北京地鐵盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)施工之要點(diǎn)北京城建設(shè)計(jì)研究總院 楊秀仁摘要：北京地鐵五號(hào)線(xiàn)首次在北京地區(qū)采用盾構(gòu)法修建地鐵隧道，盾構(gòu)試驗(yàn)段工程已經(jīng)取得成功。鑒于盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)和施工在很大程度上依賴(lài)于地質(zhì)條件，而北京與上海和廣州的地質(zhì)條件差異很大，無(wú)法照搬其經(jīng)驗(yàn)，因此，通過(guò)盾構(gòu)試驗(yàn)段工程對(duì)設(shè)計(jì)和施工進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，并取得了大量的研究成果。本文以這些設(shè)計(jì)和施工研究的成果為基礎(chǔ)，對(duì)設(shè)計(jì)和施工要點(diǎn)進(jìn)行闡述，供今后的工程參考和借鑒。一、工程背景及盾構(gòu)隧道基本情況1、地鐵五號(hào)線(xiàn)概況 北京地鐵五號(hào)線(xiàn)南起豐臺(tái)區(qū)的宋家莊，北至昌平區(qū)的太平莊。線(xiàn)路全長(zhǎng)27.6Km，在四環(huán)路南北分別采用了地下和地面、高架線(xiàn)路型式，南段的地下線(xiàn)長(zhǎng)16.9km，北部的地面和高架線(xiàn)10.7km。全線(xiàn)共設(shè)22座車(chē)站，其中地下站16座，高架和地面站6座。圖1為地鐵五號(hào)線(xiàn)工程線(xiàn)路示意圖。 在地鐵五號(hào)線(xiàn)工程地下線(xiàn)路段，部分線(xiàn)路在現(xiàn)狀寬闊的道路下方通過(guò)，地面限制條件少，采用技術(shù)較為成熟的礦山法施工；而部分線(xiàn)路受環(huán)境條件限制，隧道基本在現(xiàn)狀低矮破舊的建筑物下通過(guò)，對(duì)地面沉降的要求較高，加上工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件復(fù)雜，地面無(wú)條件降水，推薦采用盾構(gòu)法施工。采用盾構(gòu)法施工的區(qū)段為宋家莊～劉家窯地段、東單～和平里北街地段。2、盾構(gòu)試驗(yàn)段概況 由于北京以往沒(méi)有采用盾構(gòu)法施工地鐵隧道的工程經(jīng)驗(yàn)，且本地區(qū)的地質(zhì)條件與國(guó)內(nèi)其他采用過(guò)盾構(gòu)法施工的城市有比較大的區(qū)別，為了確保地鐵五號(hào)線(xiàn)正式施工能夠順利進(jìn)行，首先選擇正線(xiàn)典型的地段開(kāi)展試驗(yàn)段施工，以摸索和掌握北京地區(qū)特有條件下的盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)、施工技術(shù)。 盾構(gòu)試驗(yàn)段選在北新橋站～雍和宮站區(qū)間線(xiàn)路的左線(xiàn)（西側(cè)），試驗(yàn)段隧道長(zhǎng)度約688m。試驗(yàn)段線(xiàn)路平面見(jiàn)圖2，由圖上可以看出，試驗(yàn)段隧道基本在現(xiàn)狀建筑物下方穿過(guò)。圖2 盾構(gòu)試驗(yàn)段線(xiàn)路平面圖3、試驗(yàn)段工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件(1)工程地質(zhì)條件 試驗(yàn)段范圍內(nèi)的地層從上到下依次為 ●人工填土層（Qml），其中包括： 雜填土①－1：主要成份為碎石、爐灰、房碴土等，稍濕，局部呈飽和狀態(tài)，松散～稍密，一般厚度為1～1.5m，局部最厚處為2.7m。 粘質(zhì)粉土素填土①層：稍濕～飽和，可塑～硬塑。一般厚度為1.0m，局部最厚處為2.2m。 以上兩層的總厚度為2.0m左右，局部最厚處3.0m。 ●第四紀(jì)全新世沖洪積地層（Q4al+pl），其中包括： 粘質(zhì)粉土砂質(zhì)粉土②層：稍濕～飽和，可塑～硬塑。該層在不同地段分別夾有粉質(zhì)粘土②－1層、重粉質(zhì)粘土②－2層。局部夾粉細(xì)砂透鏡體②－3層。該層總體厚度在雍和宮附近較薄，最薄處為4.0m，一般厚度為5.0～7.0m。粉細(xì)砂③層：濕～飽和，密實(shí)，局部夾砂質(zhì)粉土薄層，下部為中粗砂③－1層、礫砂③－2層或粉質(zhì)粘土粘質(zhì)粉土③－3層。該層的總體厚度為3.0～7.5m。 ●第四紀(jì)晚更新世沖洪積地層（Q3al+pl），其中包括： 圓礫④層：飽和，密實(shí)。礫石為亞圓形，未風(fēng)化～微風(fēng)化。一般粒徑為5～20mm，最大粒徑為150mm，中粗砂填充，局部成為中粗砂④－2層透鏡體。