北京地铁盾构隧道设计施工要点
北京城建设计研究总院 杨秀仁
摘要：北京地铁五号线首次在北京地区采用盾构法修建地铁隧道，盾构试验段工程已经取得成功。鉴于盾构隧道设计和施工在很大程度上依赖于地质条件，而北京与上海和广州的地质条件差异较大，因此，通过盾构试验段工程对设计和施工进行了系统的研究。
一、工程背景及盾构隧道基本情况
1、地铁五号线概况
北京地铁五号线南起丰台区的宋家庄，北至昌平区的太平庄。线路全长27.6Km，在四环路南北分别采用了地下和地面、高架线路型式，南段的地下线长16.9km，北部的地面和高架线10.7km。全线共设22座车站，其中地下站16座，高架和地面站6座。图1为地铁五号线工程线路示意图。
图 1 北京地铁五号线工程线路示意图
在地铁五号线工程地下线路段，部分线路受环境条件限制，隧道基本在现状低矮破旧的建筑物下通过，对地面沉降的要求较高，加上工程地质和水文地质条件复杂，地面无降水条件，因此采用盾构法施工。采用盾构法施工的区段为宋家庄～刘家窑地段、东单～和平里北街地段。
2、盾构试验段概况
由于北京以往没有采用盾构法施工地铁隧道的工程经验，且本地区的地质条件与国内其他采用过盾构法施工的城市有比较大的区别，为了确保地铁五号线正式施工能够顺利进行，首先选择正线典型的地段开展试验段施工，以摸索和掌握北京地区特有条件下的盾构隧道设计、施工技术。 盾构试验段选在北新桥站～雍和宫站区间线路的左线（西侧），试验段隧道长度约688m。试验段线路平面见图2，由图上可以看出，试验段隧道基本在现状建筑物下方穿过。
图2 盾构试验段线路平面图
3、试验段工程地质及水文地质条件
(1)工程地质条件
沿线隧道通过的地层均为第四纪冲洪积地层，除表层的填土外，主要有粘土、粉土、砂及卵石等地层，其中卵石的最大粒径为250mm。图3为试验段地质纵断面图。
(2)水文地质条件
根据工程勘察报告，地层中赋存有上层滞水、潜水和承压水。
上层滞水：水位埋深在5.0～7.0m之间。
潜水：水位埋深在14.0m左右。潜水具有弱承压性，水位高出含水层顶板为0.5～2.8m。
承压水：含水层的顶板埋深为21.0～25.0m，水头高出含水层顶板为1.0～3.0m。
4、试验段盾构隧道有关设计参数
(1) 隧道直径：盾构区间隧道采用圆形结构，隧道管片设计内净空5400mm，（其中考虑了隧道施工误差、测量误差及隧道变形等因素周边预留100mm的裕量保证限界直径5200mm的要求），管片厚度为300mm，隧道管片衬砌外径为6000mm。
(2) 管片的型式及构造 (见图4)：管片环宽1200mm，环向分6块，即3块标准块（中心角67.5°），2块邻接块（中心角67.5°），一块封顶块（中心角22.5°）。管片之间采用弯螺栓连接（螺栓直径24mm），环向有纵缝6个，每接缝有环向螺栓2个；纵向端面共设纵向螺栓16个（封顶块1个，其它管片端面3个）。
(3) 管片环与环之间采用错缝拼装方式。管片端面采用平面式，仅在设置防水胶条处留有沟槽。
(4) 管片有3种类型，即标准环、左转环和右转环。
二、盾构试验段工程的主要研究内容
