北京地铁14号线盾构施工明年穿朝阳公园湖

300吨重的盾构机将穿越朝阳公园湖底。

依照试验数据设定盾构机推力。

2.2米7.6-10米盾构机推进方向盾构机湖底工作剖面图朝阳公园北湖

枣营站-东风北桥站区间在建地铁隧道朝阳公园北湖
　　

　　在地铁14号线工地里，有着5年“驾龄”的盾构机手汪健正驾驶着盾构机，在地下10米逐渐向朝阳公园湖底逼近。从12月6日开始的穿湖试验，60米的距离，盾构机走了近10天。一切顺利的话，本周会正式下穿朝阳公园北湖，这也是2020年前北京的最后一次穿湖地铁工程。
　　
　　穿越朝阳公园北湖和南湖，总长度达到2.4公里。“头顶”是150万立方米的水体，相当于1/3的昆明湖。这么庞大的水量，很难再像此前地铁下穿玉渊潭那样把湖水抽干，只能不抽水长距离穿湖，这是北京地铁建设史上的首次尝试。
　　
　　现场探访
　　不抽水穿越中途“不换刀”
　　
　　“矢志攻坚，穿湖不畏艰险；精心管控，成效源自当前。”在14号线19标工地里，即将下穿朝阳公园北湖的右线隧道上方，写着这样的标语。
　　
　　14号线19标段以刚刚封顶的枣营车站为始发点，两台地铁盾构机从车站下井，一前一后向北掘进，朝着穿越朝阳公园北湖的方向缓慢前进。
　　
　　11月8日先行始发的右线盾构机，已经掘进350米即将进入湖底，左线盾构机本月初开始推进。尽管参与过南水北调、地铁大兴线等多次战役，汪健这次碰上的可真是块“硬骨头”，
　　
　　盾构机巨大的刀盘切下来的土方源源不断地从传送带往后方传去，“每前进一环，出土量是41立方米，正好装3个半车斗；需要注浆约2.8立方米，以填满盾构隧洞和周围土体的缝隙，完成加固。”汪健介绍说。
　　
　　据介绍，即将穿越朝阳公园北湖确定为不抽水盾构穿湖，因此盾构穿湖得一气呵成，中途不能换刀。“换刀就必须在盾构机的位置挖竖井下去换刀盘，意味着还是得抽排湖水。”
　　
　　60米试验段实现“微扰动”
　　
　　12月12日，记者在现场看到，右线已经掘进到260环，每环1.2米。
　　
　　在203环的时候正式进入试验段。市政四公司项目副总工史磊磊告诉记者，三百吨重的庞然大物在湖底掘进，还不能对湖底进行防渗、土壤加固等各种施工，因此要求严格控制施工沉降，以避免湖底渗漏的风险。
　　
　　如此精确的控制指标经过了周密的验证。史磊磊说，在到达湖底的100米之前，盾构区间设定了60米的试验段，“我们本来是想做得更长一些，但是现场条件有限。”通过对试验段的掘进，技术人员密切监测土层变化，得出穿湖盾构最稳妥的控制指标。史磊磊说，通过对盾构施工参数的科学制定，最终测算沉降只有3毫米，“真正实现了对土体的‘微扰动"。而试验段与湖底的土层有连续性，提前摸准了“脾气”，穿湖施工才有足够的把握。
　　
　　4次穿湖总距离达2.4公里
　　
　　“湖水平均深度达到2.2米，盾构机挖掘出的隧道顶部距离湖底为7.6米至10米。”据介绍，盾构机将在离地面12米左右的深度掘进。一次穿湖要挖出上下行两条隧道，盾构机需要4次穿湖，总距离达2.4公里。
　　
　　根据方案，盾构机从枣营站下井始发后，先向北掘进，两台盾构机先后挖掘出列车上下行方向的两条隧道。而抵达北段东风北桥站之后，盾构机被吊运出地面再度回到起点枣营站，向南侧的朝阳公园站掘进。
　　
　　方案确定为两台盾构机一前一后，右线盾构先完成穿越，左线盾构机再跟进推进。预计右线盾构明年1月15日左右完成北湖穿越，左线盾构明年2月完成。全部穿湖过程预计在明年8月完成。
　　
　　工程揭秘
　　试验段摸着石头过河
　　
