北京地下直径线工程施工技术探究

王 红，刘红梅，董晓刚

(1.大连大学财务处;2.大连大学经济管理学院)

0 引言

从2007年6月开工至今，历时8年，被北京市列为“最难、风险最大的在建地下工程”，被铁道部列为“极高风险1号”工程的，连接北京站和北京西站两个北京主要客运站的北京地下直径线工程，终于于2013年8月贯通，预计2014年北京站的列车将可直通北京西站。这将对完善北京地区铁路枢纽、缓解城市地面交通压力，实现两客运站的对接具有十分重要的意义。

北京地下直径工程按不同区域根据施工工法的不同划分为5个施工段，分别是明挖段、浅埋暗挖段、盾构段、浅埋暗挖段和盖—暗结合段。不少学者曾经就某一施工工艺或技术进行了深入细致的分析与研究，但是将各个施工技术进行汇总的文献还很少。考虑到北京地下直径线工程的现实意义，就几个关键施工段的主要施工技术与施工难点进行归纳，进而更加全面的展示北京地下直径线工程的整体情况。

1 浅埋暗挖段

DK6+804～DK7+673和DK0+850～DK1+620段采用浅埋暗挖法施工，沿用了新奥法的基本原理，采用复合式衬砌结构，初期支护承担全部基本荷载，二次衬砌作为安全储备，遵循“管超前、严注浆、短进尺、强支护、早封闭、勤测量”十八字方针，初支自上而下施工，初支基本稳定后，再自下而上做二衬。浅埋暗挖法施工按基本开挖和支护技术不同，分为正台阶或上半断面法、导坑法、中隔壁法(CD和CRD法)和中洞法、洞桩法或侧洞法。北京地下直径线工程浅埋暗挖段隧道采用洞桩法、CRD法及双侧壁导洞法。选取DK7+061～DK7+443、DK6+084～DK7+061及DK0+850～DK0+880三段就洞桩法、CRD法和双侧壁导洞法做简单介绍。

1.1 洞桩法

隧道DK7+061～DK7+443段位于莲花池东路北侧机动车道下，为了控制地表沉降，减少开挖对周边建筑及地下管线的影响，采用洞桩法进行全暗挖施工。洞桩法的原理是将暗挖法与地面框架结构施工方法进行有机结合。为了尽量减少承载体系的转换和对土层的扰动，遵循少分块、快封闭的施工原则。洞桩法隧道开挖断面为(11.6×10.25)m2，先施作导洞小导管超前支护，灌注桩施工完成后，在小导洞施作桩顶冠梁，并在冠梁中精确预埋地脚螺栓和中洞拱脚节点钢板。架立小导洞范围内的模板支架，浇筑完成后实现初期支护，再用混凝土回填导洞初支，运用弧形导坑开挖上部土体，并完成中部扣拱支护。后转入下部土体开挖及衬砌作业，采用一台9m模板台车进行衬砌。开挖的同时进行强锚支护及底板垫层施工，随后铺设防水底板、绑扎钢筋及浇筑混凝土，待拆除钢支撑后即可进行模板台车拱墙衬砌。

1.2 CRD 法

结合已建地铁大跨度双线隧道施工经验，隧道DK6+804～DK7+061段采用交叉中隔壁加横隔壁法(CRD法)进行全暗挖施工，此段全长255m，分为3种断面形式。为了控制地面沉降变形，需要对地层进行加固处理。加固措施先采用密排超前小导管护顶，其次通过小导管向地层注浆，边墙施作3m长Ф25中空注浆锚杆。施工中遵循“管超前，后开挖”的施工工序。施工中预支护、预加固一段，开挖一段;开挖一段，支护一段;支护一段，封闭成环一段。分6部开挖导坑，并及时网喷支护，形成初支结构。接下来局部拆除竖隔墙及下层临时仰拱，施作仰拱衬砌;局部拆除下层中隔墙，施作边墙衬砌。在监控量测指导下继续分部拆除中隔壁及中板等临时支撑，完成衬砌。由于地面天宁寺匝道桥、五交化大楼和断面之间相差较大，所以衬砌施工采用满堂支架+组合钢模板的形式，除了后盾洞段90m初支完成后立即进行衬砌外，其余部分在隧道初支全部完成后再进行衬砌施工。

