夏瑞萌，鄭 杰，姜傳治，賀博陽

（北京城建設(shè)計發(fā)展集團股份有限公司，北京 100037）

1 研究背景

盾構(gòu)結(jié)構(gòu)在北京地鐵建設(shè)中已經(jīng)應(yīng)用多年，形成了系統(tǒng)的標準，同時積累了大量的工程經(jīng)驗[1]，以往均應(yīng)用在時速不大于100 km/h的地鐵線路中，以外徑6 m及6.4 m的單洞單線斷面為主。

北京軌道交通大興機場線作為國內(nèi)首條通車的設(shè)計時速為160 km/h的地鐵線路，在工程建設(shè)初期并無既有的規(guī)范、標準及經(jīng)驗可以借鑒。而盾構(gòu)斷面型式的確定，需綜合考慮車輛及接觸網(wǎng)選型、道床結(jié)構(gòu)型式、線路曲線半徑、疏散平臺寬度、施工誤差、結(jié)構(gòu)后期加固空間需求、車-隧阻塞比、工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件、造價、工期、風險比選等諸多參數(shù)及要素。因此，要確保大興機場線盾構(gòu)段運營的舒適性，有效控制其施工難度及投資，同時做到安全快速建造，就必須對上述參數(shù)進行慎重選擇并進行有效組合[2-5]，以確定大興機場線盾構(gòu)段的斷面型式，為北京大興機場線及后續(xù)160 km/h的地鐵線路奠定必要的技術(shù)基礎(chǔ)。

2 工程概況

北京軌道交通大興機場線是線網(wǎng)中連接北京中心城與北京新機場的地鐵線路，其定位為快速、直達、高品質(zhì)的軌道交通專線，旨在提高新機場外部綜合交通服務(wù)水平，同時帶動北京南城發(fā)展(見圖1)。

圖1 軌道交通大興機場線工程示意圖Figure 1 Schematic of Daxing Airport Express

已經(jīng)通車運營的大興機場線一期工程線路全長41.3 km，其中盾構(gòu)段長15.4 km。穿越北京地區(qū)典型的富水砂卵石地層，工程建設(shè)難度大，同時沿線風險工程眾多。

2.1 區(qū)域地質(zhì)概況

區(qū)域典型地層從上到下主要為填土層、粉細砂②3層、圓礫②5層、粉細砂④3層、卵石⑤層、卵石⑦層及卵石⑨層。盾構(gòu)隧道主要從砂卵石地層中進行穿越，其中穿越卵石地層的信息如表1所示。

表1 卵石地層信息Table 1 Pebble formation profile

工程的主要地下水類型為上層滯水(一)、層間水(三)及層間水(四)，影響盾構(gòu)穿越段的主要為層間水(四)，含水層為卵石圓礫⑦層及其以下砂土、卵石⑨層，埋深在23.00～24.70 m之間。

2.2 盾構(gòu)段風險概況

大興機場線全線的風險源主要集中在盾構(gòu)段。主要風險工程包括盾構(gòu)下穿南環(huán)鐵路、軌道交通大興線、南水北調(diào)南干渠、高壓塔群等，其風險工程如表2所示。

表2 風險工程統(tǒng)計Table 2 Statistical profile of risk engineering

2.3 盾構(gòu)隧道設(shè)計

大興機場線采用新型市域D型車、160 km/h的設(shè)計時速、25 kV的交流供電方式，以下問題需要系統(tǒng)研究：

1) 盾構(gòu)隧道的合理阻塞比；

2) 盾構(gòu)段限界的控制因素及原因；

3) 國內(nèi)傳統(tǒng)25 kV的交流供電方式，基本采用柔性接觸網(wǎng)，盾構(gòu)結(jié)構(gòu)如何應(yīng)對其下錨點及錨段關(guān)節(jié)帶來的標準斷面擴大問題；

