北京地鐵14號(hào)線預(yù)計(jì)明年8月完成穿越朝陽公園湖

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 300噸重的盾構(gòu)機(jī)將穿越朝陽公園湖底。

依照試驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)定盾構(gòu)機(jī)推力。

昨天上午，在位于藍(lán)色港灣南側(cè)的地鐵14號(hào)線工地里，有著5年“駕齡”的盾構(gòu)機(jī)手汪健正駕駛著盾構(gòu)機(jī)，在地下10米逐漸向朝陽公園湖底逼近。從12月6日開始的穿湖試驗(yàn)，60米的距離，盾構(gòu)機(jī)走了近10天。一切順利的話，本周會(huì)正式下穿朝陽公園北湖，這也是2020年前北京的最后一次穿湖地鐵工程。

穿越朝陽公園北湖和南湖，總長度達(dá)到2.4公里。“頭頂”是150萬立方米的水體，相當(dāng)于1/3的昆明湖。這么龐大的水量，很難再像此前地鐵下穿玉淵潭那樣把湖水抽干，只能不抽水長距離穿湖，這是北京地鐵建設(shè)史上的首次嘗試。

現(xiàn) 場 探 訪

不抽水穿越中途“不換刀”

“矢志攻堅(jiān)，穿湖不畏艱險(xiǎn)；精心管控，成效源自當(dāng)前。”在14號(hào)線19標(biāo)工地里，即將下穿朝陽公園北湖的右線隧道上方，寫著這樣的標(biāo)語。

14號(hào)線19標(biāo)段以剛剛封頂?shù)臈棤I車站為始發(fā)點(diǎn)，兩臺(tái)地鐵盾構(gòu)機(jī)從車站下井，一前一后向北掘進(jìn)，朝著穿越朝陽公園北湖的方向緩慢前進(jìn)。

11月8日先行始發(fā)的右線盾構(gòu)機(jī)，已經(jīng)掘進(jìn)350米即將進(jìn)入湖底，左線盾構(gòu)機(jī)本月初開始推進(jìn)。盡管參與過南水北調(diào)、地鐵大興線等多次戰(zhàn)役，汪健這次碰上的可真是塊“硬骨頭”，

盾構(gòu)機(jī)巨大的刀盤切下來的土方源源不斷地從傳送帶往后方傳去，“每前進(jìn)一環(huán)，出土量是41立方米，正好裝3個(gè)半車斗；需要注漿約2.8立方米，以填滿盾構(gòu)隧洞和周圍土體的縫隙，完成加固。”汪健介紹說。

據(jù)介紹，即將穿越朝陽公園北湖確定為不抽水盾構(gòu)穿湖，因此盾構(gòu)穿湖得一氣呵成，中途不能換刀。“換刀就必須在盾構(gòu)機(jī)的位置挖豎井下去換刀盤，意味著還是得抽排湖水。”

60米試驗(yàn)段實(shí)現(xiàn)“微擾動(dòng)”

12月12日，記者在現(xiàn)場看到，右線已經(jīng)掘進(jìn)到260環(huán)，每環(huán)1.2米。

在203環(huán)的時(shí)候正式進(jìn)入試驗(yàn)段。市政四公司項(xiàng)目副總工史磊磊告訴記者，三百噸重的龐然大物在湖底掘進(jìn)，還不能對(duì)湖底進(jìn)行防滲、土壤加固等各種施工，因此要求嚴(yán)格控制施工沉降，以避免湖底滲漏的風(fēng)險(xiǎn)。

如此精確的控制指標(biāo)經(jīng)過了周密的驗(yàn)證。史磊磊說，在到達(dá)湖底的100米之前，盾構(gòu)區(qū)間設(shè)定了60米的試驗(yàn)段，“我們本來是想做得更長一些，但是現(xiàn)場條件有限。”通過對(duì)試驗(yàn)段的掘進(jìn)，技術(shù)人員密切監(jiān)測土層變化，得出穿湖盾構(gòu)最穩(wěn)妥的控制指標(biāo)。史磊磊說，通過對(duì)盾構(gòu)施工參數(shù)的科學(xué)制定，最終測算沉降只有3毫米，“真正實(shí)現(xiàn)了對(duì)土體的‘微擾動(dòng)’”。而試驗(yàn)段與湖底的土層有連續(xù)性，提前摸準(zhǔn)了“脾氣”，穿湖施工才有足夠的把握。