該層中部或底部顆粒較粗成為卵石④－3層，其一般粒徑為20～80mm，最大粒徑可達(dá)210mm，中粗砂填充。至雍和宮附近，圓礫、卵石層逐漸尖滅，出現(xiàn)粘質(zhì)粉土④－1層，厚度為3.0m左右。第④層的總體厚度為6.0m左右，最薄處3.0m，最厚處8.3m。粘質(zhì)粉土砂質(zhì)粉土⑤層：飽和，硬塑，局部夾細(xì)砂透鏡體。本層夾粉質(zhì)粘土重粉質(zhì)粘土⑤－1層。本層厚度為2.0～5.0m，最薄處僅1.5m。 中粗砂⑥層：飽和，密實(shí)，含少量礫石，夾粉細(xì)砂⑥－1層和粉質(zhì)粘土重粉質(zhì)粘土⑥－2層。本層厚度為0.7～7.8m，局部缺失。 卵石⑦層：飽和，密實(shí)。卵石為亞圓形，未風(fēng)化，一般粒徑為20～80mm，最大粒徑為200mm，中粗砂或粘性土充填。局部地區(qū)顆粒較細(xì)漸變?yōu)閳A礫或礫砂⑦－1層。本層的一般厚度為2.0～5.0m。粉質(zhì)粘土粘質(zhì)粉土⑧層：飽和，硬塑～堅(jiān)硬，夾重粉質(zhì)粘土⑧－1層和粉細(xì)砂⑧－2層。本層厚度為2.0～8.0m。 卵石⑨層：飽和，密實(shí)。卵石為亞圓形，未風(fēng)化～微風(fēng)化，表面可見(jiàn)溶蝕孔洞。一般粒徑為20～60mm，最大粒徑為180mm。中粗砂或粘性土充填。夾中粗砂⑨－1層。本層厚度大于7.0m。(2) 水文地質(zhì)條件根據(jù)工程勘察報(bào)告，地層中賦存有上層滯水、潛水和承壓水。 上層滯水：賦存于雜填土①－1層、粘質(zhì)粉土素填土①層和粘質(zhì)粉土砂質(zhì)粉土②層的孔隙之中。主要接受自來(lái)水、消防水管道以及雨污水管道、居民院落化糞池的滲漏補(bǔ)給，其次為大氣降水的垂直滲流補(bǔ)給。水位根據(jù)補(bǔ)給強(qiáng)度不同而不同，本區(qū)間水位埋深在5.0～7.0m之間。 潛水：賦存于粉細(xì)砂③層、中粗砂③－1層、礫砂③－2層、圓礫④層、中粗砂④－2層、卵石④－3層的孔隙之中，水位埋深在14.0m左右。本區(qū)間的潛水主要接受上層滯水和河水的垂直滲流和區(qū)域側(cè)向徑流補(bǔ)給。在雍和宮附近，潛水具有弱承壓性，水位高出含水層頂板為0.5～2.8m。護(hù)城河水位僅高出河邊潛水水位0.08m，顯示河水對(duì)潛水的補(bǔ)給趨勢(shì)。 承壓水：賦存于中粗砂⑥層、卵石⑦層、粉細(xì)砂⑧－2層、卵石⑨層及其砂土夾層的孔隙之中。主要接受潛水的垂直滲透補(bǔ)給和區(qū)域側(cè)向徑流補(bǔ)給，地下水流向?yàn)樽晕飨驏|。承壓水的排泄方式主要為側(cè)向徑流排泄和垂直越流補(bǔ)給深層承壓水。本區(qū)間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(yàn)段盾構(gòu)隧道有關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù) (1)隧道直徑：盾構(gòu)區(qū)間隧道采用圓形結(jié)構(gòu)，隧道管片設(shè)計(jì)內(nèi)凈空5400mm，（其中考慮了隧道施工誤差、測(cè)量誤差及隧道變形等因素周邊預(yù)留100mm的裕量），管片厚度為300mm，隧道外徑為6000mm。 (2)管片的型式及構(gòu)造 (見(jiàn)圖4)：管片環(huán)寬1200mm，環(huán)向分6塊，即3塊標(biāo)準(zhǔn)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(huán)向每接縫有2個(gè)螺栓，縱向共設(shè)16個(gè)螺栓（封頂塊1個(gè)，其它3個(gè)）。 (3)管片環(huán)與環(huán)之間采用錯(cuò)縫拼裝方式。管片端面采用平面式，僅設(shè)置防水膠條處留有溝槽。 (4)管片有3種類(lèi)型，即標(biāo)準(zhǔn)環(huán)、左轉(zhuǎn)環(huán)和右轉(zhuǎn)環(huán)。二、盾構(gòu)試驗(yàn)段工程的主要研究?jī)?nèi)容 盾構(gòu)隧道的設(shè)計(jì)與施工在很大程度上依賴(lài)于地質(zhì)條件，我國(guó)的上海和廣州已經(jīng)采用盾構(gòu)法成功實(shí)施了不少工程，也作過(guò)不少研究，但這兩地區(qū)的地質(zhì)條件與北京差異較大。上海地區(qū)的地層為淤泥質(zhì)地層，非常松軟，自穩(wěn)能力差，側(cè)壓力比較大且分布均勻；廣州地區(qū)的地層除在淺表有一層比較薄的土層外，基本為強(qiáng)風(fēng)化～中風(fēng)化～微風(fēng)化巖層，圍巖的強(qiáng)度模量高，自穩(wěn)能力好；而北京地區(qū)表層從0～80m范圍基本為第四紀(jì)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(zhì)上與上海地區(qū)截然不同，而與廣州地區(qū)的地層也有較大的區(qū)別。