1、北京典型地層條件下土壓平衡盾構施工摘要北京地鐵五號線盾構試驗段及南延工程是全線重要的地下區段之一，它位于老城區并穿越一系列北京地區典型地層。同時也是北京地區首次將盾構法 應用 于地鐵隧道施工的工程。通過本工程的實踐，為北京地層條件下的盾構施工先期進行了有益的探索，并取得了一些典型地層條件下的施工經驗，為后續盾構隧道的施工提供有益的參照。盾構法在北京城區地鐵建設中的首次應用獲得了圓滿成功，倍受各界好評。關鍵詞盾構施工北京典型地層地表沉降特征 1工程與地質概況 1.1工程概況 北京地鐵五號線工程是北京地鐵路網中一條重要的南北向軌道 交通 線路，南起豐臺區宋家莊站，北至昌平區的太平莊北站，全長27.

2、7km，其中地下線14.88km，地下車站16座，其余為地面及高架線。線路呈南北走向穿越北京東單，所以又稱“東單南北線”。 北京地鐵五號線雍和宮站北新橋站張自忠站的區間隧道工程，全長約1500m，作為盾構試驗段及南延工程先期開工建設。盾構掘進施工由雍和宮站南端豎井始發，經北新橋站址（該站未施工）采取直接掘進過站方式，至張自忠路站進行盾構接收與調頭施工。在全線范圍內，本區段環境條件、地層條件較具代表性，同時盾構法首次應用于地鐵隧道施工。因此，工程的實施與進展備受關注。 本工程沿線地表環境復雜，主要穿越大片密集危舊民居區，年代久遠的胡同，緊鄰同為南北走向的雍和宮大街、東四北大街以及大量臨街商鋪，道

3、路交通流量大，商鋪生意繁忙，見圖1-1、圖1-2。 線路由雍和宮站向南，先沿雍和宮大街西側穿越民房區，再穿過雍和宮大街至東側民房區到達北新橋站，最后向南沿東四北大街東側穿越民房區至張自忠站。平面曲線最小半徑R=800m，豎曲線R=5000m，隧道覆土厚度1016m，線路最大坡度為22。 隧道結構設計為單層預制裝配式管片襯砌，管片外徑6000mm，襯砌厚度300mm，管片分為6塊，管片間采用預制彈性密封橡膠圈防水。管片環類型分為三種：標準環、左楔環與右楔環。管片環與環之間采用錯縫拼裝方式，管片之間采用彎螺栓連接。 本工程采用加泥式土壓平衡盾構機，直徑6.14m，具有鉸接裝置。面板式刀盤，開口率3

4、8%。 1.2工程地質概況 北京地鐵五號線盾構試驗段及南延工程沿線地層從上到下主要有：人工填土層、粘質粉土砂質粉土層（夾粉質粘土層-1、重粉質粘土-2層。局部夾粉細砂透鏡體-3層）、粉細砂層、圓礫層（一般粒徑為520mm，最大粒徑為150mm，中粗砂填充，局部成為中粗砂-2透鏡體。該層中部或底部顆粒較粗成為卵石-3層，其粒徑一般為2080mm）、粘質粉土砂質粉土層（含姜石，局部夾細砂透鏡體，夾粉質粘土重粉質粘土-1層和粘土-2層）、中粗砂層（含少量礫石，夾粉細砂-1層和粉質粘土重粉質粘土-2層）、卵石層（亞圓形，未風化，一般粒徑為2080mm，最大粒徑為200mm，中粗砂或粘性土充填，局部地段

5、顆粒較細逐漸變為圓礫或礫砂-1層）、粉質粘土粘質粉土層和卵石層（為亞圓形，為風化微風化，一般粒徑為2060mm，最大粒徑為180mm，中砂或粘性土充填，夾粗砂-1層）。 1.3水文地質概況 隧道沿線地下水包括：上層滯水（貯存于雜填土-1層，粘質粉土素填土層和粘質粉土砂質粉土層的孔隙之中，水位埋深為2.310.25m）、潛水（貯存于粉細砂層，中粗砂-1層，砂礫-2層，圓礫層，中粗砂-2層卵石-3層的孔隙之中。局部地段潛水具有弱承壓性，水位高出含水層頂板0.52.8m）、承壓水（貯存于中粗砂層，卵石層，粉細砂-2層、卵石層及其砂土夾層的孔隙中，水頭高出含水層頂板13m）。地下水對砼具有弱腐蝕性。