4次穿湖總距離達(dá)2.4公里

“湖水平均深度達(dá)到2.2米，盾構(gòu)機(jī)挖掘出的隧道頂部距離湖底為7.6米至10米。”據(jù)介紹，盾構(gòu)機(jī)將在離地面12米左右的深度掘進(jìn)。一次穿湖要挖出上下行兩條隧道，盾構(gòu)機(jī)需要4次穿湖，總距離達(dá)2.4公里。

根據(jù)方案，盾構(gòu)機(jī)從棗營站下井始發(fā)后，先向北掘進(jìn)，兩臺(tái)盾構(gòu)機(jī)先后挖掘出列車上下行方向的兩條隧道。而抵達(dá)北段東風(fēng)北橋站之后，盾構(gòu)機(jī)被吊運(yùn)出地面再度回到起點(diǎn)棗營站，向南側(cè)的朝陽公園站掘進(jìn)。

方案確定為兩臺(tái)盾構(gòu)機(jī)一前一后，右線盾構(gòu)先完成穿越，左線盾構(gòu)機(jī)再跟進(jìn)推進(jìn)。預(yù)計(jì)右線盾構(gòu)明年1月15日左右完成北湖穿越，左線盾構(gòu)明年2月完成。全部穿湖過程預(yù)計(jì)在明年8月完成。

工 程 揭 秘

試驗(yàn)段摸著石頭過河

在建地鐵要求沉降控制在3毫米的情況，通常是在下穿既有線的時(shí)候。但是達(dá)到這個(gè)效果，需要采取一定情況的土體加固。14號(hào)線下穿朝陽公園湖，在不抽水的情況下，無法采取任何措施。“我們只能通過對(duì)盾構(gòu)施工參數(shù)進(jìn)行最優(yōu)化，以減少盾構(gòu)對(duì)土體的擾動(dòng)，這就需要提前將土壓、盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)速度計(jì)算出來。”史磊磊說，這就是提前設(shè)計(jì)試驗(yàn)段的目的。

此前北京也有過地鐵盾構(gòu)穿湖的工程，比如9號(hào)線下穿玉淵潭公園湖，但當(dāng)時(shí)施工時(shí)對(duì)湖水進(jìn)行了截流。朝陽公園湖可以算是北京市真正意義上的第一次穿湖。“從圖紙上看，并沒有穿湖的內(nèi)容，我們只能是摸著石頭過河，但實(shí)際上‘并沒有石頭可摸。’”

在沒有前期經(jīng)驗(yàn)可以借鑒的基礎(chǔ)上，項(xiàng)目部只能憑著以前穿橋、穿既有線的施工過程和經(jīng)驗(yàn)做前期準(zhǔn)備。“以前在南水北調(diào)工程盾構(gòu)下穿肖家河橋時(shí)也做過一個(gè)試驗(yàn)段。我們?cè)诖嘶A(chǔ)上把監(jiān)測的內(nèi)容更加豐富了一些，監(jiān)測斷面更加優(yōu)化”，在與設(shè)計(jì)單位進(jìn)行了溝通，共同制定了下穿朝陽公園湖前制定一個(gè)監(jiān)測斷面的實(shí)施方案，也通過了專家的評(píng)審。

為了使試驗(yàn)段與湖底土層具有連續(xù)性，項(xiàng)目部選擇了距離湖區(qū)100米的距離，開始進(jìn)行監(jiān)測斷面的設(shè)定，即“原位試驗(yàn)”——試驗(yàn)段本身就是隧道的一部分。

3D試驗(yàn)?zāi)M盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)

在完成了前期準(zhǔn)備工作后，11月9日開始對(duì)試驗(yàn)段進(jìn)行監(jiān)測布點(diǎn)。12月6日盾構(gòu)機(jī)開始下穿第一個(gè)監(jiān)測斷面，其間設(shè)定了很多步驟，盾構(gòu)機(jī)的機(jī)頭到監(jiān)測斷面18米開始采集數(shù)據(jù)，12米、6米分別采集監(jiān)測數(shù)據(jù)；當(dāng)盾構(gòu)機(jī)尾脫離監(jiān)測斷面6米、12米、18米再分別采集數(shù)據(jù)。

