大直径土压平衡盾构及其车站PBA法扩挖技术

乐贵平， 黄齐武, 2， 李宏安

(1. 北京市轨道交通建设管理有限公司， 北京　100068； 2. 中国地质大学(北京)， 北京　100083)



大直径土压平衡盾构及其车站PBA法扩挖技术

乐贵平1， 黄齐武1, 2， 李宏安1

(1. 北京市轨道交通建设管理有限公司， 北京100068； 2. 中国地质大学(北京)， 北京100083)

摘要：为克服城市复杂环境下地铁车站和常规双线隧道布局受限难题，建立采用大直径盾构建造地铁单洞双线区间，并在盾构隧道基础上小规模扩挖形成车站的建设新思路。以北京地铁14 号线东风北桥站(不含)—将台站—高家园站—望京南站(不含)为背景，介绍利用外径为10.22 m的大直径盾构进行区间隧道施工以及在区间隧道成型基础上采用洞桩法(Pile-Beam-Arch，PBA)扩挖地铁车站的施工工艺和技术，重点介绍区间与车站施工衔接工序(穿越风道)和管片拆除等关键技术。工程实施结果表明： 大直径盾构施工及其暗挖车站扩挖技术是一种工艺新颖、技术先进、安全可靠的集成建造技术，且对周边环境影响受控，是值得进一步推广应用的施工工法。

关键词：大直径土压平衡盾构； 地铁暗挖车站； PBA法； 扩挖

0引言

地铁作为城市交通的重要组成部分，对缓解交通拥堵、提高城市效率和提升城市现代化水平发挥着巨大的作用。随着北京轨道交通的线网成型和迅速发展，地铁建设将面临越来越复杂的环境，如道路狭窄、大量的周边邻近建(构)筑物、密集的地下管线和地下空间布局紧张等，这些复杂的环境可能会导致地铁线路布置困难、施工风险加大，同时，对地铁施工方法也提出了更为严格的要求。

在城市复杂的建设环境中，当无法实现单洞单线区间线路布置且地铁车站施工布局受限时，选择适宜的施工工法将成为地铁工程施工中急需解决的关键技术问题。洪代玲[1]采用巷道掘进机和人工扩挖技术修建三拱塔柱式和立柱式深埋地铁车站；H.Heidkamp等[2]介绍了德国慕尼黑分离式地铁车站Marienplatz的盾构施工和扩挖增容改造方案；Kunihiko T.等[3]提出了在双线平行隧道间利用大直径盾构进行扩挖的地铁建造技术；路美丽[4]、张新金等[5]开展了常规盾构隧道扩挖的模型试验和相关基础工作；刘江峰等[6-7]在广州地铁6号线东山口站采用“先隧后站”的施工技术对常规盾构隧道进行车站扩挖。因此，在盾构先行施工隧道的基础上进行车站扩挖是具备可实施性的建造技术。

在北京地铁14号线东风北桥站(不含)—将台站—高家园站—望京南站(不含)的2站3区间工程中，由于周边建筑物、道路、交通和地下管线等的限制，将台站和高家园站车站明挖施工难度大，而采用暗挖法施工几无可能，且高家园站采用浅埋暗挖法施工会制约区间盾构法施工进度。考虑到运营功能需求，将台站至高家园站区间需设供列车折返的单渡线，富水地层的大断面暗挖风险不可控，且依托常规盾构隧道拓展大断面渡线隧道国内尚无先例。鉴于工程具有交通导改及管线拆改难度大、地层为饱水砂层和黏土层、车站不具备明挖条件、工程穿越风险源众多等特点，提出并实施了“区间隧道采用外径为10.22 m的大直径土压平衡盾构推进，一次形成单洞双线隧道，车站在大盾构隧道的基础上扩挖形成”的解决方案[8-9]。从实施情况来看，大直径土压平衡盾构施工及扩挖车站方式是可行的，值得进一步总结推广。

1工程概况

北京地铁14号线试验段工程(东风北桥站—望京南站)全长3.15 km，沿线经过酒仙桥地区的老区，现状路宽35 m，规划道路宽55 m；道路条件差，交通拥挤，沿线地下管线密布。万红西街是连接广顺南大街与酒仙桥路的主要道路，现状路宽17 m，规划路宽40 m，道路两侧建筑紧贴红线布置，酒仙桥路和万红西街地下管线较多、较密集；因此，将台站和高家园站的车站明挖施工难度较大。