　　在建地铁要求沉降控制在3毫米的情况，通常是在下穿既有线的时候。但是达到这个效果，需要采取一定情况的土体加固。14号线下穿朝阳公园湖，在不抽水的情况下，无法采取任何措施。“我们只能通过对盾构施工参数进行最优化，以减少盾构对土体的扰动，这就需要提前将土压、盾构机推进速度计算出来。”史磊磊说，这就是提前设计试验段的目的。
　　
　　此前北京也有过地铁盾构穿湖的工程，比如9号线下穿玉渊潭公园湖，但当时施工时对湖水进行了截流。朝阳公园湖可以算是北京市真正意义上的第一次穿湖。“从图纸上看，并没有穿湖的内容，我们只能是摸着石头过河，但实际上‘并没有石头可摸。"
　　
　　在没有前期经验可以借鉴的基础上，项目部只能凭着以前穿桥、穿既有线的施工过程和经验做前期准备。“以前在南水北调工程盾构下穿肖家河桥时也做过一个试验段。我们在此基础上把监测的内容更加丰富了一些，监测断面更加优化”，在与设计单位进行了沟通，共同制定了下穿朝阳公园湖前制定一个监测断面的实施方案，也通过了专家的评审。
　　
　　为了使试验段与湖底土层具有连续性，项目部选择了距离湖区100米的距离，开始进行监测断面的设定，即“原位试验”试验段本身就是隧道的一部分。
　　
　　3D试验模拟盾构机掘进
　　
　　在完成了前期准备工作后，11月9日开始对试验段进行监测布点。12月6日盾构机开始下穿第一个监测断面，其间设定了很多步骤，盾构机的机头到监测断面18米开始采集数据，12米、6米分别采集监测数据；当盾构机尾脱离监测断面6米、12米、18米再分别采集数据。
　　
　　“盾构机是推着土走的，在推动的过程中，也就是在穿越前、穿越中和穿越后，土壤都会变形，我们根据土层位移做了一个曲线，再进行深刻的分析。同时对实际地层和勘测地层进行比对，将挖出来的土壤送到实验室，进行土体实验的分析。”在史磊磊的电脑上，记者看到了一个利用各种试验数据做出的一个flac3D技术模拟图，“我们先有了一个感性认识，再通过实际盾构穿越后对地层的影响，来设定盾构机的推力、推速和扭矩。以最优化的方案平稳地推进，以实现对土体最小的扰动。”
　　
　　地层沉降24小时密切关注
　　
　　由于要获得各种试验数据，在下穿试验段之前，盾构机的推进速度是每天20环；在试验段，每天推进不到10环。
　　
　　试验段的盾构施工对沉降达到了预想的控制，但即将开始的正式穿湖未知的风险还是存在。现场技术盾构负责人赵海最近几天都呆在中控室中，密切关注着计算机上的各种数据。
　　
　　“盾构施工在地下，进入到一定的深度还比较暖和，最辛苦的是地面监测的工作人员。”赵海说，最近几天在右线的盾构推进主要放在了夜间。盾构机刀盘快到布设的沉降点之前、到达布设地点以及过后，都需要人工现场测量。“无论是夜里几点，什么时候推到预定地点，他们就得什么时候到现场。”
　　
　　这几天，右线推进已经有三百多米了，洞内相对比较暖和，但左线还只有几十米，离洞口太近温度太低，管线、阀门频繁被冻住。“之前我们把管线拆下来拿到地面加温，现在又采取给管线‘穿衣’的方式，各种办法都用了。”赵海说，“你现在进左线去看，台车进洞了，底下的冰柱还没有化。”
　　
　　每条隧道进湖前都要试验
　　
　　朝阳公园南湖和北湖都有穿湖的工程，但盾构机在下穿时遇到两个湖区的土层并不相同。史磊磊说，南湖风险更大，湖底是沙卵石层，北湖主要还是黏土层，因此需要分别设定试验段。
　　
　　此外，左线和右线尽管相距并不远，但并不是平行铺设，为了更严谨，也需要在盾构穿湖之前采集数据。
　　
