在地铁五号线工程地下线路段，部分线路在现状宽阔的道路下方通过，地面限制条件少，采用技术较为成熟的矿山法施工；而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，地面无条件降水，推荐采用盾构法施工。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 试验段范围内的地层从上到下依次为 ●人工填土层（Qml），其中包括： 杂填土①－1：主要成份为碎石、炉灰、房碴土等，稍湿，局部呈饱和状态，松散～稍密，一般厚度为1～1.5m，局部最厚处为2.7m。 粘质粉土素填土①层：稍湿～饱和，可塑～硬塑。一般厚度为1.0m，局部最厚处为2.2m。 以上两层的总厚度为2.0m左右，局部最厚处3.0m。 ●第四纪全新世冲洪积地层（Q4al+pl），其中包括： 粘质粉土砂质粉土②层：稍湿～饱和，可塑～硬塑。该层在不同地段分别夹有粉质粘土②－1层、重粉质粘土②－2层。局部夹粉细砂透镜体②－3层。该层总体厚度在雍和宫附近较薄，最薄处为4.0m，一般厚度为5.0～7.0m。粉细砂③层：湿～饱和，密实，局部夹砂质粉土薄层，下部为中粗砂③－1层、砾砂③－2层或粉质粘土粘质粉土③－3层。该层的总体厚度为3.0～7.5m。 ●第四纪晚更新世冲洪积地层（Q3al+pl），其中包括： 圆砾④层：饱和，密实。砾石为亚圆形，未风化～微风化。一般粒径为5～20mm，最大粒径为150mm，中粗砂填充，局部成为中粗砂④－2层透镜体。该层中部或底部颗粒较粗成为卵石④－3层，其一般粒径为20～80mm，最大粒径可达210mm，中粗砂填充。至雍和宫附近，圆砾、卵石层逐渐尖灭，出现粘质粉土④－1层，厚度为3.0m左右。第④层的总体厚度为6.0m左右，最薄处3.0m，最厚处8.3m。粘质粉土砂质粉土⑤层：饱和，硬塑，局部夹细砂透镜体。本层夹粉质粘土重粉质粘土⑤－1层。本层厚度为2.0～5.0m，最薄处仅1.5m。 中粗砂⑥层：饱和，密实，含少量砾石，夹粉细砂⑥－1层和粉质粘土重粉质粘土⑥－2层。本层厚度为0.7～7.8m，局部缺失。 卵石⑦层：饱和，密实。卵石为亚圆形，未风化，一般粒径为20～80mm，最大粒径为200mm，中粗砂或粘性土充填。局部地区颗粒较细渐变为圆砾或砾砂⑦－1层。本层的一般厚度为2.0～5.0m。粉质粘土粘质粉土⑧层：饱和，硬塑～坚硬，夹重粉质粘土⑧－1层和粉细砂⑧－2层。本层厚度为2.0～8.0m。 卵石⑨层：饱和，密实。卵石为亚圆形，未风化～微风化，表面可见溶蚀孔洞。一般粒径为20～60mm，最大粒径为180mm。中粗砂或粘性土充填。夹中粗砂⑨－1层。本层厚度大于7.0m。(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：赋存于杂填土①－1层、粘质粉土素填土①层和粘质粉土砂质粉土②层的孔隙之中。主要接受自来水、消防水管道以及雨污水管道、居民院落化粪池的渗漏补给，其次为大气降水的垂直渗流补给。水位根据补给强度不同而不同，本区间水位埋深在5.0～7.0m之间。 潜水：赋存于粉细砂③层、中粗砂③－1层、砾砂③－2层、圆砾④层、中粗砂④－2层、卵石④－3层的孔隙之中，水位埋深在14.0m左右。本区间的潜水主要接受上层滞水和河水的垂直渗流和区域侧向径流补给。在雍和宫附近，潜水具有弱承压性，水位高出含水层顶板为0.5～2.8m。护城河水位仅高出河边潜水水位0.08m，显示河水对潜水的补给趋势。 承压水：赋存于中粗砂⑥层、卵石⑦层、粉细砂⑧－2层、卵石⑨层及其砂土夹层的孔隙之中。主要接受潜水的垂直渗透补给和区域侧向径流补给，地下水流向为自西向东。承压水的排泄方式主要为侧向径流排泄和垂直越流补给深层承压水。本区间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），管片厚度为300mm，隧道外径为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），环向每接缝有2个螺栓，纵向共设16个螺栓（封顶块1个，其它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隧道设计与施工 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隧道设计和施工技术。1、管片接头研究 管片接头作用的大小，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。对北京地层条件作用下螺栓的作用，目前还没有见到文献报道，需要研究确定。 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。螺栓应力计测点布置方式见图5。 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6、图7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。 ●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。 ●推进阶段随着盾构机的推进，盾构管片被推出盾尾，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隧道周围，产生轴向的压力，使个管片之间的橡胶止水带被进一步挤密，导致螺栓松弛。 ●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，对盾构隧道的作用仍基本为轴向力，与上一阶段相似。 ●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，确保推出盾尾前隧道环的稳定，并保持盾构隧道的形状； 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50～100 N/mm2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8。
（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9、图10。接头的破环方式基本为管片边缘外皮的呈层剥落，见图11所示。(轴向压力为75t；正弯矩加载)试验基本结论： 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。 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。 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）： 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 通过现场测试和接头刚度试验，基本摸清了盾构管片接头在施工过程中和隧道形成后的受力规律，并提供了北京地层条件下类似工程的管片接头刚度参考值。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，测试断面测点的分布见图12、图13所示。 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14）： ●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。 ●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。 ●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。 ●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15）。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16）。 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。
| 项 目 | 原配筋（主筋22mm） | 优化配筋（主筋18mm） |
| 主筋＋构造筋含量（kg/m3） | 188.70 | 143.95 |
| 主筋配筋含量（kg/m3） | 135.45 | 90.70 |
| 优化后主筋减少数量（kg/m3） | / | 44.75 |
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式布筋高，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 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。管片接触部位的边缘应适当回退，设置1～2mm的错台；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，需要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： ●塌落度40-60mm，易于浇注和振捣； ●抗压强度大于C50； ●抗渗等级P10； ●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； ●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）； ●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：| 材料用量(Kg/m3) | 坍落度（mm） | 抗压强度（MPa) | |||||||
| 水 | 水泥 | 纯矿渣 | 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 |
（2）壁后注浆 盾构隧道从盾尾推出时，隧道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小，泌水率小。 f. 原料来源丰富、经济，施工管理方便，并能满足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20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： ●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； ●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； ●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。