沿线存在下穿建筑、河流及近距离施工控制点，且隧道穿越地层主要为粉土、黏土及含水的粉细砂层，多数地段不具备地面降水条件。因此，区间采用暗挖法施工几无可能性，盾构法是最合理的工法。另外，高家园站现状道路最小宽度为17 m，地下管线密集，且两侧紧邻多层居民楼，采用浅埋暗挖法施工会制约区间盾构法施工进度。

1.1工程地质与水文地质

工程范围内地层如下：

1)人工填土层。①粉土填土、①1杂填土。

2)第四纪全新世冲洪积层。③粉土、③1粉质黏土、③3粉细砂、④粉质黏土、④4中粗砂。

3)第四纪晚更新世冲洪积层。⑥粉质黏土、⑥2粉土、⑥3粉细砂、⑦1中粗砂、⑦2粉细砂、⑧粉质黏土、⑧2粉土、⑨圆砾卵石、⑨1中粗砂、⑨2粉细砂、⑩粉质黏土、⑩2粉土。

工程范围内地下水情况如下：

1)上层滞水(一)。水位埋深2.98～6.79 m，含水层岩为粉土填土①层、粉土③层、粉细砂③5层。

2)承压水、潜水(二)。水头埋深5.98～9.25 m，含水层主要为粉细砂④3层、中粗砂④4层。

3)承压水(三)。水头埋深11.70～18.40 m，含水层主要为粉土⑥2层、细中砂⑥3层，该层水位标高南高北低，承压性自南向北逐渐减弱，水头高度为5.3～0 m(自南向北)。

4)承压水(四)。水头埋深21.00～25.05 m，含水层主要为中粗砂⑦1层、粉细砂⑦2层，水头高度为2.0～5.3 m。

1.2区间隧道设计

区间地段覆土厚度11.3～20.2 m，最低点处线路埋深26.8 m，纵坡3‰～27‰，最小曲线半径R=350 m。隧道穿越地层主要为粉土、黏土及含水的粉细砂层。土压平衡盾构在较小覆土条件下具有优势，止水性能完全能够满足本区间工程施工要求。

北京地铁14号线车辆为A型车，通过对区间车辆衔接、区间空间利用、车站布置和工程造价等方面的比较，单洞双线盾构区间隧道的建筑限界为8 800 mm，考虑施工误差、结构变形、隧道沉降以及测量误差等，隧道管片净空理论值为9 000 mm。隧道衬砌组合、衬砌环宽度、衬砌分块等参数见表1，衬砌断面如图1所示。

表1　隧道基本参数

图1　区间隧道断面图(单位： mm)

1.3将台站设计

将台站位于酒仙桥路与将台路的交叉路口南侧，线路沿酒仙桥路呈南北走向布置，车站站台、站厅分离布置，由联系通道连接。站台形式为地下单层侧式站台，车站端部风道兼作扩挖施工通道；集散厅和附属用房外挂，为地下3层，采用明挖法施工。车站设置3个出入口、2个风亭和1个紧急疏散口。车站长168 m(含1号、2号风道)，总建筑面积4 089.7 m2(不含集散厅)，其中盾构扩挖段总长144.8 m。结构宽17.8 m，高9.760 m，净空高7.91 m，车站覆土约14.5 m。将台站平面图如图2所示。

将台车站埋深25.5 m，穿越的地层有： 粉细砂④3层、中粗砂④4层、粉质黏土⑥层、黏土⑥1层、粉土⑥2层、细中砂⑥3层、圆砾⑦层、中粗砂⑦1层、粉细砂⑦2层、粉土⑦3层、粉质黏土⑦4层、地下水3层潜水(二)、承压水(三)、承压水(四)。车站底板进入承压水层(四)中，承压水水头高度约4 m。其中，粉细砂④2、④3层在暗挖的顶部，位于水位以下，对施工影响巨大，采用管井降水和局部注浆止水相结合的治水措施。

图2　将台站平面图

1.4高家园站设计

高家园站总长179 m，风道设于站端小里程，作为扩挖施工横通道，扩挖段长170 m，扩挖结构总宽17.8 m。扩挖结构两侧预留斜通道、连接通道、大里程跨线风道接口。扩挖结构覆土15 m，扩挖车站二次衬砌轮廓宽17.8 m，一柱两跨，单跨8.2 m。顶拱结构最薄处600 mm，底板最薄处800 mm。