盾构隧道的设计与施工在很大程度上依赖于地质条件，我国的上海和广州已经采用盾构法成功实施了不少工程，也作过不少研究，但这两地区的地质条件与北京差异较大。上海地区的地层为淤泥质地层，非常松软，自稳能力差，侧压力比较大且分布均匀；广州地区的地层除在浅表有一层比较薄的土层外，基本为强风化～中风化～微风化岩层，围岩的强度模量高，自稳能力好，而河网发育，地下水充沛，时有构造断裂出现在工程线路上；而北京地区表层从0～80m范围基本为第四纪冲洪积地层，既有表层的松散回填土层，又有从粘土～粉土～各种粒径的砂层～砾石层～卵石层等各层交替组合形成的地层，从性质上与上海地区截然不同，而与广州地区的地层也有较大的区别。
试验段工程从设计、管片生产和施工等方面进行了系统的研究，主要开展的研究项目有：
1．盾构隧道管片地层的相互作用和管片接头刚度研究
通过室内模型试验、管片接头试验、管片抗弯试验和现场大量的实验测试，并结合理论分析，探索北京特有地层条件下的盾构隧道管片与地层的相互作用形式及规律。提出北京特有地层条件下，盾构隧道周围地层荷载的分布、变化规律和取值方法。基于研究成果提出的土压分布规律，对管片设计进行优化；
2．管片生产技术的研究
为确保混凝土管片的质量，对高性能混凝土配合比、混凝土构件自动蒸养系统、盾构管片生产工艺及试验设施、施工机具等进行研究，并编制了管片生产企业标准和预制混凝土盾构管片操作质量标准。
3．盾构施工技术的研究
在试验段施工过程中，对盾构始发技术、开挖面稳定措施、管片拼装技术、地表沉降控制技术、壁后注浆技术、盾构施工监测技术和盾构施工测量技术等进行研究。
三、北京特有地层条件下盾构工法隧道衬砌设计与施工
通过开展上述各项研究，初步掌握了北京特有地层条件下盾构工法隧道衬砌设计和施工技术。
1、管片接头研究
管片接头作用力的大小，将直接影响到整环隧道的受力，一般情况下螺栓的作用越强，隧道的内力就越大，另外，螺栓对隧道的变形有一定的限制作用。
我们从两个方面研究了采用弯螺栓连接的管片接头。
（1）现场测试研究
我们在试验段隧道埋设了螺栓应力计，以测试管片拼装后到推出盾尾一段时间螺栓的受力行为和螺栓应力值，每组测试断面由两环管片组成，相互验证。
试验段只进行了环向螺栓应力测试，螺栓应力随时间变化规律见图5、图6所示，其应力变化过程主要有初始阶段、推进阶段、应力维持阶段和应力上升阶段等。
l初始阶段
对螺栓首先进行标定，然后插入到螺栓孔中，在螺栓上紧以前，其应力维持在较低的水平。螺栓拧紧分两次实现，第一次先进行预紧，施加总紧固力的20％～30％，第二次紧固到位，从图上可以明显看出其过程，拧紧螺栓后，当管片尚位于盾尾内部时，螺栓应力一直维持在紧固应力的水平。
l推进阶段
随着盾构机的推进，衬砌管片被推出盾尾，在此过程中，螺栓的应力均匀下降，其下降幅度很大，有些部位甚至螺栓应力接近0，这一过程显示出螺栓的暂时“失效”现象。
初步分析其主要原因是：随着盾构管片推出盾尾，具有一定压力的同步注浆浆液逐步充满管片衬砌周围，产生径向的压力，使各管片之间的橡胶止水带被进一步挤密，导致螺栓松弛。
l应力维持阶段
盾构推出盾尾，螺栓应力松驰后，在一定时间范围内，螺栓继续维持低应力水平，量值增加不大。一般情况下这一阶段可持续8～10个小时左右，与浆液的凝固时间基本一致。
初步分析其主要原因是：盾尾注浆浆液凝固并达到强度以前，对隧道衬砌的作用仍基本类似液体作用方式，管片内力以轴力为主，与上一阶段相似。
l应力上升阶段
应力维持阶段后，随时间的推移，螺栓的应力呈线性上升，直到维持与初期紧固应力相当的水平。应力上升阶段的时间一般持续30天左右。
