京张高铁清华园隧道南延施工方案研究

王建功

(京张城际铁路有限公司，北京 100070)

近年来，随着我国城镇化进程的加快，城市规模越来越大，从而导致既有铁路线网逐渐向城区靠拢。为了缓解城市交通压力以及减少市民日常出行时长，同时也为了避免地面道路整改以及既有建筑征拆等问题，新建铁路线网通过地下隧道引入城区成为一种首选方案[1-2]，如北京铁路直径线[3-6]、天津铁路直径线[7-8]、广深港高铁益田路隧道[9]、京沈高铁望京隧道[10]、京张高铁清华园隧道[11]等。

近年来，众多研究学者和技术人员对铁路隧道下穿施工引起的房屋建筑沉降[12-13]、既有铁路沉降[14]、地表沉降[15-17]以及下穿施工技术[18-21]等进行了一系列研究，取得了丰硕成果，但较少涉及铁路隧道延长施工方案等问题。

自京张高铁清华园隧道下穿学院南路项目开工建设以后，北京市区征拆工作推进困难。据地方相关部门测算，学院南路下挖改造工程投资约17.8亿元，其中工程费约2亿元，管线迁改费约1.7亿元，房屋拆迁费约14.1亿元；清华园隧道1号井施工临时场地涉及金五星商贸城、好家居建材装饰市场部分临街商铺征拆费用也高达约1.2亿元。以上两处是制约工程工期的关键点，工程征拆费用高、难度大、交通导改困难，且时间节点难以保证。

为减少学院南路下挖改造及敷设管线的迁改，铁路总公司与北京市共同研究决定，将普速列车始发终到调整至清河站办理，北京北站仅承担动车组列车始发作业，区间最大坡度由23.5‰调整为30‰。线路自北京北站引出后，采用最大30‰坡度于学院南路南侧入地，以隧道形式依次下穿学院南路，隧道向南总延长690 m，由原5 330 m调整为6 020 m。同时调整1号井～2号井盾构区间的掘进方向，由1号井向2号井掘进调整为由2号井向1号井掘进，以解决1号井施工场地征拆带来的问题。

1 工程概述

1.1 工程概况

清华园隧道是新建京张高铁重点控制性工程之一，位于北京市海淀区。清华园隧道原设计由学院南路北侧入地，沿既有京包铁路走行，于五环内出地面，隧道全长5.33 km(单洞双线)，设计速度120 km/h。全隧近距离并行地铁13号线，与地铁12号线(在建)、10号线、15号线交叉穿越，下穿北三环、知春路、北四环、成府路、清华东路、双清路等重要城市道路及道路下方大量重要市政管线，周边建(构)筑物密集。清华园隧道是目前国内位于城市核心区，穿越地层复杂、重要建(构)筑物最多的高铁单洞双线大直径盾构高风险隧道之一[11]。盾构管片内径11.1 m，外径12.2 m，管片厚55 cm，刀盘开挖直径12.64 m。全隧共设置3座施工竖井，采用2台φ1 264大直径泥水平衡盾构机施工，一台由小里程端1号井始发，中间2号井接收，盾构区间1 991 m；另一台由3号井始发，中间2号井接收，盾构区间长1 741 m。

隧道南延方案以盾构形式下穿学院南路后,,隧道进口里程由DK14+090调整至DK13+400，隧道向南总延长690 m，隧道整体长度由5.33 km调整为6.02 km(见图1)。小里程端盾构始发井自1号井调整至2号井，在原2号井南侧增加2-A始发井，原2号井调整为2-B接收井，井间设置明挖基坑，满足盾构整体始发要求，原1号始发井调整为接收井。调整后小里程端盾构掘进方案为2-A井始发，1号井接收，大里程端盾构为3号井始发，2-B井接收，均由北向南掘进。1.2 工程地质与水文条件

京张高铁清华园隧道位于北京市海淀区，处于北京市平原区的西北部，地面高程为48.92～451.35 m，地势平坦。地层上部主要为第四系全新人工堆积杂填土，中部为第四系全新统冲洪积层粉质黏土、粉土和粉砂，下部主要为圆砾土和卵石土。隧道所处地层主要为粉质黏土和卵石土(以卵石土为主)，隧道穿越卵石地层约2.4 km，含卵石复合地层约3.7 km。

图1 清华园隧道平面示意

北京市平原地区第四系地层中的松散岩类孔隙水可以分为上层滞水、潜水和承压水，上层滞水补给主要以大气降水为主，管沟渗流为辅，集中分布在粉土与粉砂层，水位埋深3.4～5.7 m，高程44.91～49.62 m。层间潜水主要受区域性地下水影响，且局部承压，水位埋深21.0～25.0 m，高程27.97～29.00 m。