高家园站和将台站车站布局形式基本相同(如图3所示)，由于场地原因，仅在车站南端风道处设置2个竖井，集散厅因拆迁原因缓建。高家园站底板埋深24.5 m，穿越的地层及地层含水情况与将台站类似。由于地面条件不具备，本工点采取全断面注浆止水和洞内疏排措施。暗挖顶部的含水粉细砂④3层、中粗砂④4层对工程影响很大，暗挖施工风险显著。

2盾构施工

经过多轮比选和研究[10]，工程采用1台外径为10.22 m的土压平衡盾构，辐条式刀盘(见图4)，具体参数如表2所示。盾构主机长11.55 m(不含工作台)，盾构总长60 m。

图3　高家园站平面图(单位： m)

图4　外径为10.22 m盾构

项目参数刀盘型式辐条式刀盘直径/mm10260盾构主机长/mm11500刀盘转速/(r/min)0～0.45(0.68)脱困扭矩/(kN·m)43000螺旋机型式轴式刀盘开口率/%65盾构直径/mm10220铰接推力/kN84000最大推力/kN108000最大扭矩/(kN·m)34344螺旋机直径/mm800螺旋机最大通过粒径/(mm×mm)420×500刀具布置 中心刀1把、刮刀276把、先行刀141把、仿形刀2把

受进场条件、环境风险、结构风险以及工期等因素的制约，盾构穿越车站风道与区间施工存在交叉作业，工序安排时对车站施工有较大影响。

根据设计方案要求，风道必须完成结构、加强环梁施工及侧壁土体加固后，才具备盾构始发和接收条件。由于盾构掘进速度较快，而车站风道施工受进场条件的制约，很难满足盾构接收与始发工期节点。为确保施工进度，在采取应对措施后，本工程盾构穿越风道历经3种不同工序： 1)风道结构全部完成， 2)穿越部位风道结构完成， 3)直接穿越风道原状土体。盾构穿越风道断面如图5—7所示。

图5中，车站风道二次衬砌结构全部施作完毕，盾构掘进实施穿越，风道结构不采取任何加固措施。图6中，风道结构未完全施作完成，仅在盾构穿越段二次衬砌结构施作完成。如此，则需在风道土方未开挖段加固喷混凝土，确保土层稳定；已完成结构和影响范围内初期支护衬砌在风道内采用钢支撑对称加固，以防因盾构掘进推力致使结构受损。最为复杂的是图7所示的风道，在穿越部位上方完成部分导洞和拱部二次衬砌结构施工，为确保冠梁的整体稳定性，在二次衬砌拱部导洞内加设压重冠梁，并设临时竖向支撑，以期与盾构掘进上抬推力相平衡。其中，区间盾构穿越部位内的竖桩暂不打设，以确保盾构顺利穿越。

3车站扩挖施工

车站扩挖是本工程的主要难点和重点，通过研究和对比分析，采用盾构先行通过车站，然后利用盾构隧道作为车站的中洞，再扩挖形成车站的站台层。车站扩挖断面如图8所示。扩挖主要施工步序及步骤如图9所示。

图5　盾构穿越风道纵断面图(结构全部完成)(单位： mm)

(a)(b)

图6盾构穿越风道断面图(穿越部位结构完成)(单位： mm)

Fig. 6　Cross-section showing ventilation tunnels shield crossed (after ventilation structure of crossing section was constructed) (mm)

图7盾构穿越风道断面图(穿越风道部位未施工)(单位： mm)

Fig. 7Cross-section showing ventilation tunnels shield crossed (before ventilation structure of crossing section is constructed) (mm)

图8　车站扩挖标准断面(单位: mm)

3.1利用隧道作为施工通道，开辟施工工作面

由于万红西街东侧邻近房屋，近期内无法完成拆迁，导致高家园站2号风道无法进行开挖，相较将台站从南北风道对头开挖，高家园站的单向开挖施工效率势必会大大降低。为此，提出高家园站盾构管片侧壁开洞增加施工横通道方案，如图10所示。

即在大盾构隧道的侧壁，开辟了3对横通道SMD1、SMD2、SMD3，开辟了5个工作面开挖打桩导洞，由于盾构隧道内径达到9 m，5个工作面的土方、格栅、锚喷料、人员等利用盾构隧道作为施工通道，为存放材料、车辆会车掉头提供作业空间，如图11和图12所示。

