北京地鐵盾構隧道設計施工要點
北京城建設計研究總院 楊秀仁
摘要：北京地鐵五號線首次在北京地區采用盾構法修建地鐵隧道，盾構試驗段工程已經取得成功。鑒于盾構隧道設計和施工在很大程度上依賴于地質條件，而北京與上海和廣州的地質條件差異較大，因此，通過盾構試驗段工程對設計和施工進行了系統的研究。
一、工程背景及盾構隧道基本情況
1、地鐵五號線概況
北京地鐵五號線南起豐臺區的宋家莊，北至昌平區的太平莊。線路全長27.6Km，在四環路南北分別采用了地下和地面、高架線路型式，南段的地下線長16.9km，北部的地面和高架線10.7km。全線共設22座車站，其中地下站16座，高架和地面站6座。圖1為地鐵五號線工程線路示意圖。
圖 1 北京地鐵五號線工程線路示意圖
在地鐵五號線工程地下線路段，部分線路受環境條件限制，隧道基本在現狀低矮破舊的建筑物下通過，對地面沉降的要求較高，加上工程地質和水文地質條件復雜，地面無降水條件，因此采用盾構法施工。采用盾構法施工的區段為宋家莊～劉家窯地段、東單～和平里北街地段。
2、盾構試驗段概況
由于北京以往沒有采用盾構法施工地鐵隧道的工程經驗，且本地區的地質條件與國內其他采用過盾構法施工的城市有比較大的區別，為了確保地鐵五號線正式施工能夠順利進行，首先選擇正線典型的地段開展試驗段施工，以摸索和掌握北京地區特有條件下的盾構隧道設計、施工技術。 盾構試驗段選在北新橋站～雍和宮站區間線路的左線（西側），試驗段隧道長度約688m。試驗段線路平面見圖2，由圖上可以看出，試驗段隧道基本在現狀建筑物下方穿過。
圖2 盾構試驗段線路平面圖
3、試驗段工程地質及水文地質條件
(1)工程地質條件
沿線隧道通過的地層均為第四紀沖洪積地層，除表層的填土外，主要有粘土、粉土、砂及卵石等地層，其中卵石的最大粒徑為250mm。圖3為試驗段地質縱斷面圖。
(2)水文地質條件
根據工程勘察報告，地層中賦存有上層滯水、潛水和承壓水。
上層滯水：水位埋深在5.0～7.0m之間。
潛水：水位埋深在14.0m左右。潛水具有弱承壓性，水位高出含水層頂板為0.5～2.8m。
承壓水：含水層的頂板埋深為21.0～25.0m，水頭高出含水層頂板為1.0～3.0m。
4、試驗段盾構隧道有關設計參數
(1) 隧道直徑：盾構區間隧道采用圓形結構，隧道管片設計內凈空5400mm，（其中考慮了隧道施工誤差、測量誤差及隧道變形等因素周邊預留100mm的裕量保證限界直徑5200mm的要求），管片厚度為300mm，隧道管片襯砌外徑為6000mm。
(2) 管片的型式及構造 (見圖4)：管片環寬1200mm，環向分6塊，即3塊標準塊（中心角67.5°），2塊鄰接塊（中心角67.5°），一塊封頂塊（中心角22.5°）。管片之間采用彎螺栓連接（螺栓直徑24mm），環向有縱縫6個，每接縫有環向螺栓2個；縱向端面共設縱向螺栓16個（封頂塊1個，其它管片端面3個）。
(3) 管片環與環之間采用錯縫拼裝方式。管片端面采用平面式，僅在設置防水膠條處留有溝槽。
(4) 管片有3種類型，即標準環、左轉環和右轉環。
二、盾構試驗段工程的主要研究內容
