京張高鐵清華園隧道南延施工方案研究

王建功

(京張城際鐵路有限公司，北京 100070)

近年來，隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，城市規(guī)模越來越大，從而導(dǎo)致既有鐵路線網(wǎng)逐漸向城區(qū)靠攏。為了緩解城市交通壓力以及減少市民日常出行時(shí)長(zhǎng)，同時(shí)也為了避免地面道路整改以及既有建筑征拆等問題，新建鐵路線網(wǎng)通過地下隧道引入城區(qū)成為一種首選方案[1-2]，如北京鐵路直徑線[3-6]、天津鐵路直徑線[7-8]、廣深港高鐵益田路隧道[9]、京沈高鐵望京隧道[10]、京張高鐵清華園隧道[11]等。

近年來，眾多研究學(xué)者和技術(shù)人員對(duì)鐵路隧道下穿施工引起的房屋建筑沉降[12-13]、既有鐵路沉降[14]、地表沉降[15-17]以及下穿施工技術(shù)[18-21]等進(jìn)行了一系列研究，取得了豐碩成果，但較少涉及鐵路隧道延長(zhǎng)施工方案等問題。

自京張高鐵清華園隧道下穿學(xué)院南路項(xiàng)目開工建設(shè)以后，北京市區(qū)征拆工作推進(jìn)困難。據(jù)地方相關(guān)部門測(cè)算，學(xué)院南路下挖改造工程投資約17.8億元，其中工程費(fèi)約2億元，管線遷改費(fèi)約1.7億元，房屋拆遷費(fèi)約14.1億元；清華園隧道1號(hào)井施工臨時(shí)場(chǎng)地涉及金五星商貿(mào)城、好家居建材裝飾市場(chǎng)部分臨街商鋪征拆費(fèi)用也高達(dá)約1.2億元。以上兩處是制約工程工期的關(guān)鍵點(diǎn)，工程征拆費(fèi)用高、難度大、交通導(dǎo)改困難，且時(shí)間節(jié)點(diǎn)難以保證。

為減少學(xué)院南路下挖改造及敷設(shè)管線的遷改，鐵路總公司與北京市共同研究決定，將普速列車始發(fā)終到調(diào)整至清河站辦理，北京北站僅承擔(dān)動(dòng)車組列車始發(fā)作業(yè)，區(qū)間最大坡度由23.5‰調(diào)整為30‰。線路自北京北站引出后，采用最大30‰坡度于學(xué)院南路南側(cè)入地，以隧道形式依次下穿學(xué)院南路，隧道向南總延長(zhǎng)690 m，由原5 330 m調(diào)整為6 020 m。同時(shí)調(diào)整1號(hào)井～2號(hào)井盾構(gòu)區(qū)間的掘進(jìn)方向，由1號(hào)井向2號(hào)井掘進(jìn)調(diào)整為由2號(hào)井向1號(hào)井掘進(jìn)，以解決1號(hào)井施工場(chǎng)地征拆帶來的問題。

1 工程概述

1.1 工程概況

清華園隧道是新建京張高鐵重點(diǎn)控制性工程之一，位于北京市海淀區(qū)。清華園隧道原設(shè)計(jì)由學(xué)院南路北側(cè)入地，沿既有京包鐵路走行，于五環(huán)內(nèi)出地面，隧道全長(zhǎng)5.33 km(單洞雙線)，設(shè)計(jì)速度120 km/h。全隧近距離并行地鐵13號(hào)線，與地鐵12號(hào)線(在建)、10號(hào)線、15號(hào)線交叉穿越，下穿北三環(huán)、知春路、北四環(huán)、成府路、清華東路、雙清路等重要城市道路及道路下方大量重要市政管線，周邊建(構(gòu))筑物密集。清華園隧道是目前國(guó)內(nèi)位于城市核心區(qū)，穿越地層復(fù)雜、重要建(構(gòu))筑物最多的高鐵單洞雙線大直徑盾構(gòu)高風(fēng)險(xiǎn)隧道之一[11]。盾構(gòu)管片內(nèi)徑11.1 m，外徑12.2 m，管片厚55 cm，刀盤開挖直徑12.64 m。全隧共設(shè)置3座施工豎井，采用2臺(tái)φ1 264大直徑泥水平衡盾構(gòu)機(jī)施工，一臺(tái)由小里程端1號(hào)井始發(fā)，中間2號(hào)井接收，盾構(gòu)區(qū)間1 991 m；另一臺(tái)由3號(hào)井始發(fā)，中間2號(hào)井接收，盾構(gòu)區(qū)間長(zhǎng)1 741 m。