第1步。施工盾构内中墙,预留顶拱和底板主体结构钢筋接驳器,架设洞内临时支撑。对侧导洞范围进行深孔注浆加固,开挖扩挖结构侧导洞,洞内施工围护桩、旋喷桩、冠梁等。(a) 第2步。侧导洞内初期支护施工,预留初期支护连接节点,并对初期支护背后进行回填混凝土。(b) 第3步。对中洞周边深孔注浆加固。小导管注浆加固,对称开挖中洞,初期支护扣拱,设置临时仰拱。对上排导洞进行注浆加固。为减少不对称荷载产生的偏载影响,在侧导洞内与临时仰拱对应位置设置水平型钢拉杆。(c) 第4步。开挖土体至侧导洞底板位置,作临时封底。(d) 第5步。沿隧道纵向分段(5.4m),拆除盾构隧道部分K管片。(e) 第6步。对称拆除B块,此阶段侧导洞初期支护不得凿除,拆除及运输主要利用盾构隧道内侧空间。第2道支撑作为施工平台。(f) 第7步。搭设拱顶二次衬砌脚手架,分段局部拆除侧导洞初期支护,铺设防水层,绑扎钢筋,浇筑混凝土,完成二次衬砌扣拱。(g) 第8步。拆除脚手架,破除临时封底,对称开挖至盾构隧道内第3道支撑下。(h) 第9步。拆除中部标准块管片及相应内部支撑。(i) 第10步。对称开挖至坑底设计标高,拆除下部标准块管片及相应内部支撑,及时施工垫层。(j) 第11步。施工防水层和保护层,绑扎钢筋,浇筑底板、侧墙二次衬砌混凝土,完成二次衬砌结构施工。施工站台板等内部结构。(k)

图9车站扩挖工序

Fig. 9Enlarging construction sequence of Metro station

图10　高家园站盾构管片侧壁开洞增加横通道平面图

图11　管片侧壁开洞形成作业平台

图12　拆除管片暗挖横通道施工图

3.2扩挖阶段侧洞初期支护破除、支撑设置及管片拆除方案调整

参建各方关心的是大盾构扩挖车站能否成功实施扩挖扣拱、管片拆除等问题。施工中针对“管片拆除方法、隧道内的临时支撑设置、扩挖及管片拆除过程中偏载效应的控制”等扩挖结构施工重大风险工程，制定了有效的应对措施，形成了大盾构扩挖车站的成套技术。车站扣拱施工和管片破除施工如图13和图14所示。

根据设计图(见图15)，先拆除K管片(如图1所示)，再拆除B管片，并且拆除后管片进入盾构中，拆除及运输主要利用盾构隧道内侧空间，第2道支撑作为施工平台(如图14(b)所示)。

由于先拆除K管片，会导致中洞初期支护扣拱拱脚处发生下沉或偏移；且B管片质量达7 t，第2道支撑作为施工平台，施工人员均在盾构中施工，一旦发生管片突然掉落，极易发生安全事故。因此，需对侧洞初期支护拆除施工步序进行优化——先拆B管片，再拆K管片。

由于施工场地的限制，侧洞初期支护拆除前，完成侧洞及中洞中盾构扩挖结构初期支护扣拱，不架设侧导洞及中洞临时工字钢横撑。盾构结构内，2道支撑改为1道支撑，管片破除处支撑采用满堂脚手架(见图16)。B管片通过扣拱侧洞实现运输。期间做好监控量测工作，确保每个步序施工前结构是稳定的。

图13　车站施工实景图

(a) 管片破除施工图

(b) B管片破除图

图15　支撑原设计图

图16　支撑变更图(单位： mm)

4施工效果

4.1工期

东风北桥—望京南站区间长3 150 m，历时14个月(含调整停工时间)，平均月进尺306 m，最快日进尺19.8 m(11环)，最快月掘进493.2 m(274环)；大直径盾构始发井7个月；地面准备及盾构组装4个月(其中盾构组装1～2个月)。本工程盾构施工从始发井土建到盾构拆解总计28个月。车站主体扩挖施工工期不超过14个月，相较同规模暗挖车站主体实施工期短(一般为20个月)。

4.2施工安全及风险控制

根据《北京轨道交通建设工程安全风险管理体系》[11]，本试验段涉及自身和环境风险累积83项，涵盖机场快轨，机场高速，穿越东北四环路，市政管线，穿越大片平房、2层、5层、7层房屋建筑等风险工程。