盾構隧道的設計與施工在很大程度上依賴于地質條件，我國的上海和廣州已經采用盾構法成功實施了不少工程，也作過不少研究，但這兩地區的地質條件與北京差異較大。上海地區的地層為淤泥質地層，非常松軟，自穩能力差，側壓力比較大且分布均勻；廣州地區的地層除在淺表有一層比較薄的土層外，基本為強風化～中風化～微風化巖層，圍巖的強度模量高，自穩能力好，而河網發育，地下水充沛，時有構造斷裂出現在工程線路上；而北京地區表層從0～80m范圍基本為第四紀沖洪積地層，既有表層的松散回填土層，又有從粘土～粉土～各種粒徑的砂層～礫石層～卵石層等各層交替組合形成的地層，從性質上與上海地區截然不同，而與廣州地區的地層也有較大的區別。
試驗段工程從設計、管片生產和施工等方面進行了系統的研究，主要開展的研究項目有：
1．盾構隧道管片地層的相互作用和管片接頭剛度研究
通過室內模型試驗、管片接頭試驗、管片抗彎試驗和現場大量的實驗測試，并結合理論分析，探索北京特有地層條件下的盾構隧道管片與地層的相互作用形式及規律。提出北京特有地層條件下，盾構隧道周圍地層荷載的分布、變化規律和取值方法。基于研究成果提出的土壓分布規律，對管片設計進行優化；
2．管片生產技術的研究
為確?；炷凉芷馁|量，對高性能混凝土配合比、混凝土構件自動蒸養系統、盾構管片生產工藝及試驗設施、施工機具等進行研究，并編制了管片生產企業標準和預制混凝土盾構管片操作質量標準。
3．盾構施工技術的研究
在試驗段施工過程中，對盾構始發技術、開挖面穩定措施、管片拼裝技術、地表沉降控制技術、壁后注漿技術、盾構施工監測技術和盾構施工測量技術等進行研究。
三、北京特有地層條件下盾構工法隧道襯砌設計與施工
通過開展上述各項研究，初步掌握了北京特有地層條件下盾構工法隧道襯砌設計和施工技術。
1、管片接頭研究
管片接頭作用力的大小，將直接影響到整環隧道的受力，一般情況下螺栓的作用越強，隧道的內力就越大，另外，螺栓對隧道的變形有一定的限制作用。
我們從兩個方面研究了采用彎螺栓連接的管片接頭。
（1）現場測試研究
我們在試驗段隧道埋設了螺栓應力計，以測試管片拼裝后到推出盾尾一段時間螺栓的受力行為和螺栓應力值，每組測試斷面由兩環管片組成，相互驗證。
試驗段只進行了環向螺栓應力測試，螺栓應力隨時間變化規律見圖5、圖6所示，其應力變化過程主要有初始階段、推進階段、應力維持階段和應力上升階段等。
l初始階段
對螺栓首先進行標定，然后插入到螺栓孔中，在螺栓上緊以前，其應力維持在較低的水平。螺栓擰緊分兩次實現，第一次先進行預緊，施加總緊固力的20％～30％，第二次緊固到位，從圖上可以明顯看出其過程，擰緊螺栓后，當管片尚位于盾尾內部時，螺栓應力一直維持在緊固應力的水平。
l推進階段
隨著盾構機的推進，襯砌管片被推出盾尾，在此過程中，螺栓的應力均勻下降，其下降幅度很大，有些部位甚至螺栓應力接近0，這一過程顯示出螺栓的暫時“失效”現象。
初步分析其主要原因是：隨著盾構管片推出盾尾，具有一定壓力的同步注漿漿液逐步充滿管片襯砌周圍，產生徑向的壓力，使各管片之間的橡膠止水帶被進一步擠密，導致螺栓松弛。
l應力維持階段
盾構推出盾尾，螺栓應力松馳后，在一定時間范圍內，螺栓繼續維持低應力水平，量值增加不大。一般情況下這一階段可持續8～10個小時左右，與漿液的凝固時間基本一致。
初步分析其主要原因是：盾尾注漿漿液凝固并達到強度以前，對隧道襯砌的作用仍基本類似液體作用方式，管片內力以軸力為主，與上一階段相似。
l應力上升階段
應力維持階段后，隨時間的推移，螺栓的應力呈線性上升，直到維持與初期緊固應力相當的水平。應力上升階段的時間一般持續30天左右。