初步分析其主要原因是：随着注浆浆液硬化，管片与地层间形成了硬性接触，地层的变形直接作用在管片上，又由于各方向地层荷载的不同，破坏了原来一直保持的周边均匀作用，使管片接头发生转角，螺栓受拉。这种地层变形达到一定的程度后，地层与隧道衬砌间又形成了一个相对平衡的受力体，并维持稳定。
根据以上各阶段的情况，可以初步归纳以下几个结论：
a.在盾尾拼装阶段，螺栓的主要作用是将预制管片连接起来，确保推出盾尾前衬砌环的稳定，并保持衬砌环的形状；
b.盾尾注浆浆液的凝固时间决定了盾构隧道与地层作用（直接作用）的早晚，地铁五号线盾构试验段隧道的这一时间为8～10小时。在有条件的情况下，应尽量缩短浆液的凝固时间；
c.由于北京地层具备比较好的自稳能力，对圆形盾构隧道而言，隧道与地层相互作用达到稳定的时间比较长，约为30天；
d.隧道与地层的受力平衡作用要靠隧道衬砌的变形来形成，一般情况下螺栓应力上升阶段的时间比较长，建议施工期间在管片推出盾尾后2天左右对螺栓进行二次紧固，这样可以相对提早使隧道与地层间形成受力平衡关系；
e.地铁五号线盾构试验段螺栓的初始紧固应力为50～100MPa左右。
（2）管片接头刚度试验研究
根据对不同接头刚度的管片环的力学分析，接头刚度大小对管片的受力有较大影响，而管片接头刚度由于接触面受力和变形的复杂性，仅靠理论分析无法准确给出。因此我们开展了管片接头刚度室内试验研究，采用原型管片进行测试。
试验主要想达到以下几个目的：
a.研究管片环向接头弯曲变形特性；
b.研究管片环向接头的刚度；
c.研究弯曲过程中接头联接螺栓的受力和变形规律；
d.研究弯曲过程中接头附近的钢筋与混凝土的变形和破坏规律。
试验采用的管片型式与加载方式见图7。
图7 试验采用的管片型式与试验加载方式示意图
（注：横向力考虑从内侧和外侧分别加载两种方式）
为了能够模拟管片接头的实际受力状态，分别考虑从顶部施加不同量值轴力和从侧向施加侧力。轴力值范围由25t～175t，侧力值由0开始一直加载至构件破坏。
试验所得M—θ关系曲线见图8、图9。接头的破环方式基本为管片边缘外皮的呈层剥落。
试验基本结论：
l通过试验发现，在一定的轴力作用下，管片的张开角度与弯矩基本呈直线变化。但当弯矩超过某一特定值时，其线性关系的斜率增大。该特定值已经大大超过管片的实际限值。
l由于管片螺栓布置对截面的不对称，内刚度（向内弯曲刚度）一般相当于外刚度（向外弯曲刚度）值的两倍。
l在试验段隧道轴力作用下的转角基本上可以用下述公式描述（不同轴力条件下也同样可以有类似公式描述）：
向内弯曲：
由上述公式可以推导出地铁五号线盾构试验段管片的向内和向外弯曲的接头刚度为：
Kθ内＝34000kN·m/rad
Kθ外＝17000kN·m/rad
考虑到北京地区地层具有一定的自稳能力，在设计计算时，可对实验数据作一定折减后采用，建议取值为：
Kθ内＝30000kN·m/rad
Kθ外＝15000kN·m/rad
2、盾构隧道与地层的相互作用规律研究
为研究盾构隧道施工过程中地层荷载作用的变化规律以及荷载分布规律，我们进行了现场测试、室内模型试验和理论分析等方面的研究。
（1） 现场测试研究
在现场进行了大量的结构内力、隧道与地层的接触应力和变形测试。
经过现场测试发现，无论管片与地层的接触应力还是钢筋应力均呈现与前述螺栓轴力基本相似的变化状态和规律。
接触应力发展规律（见图10）：
l初始阶段
当管片拼装完成，仍停留在盾尾内部时，由于尚未受到周围的荷载作用，因此接触应力较小。
l推进阶段