6、2本區段工程特點 分析2.1地層的多樣性、典型性及具有代表性 北京地鐵五號線試驗段及南延工程沿線多種地層并存，根據隧道穿越的不同地層，沿線可劃分為三個地質段，分別為粘質粉土、粉質粘土層地質段；粉細砂、圓礫及卵石層地質段；粉細砂、中粗砂及圓礫地層地質段。本區段所穿越的上述各類地層屬北京地區典型的地質條件，在本區段集中分布三種不同地質段體現了北京地區地層條件的多樣性，并具有一定的代表性。 2.2城區施工的復雜性 城區施工是地鐵建設難以回避的領域。本工程沿線地表環境復雜，主要穿越老城區，有大片密集危舊民居區，經房屋鑒定，大多為危房；南北走向的雍和宮大街、北新橋地區以及東四北大街交通流量大，車流不暢；

7、大量臨街商鋪，商鋪生意繁忙。胡同狹窄密集，其中就有國子監胡同等重點控制保護地區。同時，地下管線密布，種類繁多。 北京老城區具有明顯特點： 1）危舊民居多為解放前或更早建造，房屋基礎淺且連同墻體均為破碎磚頭堆砌。連結松散、易開裂，見圖2-1； 2）不明管線眾多，如排水管等，且無從查詢； 3）地下防空洞縱橫，積水嚴重，部分坍塌廢棄； 4）居民院落自滲井較多，造成土體長期處于飽和狀態，致使隧道上覆地層條件惡化。 上述現狀增加了施工中的不確定因素，加大了施工難度及風險。 2.3工程的重要性 本工程為奧運工程、北京市重點工程，備受 社會 各界關注。更為重要的是在施工的同時要保證沿線地表密集的居民區、繁忙

8、道路的安全，保證良好的社會生活秩序。城區環境對盾構施工中的地層擾動及地表沉降反應敏感，因此施工中如何加強控制，減少盾構施工引起的地層擾動及地表沉降是施工中的重點。 3北京典型地層盾構施工 3.1北京地區三種具有代表性的典型地質條件下的盾構施工 根據沿線地質勘察報告，沿線可劃分為三個地質段，分別為粘質粉土、粉質粘土層地質段；粉細砂、圓礫及卵石層地質段；粉細砂、中粗砂及圓礫地層地質段。 3.1.1粘質粉土、粉質粘土層地質段的掘進施工 該地質段的土層從上至下的分布一般是雜填土層、粘質粉土素填土層、粘質粉土、粉質粘土層、粉細砂層、中粗砂層，詳見圖3-1。 1）隧道穿越地層地質條件在該地質段中隧道穿越地

9、層以粉質粘土、粘質粉土為主，局部有中粗透鏡體砂夾層，上覆地層為粉質粘土、粘質粉土層，潛水水位高出頂板23m，具有微弱呈壓性，承壓水水頭比隧道底高出約3m。此類地層土體密實度高，土中粘粒成分較多，具有無水時硬度大，遇水時粘度大的特點，土體有很好的自穩能力。 2）掘進施工控制開挖面的平衡以及有效的地表沉降控制均較易實現，掘進過程中刀盤扭矩、推進速度及掘進系統的各項控制數據均處于合理高效狀態。沿線同步注漿壓力及注漿量較恒定。刀具磨損小。 3）易出現的 問題 在此類地層掘進時，粘性土較易附著于刀盤表面以及靠近中心區域的刀盤開口，造成切削效率降低，刀盤扭矩增大；切削土體進入土倉后也易附著于倉板表面， 影