　　穿越湖区还有两大难点，穿湖意味着隧道有一个往下扎的过程，但北湖穿湖段在平面上正好是一个直径为400米的圆曲线，也就是“既转弯又下坡”。要与湖水“保持”安全距离，又要保证列车能跑得动，坡度设定为28%。。“当坡度超过30%。时，地铁就跑不起来了；盾构机设计的爬坡能力最高也是30%。，也就是说这个坡度设计已经达到了盾构施工的极限。”
　　
　　此外，14号线使用的是A型列车，相比目前北京既有线使用的B型列车2.8米宽的车身，要宽出20厘米，因此对隧道轴线的要求更加严格，盾构操作手在拼接管片时需要提前精确算计。
　　
　　背景
　　
　　地铁14号线是北京市轨道线网中一条连接东北、西南方向的“L”型骨干线，线路沿线经过丰台、东城、朝阳三个区。14号线西起丰台区永定河以西的张郭庄，东至望京地区的来广营，线路全长47.2公里。全线共设车站37座，除张郭庄及园博园站是高架站外，其余均为地下车站。
　　
　　14号线计划分二期开通运营。首开段线路起点张郭庄站，东至西局站，长约12.4公里，计划于明年上半年通车。包括本次穿湖段在内的东段线路计划于2014年年底通车。
　　
　　盘点
　　3条地铁的“水下之旅”
　　
　　下穿桥区、下穿既有地铁线，在北京地铁建设史上并不少见，但下穿河湖，迄今为止，14号线是“第三遭”，但却是最难啃的一块“硬骨头”。记者了解到，北京地界儿上河湖本就不多，地铁线路在设计时也在尽量避开穿湖。在地铁14号线下穿朝阳公园湖之后，到2020年，北京地铁规划方案上，再没有下穿河湖的线路。
　　
　　9号线下穿玉渊潭 截流半年
　　
　　地铁9号线军事博物馆至东钓鱼台站区间有400米隧道需下穿永定河引水渠和玉渊潭东湖，这也是北京地铁施工史上第一条从水下通过的隧道。
　　
　　从2009年11月起至2010年5月，长达半年的时间内玉渊潭东湖变成“无水湖”。在下穿前，施工方先将46万立方米玉渊潭东湖湖水通过市政管网排出，加设检修井，采用盾构施工的办法下穿玉渊潭。施工结束后，再把湖水重新注入。
　　
　　9号线穿湖最大的难点在于地层，穿越玉渊潭东湖时地下含有大粒径的卵石和漂石，可见的漂石粒径最大为1.7米，盾构机需要经常更换刀盘。此外，由于要下穿既有1号线，9号线埋深近30米，隧道距玉渊潭湖底最深处达30米。为了达到设计要求，列车从军博站出站后就开始走下坡，大概900米到达玉渊潭东湖，然后继续往下走310米，到达最低点。在穿越湖底的隧道时，最大坡度列车前行100米的距离爬坡2.6米。
　　
　　7号线下穿莲花河 河底防渗
　　
　　地铁7号线在今年两次成功下穿本市西南部的莲花河。这也是本市地铁施工中首次大断面地下穿河。由于莲花河并非静止，不能像湖水一样抽干再施工。下穿全部采用人工挖掘的方式。
　　
　　第一个穿河处为东西向的两条隧道下穿南北向的河道，两条地铁隧道分别高6米，宽4米，顶部距离莲花河8米；第二个穿河处为达官营站车站的风道下穿河道，风道宽10米，高13米，形成了本市地铁穿河施工的最大断面，而其顶部距离莲花河仅为4.8米。

　　所以穿越部分的河底都必须进行防渗铺衬后，地铁才从下方进行“穿越”施工。
　　
　　14号线穿朝阳公园湖 顶水施工
　　
　　14号线下穿朝阳公园湖首次不抽水施工，据项目部副总工史磊磊介绍，朝阳公园湖平均水深2.2米，水域面积68公顷，水量达到150万立方米，相当于1/3的昆明湖。如果抽干湖水，不但影响太大，而且经济损失大。
　　
　　穿湖最大的难点是顶水施工，中途不能更换刀盘，所以要保证盾构机的刀盘开挖面稳定，防止湖底隆起或塌陷。另外一项难点就是控制盾构机的推力。由于路面土压大，湖底土压小，因此盾构机在湖水边缘需精准调整推力，以保证平稳钻入及钻出湖水下方。