隧道南延方案以盾構(gòu)形式下穿學(xué)院南路后,,隧道進(jìn)口里程由DK14+090調(diào)整至DK13+400，隧道向南總延長(zhǎng)690 m，隧道整體長(zhǎng)度由5.33 km調(diào)整為6.02 km(見圖1)。小里程端盾構(gòu)始發(fā)井自1號(hào)井調(diào)整至2號(hào)井，在原2號(hào)井南側(cè)增加2-A始發(fā)井，原2號(hào)井調(diào)整為2-B接收井，井間設(shè)置明挖基坑，滿足盾構(gòu)整體始發(fā)要求，原1號(hào)始發(fā)井調(diào)整為接收井。調(diào)整后小里程端盾構(gòu)掘進(jìn)方案為2-A井始發(fā)，1號(hào)井接收，大里程端盾構(gòu)為3號(hào)井始發(fā)，2-B井接收，均由北向南掘進(jìn)。1.2 工程地質(zhì)與水文條件

京張高鐵清華園隧道位于北京市海淀區(qū)，處于北京市平原區(qū)的西北部，地面高程為48.92～451.35 m，地勢(shì)平坦。地層上部主要為第四系全新人工堆積雜填土，中部為第四系全新統(tǒng)沖洪積層粉質(zhì)黏土、粉土和粉砂，下部主要為圓礫土和卵石土。隧道所處地層主要為粉質(zhì)黏土和卵石土(以卵石土為主)，隧道穿越卵石地層約2.4 km，含卵石復(fù)合地層約3.7 km。

圖1 清華園隧道平面示意

北京市平原地區(qū)第四系地層中的松散巖類孔隙水可以分為上層滯水、潛水和承壓水，上層滯水補(bǔ)給主要以大氣降水為主，管溝滲流為輔，集中分布在粉土與粉砂層，水位埋深3.4～5.7 m，高程44.91～49.62 m。層間潛水主要受區(qū)域性地下水影響，且局部承壓，水位埋深21.0～25.0 m，高程27.97～29.00 m。

2 施工方案

2.1 盾構(gòu)法

(1)方案簡(jiǎn)介

施工方案將原1號(hào)井由學(xué)院南路北側(cè)DK14+435.5處調(diào)整至學(xué)院南路南側(cè)DK13+601.2處， 1號(hào)井至出口段采用明挖法施工，見圖2。

(2)基坑支護(hù)設(shè)計(jì)

基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用“φ1 000@1 400 mm鉆孔灌注樁+內(nèi)撐”，樁間旋噴樁止水。按45°基坑開挖影響線控制，影響線以內(nèi)的橋樁采取防護(hù)措施，影響線以外不再額外增設(shè)防護(hù)措施。1號(hào)井為明挖段基坑最深處，開挖深度為21 m，鄰近地鐵層采用雙排圍護(hù)樁，以增加基坑的穩(wěn)定性，見圖3。

圖2 盾構(gòu)法施工方案示意(單位：m)

圖3 橋樁斷面(單位：cm)

(3)地鐵13號(hào)線保護(hù)措施

盾構(gòu)法隧道結(jié)構(gòu)距13號(hào)線橋樁6.6～15.3 m，其中有一異型橋墩與盾構(gòu)隧道凈距為3.4 m。該段地鐵13號(hào)線段主要為橋梁，無縫線路，整體道床，變形控制要求嚴(yán)，為特級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源，施工風(fēng)險(xiǎn)高。