初步分析其主要原因是：隨著注漿漿液硬化，管片與地層間形成了硬性接觸，地層的變形直接作用在管片上，又由于各方向地層荷載的不同，破壞了原來一直保持的周邊均勻作用，使管片接頭發生轉角，螺栓受拉。這種地層變形達到一定的程度后，地層與隧道襯砌間又形成了一個相對平衡的受力體，并維持穩定。
根據以上各階段的情況，可以初步歸納以下幾個結論：
a.在盾尾拼裝階段，螺栓的主要作用是將預制管片連接起來，確保推出盾尾前襯砌環的穩定，并保持襯砌環的形狀；
b.盾尾注漿漿液的凝固時間決定了盾構隧道與地層作用（直接作用）的早晚，地鐵五號線盾構試驗段隧道的這一時間為8～10小時。在有條件的情況下，應盡量縮短漿液的凝固時間；
c.由于北京地層具備比較好的自穩能力，對圓形盾構隧道而言，隧道與地層相互作用達到穩定的時間比較長，約為30天；
d.隧道與地層的受力平衡作用要靠隧道襯砌的變形來形成，一般情況下螺栓應力上升階段的時間比較長，建議施工期間在管片推出盾尾后2天左右對螺栓進行二次緊固，這樣可以相對提早使隧道與地層間形成受力平衡關系；
e.地鐵五號線盾構試驗段螺栓的初始緊固應力為50～100MPa左右。
（2）管片接頭剛度試驗研究
根據對不同接頭剛度的管片環的力學分析，接頭剛度大小對管片的受力有較大影響，而管片接頭剛度由于接觸面受力和變形的復雜性，僅靠理論分析無法準確給出。因此我們開展了管片接頭剛度室內試驗研究，采用原型管片進行測試。
試驗主要想達到以下幾個目的：
a.研究管片環向接頭彎曲變形特性；
b.研究管片環向接頭的剛度；
c.研究彎曲過程中接頭聯接螺栓的受力和變形規律；
d.研究彎曲過程中接頭附近的鋼筋與混凝土的變形和破壞規律。
試驗采用的管片型式與加載方式見圖7。
圖7 試驗采用的管片型式與試驗加載方式示意圖
（注：橫向力考慮從內側和外側分別加載兩種方式）
為了能夠模擬管片接頭的實際受力狀態，分別考慮從頂部施加不同量值軸力和從側向施加側力。軸力值范圍由25t～175t，側力值由0開始一直加載至構件破壞。
試驗所得M—θ關系曲線見圖8、圖9。接頭的破環方式基本為管片邊緣外皮的呈層剝落。
試驗基本結論：
l通過試驗發現，在一定的軸力作用下，管片的張開角度與彎矩基本呈直線變化。但當彎矩超過某一特定值時，其線性關系的斜率增大。該特定值已經大大超過管片的實際限值。
l由于管片螺栓布置對截面的不對稱，內剛度（向內彎曲剛度）一般相當于外剛度（向外彎曲剛度）值的兩倍。
l在試驗段隧道軸力作用下的轉角基本上可以用下述公式描述（不同軸力條件下也同樣可以有類似公式描述）：
向內彎曲：
由上述公式可以推導出地鐵五號線盾構試驗段管片的向內和向外彎曲的接頭剛度為：
Kθ內＝34000kN·m/rad
Kθ外＝17000kN·m/rad
考慮到北京地區地層具有一定的自穩能力，在設計計算時，可對實驗數據作一定折減后采用，建議取值為：
Kθ內＝30000kN·m/rad
Kθ外＝15000kN·m/rad
2、盾構隧道與地層的相互作用規律研究
為研究盾構隧道施工過程中地層荷載作用的變化規律以及荷載分布規律，我們進行了現場測試、室內模型試驗和理論分析等方面的研究。
（1） 現場測試研究
在現場進行了大量的結構內力、隧道與地層的接觸應力和變形測試。
經過現場測試發現，無論管片與地層的接觸應力還是鋼筋應力均呈現與前述螺栓軸力基本相似的變化狀態和規律。
接觸應力發展規律（見圖10）：
l初始階段
當管片拼裝完成，仍停留在盾尾內部時，由于尚未受到周圍的荷載作用，因此接觸應力較小。
l推進階段