試驗(yàn)段工程從設(shè)計(jì)、管片生產(chǎn)和施工等方面進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，主要開(kāi)展的研究項(xiàng)目有：1．盾構(gòu)隧道管片地層的相互作用和管片接頭剛度研究 通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)、管片接頭試驗(yàn)、管片抗彎試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)大量的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，并結(jié)合理論分析，探索北京特有地層條件下的盾構(gòu)隧道管片與地層的相互作用形式及規(guī)律。提出北京特有地層條件下，盾構(gòu)隧道周?chē)貙雍奢d的分布、變化規(guī)律和取值方法。基于研究成果提出的土壓分布規(guī)律，對(duì)管片設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化；2．管片生產(chǎn)技術(shù)的研究 為確保混凝土管片的質(zhì)量，對(duì)高性能混凝土配合比、混凝土構(gòu)件自動(dòng)蒸養(yǎng)系統(tǒng)、盾構(gòu)管片生產(chǎn)工藝及試驗(yàn)設(shè)施、施工機(jī)具等進(jìn)行研究，并編制了管片生產(chǎn)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和預(yù)制混凝土盾構(gòu)管片操作質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。3．盾構(gòu)施工技術(shù)的研究 在試驗(yàn)段施工過(guò)程中，對(duì)盾構(gòu)始發(fā)技術(shù)、開(kāi)挖面穩(wěn)定措施、管片拼裝技術(shù)、地表沉降控制技術(shù)、壁后注漿技術(shù)、盾構(gòu)施工監(jiān)測(cè)技術(shù)和盾構(gòu)施工測(cè)量技術(shù)等進(jìn)行研究。三、北京特有地層條件下盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)與施工 通過(guò)開(kāi)展上述各項(xiàng)研究，初步掌握了北京特有地層條件下盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)和施工技術(shù)。1、管片接頭研究 管片接頭作用的大小，將直接影響到整環(huán)隧道的受力，一般情況下螺栓的作用越強(qiáng)，隧道的內(nèi)力就越大，另外，螺栓對(duì)隧道的變形有一定的限制作用。對(duì)北京地層條件作用下螺栓的作用，目前還沒(méi)有見(jiàn)到文獻(xiàn)報(bào)道，需要研究確定。 我們從兩個(gè)方面研究了采用彎螺栓連接的管片接頭。（1）現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試研究 我們?cè)谠囼?yàn)段隧道埋設(shè)了螺栓應(yīng)力計(jì)，以測(cè)試管片拼裝后到推出盾尾一段時(shí)間螺栓的受力行為和螺栓應(yīng)力值，每組測(cè)試斷面由兩環(huán)管片組成，相互驗(yàn)證。螺栓應(yīng)力計(jì)測(cè)點(diǎn)布置方式見(jiàn)圖5。 試驗(yàn)段只進(jìn)行了環(huán)向螺栓應(yīng)力測(cè)試，螺栓應(yīng)力隨時(shí)間變化規(guī)律見(jiàn)圖6、圖7所示，其應(yīng)力變化過(guò)程主要有初始階段、推進(jìn)階段、應(yīng)力維持階段和應(yīng)力上升階段等。 ●初始階段對(duì)螺栓首先進(jìn)行標(biāo)定，然后插入到螺栓孔中，在螺栓上緊以前，其應(yīng)力維持在較低的水平。螺栓擰緊分兩次實(shí)現(xiàn)，第一次先進(jìn)行預(yù)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(guò)程，擰緊螺栓后，當(dāng)管片尚位于盾尾內(nèi)部時(shí)，螺栓應(yīng)力一直維持在緊固應(yīng)力的水平。 ●推進(jìn)階段隨著盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)，盾構(gòu)管片被推出盾尾，在此過(guò)程中，螺栓的應(yīng)力均勻下降，其下降幅度很大，有些部位甚至螺栓應(yīng)力接近0，這一過(guò)程顯示出螺栓的暫時(shí)“失效”現(xiàn)象。初步分析其主要原因是：隨著盾構(gòu)管片推出盾尾，具有一定壓力的同步注漿漿液逐步充滿(mǎn)管片隧道周?chē)a(chǎn)生軸向的壓力，使個(gè)管片之間的橡膠止水帶被進(jìn)一步擠密，導(dǎo)致螺栓松弛。 ●應(yīng)力維持階段盾構(gòu)推出盾尾，螺栓應(yīng)力松馳后，在一定時(shí)間范圍內(nèi)，螺栓繼續(xù)維持低應(yīng)力水平，量值增加不大。一般情況下這一階段可持續(xù)8～10個(gè)小時(shí)左右，與漿液的凝固時(shí)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(dá)到強(qiáng)度以前，對(duì)盾構(gòu)隧道的作用仍基本為軸向力，與上一階段相似。 ●應(yīng)力上升階段應(yīng)力維持階段后，隨時(shí)間的推移，螺栓的應(yīng)力呈線(xiàn)性上升，直到維持與初期緊固應(yīng)力相當(dāng)?shù)乃健?yīng)力上升階段的時(shí)間一般持續(xù)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(lái)一直保持的周邊均勻作用，使管片接頭發(fā)生轉(zhuǎn)角，螺栓受拉。這種地層變形達(dá)到一定的程度后，地層與隧道間又形成了一個(gè)相對(duì)平衡的受力體，并維持穩(wěn)定。根據(jù)以上各階段的情況，可以初步歸納以下幾個(gè)結(jié)論： a.在盾尾拼裝階段，螺栓的主要作用是將預(yù)制管片連接起來(lái)，確保推出盾尾前隧道環(huán)的穩(wěn)定，并保持盾構(gòu)隧道的形狀； b.盾尾注漿漿液的凝固時(shí)間決定了盾構(gòu)隧道與地層作用（直接作用）的早晚，地鐵五號(hào)線(xiàn)盾構(gòu)試驗(yàn)段隧道的這一時(shí)間為8～10小時(shí)，在有條件的情況下，應(yīng)盡量縮短漿液的凝固時(shí)間； c.由于北京地層具備比較好的自穩(wěn)能力，對(duì)圓形盾構(gòu)隧道而言，隧道與地層相互作用達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間比較長(zhǎng)，約為30天； d.隧道與地層的受力平衡作用要靠隧道的變形來(lái)形成，一般情況下螺栓應(yīng)力上升階段的時(shí)間比較長(zhǎng)，建議施工期間在管片推出盾尾后2天左右對(duì)螺栓進(jìn)行二次緊固，這樣可以相對(duì)提早使隧道與地層間形成受力平衡關(guān)系； e.地鐵五號(hào)線(xiàn)盾構(gòu)試驗(yàn)段螺栓的初始緊固應(yīng)力為50～100 N/mm2左右。（2）管片接頭剛度試驗(yàn)研究 根據(jù)對(duì)不同接頭剛度的管片環(huán)的力學(xué)分析，接頭剛度大小對(duì)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(fù)雜性，僅靠理論分析無(wú)法準(zhǔn)確給出。因此我們開(kāi)展了管片接頭剛度室內(nèi)試驗(yàn)研究，采用原型管片進(jìn)行測(cè)試。 試驗(yàn)主要想達(dá)到以下幾個(gè)目的： a.研究管片環(huán)向接頭彎曲變形特性； b.研究管片環(huán)向接頭的剛度； c.研究彎曲過(guò)程中接頭聯(lián)接螺栓的受力和變形規(guī)律； d.研究彎曲過(guò)程中接頭附近的鋼筋與混凝土的變形和破壞規(guī)律。
試驗(yàn)采用的管片型式與加載方式見(jiàn)圖8。（注：橫向力考慮從內(nèi)側(cè)和外側(cè)分別加載兩種方式） 為了能夠模擬管片接頭的實(shí)際受力狀態(tài)，分別考慮從頂部施加不同量值軸力和從側(cè)向施加側(cè)力。軸力值范圍由25t～175t，側(cè)力值由0開(kāi)始一直加載至構(gòu)件破壞。 試驗(yàn)所得M—θ關(guān)系曲線(xiàn)見(jiàn)圖9、圖10。接頭的破環(huán)方式基本為管片邊緣外皮的呈層剝落，見(jiàn)圖11所示。(軸向壓力為75t；正彎矩加載)試驗(yàn)基本結(jié)論： 通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在一定的軸力作用下，管片的張開(kāi)角度與彎矩基本呈直線(xiàn)變化。但當(dāng)彎矩超過(guò)某一特定值時(shí)，其線(xiàn)性關(guān)系的斜率增大。該特定值已經(jīng)大大超過(guò)管片的實(shí)際限值。 由于管片螺栓布置對(duì)截面的不對(duì)稱(chēng)，內(nèi)剛度（向內(nèi)彎曲剛度）一般相當(dāng)于外剛度（向外彎曲剛度）值的兩倍。 