采取的保護(hù)措施主要有： 以洞內(nèi)控制措施為主，洞外防護(hù)為輔。穿越前，設(shè)置盾構(gòu)試驗(yàn)段，確定合理的盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)；穿越時(shí)，嚴(yán)格控制掘進(jìn)參數(shù)，嚴(yán)格控制地層損失率；穿越后，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，必要時(shí)從洞內(nèi)采用徑向注漿加固。根據(jù)橋樁與結(jié)構(gòu)距離關(guān)系及施工作業(yè)空間，采取不同的防護(hù)措施。橋樁與盾構(gòu)結(jié)構(gòu)凈距小于1倍洞徑，采用3排φ180 mm復(fù)合錨桿樁交錯(cuò)布置，樁頂設(shè)置冠梁，并預(yù)埋φ42 mm袖閥管，進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償注漿加固；橋樁與盾構(gòu)結(jié)構(gòu)凈距大于1倍洞徑，采用預(yù)埋雙排φ42 mm袖閥管@1 500 mm交錯(cuò)布置，進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償注漿加固，橋樁縱向加固范圍為橋臺(tái)前后各5 m范圍(見圖4)。異性橋墩橋樁采用“門型”防護(hù)方案：盾構(gòu)隧道兩側(cè)分別采用3排φ180 mm復(fù)合錨桿樁交錯(cuò)布置，樁頂設(shè)置冠梁，兩側(cè)冠梁用4根鋼筋混凝土橫撐連接，以增加防護(hù)結(jié)構(gòu)的整體抗變形能力。在隧道頂部進(jìn)行注漿加固，并預(yù)埋雙排φ42 mm袖閥管進(jìn)行跟蹤注漿，見圖5。

圖4 橋樁加固典型斷面(單位：cm)

圖6 盾構(gòu)方案施工組織示意

圖5 異性橋樁加固典型斷面(單位：cm)

(4)學(xué)院南路段保護(hù)措施

盾構(gòu)法下穿學(xué)院南路段洞頂覆土僅7.0 m，屬超淺覆土。已探明道路下方敷設(shè)管線15條，其中2條污水管線需要遷改，2條3 200 mm×2 500 mm雨水方溝底與隧道的最小凈距為1.89 m(見表1)，施工難度大，風(fēng)險(xiǎn)高。

保護(hù)措施主要有：采用泥水平衡法施工，嚴(yán)格控制掘進(jìn)參數(shù)，控制地層損失率。2條污水管線需要永久遷改，原污水管道采用水泥砂漿充填，防止泥漿沿管道流失。穿過后進(jìn)行襯砌背后二次補(bǔ)償注漿，嚴(yán)格控制路面沉降，確保道路運(yùn)營(yíng)安全。

表1 主要管線與隧道結(jié)構(gòu)關(guān)系

注：表中“-”代表結(jié)構(gòu)之間交叉。

(5)施工組織與工期

調(diào)整后的盾構(gòu)區(qū)間由1991 m增加為2707.5 m，增加了716.5 m。結(jié)合近年完工或正在施工類似直徑的盾構(gòu)施工進(jìn)度(如京沈高鐵望京隧道、武漢地鐵8號(hào)線越江隧道等均達(dá)200 m/月)，通過對(duì)盾構(gòu)穿越地層、設(shè)備工裝的研究，將盾構(gòu)掘進(jìn)綜合指標(biāo)由150 m/月調(diào)整至190 m/月。圖6為調(diào)整后的盾構(gòu)法施工組織進(jìn)度圖。由圖6可知，該方案隧道土建工期為36.3個(gè)月，于2019年3月11日提供鋪軌條件，滿足全線指導(dǎo)性施組要求(2019年3月10日提供鋪軌條件)。