10、響 土壓傳感器的數據的準確性。 4）主要施工技術措施在施工中，主要采用泡沫作為土體改良添加材料，在增加土體流動性的同時，降低其粘著性，防止土體附著于刀盤或土倉內壁。向螺旋輸送機內注入適量的泡沫，增加土體的流動性，減小土體的摩擦力，使土體能經螺旋輸送機順利排出。土體改良效果十分顯著。經過改良后土體變的松軟，而且粘度大大降低，土體的可排性得到增加。此類地層施工中在泡沫注入時，還應根據出土的情況、盾構機掘進速度、刀盤扭矩等參數合理調整泡沫在泡沫注入管路中的分配和注入泡沫的位置，使刀盤前方、土倉內和螺旋輸送機內都能夠有適量的泡沫注入，才能使土體改良效果達到最佳，見圖3-2。 5）主要施工參數由于此段地

11、層是在盾構始發階段，考慮到地表的危房離始發豎井很近，而且正位于隧道上方，開始時將土倉內土壓力目標值定得較高，在2.5bar左右。但在實際施工過程中，根據地表沉降監測報告，發現地表有輕微隆起，通過及時修正土壓力目標值，地表隆陷控制更為理想，見圖3-3。刀盤扭矩一般在10002000kNm，掘進速度4060mm/min，土倉平均土壓力2.0bar。出土量每環虛方50m3。 3.1.2粉細砂、圓礫及卵石層地質段的掘進施工 該地質段的土層從上至下的分布一般是雜填土層、粘質粉土素填土層、粘質粉土砂質粉土層、粉細砂層、圓礫層、粘質粉土砂質粉土層、中粗砂層，詳見圖3-4。 圖3-4粉細砂、圓礫及卵石層地質縱

12、斷面圖 1）隧道穿越地層地質條件隧道斷面經過的地層以粉細砂、圓礫層及卵石層為主，上覆地層多為粉細砂，潛水水位位于粉細砂中，承壓水水頭比隧道底高出約23m。該段范圍內地層有較好的顆粒級配，其中圓礫層及卵石層中的卵（礫）石磨圓度較好，粒徑一般100mm，最大達200mm。粉砂層、砂礫層含水量較大，下部卵石層透水性強，土體之間的膠結力小，地層自穩能力較差。 2）掘進施工控制此段地層隧道覆土較前一區段薄，而且表層土質較差，土層松軟，施工中易產生流砂、涌水等工程問題，是施工控制難度最大的地段。由于本地段土體中以砂、礫和卵石成分為主，掘進過程需采取加氣、泡沫、泥漿等多種措施才能實現土壓平衡。刀盤扭矩明顯增

13、大，掘進速度慢，刀具磨損快。停止掘進時土壓力消散快，再啟動困難，施工中對地層的處理十分關鍵。 3）易出現的 問題 該地段正常施工，切削下來的土體較易堆積在土倉下部而難以充滿整個土倉，維持土壓平衡的難度增加；砂、卵石層的滲透性較大，每日掘進結束后需進行停機保養時，土倉內壓力消散較快，維持開挖面穩定有一定的困難；掘進控制難度增大，較難保持系統工作狀態的穩定，經常出現過載現象；停機后再啟動困難；刀具磨損較快，經常出現崩刀現象；刀具檢查與更換難度加大，由于上覆地層多為粉細砂層，開倉檢查前排土作業易造成刀盤前、上方土體失穩，形成空洞；老城區居民院落內的眾多自滲井，使地層中形成較多松散的“飽和漏斗體”，增

14、加了施工的風險，在正常掘進以及開倉檢查期間，稍有不慎，較易整體下滑塌落，造成地表塌陷。沿線同步注漿壓力及注漿量略有波動。 4）主要施工技術措施針對上述掘進過程遇到的各種不利現象，首先重點 研究 土體改良外加材料的選用以及地層處理效果的改善。采用單一的添加材料，已不能很好地解決問題。在推進過程中，除仍使用泡沫以外，增加了壓縮空氣、泥漿配合使用，通過這一措施，加強了對刀具的潤滑、冷卻，改善了工作狀態，提高了切削效率，大大降低了刀具磨損速度。同時改善了土體流動性和止水性以及可排性。在盾構掘進結束，需較長時間停機時，采取向土倉內注入泥漿的 方法 ，并充分攪拌，改善土倉內土體的性質，防止了土壓力的快速消