“盾構(gòu)機(jī)是推著土走的，在推動(dòng)的過程中，也就是在穿越前、穿越中和穿越后，土壤都會(huì)變形，我們根據(jù)土層位移做了一個(gè)曲線，再進(jìn)行深刻的分析。同時(shí)對(duì)實(shí)際地層和勘測地層進(jìn)行比對(duì)，將挖出來的土壤送到實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行土體實(shí)驗(yàn)的分析。”在史磊磊的電腦上，記者看到了一個(gè)利用各種試驗(yàn)數(shù)據(jù)做出的一個(gè)flac3D技術(shù)模擬圖，“我們先有了一個(gè)感性認(rèn)識(shí)，再通過實(shí)際盾構(gòu)穿越后對(duì)地層的影響，來設(shè)定盾構(gòu)機(jī)的推力、推速和扭矩。以最優(yōu)化的方案平穩(wěn)地推進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)土體最小的擾動(dòng)。”

地層沉降24小時(shí)密切關(guān)注

由于要獲得各種試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在下穿試驗(yàn)段之前，盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)速度是每天20環(huán)；在試驗(yàn)段，每天推進(jìn)不到10環(huán)。

試驗(yàn)段的盾構(gòu)施工對(duì)沉降達(dá)到了預(yù)想的控制，但即將開始的正式穿湖未知的風(fēng)險(xiǎn)還是存在。現(xiàn)場技術(shù)盾構(gòu)負(fù)責(zé)人趙海最近幾天都呆在中控室中，密切關(guān)注著計(jì)算機(jī)上的各種數(shù)據(jù)。

“盾構(gòu)施工在地下，進(jìn)入到一定的深度還比較暖和，最辛苦的是地面監(jiān)測的工作人員。”趙海說，最近幾天在右線的盾構(gòu)推進(jìn)主要放在了夜間。盾構(gòu)機(jī)刀盤快到布設(shè)的沉降點(diǎn)之前、到達(dá)布設(shè)地點(diǎn)以及過后，都需要人工現(xiàn)場測量。“無論是夜里幾點(diǎn)，什么時(shí)候推到預(yù)定地點(diǎn)，他們就得什么時(shí)候到現(xiàn)場。”

這幾天，右線推進(jìn)已經(jīng)有三百多米了，洞內(nèi)相對(duì)比較暖和，但左線還只有幾十米，離洞口太近溫度太低，管線、閥門頻繁被凍住。“之前我們把管線拆下來拿到地面加溫，現(xiàn)在又采取給管線‘穿衣’的方式，各種辦法都用了。”趙海說，“你現(xiàn)在進(jìn)左線去看，臺(tái)車進(jìn)洞了，底下的冰柱還沒有化。”

每條隧道進(jìn)湖前都要試驗(yàn)

朝陽公園南湖和北湖都有穿湖的工程，但盾構(gòu)機(jī)在下穿時(shí)遇到兩個(gè)湖區(qū)的土層并不相同。史磊磊說，南湖風(fēng)險(xiǎn)更大，湖底是沙卵石層，北湖主要還是黏土層，因此需要分別設(shè)定試驗(yàn)段。

此外，左線和右線盡管相距并不遠(yuǎn)，但并不是平行鋪設(shè)，為了更嚴(yán)謹(jǐn)，也需要在盾構(gòu)穿湖之前采集數(shù)據(jù)。

穿越湖區(qū)還有兩大難點(diǎn)，穿湖意味著隧道有一個(gè)往下扎的過程，但北湖穿湖段在平面上正好是一個(gè)直徑為400米的圓曲線，也就是“既轉(zhuǎn)彎又下坡”。要與湖水“保持”安全距離，又要保證列車能跑得動(dòng)，坡度設(shè)定為28%。。“當(dāng)坡度超過30%。時(shí)，地鐵就跑不起來了；盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)的爬坡能力最高也是30%。，也就是說這個(gè)坡度設(shè)計(jì)已經(jīng)達(dá)到了盾構(gòu)施工的極限。”

此外，14號(hào)線使用的是A型列車，相比目前北京既有線使用的B型列車2.8米寬的車身，要寬出20厘米，因此對(duì)隧道軸線的要求更加嚴(yán)格，盾構(gòu)操作手在拼接管片時(shí)需要提前精確算計(jì)。