4.2.1环境风险可控

在盾构掘进及盾构扩挖车站施工期间，重要的地下管线、东北四环路、坝河及酒仙桥、机场高速及机场快轨高架桥、房屋等建(构)筑物的变形指标均在控制范围内。

4.2.2盾构区间的地面沉降控制

多数测点变形数据集中分布于-10～-20 mm，一般情况下在15 mm，地表隆起值一般小于4 mm。

由此可见，大直径盾构安全穿越各类风险工程(无国铁风险工程)，施工安全风险不因掘进断面的增大而同比例放大。

4.2.3扩挖车站的地面沉降控制

经过统计和分析第三方监测数据，不难发现将台站和高家园站地表沉降分别介于20.9～151.7 mm和5.9～109.6 mm，总体介于40～60 mm，将台站和高家园站总体沉降控制较好，地表典型沉降时程曲线如图17所示。由图17不难发现： 大盾构施工引起的地表沉降不超过5 mm，盾构施工引发的地层损失较小； 车站导洞开挖引起的阶段沉降约为20 mm，初期支护扣拱阶段引起的地表沉降为15～18 mm，这2个阶段引起的地表沉降约占总沉降量的60%～85%，是沉降控制的关键环节。

图17　典型沉降时程曲线

为便于比较，详细梳理同地理区域范围内的暗挖车站沉降情况。从统计结果来看，北京东部地区其他PBA法工程的沉降均值在55～158 mm，与这些车站相比，本工程将台站和高家园站扩挖的地层沉降控制是适中的。

整体而言，盾构扩挖施工技术能在封闭成环的管片结构下进行扩挖，安全性高，车站暗挖土方量少，整体沉降小，对周边环境影响小。在施工过程中未出现较大的安全事故以及重大人员伤亡事故。

4.3造价

根据工程量清单及单价，扩挖车站造价基本和同等规模常规暗挖车站造价持平(3亿～3.5亿元)。大直径盾构区间土建造价约为常规直径(外径6 m，内径5.4 m)双线盾构造价的1.2～1.4倍，区间每延米造价略高于双线常规盾构(7.5万～8万元)/延米，与常规暗挖区间造价持平，同时，节省了联络通道及渡线建造费用。

5结论与建议

通过北京地铁14号线东风北桥以北2站3区间的大直径盾构及扩挖车站施工技术实施情况来看，不难发现大直径盾构及扩挖车站技术存在以下优点： 1)能满足安全、质量和工期要求，且造价可接受，实现设计意图； 2)解决了区间盾构和车站暗挖的组合问题，突破了仅依靠暗挖实现区间渡线的瓶颈； 3)化解了地面条件受局限的难题，为施工创造运输通道和开挖作业面，方便隧道和车站的施工组织，解决车站与区间隧道相互制约的矛盾。

大直径盾构及扩挖车站施工技术是对传统地铁建设工筹方案和施工方法的创新，是传统盾构工法和暗挖工法优势互补的集成技术成果，不啻为一种新的施工工法，为“连续地层含水区间和车站，且车站不具备明挖条件”提供了解决方案。

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Shield Tunneling Technologies and PBA Enlarging Method:A Case Study on Beijing Metro

LE Guiping1, HUANG Qiwu1, 2, LI Hongan1

(1.BeijingMTRConstructionAdministrationCorporation,Beijing100068,China;2.ChinaUniversityofGeosciences(Beijing),Beijing100083,China)

Abstract:The layout of Metro station and conventional double-line tunnel is a difficult problem in complex urban area. In this paper, the large-diameter earth pressare balance (EPB) shield tunneling technologies for North Dongfengqiao Station-South Wangjing Station section on No.14 Line of Beijing Metro and Metro tunnel enlarging construction by using pile-beam-arch (PBA) method are presented. The key technologies, the connecting construction sequence between shield section and Metro station and segment disassembling, are emphatically presented. The construction results show that: 1) The large-diameter shield tunneling technologies and PBA enlarging method adopted are new, advanced and reliable. 2) The influence of the construction on the surrounding environment can be brought under effective control. 3) The technologies mentioned are worth popularizing.

Keywords:large-diameter earth pressare balance(EPB) shield; Metro station; pile-beam-arch(PBA) method; enlarging construction

中图分类号：U 455.4

文献标志码：B

文章编号：1672-741X(2016)02-0212-09

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.02.014

作者简介：第一 乐贵平(1956—)，男，江西东乡人，1984年毕业于清华大学，土木工程专业，硕士，教授级高级工程师，主要从事城市轨道交通建设技术和管理工作。E-mail: leguiping@163.com。

基金项目：国家自然科学基金资助项目(41202219)

收稿日期：2015-08-21; 修回日期: 2015-12-24