2.2 明挖法

(1)方案簡(jiǎn)介

明挖法施工方案將1號(hào)井由DK14+435.5向南移至DK14+280處，1號(hào)井由始發(fā)井調(diào)整為接收井，隧道南延段以明挖法施工為主，局部采用暗挖法，見圖7。

圖7 明挖方案工法示意(單位：m)

(2)基坑支護(hù)措施

基坑明挖深度為10.0～24.8 m，1號(hào)井更是深達(dá)30 m，且鄰近既有地鐵13號(hào)線，屬于特級(jí)風(fēng)險(xiǎn)工程。DK13+400～DK13+640段基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用“φ1 000@1 400鉆孔灌注樁+內(nèi)支撐”，DK13+730～DK14+289段基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用“φ1 200@1 600鉆孔灌注樁+內(nèi)支撐”。樁間采用“旋噴樁止水+坑內(nèi)降水”。

(3)地鐵13號(hào)線保護(hù)措施

明挖法圍護(hù)樁與13號(hào)線橋樁凈距5～8 m， 13號(hào)線異型墩圍護(hù)樁與橋樁凈距僅1.7 m，基坑開挖深度達(dá)30 m，為特級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源，施工風(fēng)險(xiǎn)極高。

采取的保護(hù)措施主要有：以加強(qiáng)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)自身強(qiáng)度為主，風(fēng)險(xiǎn)源加固防護(hù)為輔。采用注漿方式對(duì)13號(hào)線橋墩進(jìn)行加固(見圖8)。對(duì)于異型橋墩，除橋樁采用注漿加固以外，還采用了鋼管支架進(jìn)行支頂，以便對(duì)梁進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，確保運(yùn)營(yíng)安全(見圖9)。

圖8 橋樁加固典型斷面(單位：cm)

圖9 異性橋樁加固典型斷面(單位：cm)

(4)學(xué)院南路段保護(hù)措施

暗挖法下穿學(xué)院南路段共計(jì)90 m，洞頂最小覆土僅7.8 m，屬超淺覆土。其中，φ700 mm和φ1100 mm的污水管線只需臨時(shí)導(dǎo)改， 2條污水管至隧道超前支護(hù)結(jié)構(gòu)最小凈距為0.3 m，2條3 200 mm×2 500 mm雨水方溝底與隧道最小凈距僅2.4 m(見表2)，施工風(fēng)險(xiǎn)高，難度大，屬于特級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源。

表2 主要管線與隧道結(jié)構(gòu)關(guān)系

保護(hù)措施主要有：采用“拱腳側(cè)導(dǎo)洞超前+扣拱”工法(見圖10)，在導(dǎo)洞內(nèi)施作鋼筋混凝土擴(kuò)大拱腳結(jié)構(gòu)，為正洞拱墻結(jié)構(gòu)提供穩(wěn)定的基礎(chǔ)。由短臺(tái)階弧形導(dǎo)坑開挖正洞，并施做拱墻初期支護(hù)結(jié)構(gòu)，架設(shè)臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)，最后分布開挖核心土及下部土體，施做仰拱，最后施做二次襯砌結(jié)構(gòu)。拱部設(shè)置φ299 mm互鎖管幕超前支護(hù)，采用螺旋出土導(dǎo)向頂管法施工。工作面采用φ25 mm纖維錨桿進(jìn)行加固并進(jìn)行洞內(nèi)疏干降水。

圖10 暗挖工法示意

(5)施工組織與工期

圖11為調(diào)整后的明挖法施工組織進(jìn)度圖。由圖11可知，該方案隧道土建工期為34個(gè)月，于2019年1月1日提供鋪軌條件，可滿足全線指導(dǎo)性施組要求(2019年3月10日前提供鋪軌條件)。但是，由于隧道南延段基坑深、規(guī)模大、風(fēng)險(xiǎn)高，施工場(chǎng)地狹窄，施工組織困難，周期較長(zhǎng)，對(duì)周邊環(huán)境及交通影響大，需要導(dǎo)改明光村西路，手續(xù)辦理困難。若要按期完成，須于2017年6月底前完成拆遷和臨建。