管片逐步推出盾尾并同步注漿后，接觸應力呈線性逐漸增加。主要原因是管片推出后，由于注漿漿液壓力形成了對管片的作用。此過程一般持續1～2小時。
l穩定階段
在管片推出盾尾，同步注漿完成后，其接觸應力能夠維持在一定數值范圍內，直到注漿漿液凝固。
l后期發展
接觸應力在盾構剛剛推出盾尾時，在隧道周邊的分布是比較均勻的，反映出半流體作用的特征（見圖11）。但當漿液凝固后，周邊的接觸應力發展則呈現出不平衡的狀態，上大下?。ㄒ妶D12）。
初步分析其原因，在管片剛剛推出盾尾并進行同步回填注漿時刻，此時的土壓力基本呈現出受漿液流體壓力作用的形態，即在隧道周邊分布比較均勻，其量值與注漿壓力基本一致，注漿壓力將使周圍土體與管片之間產生一定的超壓（預壓），此階段的土壓力最大。這充分反映出注漿壓力是管片與土作用發生的一個最關鍵因素。
當注漿漿液凝固后，隨著地層應力重分布和超壓減小，土壓力分布發生了微妙的變化。注漿造成的周邊地層超壓逐漸減小甚至消失，使周邊地層的土壓力減小。同時，由于頂部超壓減小后，地層在一定范圍內的塌落作用，在隧道拱頂兩側形成馬鞍形的土壓力分布，側壓力也基本呈上大下小的形式分布。之所以出現這種現象，初步分析是由于北京地層較好，頂部土層松弛荷載不能完全傳遞到隧底，最終穩定的土壓力呈現出倒梯形或矩形的形態。
根據盾構試驗段測試結果，研究顯示隧道的拱部荷載僅相當于上部一定范圍內超壓消失后形成的土體卸載拱壓力，反映出土體有部分自承載作用，其卸載拱高度視不同隧道的埋深和地質條件而不同，基本在1.0D～1.6D之間（D為隧道直徑）。而由于初始注漿預加壓力的作用，實際側壓力值遠較理論側壓力值大，在試驗段條件下，其量值接近于隧道頂部的壓力值。
側壓力在高度方向的分布基本為頂部偏大，底部偏小。但考慮到隨時間推移而產生的土體蠕變還將造成底部壓力逐步上升，因此，設計時基本可按照矩形分布考慮。
鋼筋應力的發展規律基本相似，本文不再贅述。
根據研究的管片接頭及土壓力分布規律，我們對隧道進行了優化計算和重新設計，大大減少了管片的配筋。優化前后的鋼筋用量見下表：
3、管片構造方面需要注意的問題
（1）管片的鋼筋構造形式與受力
在盾構試驗段實施過程中，我們開展了管片鋼筋構造形式有關的試驗研究，進行了原型管片的彎曲試驗。一般情況下，管片鋼筋可采用網片式分布和肋形分布方式。網片式分布是在管片的內外各設一層由主筋和附加筋組成的網片，兩層網片間設拉結鋼筋；肋型分布是將管片的鋼筋按照一榀一榀鋼筋骨架的方式布置，類似一條條小梁的鋼筋骨架，鋼骨架之間采用箍筋連接。
我們采用原型管片進行了純彎實驗，以測試構件的抗彎能力。
由于肋形布筋方式內外側鋼筋的整體聯系牢靠，一般情況下其承載能力較網片布筋方式高，因此，建議今后設計時宜采用肋式布筋方式。
（2）管片的細節構造設計應注意的問題
l管片螺栓手孔和注漿孔部位應設置加強筋。
由于管片螺栓手孔較大（長度可能達到300mm以上），對管片結構混凝土有明顯的削弱，設計時應考慮設置加強筋，這樣除補強外，還可以起到避免螺栓的緊固力對孔口混凝土的破壞的作用。
在管片安裝時，基本是利用管片注漿孔兼作起吊孔，拉拔試驗顯示的破壞形態證明比較容易產生埋件周圍混凝土的拉脫，因此孔周應設螺旋狀加強筋。這樣可以有效提高埋件的抗拉拔能力。
管片邊角應設至少5mm*5mm的倒角；螺栓孔口等空洞的周圍也應設倒角，以方便螺栓穿入。