4) 大興機場線盾構(gòu)結(jié)構(gòu)選型與接觸網(wǎng)選型存在相互聯(lián)系，如何處理好二者之間的關(guān)系；

5) 大興機場線可選斷面型式有幾種，不同斷面型式的內(nèi)徑和外徑是什么；

6) 在盾構(gòu)可選斷面尺寸確定后，如何通過技術(shù)經(jīng)濟比選確定最終使用的斷面型式。

3 盾構(gòu)隧道

3.1 盾構(gòu)斷面型式

根據(jù)設(shè)備選型、速度目標值、沿線工程特點及以往工程建設(shè)經(jīng)驗，并經(jīng)各方研討，可選斷面型式最終聚焦為3種。

1) 不可容納柔性下錨點的單洞單線斷面。盾構(gòu)隧道斷面可將單列列車、軌道、洞內(nèi)管線及接觸網(wǎng)標準段容納下，以下簡稱斷面1。

2) 可容納柔性下錨點的單洞雙線斷面。盾構(gòu)隧道斷面可將雙列列車、軌道、洞內(nèi)管線、接觸網(wǎng)標準段及下錨段容納下，以下簡稱斷面2。

3) 可容納柔性下錨點的單洞單線斷面。盾構(gòu)隧道斷面可將單列列車、軌道、洞內(nèi)管線、接觸網(wǎng)標準段及下錨段容納下，以下簡稱斷面3。

3.2 建筑限界確定

3.2.1 車-隧阻塞比

為確定大興機場線壓力舒適度標準及車-隧阻塞比合理范圍，通過對科技文獻綜述、實際工程調(diào)研及總結(jié)與分析，提出在使用密閉車輛-密封指數(shù)不低于5 s時，車內(nèi)壓力變化率小于800 Pa/3 s的標準。同時在考慮能耗與舒適度的前提下，通過數(shù)值模擬計算，在列車最高運行速度160 km/h的條件下，對列車進出隧道洞口、在隧道內(nèi)勻速運行、進出站及加減速運行、經(jīng)過中間風井等多個運行場景的壓力波及壓力變化率進行模擬分析，最終得出最高運行速度160 km/h，本工程使用密閉車輛，阻塞比需小于0.289。

3.2.2 設(shè)備設(shè)置控制值

1) 沿垂直方向。市域D型車高3 880 mm，接觸網(wǎng)導(dǎo)高5 300 mm，接觸網(wǎng)安裝高度取1 400 mm，普通及特殊減振段軌道結(jié)構(gòu)高度均按900 mm控制。

2) 沿水平方向。疏散平臺最小寬度取1 100 mm，直線段疏散平臺邊緣至線路中心線距離按 1 900 mm控制，下錨點及錨段關(guān)節(jié)的尺寸按實際尺寸考慮。最終確定不同斷面建筑限界情況詳見表3、圖2～4。

圖2 不可容納柔性下錨點的單洞單線斷面Figure 2 Single-hole and single-line of cross-section incapable of accommodating flexible lower anchor point

表3 各斷面建筑限界Table 3 Building limits for each section

3.3 盾構(gòu)內(nèi)徑確定

根據(jù)北京市盾構(gòu)隧道建設(shè)的經(jīng)驗，以及有關(guān)文件對于盾構(gòu)隧道后期預(yù)留結(jié)構(gòu)加固空間的提法和要求，結(jié)合線路自身的工程特點及環(huán)境特點，本線預(yù)留后期結(jié)構(gòu)加固補強空間，對于結(jié)構(gòu)加固補強的方式及預(yù)留空間考慮如下：

圖3 可容納柔性下錨點的單洞雙線斷面Figure 3 Single-hole and double-line of cross-section incapable of accommodating flexible lower anchor point

圖4 可容納柔性下錨點的單洞單線斷面Figure 4 Single-hole and single-line of cross-section incapable of accommodating flexible lower anchor point

1) 沿線工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件不利于隧道開挖掘進，但其在永久運營階段水土穩(wěn)定好、沉降微小，所以隧道長期運營受地質(zhì)環(huán)境影響小、補強需求低。