15、散，保持了開挖面的穩定。 在砂礫和卵石層施工，普遍存在刀具磨損快、盾構推進速度慢、刀盤扭矩大、維持目標土壓與保持較高的推進速度之間矛盾大等一系列現象，各要素之間相互 影響 、相互制約，通過采取注入泡沫、泥漿等措施，使掘進系統保持正常工作狀態，同時也加大了施工成本。 盾構停機后，刀盤前方受擾動的土體、周邊松散土體以倉內土體在較短時間內會沉積在刀盤周圍，因此經常會出現刀盤再次啟動困難的問題，嚴重地影響了施工進度。在泡沫和泥漿的使用上，兩者發揮著各自的作用，泡沫注入開挖面，以利刀具切削；泥漿注入倉內，以利降低倉內土體的摩阻力，為刀盤轉動提供有利條件。在掘進操作本身，在保持土壓平衡的前提下，通過合理調

16、節排土機構與推進千斤頂，可使刀盤順利啟動。 需要對刀具進行檢查或更換前，對預定停機位置地表、地下構筑物進行嚴密勘查與尋訪，避免與不利因素遭遇。開倉前進行排土作業，即使輔以氣壓施工，上覆粉細砂層也易局部塌落，但可在操作過程中注意減少對地層的擾動，密切關注碴土狀態與排土量，使不利影響得以有效控制。一旦發生局部空洞現象，及時采取填充注漿等措施，保證刀具檢查以及更換作業期間的安全。 5）主要施工參數施工中倉內土壓力目標值在1.52.0bar。刀盤扭矩一般控制在26003300KN·m，掘進速度2030mm/min，出土量每環虛方45m3。地表沉降較前一區段略有增大，數據顯示出清晰的沉

17、降發生過程，但控制在規定范圍之內，見圖3-5。 圖3-5G13斷面時間-沉降曲線圖 3.1.3粉細砂、中粗砂及圓礫地層地質段的掘進施工 該地質段土層從上至下的分布一般是雜填土層、粘質粉土素填土層、粘質粉土砂質粉土層、粉細砂層、圓礫層、粘質粉土砂質粉土層、中粗砂層，詳見圖3-6。 圖3-6粉細砂、中粗砂及圓礫地層地質縱斷面圖 1）隧道穿越地層地質條件隧道斷面穿越的地層以中粗砂、圓礫為主，潛水水位較隧道頂低2m左右。此類地層土體密實度比粉細砂、圓礫層及卵石層相對要高，但土體自穩能力較弱。粉細砂層位于拱頂，中粗砂、圓礫層主要位于隧道中、下部。 2）掘進施工控制由于此段地層掘進過程中經過刀盤的切削和攪

18、拌，倉內土體添加材料與中粗砂、圓礫在土倉內較好地拌和，改善了土倉內土體的流動性，對于保持較高的掘進速度比較有利，同時刀盤扭矩較小。 3）易出現的問題該段地層也容易出現與粉細砂及砂礫層及卵石層相似的問題，主要是地層的自穩能力較弱，較難在長時間內維持穩定的土倉壓力，地表沉降控制難度大。另外該段地層相對，其研磨性降低，雖然刀具磨損相對較慢，但仍遠遠大于粘質粉土、粉質粘土層掘進中的磨損速度，刀具檢查與更換期間依然易出現與粉細砂、圓礫層及卵石層相類似的問題。 4）主要施工技術措施將本區段地層的特性與前兩種地層進行對比 分析 ，在施工中的土體改良添加材料仍采用泡沫與泥漿配合使用，以加強刀具的潤滑、冷卻，改