管片逐步推出盾尾并同步注浆后，接触应力呈线性逐渐增加。主要原因是管片推出后，由于注浆浆液压力形成了对管片的作用。此过程一般持续1～2小时。
l稳定阶段
在管片推出盾尾，同步注浆完成后，其接触应力能够维持在一定数值范围内，直到注浆浆液凝固。
l后期发展
接触应力在盾构刚刚推出盾尾时，在隧道周边的分布是比较均匀的，反映出半流体作用的特征（见图11）。但当浆液凝固后，周边的接触应力发展则呈现出不平衡的状态，上大下小（见图12）。
初步分析其原因，在管片刚刚推出盾尾并进行同步回填注浆时刻，此时的土压力基本呈现出受浆液流体压力作用的形态，即在隧道周边分布比较均匀，其量值与注浆压力基本一致，注浆压力将使周围土体与管片之间产生一定的超压（预压），此阶段的土压力最大。这充分反映出注浆压力是管片与土作用发生的一个最关键因素。
当注浆浆液凝固后，随着地层应力重分布和超压减小，土压力分布发生了微妙的变化。注浆造成的周边地层超压逐渐减小甚至消失，使周边地层的土压力减小。同时，由于顶部超压减小后，地层在一定范围内的塌落作用，在隧道拱顶两侧形成马鞍形的土压力分布，侧压力也基本呈上大下小的形式分布。之所以出现这种现象，初步分析是由于北京地层较好，顶部土层松弛荷载不能完全传递到隧底，最终稳定的土压力呈现出倒梯形或矩形的形态。
根据盾构试验段测试结果，研究显示隧道的拱部荷载仅相当于上部一定范围内超压消失后形成的土体卸载拱压力，反映出土体有部分自承载作用，其卸载拱高度视不同隧道的埋深和地质条件而不同，基本在1.0D～1.6D之间（D为隧道直径）。而由于初始注浆预加压力的作用，实际侧压力值远较理论侧压力值大，在试验段条件下，其量值接近于隧道顶部的压力值。
侧压力在高度方向的分布基本为顶部偏大，底部偏小。但考虑到随时间推移而产生的土体蠕变还将造成底部压力逐步上升，因此，设计时基本可按照矩形分布考虑。
钢筋应力的发展规律基本相似，本文不再赘述。
根据研究的管片接头及土压力分布规律，我们对隧道进行了优化计算和重新设计，大大减少了管片的配筋。优化前后的钢筋用量见下表：
3、管片构造方面需要注意的问题
（1）管片的钢筋构造形式与受力
在盾构试验段实施过程中，我们开展了管片钢筋构造形式有关的试验研究，进行了原型管片的弯曲试验。一般情况下，管片钢筋可采用网片式分布和肋形分布方式。网片式分布是在管片的内外各设一层由主筋和附加筋组成的网片，两层网片间设拉结钢筋；肋型分布是将管片的钢筋按照一榀一榀钢筋骨架的方式布置，类似一条条小梁的钢筋骨架，钢骨架之间采用箍筋连接。
我们采用原型管片进行了纯弯实验，以测试构件的抗弯能力。
由于肋形布筋方式内外侧钢筋的整体联系牢靠，一般情况下其承载能力较网片布筋方式高，因此，建议今后设计时宜采用肋式布筋方式。
（2）管片的细节构造设计应注意的问题
l管片螺栓手孔和注浆孔部位应设置加强筋。
由于管片螺栓手孔较大（长度可能达到300mm以上），对管片结构混凝土有明显的削弱，设计时应考虑设置加强筋，这样除补强外，还可以起到避免螺栓的紧固力对孔口混凝土的破坏的作用。
在管片安装时，基本是利用管片注浆孔兼作起吊孔，拉拔试验显示的破坏形态证明比较容易产生埋件周围混凝土的拉脱，因此孔周应设螺旋状加强筋。这样可以有效提高埋件的抗拉拔能力。
管片边角应设至少5mm*5mm的倒角；螺栓孔口等空洞的周围也应设倒角，以方便螺栓穿入。