2) 本線采用了較厚的管片，管片自身剛度、強度及耐久性相應(yīng)提高；同時推薦采用了斜直螺栓連接，有利于拼裝質(zhì)量提高，耐久性亦相應(yīng)提高，補強需求低。

3) 本線基本限界尺寸大，預(yù)留混凝土二襯結(jié)構(gòu)補強施作空間將進一步加大盾構(gòu)隧道尺寸，造價增加明顯不經(jīng)濟。

綜上所述，本線預(yù)留鋼環(huán)局部補強施作空間。同時，綜合北京地區(qū)盾構(gòu)施工經(jīng)驗及盾構(gòu)平均掘進水平，施工誤差確定為 100 mm。最終，確定不同斷面型式的盾構(gòu)內(nèi)徑詳見表4。

表4 盾構(gòu)隧道內(nèi)徑參數(shù)Table 4 Internal diameter parameters of shield tunnel

3.4 盾構(gòu)外徑的確定

內(nèi)徑7 900 mm的盾構(gòu)隧道管片厚度按如下原則考慮：

1) 根據(jù)《城市軌道交通工程設(shè)計規(guī)范》及《地鐵設(shè)計規(guī)范》給出的建議值，結(jié)合日本已實施盾構(gòu)隧道的調(diào)研結(jié)果，同時考慮北京地區(qū)已實施盾構(gòu)隧道的實際取值(見表5)，本隧道結(jié)構(gòu)管片厚度與外徑比推薦為0.05，其理論厚度為440 mm。

表5 北京隧道調(diào)研情況Table 5 Survey of Beijing tunnels

2) 根據(jù)對國內(nèi)城際線盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的調(diào)研結(jié)果(見表6)，本盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)管片厚度與外徑比推薦大于0.047，其理論厚度為410 mm。

表6 城際隧道調(diào)研情況Table 6 Survey of intercity tunnels

3) 在前兩點的基礎(chǔ)上，考慮地處北京，未來本線將發(fā)生較多的穿越工程，為提高穿越的安全度，本盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)推薦采用450 mm的管片厚度?；谟米顬榻?jīng)濟的手段，提高本線盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的耐久性、剛度及強度，推薦采用450 mm的管片厚度。大興機場線采用160 km/h的設(shè)計時速，從減小運營對兩側(cè)建構(gòu)筑物振動影響的角度考慮，推薦采用450 mm厚的管片，以增加結(jié)構(gòu)剛度，提高結(jié)構(gòu)減振作用。

4) 結(jié)構(gòu)分析計算結(jié)果如下：盾構(gòu)管片采用錯縫拼裝，計算模型的選擇需考慮管片接頭對管片剛度的折減。采用修正慣用法進行分析，把多塊管片構(gòu)成的圓形隧道襯砌結(jié)構(gòu)看作是剛度均一的勻質(zhì)圓環(huán)體，計算分析結(jié)果如圖5所示。

圖5 盾構(gòu)隧道內(nèi)力分析Figure 5 Internal force analysis chart of shield tunnel

由圖可知，其結(jié)構(gòu)受力及變形滿足要求。最終確定其管片厚度為450 mm，從而確定其外徑為8 800 mm。其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 盾構(gòu)斷面Figure 6 Tunnel shield cross-section

斷面2、斷面3基于與斷面1同等條件分析與計算后，外徑情況如表7所示。

表7 盾構(gòu)隧道外徑參數(shù)Table 7 External diameter parameters of shield tunnel mm

4 盾構(gòu)選型

本線盾構(gòu)段隧道埋深受控于既有的東西走向的南水北調(diào)南干渠，因南干渠隧道上面覆土較少，盾構(gòu)隧道僅具備下穿南水北調(diào)干渠的條件。盾構(gòu)隧道與南水北調(diào)南干渠剖面關(guān)系如圖7所示。

圖7 與南水北調(diào)南干渠的剖面關(guān)系Figure 7 Sectional relationship with South Main Channel of South-to-North Water Transfer Project