在試驗(yàn)段隧道軸力作用下的轉(zhuǎn)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(lèi)似公式描述）： 由上述公式可以推導(dǎo)出地鐵五號(hào)線(xiàn)盾構(gòu)試驗(yàn)段管片的向內(nèi)和向外彎曲的接頭剛度為： Kθ內(nèi)＝34000KN-M/rad Kθ外＝17000KN-M/rad 考慮到北京地區(qū)地層具有一定的自穩(wěn)能力，在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，可對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作一定折減后采用，建議取值為： Kθ內(nèi)＝30000KN-M/rad Kθ外＝15000KN-M/rad 通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和接頭剛度試驗(yàn)，基本摸清了盾構(gòu)管片接頭在施工過(guò)程中和隧道形成后的受力規(guī)律，并提供了北京地層條件下類(lèi)似工程的管片接頭剛度參考值。2、盾構(gòu)隧道與地層的相互作用規(guī)律研究 為研究盾構(gòu)隧道施工過(guò)程中地層荷載作用的變化規(guī)律以及荷載分布規(guī)律，我們進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、室內(nèi)模型試驗(yàn)和理論分析等方面的研究。（1） 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試研究 在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了大量的結(jié)構(gòu)內(nèi)力、隧道與地層的接觸應(yīng)力和變形測(cè)試，測(cè)試斷面測(cè)點(diǎn)的分布見(jiàn)圖12、圖13所示。 經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，無(wú)論管片與地層的接觸應(yīng)力還是鋼筋應(yīng)力均呈現(xiàn)與前述螺栓軸力基本相似的變化狀態(tài)和規(guī)律。 接觸應(yīng)力發(fā)展規(guī)律（見(jiàn)圖14）： ●初始階段 當(dāng)管片拼裝完成，仍停留在盾尾內(nèi)部時(shí)，由于尚未受到周?chē)暮奢d作用，因此接觸應(yīng)力較小。 ●推進(jìn)階段 管片逐步推出盾尾并同步注漿后，接觸應(yīng)力呈線(xiàn)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(duì)管片的作用。此過(guò)程一般持續(xù)1～2小時(shí)。 ●穩(wěn)定階段 在管片推出盾尾，同步注漿完成后，其接觸應(yīng)力能夠維持在一定數(shù)值范圍內(nèi)，直到注漿漿液凝固。 ●后期發(fā)展 接觸應(yīng)力在盾構(gòu)剛剛推出盾尾時(shí)，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(jiàn)圖15）。但當(dāng)漿液凝固后，周邊的接觸應(yīng)力發(fā)展則呈現(xiàn)出不平衡的狀態(tài)，上大下小（見(jiàn)圖16）。 初步分析其原因，在管片剛剛推出盾尾并進(jìn)行同步回填注漿時(shí)刻，此時(shí)的土壓力基本呈現(xiàn)出受漿液流體壓力作用的形態(tài)，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?chē)馏w與管片之間產(chǎn)生一定的超壓（預(yù)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(fā)生的一個(gè)最關(guān)鍵因素。 當(dāng)注漿漿液凝固后，隨著地層應(yīng)力重分布和超壓減小，土壓力分布發(fā)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(shí)，由于頂部超壓減小后，地層在一定范圍內(nèi)的塌落作用，在隧道拱頂兩側(cè)形成馬鞍形的土壓力分布，側(cè)壓力也基本呈上大下小的形式分布。之所以出現(xiàn)這種現(xiàn)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(wěn)定的土壓力呈現(xiàn)出倒梯形或矩形的形態(tài)。 根據(jù)盾構(gòu)試驗(yàn)段測(cè)試結(jié)果，研究顯示隧道的拱部荷載僅相當(dāng)于上部一定范圍內(nèi)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(zhì)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(yù)加壓力的作用，實(shí)際側(cè)壓力值遠(yuǎn)較理論側(cè)壓力值大，在試驗(yàn)段條件下，其量值接近于隧道頂部的壓力值。 側(cè)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(shí)間推移而產(chǎn)生的土體蠕變還將造成底部壓力逐步上升，因此，設(shè)計(jì)時(shí)基本可按照矩形分布考慮。 鋼筋應(yīng)力的發(fā)展規(guī)律基本相似，本文不再贅述。