注浆孔埋件在迎土侧应保留20～25mm的混凝土层，以防止同步注浆浆液流入，对注浆孔的抗渗有积极作用，需要由管片注浆时可用钢钎击穿预留混凝土。
4、关于管片混凝土配合比
盾构隧道管片一般采用高性能混凝土。高性能混凝土对耐久性、工作性、适应性、强度、体积稳定性等方面均有较高的要求。盾构试验段管片高性能混凝土的主要要求是：
l塌落度40-60mm，易于浇注和振捣；
l抗压强度大于C50；
l抗渗等级P10；
l低碱集料反应活性即每立方米混凝土中的总碱含量低于3Kg；
l低收缩性即28天的收缩绝对值小于400*10-6（目的是保证管片的尺寸精度）；
l硬化后混凝土外观要求无裂缝，气泡少，颜色均匀。
在上述要求中，强度和抗渗指标是比较容易满足的，但抗裂和收缩要求对混凝土配合比的要求很难满足，通过多种配合比的试验研究，最终采用的管片混凝土配合比如下：
采用此配合比生产的管片除强度等满足要求外，也具有很好的外观质量。
地铁五号线盾构试验段工程管片的养护采用自主研发的能自动控温控湿的蒸养罩，有效地防止了混凝土因温度原因产生开裂。
5、掌子面稳定、壁后注浆和沉降预测
在施工过程中，为确保地层的稳定，有效控制沉降，采取了一系列的措施。经过验证，取得了比较好的效果，施工完成的隧道，其上方地表沉降基本控制在17mm以内，有效防止了上方地面建筑物的破坏。本文仅简要阐述几个主要的结果。
掌子面的稳定、壁后注浆和沉降控制为相辅相成的三个方面，只有三个方面都得到保证，才能达到目的。
（1）掌子面的稳定
不同地层条件下，应采取不同措施稳定掌子面。
a)粘质粉土、粉质粘土地层
土的粘结力较大，在盾构掘进施工过程中，易造成粘性土附着于刀盘上造成刀盘扭矩增大，或者土体进入土仓后被压密固化，造成开挖、排土均无法进行的情况。此时应通过刀盘上的注浆孔向刀盘前方的土体注入泡沫，在增加土体流动性的同时，降低其粘着性，防止开挖土附着于刀头或土室内壁。
b)粉细砂及砂砾层及卵石层
由于其渗透性较大，流动性差，对刀具的磨损大，施工期间仅靠泡沫的润滑和地层改良作用已不能完全满足施工的要求。在推进过程中除了使用泡沫以外，还应辅以膨润土浆液，以加强刀具的润滑、冷却，改善工作状态，同时起到补充地层土体微细颗粒的不足，提高土体流动性和止水性的作用。掘进结束时仓内的水、泡沫容易通过地层流失，造成土仓内压力的消散，给土压力维持稳定带来一定的困难。此时，在盾构掘进结束，需较长时间停机时，应向土仓内注入膨润土浆液并用刀盘充分搅拌，改善土仓内土体的密闭性，防止开挖面坍塌。
c)粉土层及砂质地层
由于粉土与砂土在土仓内较好地拌和，粉土中的粘粒成分改善了土仓内土的流动性，因此在通过这类地层时，刀盘的扭矩较小，掘进速度接近与粘质粉土粉质粘土层中的速度，唯一比较困难的是土压力的维持相对较难，土仓内压力散失较快，停机需向内加入膨润土浆液，以维持土压和开挖面稳定。
盾构密闭舱的土压力大小是保证前方土体稳定的重要因素。根据试验段经验，密闭舱的土压力一般宜保持在开挖面理论土压力的1.3倍左右。图13是施工中密闭舱土压力和开挖面理论土压力比较，图中压力水平较高的部分是盾构始发段，此阶段为确保开挖面的稳定，人为加大了密闭舱的土压力。
（2）衬砌背后注浆
管片衬砌从盾尾推出时，管片与地层间的空隙采用注浆的办法填充。根据北京地区的地质条件、工程特点以及现有盾构机的型式，浆液应具备以下性能：
a.具有良好的长期稳定性及流动性，并能保证适当的初凝时间，以适应盾构施工以及远距离输送的要求。