根據(jù)南水北調(diào)有關(guān)文件的要求，在對南干渠進行穿越時，其豎向凈距要盡量拉開一倍的隧道洞徑，因此當隧道斷面尺寸增加時，隧道底埋深將呈雙倍關(guān)系增加。不同斷面形式的隧道結(jié)構(gòu)與地層及地下水的關(guān)系如表8所示。

表8 單洞單線與單洞雙線方案的對比Table 8 Comparison of single-hole and single-line and single-hole scheme and double-line schem

考慮單洞單線盾構(gòu)隧道僅局部穿越大粒徑卵石⑦、卵石⑨層，且進入卵石深度及入水深度均較少，結(jié)合北京地區(qū)以往盾構(gòu)工程的施工經(jīng)驗及習慣做法，推薦采用土壓平衡盾構(gòu)[6-10]。因單洞雙線盾構(gòu)隧道較長范圍穿越大粒徑卵石⑦、卵石⑨層，局部進入卵石層，同時最大入水深度達17 m，結(jié)合北京地區(qū)以往盾構(gòu)工程經(jīng)驗，推薦采用泥水平衡盾構(gòu)。

5 方案對比

5.1 工期

大興機場線于2016年底完成PPP招標工作，而2019年9月30日要完成通車建設(shè)。2017年初盾構(gòu)機還沒有開始加工制作，沿盾構(gòu)工程建設(shè)時間軸，留給盾構(gòu)機采購、盾構(gòu)機加工制作、盾構(gòu)用地協(xié)調(diào)、盾構(gòu)機到場及調(diào)試、盾構(gòu)始發(fā)及接收結(jié)構(gòu)施作、盾構(gòu)隧道正線結(jié)構(gòu)掘進施工及附屬結(jié)構(gòu)施工的時間不足 20個月，各建設(shè)環(huán)節(jié)需緊密銜接，且必須保證高效高質(zhì)量完成，工程建設(shè)面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)。

5.1.1 盾構(gòu)機基本情況

項目調(diào)研了國內(nèi)外廠家盾構(gòu)加工及制作時間、到廠及調(diào)試時間，詳見表9、10。

表9 國產(chǎn)盾構(gòu)機基本情況信息Table 9 Basic information about domestic shield machines

由表可知，盾構(gòu)直徑越大，加工制作周期和到場調(diào)試時間越長。

5.1.2 盾構(gòu)機掘進時間

考慮盾構(gòu)區(qū)間隧道上方的覆土需至少滿足1倍洞徑的要求，單洞雙線區(qū)間埋深原則均大于27.60 m，相對于單洞單線方案，對應(yīng)埋深為19.8 m及17.6 m。由表可知，直徑越大與富水砂卵石地層的矛盾越大。經(jīng)與多家施工單位研究確定，13.8 m盾構(gòu)隧道比9.9 m盾構(gòu)隧道掘進時間長1.5個月左右，比8.8 m盾構(gòu)隧道掘進時間長2個月左右。

5.1.3 配套結(jié)構(gòu)施作時間

8.8m單洞單線方案在盾構(gòu)結(jié)構(gòu)全部施工完畢后，需要施作聯(lián)絡(luò)通道及破除下錨段內(nèi)的盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)(見圖8)。上述作業(yè)部分可與鋪軌作業(yè)同時進行，占用絕對工期1個月。

圖8 單洞單線方案二次結(jié)構(gòu)情況Figure 8 Secondary-structure of single-hole and single-line scheme

9.9 m單洞單線方案在相比8.8 m可節(jié)約小錨段處理時間，但下錨點處理時間可并入聯(lián)絡(luò)通道處理時間。

單洞雙線方案在盾構(gòu)結(jié)構(gòu)完全施工完畢后施作(見圖9)，根據(jù)目前掌握情況，做法有兩種，分述如下：

圖9 單洞雙線方案二次結(jié)構(gòu)情況Figure 9 Secondary-structure of single-hole and double-line scheme