圖11 明挖方案施工組織示意

3 方案對(duì)比分析

從工程風(fēng)險(xiǎn)因素、基坑支護(hù)措施、施工方案、地鐵13號(hào)線以及學(xué)院南路保護(hù)措施、工期等方面對(duì)盾構(gòu)法和明挖法施工方案進(jìn)行對(duì)比分析(見表3)。從投資、風(fēng)險(xiǎn)、工期以及場(chǎng)地等方面對(duì)盾構(gòu)法和明挖法施工方案進(jìn)行對(duì)比分析，根據(jù)對(duì)比結(jié)果，建議采用盾構(gòu)法施工方案(對(duì)比分析結(jié)果見表4和表5)。

表3 盾構(gòu)法和明挖法施工方案對(duì)比

表4 不同施工方案投資對(duì)比 萬元

注：工程投資比較范圍：DK13+400～DK15+800，共計(jì)2400 m。

4 施工安全控制

(1)加大建設(shè)單位的監(jiān)管力度，建立包保制，由專業(yè)工程師負(fù)責(zé)穿越期間的安全、協(xié)調(diào)工作。

(2)執(zhí)行專家評(píng)審制度，做到每一處風(fēng)險(xiǎn)源防護(hù)措施均應(yīng)先通過專家評(píng)審，方可實(shí)施。

表5 不同施工方案綜合對(duì)比

(3)堅(jiān)持做到風(fēng)險(xiǎn)工程先防后穿的原則。

(4)執(zhí)行施工監(jiān)測(cè)及第三方的監(jiān)測(cè)制度，建立實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，指導(dǎo)施工。

(5)成立由建設(shè)單位、風(fēng)險(xiǎn)源產(chǎn)權(quán)單位、設(shè)計(jì)單位、監(jiān)理單位、監(jiān)測(cè)單位組成的聯(lián)合辦公小組，保證信息暢通，切實(shí)做到信息化施工，確保安全。

(6)建立有效的應(yīng)急相應(yīng)機(jī)制，編制應(yīng)急預(yù)案，成立應(yīng)急小組。應(yīng)急響應(yīng)劃分為黃、橙、紅三級(jí)預(yù)警，嚴(yán)格按照監(jiān)測(cè)值進(jìn)行預(yù)警，及時(shí)啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案。

5 方案實(shí)施效果分析

清華園隧道南延工程包含站前及站后(含清河站普速配套工程及北京北動(dòng)車所新增機(jī)務(wù)折返段工程)，工程費(fèi)增加約3.5億元，學(xué)院南路下挖改造及拆遷征地費(fèi)用節(jié)省約19億元，工程總投資共計(jì)節(jié)約15.5億元。在重新調(diào)整北京北站功能定位的條件下，綜合考慮征拆、規(guī)劃，采用隧道形式下穿學(xué)院南路的方案是經(jīng)濟(jì)可行的。

經(jīng)參建各方精心策劃、組織施工，保證了2號(hào)井按時(shí)開工，但期間由于霧霾、中高考及政策性停工影響，2號(hào)井于2017年12月12日盾構(gòu)機(jī)組裝完成始發(fā)，較原計(jì)劃滯后一個(gè)月，盾構(gòu)掘進(jìn)歷時(shí)11.3月，于2018年11月20日安全順利接收，較原計(jì)劃提前了2個(gè)月，單月最高掘進(jìn)達(dá)476 m/月，綜合進(jìn)度指標(biāo)為240 m/月，確保了鋪軌工期。周邊風(fēng)險(xiǎn)源變形安全可控，地鐵13號(hào)線變形均在安全范圍內(nèi)，異型墩(風(fēng)險(xiǎn)最高處)軌道變形沉降僅1.38 mm；下穿學(xué)院南路路面變形4.5 mm，均遠(yuǎn)小于變形控制值。可見，清華園隧道南延段采用盾構(gòu)為主的施工方案具有安全可靠和工效高等優(yōu)點(diǎn)。