1.3 双侧壁导洞法

暗挖双侧壁导洞法的施工段为里程DK0+850～DK1+142，共包含2种断面类型，矩形断面和拱形断面。其中，矩形断面位于里程DK0+850～DK0+880段，拱形断面位于里程DK0+880～DK1+142段。采用复合衬砌，需要承担全部基本荷载的初支结构采用格栅C25喷射混凝土;作为安全储备的二次衬砌结构采用C35P8钢筋混凝土。双侧壁段的具体施工工序为先分9步开挖1～9号导坑，再分2步进行二衬。即开挖1～9号导坑;拆除中隔壁，施作二衬底板;拆除中隔壁，施作二衬拱顶;隧道清理。由于该施工段地上建筑物众多、地下管线复杂且紧邻既有地铁线，因此必须采取必要的技术措施以使沉降控制在安全范围内。首先是超前小导管注浆加固技术，该技术不仅达到超前加固围岩和止水的目的，而且小导管也起到了超前管棚预支护的作用。其次，在小导洞施工过程中，采用锁脚锚管施工工艺，每榀格栅在拱顶与边墙交界处施作锁脚锚管，用高压气管以水平向下10°的角度打孔后将锚管捶入，并注入水灰比为1∶1的水泥砂浆。再次，每间隔2～3m即埋设初支背后回填注浆管，埋设部位为格栅顶部，且每个导洞注浆断面埋设根数不少于2根。另外，对施工段内位于粉细沙地层内的导坑，为了防止因砂层含水量较低引起局部坍塌，对这些导坑内进行深孔注浆。采用水灰比为0.8∶1的TGRM加固型浆液进行掌子面超前注浆加固，将深孔主要布置在两侧导洞开挖轮廓线周边，注浆后要求保护圈的岩体渗透系数降至0.01m/d，浆土粘结力不小于50 kPa。

2 盾构区段

起讫里程为DK1+620～DK0+795的施工段为盾构段，隧道总长为5.175km，自天宁寺4#竖井始发，由一台盾构机自西向东，沿天宁寺桥、西便门桥，宣武门西大街、前门大街掘进。目前，在砂卵石地层的盾构施工依然是一个世界难题，本标段盾构穿越的地层95.21％就为砂卵石地层，且最大水压力为0.3MPa，无疑，该标段的富水砂卵石地层使盾构掘进变得更加艰难。

2.1 盾构机选型

盾构机的选型是盾构隧道施工成败的关键，是盾构法施工的关键环节。根据本标段地层富水、强渗透性、基本不能自稳的工程地质情况，需选择压力平衡盾构，可供选择的机型有土压平衡盾构和泥水平衡盾构。相比土压平衡盾构，泥水平衡式盾构在以下方面具有更明显的优势:(1)使地层受到的扰动程度减少到最低，可以有效地防止地表的沉降。(2)在机仓内配置破碎机，对粒径达600mm的漂石、卵石进行破碎，在掘进过程中不必进行渣土的运输，加快了掘进进度。(3)减少了掘进中换刀、开仓的次数，减少了危险，保证了施工进度。(4)可使设备运行噪音降至环境背景噪声以下的程度。综合考虑后决定采用泥水平衡式盾构机对直径线工程进行施工。

2.2 盾构始发竖井

随着盾构向大直径、深埋深方向发展，盾构竖井的施工难度也在不断加大，尤其是北京地下直径工程的4#盾构始发竖井。由于受地铁4号线宣武门车站标高的限制，竖井基坑深度达到了31.72m，紧邻天宁寺2号匝道桥，最小距离仅为4.6m。因此，地下连续墙的施工技术、竖井开挖及衬砌方法和盾构洞门预留等成为施工的关键。该地下连续墙采用厚1.0m的C30钢筋混凝土，共划分为20个施工槽段，编号分别为DLQ-01～20，三段开洞处采用玻璃纤维筋替代普通钢筋，既能实现盾构机直接切削又能规避洞门凿除后土体暴露的风险，保证了支护结构的稳定性。成槽过程中，采用钻抓法替代先期的纯抓法，大幅提高了工作效率，槽壁稳定性和成槽质量良好。在地下连续墙施工完毕后，开始进行竖井开挖及衬砌，竖井开挖采用递作法与顺作法结合的施工技术，保证了竖井结构的稳定性。