1) 軌道下二次結(jié)構(gòu)與中隔墻采用現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，考慮施工工作距離長達3.2 km，需4～6個月。

2) 軌道下二次結(jié)構(gòu)采用預(yù)制結(jié)構(gòu)，中隔墻采用現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，考慮施工工作距離長達3.2 km，需約2個月。

3) 用地協(xié)調(diào)時間。在3種盾構(gòu)中，8.8 m盾構(gòu)相比其他盾構(gòu)增加下錨段處理用地 32處，每處用地約300 m2。用地協(xié)調(diào)量較大，協(xié)調(diào)工期存在不可控因素。

5.2 造價

在造價對比中，考慮了盾構(gòu)機加工制作成本、正線結(jié)構(gòu)造價、始發(fā)及接收結(jié)構(gòu)、過渡區(qū)結(jié)構(gòu)及附屬結(jié)構(gòu)造價5個方面。

1) 盾構(gòu)機造價。根據(jù)項目對國內(nèi)外廠家的調(diào)研情況，詳見表10、11。

表10 進口盾構(gòu)機基本情況信息Table 10 Basic information about imported shield machines

2) 正線造價。結(jié)合北京市的相關(guān)指標及已有盾構(gòu)工程施工經(jīng)驗制定，詳見表11。

表11 盾構(gòu)造價指標Table 11 The price index of tunneling shield

3) 始發(fā)及接收結(jié)構(gòu)造價。盾構(gòu)始發(fā)及接收結(jié)構(gòu)在同等技術(shù)條件下，采用單洞雙線結(jié)構(gòu)比單洞單線結(jié)構(gòu)層數(shù)增加1～2層，同時長度略有增長。全線盾構(gòu)始發(fā)井5處，接收井5處。全線梳理后，13.8 m盾構(gòu)相比8.8 m盾構(gòu)投資增加2.6億元，9.9 m盾構(gòu)相比8.8 m盾構(gòu)增加0.3億元。

4) 明挖與盾構(gòu)過渡區(qū)造價。以磁各莊站為例，比較13.8 m單洞雙線方案與8.8 m單洞單線方案在車站—區(qū)間過渡段、地下—高架過渡段的區(qū)別，兩方案在磁各莊站及前后區(qū)間的工法如圖10、11所示。

圖10 單洞單線方案Figure 10 Single-hole and single-line scheme

圖11 單洞雙線方案Figure 11 Price index of tunneling shield

磁各莊站北段區(qū)間，單洞雙線方案不滿足盾構(gòu)始發(fā)或接收覆土厚度的要求，向北敷設(shè)約270 m后采用盾構(gòu)施工，跨路口約80 m采用暗挖法施工，另190 m采用明挖法施工；單洞單線方案可由車站北端正常盾構(gòu)始發(fā)或接收。磁各莊站南段區(qū)間，單洞單線方案同樣能正常盾構(gòu)始發(fā)或接收，單洞雙線方案需先向南明挖約345 m后盾構(gòu)施工。

北航站樓站—磁各莊站區(qū)間包含高架段，高架段與盾構(gòu)段通過明挖段和U槽的過渡段銜接，盾構(gòu)段與明挖段按1倍盾構(gòu)外徑覆土作為分界點，兩方案縱斷面如圖12、13所示。

圖12 8.8 m單洞單線方案盾構(gòu)接高架過渡段Figure 12 Transition of shield tunneling and viaduct with 8.8 m single-hole and single-line scheme

圖13 13.8 m單洞雙線方案盾構(gòu)接高架過渡段Figure 13 Transition of shield tunneling and viaduct with 13.8 m single-hole and double-line scheme

盾構(gòu)接高架過渡段，單洞雙線方案明挖框架長度約805 m，U槽段長約380 m；單洞單線方案明挖框架長度約430 m，U槽段長約380 m。經(jīng)比較，過渡段單洞雙線結(jié)構(gòu)比單洞單線結(jié)構(gòu)投資增加3.3億元。