根據(jù)研究的管片接頭及土壓力分布規(guī)律，我們對(duì)隧道進(jìn)行了優(yōu)化計(jì)算和重新設(shè)計(jì)，大大減少了管片的配筋。優(yōu)化前后的鋼筋用量見(jiàn)下表：優(yōu)化前后管片鋼筋用量

項(xiàng) 目	原配筋（主筋22mm）	優(yōu)化配筋（主筋18mm）
主筋＋構(gòu)造筋含量（kg/m3）	188.70	143.95
主筋配筋含量（kg/m3）	135.45	90.70
優(yōu)化后主筋減少數(shù)量（kg/m3）	/	44.75

3、管片構(gòu)造方面需要注意的問(wèn)題（1）管片的鋼筋構(gòu)造形式與受力 在盾構(gòu)試驗(yàn)段實(shí)施過(guò)程中，我們開(kāi)展了管片鋼筋構(gòu)造形式有關(guān)的試驗(yàn)研究，進(jìn)行了原型管片的彎曲試驗(yàn)。 一般情況下，管片鋼筋可采用網(wǎng)片式分布和肋形分布方式。網(wǎng)片式分布是在管片的內(nèi)外各設(shè)一層由主筋和附加筋組成的網(wǎng)片，兩層網(wǎng)片間設(shè)拉結(jié)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(lèi)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(jìn)行了純彎實(shí)驗(yàn)，以測(cè)試構(gòu)件的抗彎能力，實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖18所示。 由于肋形布筋方式內(nèi)外側(cè)鋼筋的整體聯(lián)系牢靠，一般情況下其承載能力較網(wǎng)片式布筋高，因此，建議今后設(shè)計(jì)時(shí)宜采用肋式布筋方式。（2）管片的細(xì)節(jié)構(gòu)造設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問(wèn)題 管片螺栓手孔和注漿孔部位應(yīng)設(shè)置加強(qiáng)筋。 由于管片螺栓手孔較大（長(zhǎng)度可能達(dá)到300mm以上），對(duì)管片結(jié)構(gòu)混凝土有明顯的削弱，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮設(shè)置加強(qiáng)筋，這樣除補(bǔ)強(qiáng)外，還可以起到避免螺栓的緊固力對(duì)孔口混凝土的破壞的作用。 在管片安裝時(shí)，基本是利用管片注漿孔兼作起吊孔，拉拔試驗(yàn)顯示的破壞形態(tài)證明比較容易產(chǎn)生埋件周?chē)炷恋睦摚虼丝字軕?yīng)設(shè)螺旋狀加強(qiáng)筋。這樣可以有效提高埋件的抗拉拔能力。管片接觸部位的邊緣應(yīng)適當(dāng)回退，設(shè)置1～2mm的錯(cuò)臺(tái)；管片邊角應(yīng)設(shè)至少5mm*5mm的倒角；螺栓孔口等空洞的周?chē)矐?yīng)設(shè)倒角，以方便螺栓穿入。 注漿孔埋件在迎土側(cè)應(yīng)保留20～25mm的混凝土層，以防止同步注漿漿液流入，需要注漿時(shí)可用鋼釬擊穿預(yù)留混凝土。4、關(guān)于管片混凝土配合比 盾構(gòu)隧道管片一般采用高性能混凝土。高性能混凝土對(duì)耐久性、工作性、適應(yīng)性、強(qiáng)度、體積穩(wěn)定性等方面均有較高的要求。盾構(gòu)試驗(yàn)段管片高性能混凝土的主要要求是： ●塌落度40-60mm，易于澆注和振搗； ●抗壓強(qiáng)度大于C50； ●抗?jié)B等級(jí)P10； ●低堿集料反應(yīng)活性即每立方米混凝土中的總堿含量低于3Kg； ●低收縮性即28天的收縮絕對(duì)值小于400*10-6（目的是保證管片的尺寸精度）； ●硬化后混凝土外觀要求無(wú)裂縫，氣泡少，顏色均勻。 在上述要求中，強(qiáng)度和抗?jié)B指標(biāo)是比較容易滿(mǎn)足的，但抗裂和收縮要求對(duì)混凝土配合比的要求很難滿(mǎn)足，通過(guò)多種配合比的試驗(yàn)研究，最終采用的管片混凝土配合比如下：

材料用量(Kg/m3)						坍落度（mm）	抗壓強(qiáng)度（MPa)
水	水泥	純礦渣	DFS-2	砂子	石子		1天	14天	28天
114	228	152	11.2	722	1231	40	35.4	63.3	73.2