■背景

地鐵14號(hào)線是北京市軌道線網(wǎng)中一條連接?xùn)|北、西南方向的“L”型骨干線，線路沿線經(jīng)過豐臺(tái)、東城、朝陽三個(gè)區(qū)。14號(hào)線西起豐臺(tái)區(qū)永定河以西的張郭莊，東至望京地區(qū)的來廣營，線路全長47.2公里。全線共設(shè)車站37座，除張郭莊及園博園站是高架站外，其余均為地下車站。

14號(hào)線計(jì)劃分二期開通運(yùn)營。首開段線路起點(diǎn)張郭莊站，東至西局站，長約12.4公里，計(jì)劃于明年上半年通車。包括本次穿湖段在內(nèi)的東段線路計(jì)劃于2014年年底通車。

■盤點(diǎn)

3條地鐵的“水下之旅”

下穿橋區(qū)、下穿既有地鐵線，在北京地鐵建設(shè)史上并不少見，但下穿河湖，迄今為止，14號(hào)線是“第三遭”，但卻是最難啃的一塊“硬骨頭”。記者了解到，北京地界兒上河湖本就不多，地鐵線路在設(shè)計(jì)時(shí)也在盡量避開穿湖。在地鐵14號(hào)線下穿朝陽公園湖之后，到2020年，北京地鐵規(guī)劃方案上，再?zèng)]有下穿河湖的線路。

9號(hào)線下穿玉淵潭 截流半年

地鐵9號(hào)線軍事博物館至東釣魚臺(tái)站區(qū)間有400米隧道需下穿永定河引水渠和玉淵潭東湖，這也是北京地鐵施工史上第一條從水下通過的隧道。

從2009年11月起至2010年5月，長達(dá)半年的時(shí)間內(nèi)玉淵潭東湖變成“無水湖”。在下穿前，施工方先將46萬立方米玉淵潭東湖湖水通過市政管網(wǎng)排出，加設(shè)檢修井，采用盾構(gòu)施工的辦法下穿玉淵潭。施工結(jié)束后，再把湖水重新注入。

9號(hào)線穿湖最大的難點(diǎn)在于地層，穿越玉淵潭東湖時(shí)地下含有大粒徑的卵石和漂石，可見的漂石粒徑最大為1.7米，盾構(gòu)機(jī)需要經(jīng)常更換刀盤。此外，由于要下穿既有1號(hào)線，9號(hào)線埋深近30米，隧道距玉淵潭湖底最深處達(dá)30米。為了達(dá)到設(shè)計(jì)要求，列車從軍博站出站后就開始走下坡，大概900米到達(dá)玉淵潭東湖，然后繼續(xù)往下走310米，到達(dá)最低點(diǎn)。在穿越湖底的隧道時(shí)，最大坡度列車前行100米的距離爬坡2.6米。

7號(hào)線下穿蓮花河 河底防滲

地鐵7號(hào)線在今年兩次成功下穿本市西南部的蓮花河。這也是本市地鐵施工中首次大斷面地下穿河。由于蓮花河并非靜止，不能像湖水一樣抽干再施工。下穿全部采用人工挖掘的方式。

第一個(gè)穿河處為東西向的兩條隧道下穿南北向的河道，兩條地鐵隧道分別高6米，寬4米，頂部距離蓮花河8米；第二個(gè)穿河處為達(dá)官營站車站的風(fēng)道下穿河道，風(fēng)道寬10米，高13米，形成了本市地鐵穿河施工的最大斷面，而其頂部距離蓮花河僅為4.8米。

所以穿越部分的河底都必須進(jìn)行防滲鋪襯后，地鐵才從下方進(jìn)行“穿越”施工。

14號(hào)線穿朝陽公園湖 頂水施工

14號(hào)線下穿朝陽公園湖首次不抽水施工，據(jù)項(xiàng)目部副總工史磊磊介紹，朝陽公園湖平均水深2.2米，水域面積68公頃，水量達(dá)到150萬立方米，相當(dāng)于1/3的昆明湖。如果抽干湖水，不但影響太大，而且經(jīng)濟(jì)損失大。

穿湖最大的難點(diǎn)是頂水施工，中途不能更換刀盤，所以要保證盾構(gòu)機(jī)的刀盤開挖面穩(wěn)定，防止湖底隆起或塌陷。另外一項(xiàng)難點(diǎn)就是控制盾構(gòu)機(jī)的推力。由于路面土壓大，湖底土壓小，因此盾構(gòu)機(jī)在湖水邊緣需精準(zhǔn)調(diào)整推力，以保證平穩(wěn)鉆入及鉆出湖水下方。