將9.9 m與8.8 m單洞單線隧道按同樣方法進行對比，可見投資增加了0.5億元。

5) 配套結(jié)構(gòu)造價。8.8 m盾構(gòu)隧道的附屬工程為聯(lián)絡(luò)通道+下錨點處理，9.9 m盾構(gòu)隧道的附屬工程為聯(lián)絡(luò)通道，13.8 m盾構(gòu)隧道的附屬工程為軌道下二次結(jié)構(gòu)及中隔墻。

8.8 m盾構(gòu)相比13.8 m盾構(gòu)增加了0.8億元，相比9.9 m盾構(gòu)增加了2.5億元。

5.3 風險

大興機場線一期工程盾構(gòu)段沿線環(huán)境風險工程共162處，通過適當安全距離的控制，各種型式的盾構(gòu)均可保證穿越的安全，但盾構(gòu)直徑大風險也會適當增加。

不同直徑盾構(gòu)風險的差異主要體現(xiàn)在穿越地層上，受沿線既有風險源控制，直徑越大進入富水砂卵石的深度及范圍越大，13.8 m盾構(gòu)大范圍進入富水砂卵石，施工風險相比單線單洞顯著增加。

5.4 方案對比

方案整體對比詳見表12。由表可知，13.8 m的單洞雙線隧道難以滿足大興機場線的工期要求。同時，因其造價及風險較大，在后續(xù)160 km/h的地鐵線路中也不具備應(yīng)用前景。

表12 方案整體對比Table 12 Comparison of overall schemes

9.9 m的盾構(gòu)工期存在一定的壓力，但前期工作相對可控，但考慮其工程費用增加較多，建設(shè)各方?jīng)Q定用其增加費用中的小部分投入到剛性接觸網(wǎng)的研究應(yīng)用中，以解決8.8 m盾構(gòu)下錨點用地協(xié)調(diào)不可控的問題。大興機場線現(xiàn)已經(jīng)以剛性接觸網(wǎng)為基礎(chǔ)投入運營，目前運營狀況良好。經(jīng)綜合對比，最終推薦大興機場線采用8.8 m的單洞單線結(jié)構(gòu)，其參數(shù)配置如表13所示。

表13 盾構(gòu)參數(shù)Table 13 Tunneling shield parameters

因為篇幅原因，對于表中某些參數(shù)選取的原因不再做詳細論述。

6 結(jié)語

1) 對車-隧阻塞比、設(shè)備限界及盾構(gòu)選型的研究分析得出，在160 km/h速度目標下，新型D型車盾構(gòu)隧道內(nèi)凈空尺寸不受車-隧阻塞比控制，而受高度方向的設(shè)備功能空間需求控制。

2) 目前該線運營平穩(wěn)，人員體感舒適，證明對于車-隧阻塞比及設(shè)備的選擇是合理可行的。

3) 確定了盾構(gòu)隧道不同斷面形式的內(nèi)徑及外徑，并就其工期、造價及風險進行了比選研究，最終確定了大興機場線盾構(gòu)隧道為外徑8.8 m的單洞單線結(jié)構(gòu)。

4) 在城市軌道交通建設(shè)標準下，160 km/h的地鐵線路采用單洞雙線結(jié)構(gòu)，工期、造價及風險上均存在明顯劣勢。因此，除城市地下空間資源極其緊張外，在后續(xù)類似工程選型中不推薦采用這種結(jié)構(gòu)。

5) 將25 kV柔性接觸網(wǎng)下錨點設(shè)置于盾構(gòu)內(nèi)，造價增加顯著。對比設(shè)備優(yōu)化投資，經(jīng)濟效益差，所以不予推薦。

6) 大興機場線的工程實踐證明，該線的盾構(gòu)選型實現(xiàn)了大興機場線地下段的安全快速建造，適應(yīng)了苛刻的工期，同時創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟效益。

7) 系統(tǒng)介紹了涉及盾構(gòu)選型的各要素，可供后續(xù)工程借鑒。