采用此配合比生產(chǎn)的管片除強(qiáng)度等滿(mǎn)足要求外，也具有很好的外觀質(zhì)量。 地鐵五號(hào)線(xiàn)盾構(gòu)試驗(yàn)段工程管片的養(yǎng)護(hù)采用自主研發(fā)的能自動(dòng)控溫控濕的蒸養(yǎng)罩，有效地防止了混凝土因溫度原因產(chǎn)生開(kāi)裂。5、掌子面穩(wěn)定、壁后注漿和沉降預(yù)測(cè) 在施工過(guò)程中，為確保地層的穩(wěn)定，有效控制沉降，采取了一系列的措施。經(jīng)過(guò)驗(yàn)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?xún)?nèi)，有效防止了上方地面建筑物的破壞。本文僅簡(jiǎn)要闡述幾個(gè)主要的結(jié)果。 掌子面的穩(wěn)定、壁后注漿和沉降控制為相輔相成的三個(gè)方面，只有三個(gè)方面都得到保證，才能達(dá)到目的。（1）掌子面的穩(wěn)定 不同地層條件下，應(yīng)采取不同措施穩(wěn)定掌子面。a) 粘質(zhì)粉土、粉質(zhì)粘土地層 土的粘結(jié)力較大，在盾構(gòu)掘進(jìn)施工過(guò)程中，易造成粘性土附著于刀盤(pán)上造成刀盤(pán)扭矩增大，或者土體進(jìn)入土倉(cāng)后被壓密固化，造成開(kāi)挖、排土均無(wú)法進(jìn)行的情況。此時(shí)應(yīng)通過(guò)刀盤(pán)上的注漿孔向刀盤(pán)前方的土體注入泡沫，在增加土體流動(dòng)性的同時(shí)，降低其粘著性，防止開(kāi)挖土附著于刀頭或土室內(nèi)壁。b)粉細(xì)砂及砂礫層及卵石層 由于其滲透性較大，流動(dòng)性差，對(duì)刀具的磨損大，施工期間僅靠泡沫的潤(rùn)滑和地層改良作用已不能完全滿(mǎn)足施工的要求。在推進(jìn)過(guò)程中除了使用泡沫以外，還應(yīng)輔以膨潤(rùn)土漿液，以加強(qiáng)刀具的潤(rùn)滑、冷卻，改善工作狀態(tài)，同時(shí)起到補(bǔ)充地層土體微細(xì)顆粒的不足，提高土體流動(dòng)性和止水性的作用。掘進(jìn)結(jié)束時(shí)倉(cāng)內(nèi)的水、泡沫容易通過(guò)地層流失，造成土倉(cāng)內(nèi)壓力的消散，給土壓力維持穩(wěn)定帶來(lái)一定的困難。此時(shí)，在盾構(gòu)掘進(jìn)結(jié)束，需較長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)時(shí)，應(yīng)向土倉(cāng)內(nèi)注入膨潤(rùn)土漿液并用刀盤(pán)充分?jǐn)嚢瑁纳仆羵}(cāng)內(nèi)土體的密閉性，防止開(kāi)挖面坍塌。c)粉土層及砂質(zhì)地層 由于粉土與砂土在土倉(cāng)內(nèi)較好地拌和，粉土中的粘粒成分改善了土倉(cāng)內(nèi)土的流動(dòng)性，因此在通過(guò)這類(lèi)地層時(shí)，刀盤(pán)的扭矩較小，掘進(jìn)速度接近與粘質(zhì)粉土粉質(zhì)粘土層中的速度，唯一比較困難的是土壓力的維持相對(duì)較難，土倉(cāng)內(nèi)壓力散失較快，停機(jī)需向內(nèi)加入膨潤(rùn)土漿液，以維持土壓和開(kāi)挖面穩(wěn)定。 盾構(gòu)密閉艙的土壓力大小是保證前方土體穩(wěn)定的重要因素。根據(jù)試驗(yàn)段經(jīng)驗(yàn)，密閉艙的土壓力一般應(yīng)保持在開(kāi)挖面理論土壓力的1.3倍左右。圖19是施工中實(shí)際土壓力和理論土壓力比較曲線(xiàn)，途中壓力水平較高部分為盾構(gòu)始發(fā)段的土壓力值，此階段認(rèn)為加大了施工壓力。（2）壁后注漿 盾構(gòu)隧道從盾尾推出時(shí)，隧道與地層間的空隙采用注漿的辦法填充。根據(jù)北京地區(qū)的地質(zhì)條件、工程特點(diǎn)以及現(xiàn)有盾構(gòu)機(jī)的型式，漿液應(yīng)具備以下性能： a. 具有良好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性及流動(dòng)性，并能保證適當(dāng)?shù)某跄龝r(shí)間，以適應(yīng)盾構(gòu)施工以及遠(yuǎn)距離輸送的要求。 b. 具有良好的充填性能。 c. 在滿(mǎn)足注漿施工的前提下，盡可能早地獲得高于地層的早期強(qiáng)度。 d. 漿液在地下水環(huán)境中，不易產(chǎn)生稀釋現(xiàn)象。 e. 漿液固結(jié)后體積收縮小，泌水率小。 f. 原料來(lái)源豐富、經(jīng)濟(jì)，施工管理方便，并能滿(mǎn)足施工自動(dòng)化技術(shù)要求。 g. 漿液無(wú)公害，價(jià)格便宜。 根據(jù)上述要求，基本可以確定應(yīng)采用惰性漿液。我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室對(duì)惰性漿液的成分和配比進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)后確定了漿液的成分和凝結(jié)時(shí)間。 