2 施工方案

2.1 盾构法

(1)方案简介

施工方案将原1号井由学院南路北侧DK14+435.5处调整至学院南路南侧DK13+601.2处， 1号井至出口段采用明挖法施工，见图2。

(2)基坑支护设计

基坑围护结构采用“φ1 000@1 400 mm钻孔灌注桩+内撑”，桩间旋喷桩止水。按45°基坑开挖影响线控制，影响线以内的桥桩采取防护措施，影响线以外不再额外增设防护措施。1号井为明挖段基坑最深处，开挖深度为21 m，邻近地铁层采用双排围护桩，以增加基坑的稳定性，见图3。

图2 盾构法施工方案示意(单位：m)

图3 桥桩断面(单位：cm)

(3)地铁13号线保护措施

盾构法隧道结构距13号线桥桩6.6～15.3 m，其中有一异型桥墩与盾构隧道净距为3.4 m。该段地铁13号线段主要为桥梁，无缝线路，整体道床，变形控制要求严，为特级风险源，施工风险高。

采取的保护措施主要有： 以洞内控制措施为主，洞外防护为辅。穿越前，设置盾构试验段，确定合理的盾构掘进参数；穿越时，严格控制掘进参数，严格控制地层损失率；穿越后，根据监测结果，必要时从洞内采用径向注浆加固。根据桥桩与结构距离关系及施工作业空间，采取不同的防护措施。桥桩与盾构结构净距小于1倍洞径，采用3排φ180 mm复合锚杆桩交错布置，桩顶设置冠梁，并预埋φ42 mm袖阀管，进行跟踪补偿注浆加固；桥桩与盾构结构净距大于1倍洞径，采用预埋双排φ42 mm袖阀管@1 500 mm交错布置，进行跟踪补偿注浆加固，桥桩纵向加固范围为桥台前后各5 m范围(见图4)。异性桥墩桥桩采用“门型”防护方案：盾构隧道两侧分别采用3排φ180 mm复合锚杆桩交错布置，桩顶设置冠梁，两侧冠梁用4根钢筋混凝土横撑连接，以增加防护结构的整体抗变形能力。在隧道顶部进行注浆加固，并预埋双排φ42 mm袖阀管进行跟踪注浆，见图5。

图4 桥桩加固典型断面(单位：cm)

图6 盾构方案施工组织示意

图5 异性桥桩加固典型断面(单位：cm)

(4)学院南路段保护措施

盾构法下穿学院南路段洞顶覆土仅7.0 m，属超浅覆土。已探明道路下方敷设管线15条，其中2条污水管线需要迁改，2条3 200 mm×2 500 mm雨水方沟底与隧道的最小净距为1.89 m(见表1)，施工难度大，风险高。

保护措施主要有：采用泥水平衡法施工，严格控制掘进参数，控制地层损失率。2条污水管线需要永久迁改，原污水管道采用水泥砂浆充填，防止泥浆沿管道流失。穿过后进行衬砌背后二次补偿注浆，严格控制路面沉降，确保道路运营安全。

表1 主要管线与隧道结构关系

注：表中“-”代表结构之间交叉。

(5)施工组织与工期

调整后的盾构区间由1991 m增加为2707.5 m，增加了716.5 m。结合近年完工或正在施工类似直径的盾构施工进度(如京沈高铁望京隧道、武汉地铁8号线越江隧道等均达200 m/月)，通过对盾构穿越地层、设备工装的研究，将盾构掘进综合指标由150 m/月调整至190 m/月。图6为调整后的盾构法施工组织进度图。由图6可知，该方案隧道土建工期为36.3个月，于2019年3月11日提供铺轨条件，满足全线指导性施组要求(2019年3月10日提供铺轨条件)。

2.2 明挖法

(1)方案简介

明挖法施工方案将1号井由DK14+435.5向南移至DK14+280处，1号井由始发井调整为接收井，隧道南延段以明挖法施工为主，局部采用暗挖法，见图7。

图7 明挖方案工法示意(单位：m)

(2)基坑支护措施

基坑明挖深度为10.0～24.8 m，1号井更是深达30 m，且邻近既有地铁13号线，属于特级风险工程。DK13+400～DK13+640段基坑围护结构采用“φ1 000@1 400钻孔灌注桩+内支撑”，DK13+730～DK14+289段基坑围护结构采用“φ1 200@1 600钻孔灌注桩+内支撑”。桩间采用“旋喷桩止水+坑内降水”。

