fù)雜、重要建(構(gòu))筑物最多的國(guó)鐵單洞雙線大直徑盾構(gòu)高風(fēng)險(xiǎn)隧道之一，設(shè)計(jì)和施工存在諸多難題。為了更好地解決這些難題，展開(kāi)了復(fù)雜地質(zhì)條件下高風(fēng)險(xiǎn)大直徑盾構(gòu)隧道施工關(guān)鍵技術(shù)研究，取得了如下創(chuàng)新性成果。

(1)首次提出了全預(yù)制拼裝技術(shù)。盾構(gòu)隧道軌下結(jié)構(gòu)均采用全預(yù)制機(jī)械化拼裝技術(shù)，并專門研發(fā)了機(jī)械化拼裝機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了軌下結(jié)構(gòu)建造工廠化、機(jī)械化、專業(yè)化和智能化，解決了現(xiàn)澆軌下結(jié)構(gòu)施工對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)的干擾，提高了功效和工程質(zhì)量，同時(shí)極大改善了作業(yè)環(huán)境。

(2)開(kāi)發(fā)了大直徑盾構(gòu)施工過(guò)程可視化平臺(tái)?；谇迦A園隧道實(shí)際工程資料及數(shù)值模擬，建立了基于Peck理論及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論的地層沉降預(yù)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)了盾構(gòu)隧道施工引起地層沉降的可靠預(yù)測(cè)及可視化顯示，以及施工引起臨近建(構(gòu))筑物危險(xiǎn)性的實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，并建立了清華園隧道智能建造系統(tǒng)。

(3)研制了城市盾構(gòu)泥漿環(huán)保處理技術(shù)。針對(duì)清華園隧道盾構(gòu)機(jī)在全斷面黏土地層掘進(jìn)，存在刀盤(pán)極易結(jié)泥餅、施工廢漿量大、處理困難等問(wèn)題，研發(fā)了泥漿環(huán)保處理技術(shù)，解決了盾構(gòu)隧道泥漿運(yùn)輸和環(huán)境污染問(wèn)題。

(4)研究了大直徑盾構(gòu)土層擾動(dòng)特征及盾構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、數(shù)值模擬和理論分析，探明了大直徑盾構(gòu)隧道施工土層的擾動(dòng)特征，分析了盾構(gòu)機(jī)的適應(yīng)性，通過(guò)調(diào)整盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，減少了盾構(gòu)刀盤(pán)的磨損，提高了盾構(gòu)掘進(jìn)速度。

(5)提出了大直徑盾構(gòu)施工對(duì)周邊環(huán)境影響的變形控制和安全保障技術(shù)。針對(duì)清華園隧道的風(fēng)險(xiǎn)特點(diǎn)，確定了隧道施工影響下的風(fēng)險(xiǎn)源及其風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，確定了隧道施工影響下重要風(fēng)險(xiǎn)源的變形控制指標(biāo)及其三階段控制標(biāo)準(zhǔn)，并基于重要建構(gòu)(筑)物的變形監(jiān)測(cè)結(jié)果，提出了透明化施工方法，為施工是否安全提供判斷依據(jù)。