b.具有良好的充填性能。
c.在满足注浆施工的前提下，尽可能早地获得高于地层的早期强度。
d.浆液在地下水环境中，不易产生稀释现象。
e.浆液固结后体积收缩率小，泌水率小。
f.材料来源丰富、经济，施工管理方便，并能满足拌合、集运、压注等施工自动化技术要求。
g.浆液无公害，价格便宜。
根据上述要求，基本可以确定应采用惰性浆液。我们在实验室对惰性浆液的成分和配比进行了大量的实验后确定了浆液的成分和凝结时间。
浆液的主要成分为生石灰、粉煤灰、细砂、膨润土（钠土）和水等材料，凝结时间在10小时左右。
注入压力要考虑不同地层的多种情况，注入压力一般是2～4bar，由于在砂质或砂卵石地层中浆液的扩散快，因此注入压力可比其它地层的注入压力适当减小。
一般每环管片的浆液注入量为3～4m3，施工中如果发现注入量持续增多时，必须检查超挖、漏失等因素。而注入量低于预定注入量时，可以考虑是注入浆液的配比、注入时期、盾构推进速度过快或出现故障所致，必须认真检查采取相应的措施。
（3）沉降预测
沉降控制主要是通过施工中的开挖面稳定和隧道背后注浆实现。但在施工过程中应根据不同的地质条件对地面沉降进行初步的预测，以指导施工采取措施。
盾构试验段工程作了大量的地表沉降观测和拱顶下沉观测，这些实测数据反映了盾构隧道推进过程各个阶段地表隆沉的情况。图14显示出某一监测断面在离开开挖面不同距离时的地表隆沉情况。根据沉降特点，将沉降分为以下几个阶段：
l预先隆沉阶段
当盾构机距离观测断面较近时（0～2.5D），由于盾构机推力对土体扰动，地下水位、变化开挖面塌落、施工参数（如土压、推力等）变化等多方面因素影响，地表可能产生沉降或轻微隆起；
l盾构机通过阶段
盾构机通过直到盾尾经过观测断面正下方期间（-2.5D～0），因盾构机主体脱出前，浆液未及时充填引起的沉降及施工中超挖后土体应力状态变化较大，引起地层损失，这是盾构施工中产生地表沉降最主要的组成部分；
l后续固结沉降阶段
盾构经过后（盾构后方-2.5D之后），盾构推进对地层的影响并未完全消失，所以土体将进一步固结和蠕变残余变形，时间可以长达1～2个月。
试验段施工中，各阶段产生的地表沉降量所占的比重分别为：盾构机到达前，地表产生的沉降仅占总沉降量的5%—15%，盾构机通过过程中产生的沉降占总沉降量的45%—50%，通过后的后续沉降占40—45%。
由此可以看出，北京地区进行的盾构法施工与上海地区软土地层盾构法施工引起的地表沉降组成有较大差别。主要表现在，上海采用盾构法施工隧道沉降除上述四个阶段外，还有一个明显的长期潜变的沉降过程，其产生的沉降量占总地表沉降量的35%左右，而在北京的地质条件下长期潜变并不明显，在以上划分中归到后续固结沉降一起，其所占比重一般小于总沉降量的5%。
根据实际监测数据，对不同地层的监测数据通过分析整理，回归后得到地表沉降最大值的计算公式：
式中：D为隧道直径，h为隧道中心埋深，K’为与地层有关的系数。
粘质土层：K’＝0.9~1.1
粉质土层：K’＝1.1~1.3
砂质土层：K’＝1.3~1.5
利用上述经验公式，可以对不同情况下的地面沉降最大值进行初步预测。
四、结语
盾构试验段是在北京地铁工程中实施的第一个盾构隧道工程，通过结合工程进行的一系列试验研究，我们试图摸索北京特有地层下采用盾构法施工的一些经验，本文的目的是想与业界分享这些粗浅的成果和经验，文中若有不妥之处，请业内专家指正。