注漿孔埋件在迎土側應保留20～25mm的混凝土層，以防止同步注漿漿液流入，對注漿孔的抗滲有積極作用，需要由管片注漿時可用鋼釬擊穿預留混凝土。
4、關于管片混凝土配合比
盾構隧道管片一般采用高性能混凝土。高性能混凝土對耐久性、工作性、適應性、強度、體積穩定性等方面均有較高的要求。盾構試驗段管片高性能混凝土的主要要求是：
l塌落度40-60mm，易于澆注和振搗；
l抗壓強度大于C50；
l抗滲等級P10；
l低堿集料反應活性即每立方米混凝土中的總堿含量低于3Kg；
l低收縮性即28天的收縮絕對值小于400*10-6（目的是保證管片的尺寸精度）；
l硬化后混凝土外觀要求無裂縫，氣泡少，顏色均勻。
在上述要求中，強度和抗滲指標是比較容易滿足的，但抗裂和收縮要求對混凝土配合比的要求很難滿足，通過多種配合比的試驗研究，最終采用的管片混凝土配合比如下：
采用此配合比生產的管片除強度等滿足要求外，也具有很好的外觀質量。
地鐵五號線盾構試驗段工程管片的養護采用自主研發的能自動控溫控濕的蒸養罩，有效地防止了混凝土因溫度原因產生開裂。
5、掌子面穩定、壁后注漿和沉降預測
在施工過程中，為確保地層的穩定，有效控制沉降，采取了一系列的措施。經過驗證，取得了比較好的效果，施工完成的隧道，其上方地表沉降基本控制在17mm以內，有效防止了上方地面建筑物的破壞。本文僅簡要闡述幾個主要的結果。
掌子面的穩定、壁后注漿和沉降控制為相輔相成的三個方面，只有三個方面都得到保證，才能達到目的。
（1）掌子面的穩定
不同地層條件下，應采取不同措施穩定掌子面。
a)粘質粉土、粉質粘土地層
土的粘結力較大，在盾構掘進施工過程中，易造成粘性土附著于刀盤上造成刀盤扭矩增大，或者土體進入土倉后被壓密固化，造成開挖、排土均無法進行的情況。此時應通過刀盤上的注漿孔向刀盤前方的土體注入泡沫，在增加土體流動性的同時，降低其粘著性，防止開挖土附著于刀頭或土室內壁。
b)粉細砂及砂礫層及卵石層
由于其滲透性較大，流動性差，對刀具的磨損大，施工期間僅靠泡沫的潤滑和地層改良作用已不能完全滿足施工的要求。在推進過程中除了使用泡沫以外，還應輔以膨潤土漿液，以加強刀具的潤滑、冷卻，改善工作狀態，同時起到補充地層土體微細顆粒的不足，提高土體流動性和止水性的作用。掘進結束時倉內的水、泡沫容易通過地層流失，造成土倉內壓力的消散，給土壓力維持穩定帶來一定的困難。此時，在盾構掘進結束，需較長時間停機時，應向土倉內注入膨潤土漿液并用刀盤充分攪拌，改善土倉內土體的密閉性，防止開挖面坍塌。
c)粉土層及砂質地層
由于粉土與砂土在土倉內較好地拌和，粉土中的粘粒成分改善了土倉內土的流動性，因此在通過這類地層時，刀盤的扭矩較小，掘進速度接近與粘質粉土粉質粘土層中的速度，唯一比較困難的是土壓力的維持相對較難，土倉內壓力散失較快，停機需向內加入膨潤土漿液，以維持土壓和開挖面穩定。
盾構密閉艙的土壓力大小是保證前方土體穩定的重要因素。根據試驗段經驗，密閉艙的土壓力一般宜保持在開挖面理論土壓力的1.3倍左右。圖13是施工中密閉艙土壓力和開挖面理論土壓力比較，圖中壓力水平較高的部分是盾構始發段，此階段為確保開挖面的穩定，人為加大了密閉艙的土壓力。
（2）襯砌背后注漿
管片襯砌從盾尾推出時，管片與地層間的空隙采用注漿的辦法填充。根據北京地區的地質條件、工程特點以及現有盾構機的型式，漿液應具備以下性能：
a.具有良好的長期穩定性及流動性，并能保證適當的初凝時間，以適應盾構施工以及遠距離輸送的要求。