2.3 盾构掘进术

为了保证盾构掘进的安全进行，初期进行试掘进，严格控制始发掘进的各种参数，包括泥水仓压力控制、掘进进度控制、进度方向控制、同步注浆浆液质量及注浆量的控制、泥水控制和地面沉降的控制。这些参数为后期的盾构推进提供指导。里程为DK6+668.4～DK6+771.4的盾构隧道段下穿护城河，盾构顶距护城河最短距离小于1倍盾构直径。为了避免施工中发生盾尾漏浆、河底冒浆、河底土层沉降或坍塌、隧道上浮、隧道磕头等安全事故，必须对护城河进行加固处理。对天宁寺桥及热力管线分别采用隔离桩保护，盾构两侧进行2排冲孔灌注隔离桩施工，灌注桩桩径Ф800mm。将地下天然气管线进行开挖，采用管箍延伸至地面。清理河床底部并施作混凝土盖板，与隔离桩桩头浇筑在一起形成一个整体，解决了盾构在近距离下穿河底时的掘进安全问题。盾构在DK4+540～DK4+567里程下穿地铁4号线宣武门车站，与车站仅有4.98～6.12m的距离，必须采取必要的加固措施对宣武门车站进行保护。保护方案为用板凳桩——托梁+预注浆加固措施。即在宣武门车站结构底板下沿隧道两侧设2道纵梁，横梁下设钻孔灌注桩，并采用小导管注浆的方式对车站进行预注浆加固。

2.4 平行既有地铁2号线施工

盾构自长椿街开始与既有地铁2#线平行，平行长度约3.99km，两隧道结构间水平距离最近仅2.34m，盾构掘进过程中刀盘对土层造成扰动，导致出现土体沉降，可能会对地铁结构产生不利影响，为了保证地铁列车的运营安全，设置平行地铁2#线的盾构试验段。通过对盾构隧道与2号线位置关系及周边环境进行分析，将影响2号线的并行盾构施工区前150m作为试验盾构段。试验段盾构姿态为下坡段，坡度约为3‰。根据施工要求，盾构掘进引起的2号线轨道及隧道结构沉降值必须控制在3mm以内，以确保施工安全及2号线轨道结构坚固、稳定。因此，在施工前即为2#线安装防脱护轨，做好轨道防护工作，全力保证运营安全。

3 盖—暗结合施工段

起讫里程为DK0+700～DK0+850的崇文门三角地特殊地段，隧道长度为150m。该隧道DK0+565洞门进洞后以16‰下坡至DK0+850，且该段隧道上方即为崇文门路口，考虑到该标段覆土厚度、地下管线、交通导改、周边建筑物情况十分复杂，经过多次分析论证后，施工由原方案的明挖法改为暗挖与盖挖结合的施工方法。按受外部环境影响的大小和施工难易程度将该标段隧道划分为三部分:DK0+700～DK0+752段、DK0+752～DK0+783段、DK0+783～DK0+850段。三个施工段依次采取盖挖法施工、盖—暗结合的施工方法施工、特殊暗挖法施工。

3.1 DK0+700～DK0+752段

该段连接采用明挖法施工的DK0+640～DK0+700段，并通过明挖法施工时预留的材料进出口，在导洞贯通后开始施工左右导洞，导洞开挖完成后，开始路面人工挖孔桩和临时路面系统的施工，并在盖板完成后进行主体结构施工。

3.2 DK0+752～DK0+783段

该段隧道上跨地铁5号线崇文门站，断面形式为平顶直墙段，且断面尺寸也是城市隧道开挖中鲜有的大断面类型。因此，安全开挖时整个开挖过程中摆在首位的工作。另外，由于施工中的开挖扰动、地层损失等因素会引起地层的移动和变形，进而导致车站净空发生变化、站台层内的轨道产生移动和变形。因此。该段隧道施工中对既有地铁5号线采取了对轨道加固的抗浮保护措施。同时，隧道底施做每段7m的纵向小导洞进行导洞台阶法开挖，增加超前注浆、中空锚杆、锁脚锚管及格栅密排等施工措施，通过冠梁与反压梁连接成整体，控制车站上方土体扰动。

3.3 DK0+783～DK0+850段

该段隧道上方覆土非常浅，且两侧均为重要建筑物，崇文门站东南出入口距直径线结构外侧最近距离约1.86m，地铁5号线至地铁2号线的换乘通道距离直径线最近距离约0.5m，崇文门饭店距隧道约10.15m，这都大大增加了该标段的施工风险等级。因此，施工中将原设计方案中自上而下逐步施工9个小导洞的顺序变为自下而上。即在1#导洞将1#竖井和明挖段连通后，开始自下而上的进行1#-6#导洞开挖，施工至DK0+783处停止，在满足实施地面加固措施的条件下，进行上方3条导洞的施工。

4 结束语

北京地下直径线工程是我国城市地下隧道工程的典型代表，是目前我国在大城市中心区修建的第一条双线电气化铁路隧道，是在国内同类地质条件下第一条采用大直径泥水盾构施工的隧道。由于其所处位置、地层和四周环境十分复杂，使得直径线工程具有工程类型及工法繁多、施工专业性强、技术含量高等特点，其独特的施工技术、工艺将为北京乃至全国的城市隧道工程施工提供宝贵的借鉴。

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