19、善工作狀態，減低刀具磨損速度，其效果較粉細砂、圓礫層及卵石層更為明顯，同時對土體和易性的改良也十分明顯。 5）主要施工參數刀盤扭矩一般在16002400KN·m，掘進速度3045mm/min，土倉平均土壓力1.82.0bar。出土量虛方每環45m3，見圖3-7。 3.2其它需注意的問題 3.2.1注重前期調查及建（構）筑物的鑒定與保護 老城區的特點決定了施工的復雜性與高風險性，特別需要注意的是大量民居修建年代久遠，已存在不同程度的損壞，房屋眾多且狹小密集，其基礎埋深淺，連同墻體多為碎磚塊砌筑，連結強度低，對沉降非常敏感，墻體開裂現象普遍。居民院落、胡同錯綜復雜，排水設施缺乏，

20、眾多自滲井，給施工增加了很大難度。需要通過大量前期調查，對現況進行記錄、拍照，并對建筑物房屋鑒定，為后續施工提供真實性數據，為方案制定提供有力依據。 3.2.2出土量的控制 在盾構施工中，應始終遵守出土量與盾構進尺相匹配的原則。為了保證施工中出土量控制，需要對出土量進行嚴格的記錄、監督，并隨時分析排碴的土質，及時根據地質條件的變化調整出土量。 3.2.3地質條件的多樣性與施工方案的調整 本區段地質條件變化頻繁，地表環境復雜，出土量、注漿量及掘進參數須及時進行調整。同時對不同地質條件下倉內土體添加材料及數量進行試驗、調整。根據地質條件的變化調整刀具檢查與更換方案。 3.2.4刀具檢查與更換 刀具

21、的檢查應結合具體工程情況進行，在城區施工，面臨的是地表復雜的環境、不穩定的地層，必須根據城區施工的特點研究制定可靠的施工方案。對于不同地質段,刀具的磨損速度大不相同,需要對不同地層的刀具磨損量進行分析統計, 并及時 總結 經驗，逐步形成刀具檢查制度。刀具檢查與更換期間的開挖面穩定與地表建筑物的安全,須采取可靠措施以及預案予以保證。 3.2.5長期停機 試驗段施工期間由于各種原因，導致施工中出現兩次長達半年以上的停機。每次停機后盾構啟動時刀盤及盾殼由于地層的固結出現不同程度的抱死現象，啟動十分困難，同時啟動時對周圍地層的影響也遠大于正常掘進施工造成的影響。建議在盾構施工中應盡量避免在地層中長期停

22、機。 4地表沉降分析 4.1三種典型地層地表沉降特征 北京地區的地質條件不同于廣州、上海等地區，對盾構施工引起的地表沉降 規律 應進行分析研究。通過沿線地表布置監測斷面進行沉降監測，總結具有代表性的三種典型地層的沉降槽及沉降規律。 4.1.1粘質粉土、粉質粘土層地質段 該段隧道覆土厚度為16m,施工過程中建立的土壓較高，挖掘出的土粘性比較大，屬軟塑至中塑粘質粉土、粉質粘土層，土壤自穩性能較好。施工使用了少量泡沫的等添加劑對土體進行改良。 由于該段的埋深比較大，加之地層條件較好，地表沉降不大，最大沉降量只有6mm，沉降開始到結束過程較短，最終形成沉降槽寬度比較大。（見圖4-1，圖中不同顏色曲線表示該斷面在不同時期的沉陷槽）。 從圖中幾條沉降曲線可以看出其沉降有以下幾個特點：最大沉陷量不大，個別沉降槽曲線的對稱性不好,地表沉降在沉降線具有沉降槽典型特征前已經結束。 4.1.2粉細砂、圓礫及卵石層地質段 該段隧道頂面的埋深約為12m。隧道斷面范圍內，2/3范圍內為砂，其余部分為卵石層。該段最大沉降量較大達到15mm，見圖4-2 。 以卵礫石為主的地層沉降最大沉陷量相對比較大，沉降槽形狀明晰，能與正態分布的曲線相符，在該地層中由于盾構施工產生的地層擾動較大，因此地表沉降量比粘性土層和粉質土層大。 4.1.3粉細砂、中粗砂及圓礫地層地質段 該區段隧道頂部埋埋深10m