b.具有良好的充填性能。
c.在滿足注漿施工的前提下，盡可能早地獲得高于地層的早期強度。
d.漿液在地下水環境中，不易產生稀釋現象。
e.漿液固結后體積收縮率小，泌水率小。
f.材料來源豐富、經濟，施工管理方便，并能滿足拌合、集運、壓注等施工自動化技術要求。
g.漿液無公害，價格便宜。
根據上述要求，基本可以確定應采用惰性漿液。我們在實驗室對惰性漿液的成分和配比進行了大量的實驗后確定了漿液的成分和凝結時間。
漿液的主要成分為生石灰、粉煤灰、細砂、膨潤土（鈉土）和水等材料，凝結時間在10小時左右。
注入壓力要考慮不同地層的多種情況，注入壓力一般是2～4bar，由于在砂質或砂卵石地層中漿液的擴散快，因此注入壓力可比其它地層的注入壓力適當減小。
一般每環管片的漿液注入量為3～4m3，施工中如果發現注入量持續增多時，必須檢查超挖、漏失等因素。而注入量低于預定注入量時，可以考慮是注入漿液的配比、注入時期、盾構推進速度過快或出現故障所致，必須認真檢查采取相應的措施。
（3）沉降預測
沉降控制主要是通過施工中的開挖面穩定和隧道背后注漿實現。但在施工過程中應根據不同的地質條件對地面沉降進行初步的預測，以指導施工采取措施。
盾構試驗段工程作了大量的地表沉降觀測和拱頂下沉觀測，這些實測數據反映了盾構隧道推進過程各個階段地表隆沉的情況。圖14顯示出某一監測斷面在離開開挖面不同距離時的地表隆沉情況。根據沉降特點，將沉降分為以下幾個階段：
l預先隆沉階段
當盾構機距離觀測斷面較近時（0～2.5D），由于盾構機推力對土體擾動，地下水位、變化開挖面塌落、施工參數（如土壓、推力等）變化等多方面因素影響，地表可能產生沉降或輕微隆起；
l盾構機通過階段
盾構機通過直到盾尾經過觀測斷面正下方期間（-2.5D～0），因盾構機主體脫出前，漿液未及時充填引起的沉降及施工中超挖后土體應力狀態變化較大，引起地層損失，這是盾構施工中產生地表沉降最主要的組成部分；
l后續固結沉降階段
盾構經過后（盾構后方-2.5D之后），盾構推進對地層的影響并未完全消失，所以土體將進一步固結和蠕變殘余變形，時間可以長達1～2個月。
試驗段施工中，各階段產生的地表沉降量所占的比重分別為：盾構機到達前，地表產生的沉降僅占總沉降量的5%—15%，盾構機通過過程中產生的沉降占總沉降量的45%—50%，通過后的后續沉降占40—45%。
由此可以看出，北京地區進行的盾構法施工與上海地區軟土地層盾構法施工引起的地表沉降組成有較大差別。主要表現在，上海采用盾構法施工隧道沉降除上述四個階段外，還有一個明顯的長期潛變的沉降過程，其產生的沉降量占總地表沉降量的35%左右，而在北京的地質條件下長期潛變并不明顯，在以上劃分中歸到后續固結沉降一起，其所占比重一般小于總沉降量的5%。
根據實際監測數據，對不同地層的監測數據通過分析整理，回歸后得到地表沉降最大值的計算公式：
式中：D為隧道直徑，h為隧道中心埋深，K’為與地層有關的系數。
粘質土層：K’＝0.9~1.1
粉質土層：K’＝1.1~1.3
砂質土層：K’＝1.3~1.5
利用上述經驗公式，可以對不同情況下的地面沉降最大值進行初步預測。
四、結語
盾構試驗段是在北京地鐵工程中實施的第一個盾構隧道工程，通過結合工程進行的一系列試驗研究，我們試圖摸索北京特有地層下采用盾構法施工的一些經驗，本文的目的是想與業界分享這些粗淺的成果和經驗，文中若有不妥之處，請業內專家指正。