(3)地铁13号线保护措施

明挖法围护桩与13号线桥桩净距5～8 m， 13号线异型墩围护桩与桥桩净距仅1.7 m，基坑开挖深度达30 m，为特级风险源，施工风险极高。

采取的保护措施主要有：以加强基坑围护结构自身强度为主，风险源加固防护为辅。采用注浆方式对13号线桥墩进行加固(见图8)。对于异型桥墩，除桥桩采用注浆加固以外，还采用了钢管支架进行支顶，以便对梁进行动态调整，确保运营安全(见图9)。

图8 桥桩加固典型断面(单位：cm)

图9 异性桥桩加固典型断面(单位：cm)

(4)学院南路段保护措施

暗挖法下穿学院南路段共计90 m，洞顶最小覆土仅7.8 m，属超浅覆土。其中，φ700 mm和φ1100 mm的污水管线只需临时导改， 2条污水管至隧道超前支护结构最小净距为0.3 m，2条3 200 mm×2 500 mm雨水方沟底与隧道最小净距仅2.4 m(见表2)，施工风险高，难度大，属于特级风险源。

表2 主要管线与隧道结构关系

保护措施主要有：采用“拱脚侧导洞超前+扣拱”工法(见图10)，在导洞内施作钢筋混凝土扩大拱脚结构，为正洞拱墙结构提供稳定的基础。由短台阶弧形导坑开挖正洞，并施做拱墙初期支护结构，架设临时支撑结构，最后分布开挖核心土及下部土体，施做仰拱，最后施做二次衬砌结构。拱部设置φ299 mm互锁管幕超前支护，采用螺旋出土导向顶管法施工。工作面采用φ25 mm纤维锚杆进行加固并进行洞内疏干降水。

图10 暗挖工法示意

(5)施工组织与工期

图11为调整后的明挖法施工组织进度图。由图11可知，该方案隧道土建工期为34个月，于2019年1月1日提供铺轨条件，可满足全线指导性施组要求(2019年3月10日前提供铺轨条件)。但是，由于隧道南延段基坑深、规模大、风险高，施工场地狭窄，施工组织困难，周期较长，对周边环境及交通影响大，需要导改明光村西路，手续办理困难。若要按期完成，须于2017年6月底前完成拆迁和临建。

图11 明挖方案施工组织示意

3 方案对比分析

从工程风险因素、基坑支护措施、施工方案、地铁13号线以及学院南路保护措施、工期等方面对盾构法和明挖法施工方案进行对比分析(见表3)。从投资、风险、工期以及场地等方面对盾构法和明挖法施工方案进行对比分析，根据对比结果，建议采用盾构法施工方案(对比分析结果见表4和表5)。

表3 盾构法和明挖法施工方案对比

表4 不同施工方案投资对比 万元

注：工程投资比较范围：DK13+400～DK15+800，共计2400 m。

4 施工安全控制

(1)加大建设单位的监管力度，建立包保制，由专业工程师负责穿越期间的安全、协调工作。

(2)执行专家评审制度，做到每一处风险源防护措施均应先通过专家评审，方可实施。

表5 不同施工方案综合对比

(3)坚持做到风险工程先防后穿的原则。

(4)执行施工监测及第三方的监测制度，建立实时监测系统，指导施工。

(5)成立由建设单位、风险源产权单位、设计单位、监理单位、监测单位组成的联合办公小组，保证信息畅通，切实做到信息化施工，确保安全。

(6)建立有效的应急相应机制，编制应急预案，成立应急小组。应急响应划分为黄、橙、红三级预警，严格按照监测值进行预警，及时启动应急预案。

5 方案实施效果分析

清华园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动车所新增机务折返段工程)，工程费增加约3.5亿元，学院南路下挖改造及拆迁征地费用节省约19亿元，工程总投资共计节约15.5亿元。在重新调整北京北站功能定位的条件下，综合考虑征拆、规划，采用隧道形式下穿学院南路的方案是经济可行的。

经参建各方精心策划、组织施工，保证了2号井按时开工，但期间由于雾霾、中高考及政策性停工影响，2号井于2017年12月12日盾构机组装完成始发，较原计划滞后一个月，盾构掘进历时11.3月，于2018年11月20日安全顺利接收，较原计划提前了2个月，单月最高掘进达476 m/月，综合进度指标为240 m/月，确保了铺轨工期。周边风险源变形安全可控，地铁13号线变形均在安全范围内，异型墩(风险最高处)轨道变形沉降仅1.38 mm；下穿学院南路路面变形4.5 mm，均远小于变形控制值。可见，清华园隧道南延段采用盾构为主的施工方案具有安全可靠和工效高等优点。