漿液的主要成分為生石灰、粉煤灰、細(xì)砂、膨潤(rùn)土（鈉土）和水等材料，凝結(jié)時(shí)間在10小時(shí)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(zhì)或砂卵石地層中漿液的擴(kuò)散快，因此注入壓力可比其它地層的注入壓力適當(dāng)減小。 一般每環(huán)管片的漿液注入量為3～4m3，施工中如果發(fā)現(xiàn)注入量持續(xù)增多時(shí)，必須檢查超挖、漏失等因素。而注入量低于預(yù)定注入量時(shí)，可以考慮是注入漿液的配比、注入時(shí)期、盾構(gòu)推進(jìn)速度過(guò)快或出現(xiàn)故障所致，必須認(rèn)真檢查采取相應(yīng)的措施。（3）沉降預(yù)測(cè) 沉降控制主要是通過(guò)施工中的開(kāi)挖面穩(wěn)定和隧道背后注漿實(shí)現(xiàn)。但在施工過(guò)程中應(yīng)根據(jù)不同的地質(zhì)條件對(duì)地面沉降進(jìn)行初步的預(yù)測(cè)，以指導(dǎo)施工采取措施。 盾構(gòu)試驗(yàn)段工程作了大量的地表沉降觀測(cè)和拱頂下沉觀測(cè)，這些實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)反映了盾構(gòu)隧道推進(jìn)過(guò)程各個(gè)階段地表隆沉的情況。圖20顯示出某一監(jiān)測(cè)斷面在離開(kāi)開(kāi)挖面不同距離時(shí)的地表隆沉情況。根據(jù)沉降特點(diǎn)，將沉降分為以下幾個(gè)階段： ●預(yù)先隆沉階段 當(dāng)盾構(gòu)機(jī)距離觀測(cè)斷面較近時(shí)（0～2.5D），由于盾構(gòu)機(jī)推力對(duì)土體擾動(dòng)，地下水位、變化開(kāi)挖面塌落、施工參數(shù)（如土壓、推力等）變化等多方面因素影響，地表可能產(chǎn)生沉降或輕微隆起； ●盾構(gòu)機(jī)通過(guò)階段 盾構(gòu)機(jī)通過(guò)直到盾尾經(jīng)過(guò)觀測(cè)斷面正下方期間（-2.5D～0），因盾構(gòu)機(jī)主體脫出前，漿液未及時(shí)充填引起的沉降及施工中超挖后土體應(yīng)力狀態(tài)變化較大，引起地層損失，這是盾構(gòu)施工中產(chǎn)生地表沉降最主要的組成部分； ●后續(xù)固結(jié)沉降階段 盾構(gòu)經(jīng)過(guò)后（盾構(gòu)后方-2.5D之后），盾構(gòu)推進(jìn)對(duì)地層的影響并未完全消失，所以土體將進(jìn)一步固結(jié)和蠕變殘余變形，時(shí)間可以長(zhǎng)達(dá)1～2個(gè)月。 試驗(yàn)段施工中，各階段產(chǎn)生的地表沉降量所占的比重分別為：盾構(gòu)機(jī)到達(dá)前，地表產(chǎn)生的沉降僅占總沉降量的5%—15%，盾構(gòu)機(jī)通過(guò)過(guò)程中產(chǎn)生的沉降占總沉降量的45%—50%，通過(guò)后的后續(xù)沉降占40—45%。 由此可以看出，北京地區(qū)進(jìn)行的盾構(gòu)法施工與上海地區(qū)軟土地層盾構(gòu)法施工引起的地表沉降組成有較大差別。主要表現(xiàn)在，上海采用盾構(gòu)法施工隧道沉降除上述四個(gè)階段外，還有一個(gè)明顯的長(zhǎng)期潛變的沉降過(guò)程，其產(chǎn)生的沉降量占總地表沉降量的35%左右，而在北京的地質(zhì)條件下長(zhǎng)期潛變并不明顯，在以上劃分中歸到后續(xù)固結(jié)沉降一起，其所占比重一般小于總沉降量的5%。 根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)不同地層的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)分析整理，回歸后得到地表沉降最大值的計(jì)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(guān)的系數(shù)。 粘質(zhì)土層：K’＝0.9~1.1 粉質(zhì)土層：K’＝1.1~1.3 砂質(zhì)土層：K’＝1.3~1.5 利用上述經(jīng)驗(yàn)公式，可以對(duì)不同情況下的地面沉降最大值進(jìn)行初步預(yù)測(cè)。四、結(jié)語(yǔ) 盾構(gòu)試驗(yàn)段是在北京地鐵工程中實(shí)施的第一個(gè)盾構(gòu)隧道工程，通過(guò)結(jié)合工程進(jìn)行的一系列試驗(yàn)研究，我們?cè)噲D摸索北京特有地層下采用盾構(gòu)法施工的一些經(jīng)驗(yàn)，本文的目的是想與業(yè)界分享這些粗淺的成果和經(jīng)驗(yàn)，文中若有不妥之處，請(qǐng)業(yè)內(nèi)專(zhuān)家指正。