1 工程概况
本项目为北京站至北京西站地下直径线工程，位于北京市中心区。盾构机由天宁寺桥北4号竖井始发，沿天宁寺桥、西便门桥、宣武门西大街，到达终点里程宣武门地铁西端K4+748里程处，盾构段隧道全长5175m。其中设4号竖井（盾构始发井）、5号竖井（始发辅助井）。
盾构设备为泥水加压平衡（膨润土—气垫式泥水盾构）盾构，盾构开挖外径为11.97m，隧道外径为11.6m，隧道内径为10.5m。
该段隧道位于直线上，线路纵坡为面向北京西客站10‰的上坡，隧道的轨面高程为22.414～22.644m，隧道顶高程为30.214～30.444m。
2 地质水文情况
1)工程地质、水文地质条件
隧道西端（天宁寺至和平门段）穿越的复合地层以卵石层、圆砾层为主，同时含有胶结岩石层、粉质黏土层、粉土层、粉质黏土层等，其中胶结岩石层单轴抗压强度约30MPa。隧道东端（和平门至崇文门段）穿越的复合地层以黏土层、粉质黏土层、粉土层和砂层为主，地层自稳性差，可压缩性强。工程主要地质情况如图1所示。
图1 工程主要地质惰况
工程周围地下水类型主要为孔隙潜水，局部为孔隙承压水，地层最大渗透系数为150m/d，单井最大涌水量为37200m3/d，水位埋深为23.13～24.31m。
2)工程周边环境及主要风险点
盾构隧道位于北京市中心区域，平行既有地铁2号线段累计4km，结构水平净距1.7～20m，垂直净距3～13m；盾构下穿既有地铁4号线宣武门站，垂直距离仅4.7m；隧道临近箭楼、正阳门火车站(水平净距1.7m)、团中央办公大楼、二环西便门桥群、天宁寺桥群等重要地面设施；工程沿线各种地下管线错综复杂，护城河、盖板暗河等构筑物密布。因工程环境特别复杂，工程对全线进行了风险评估，确定了各级风险源累计87个，其中特级风险源17个，如图2所示。
图2 工程沿线主要风险点平面布置图
3 工程重、难点
①地质条件复杂：因隧道沿线为第四纪冲洪积层，大断面隧道穿越由黏土层、粉质黏土层、粉土层、砂层、卵石圆砾层、高强钙化岩石层等组成的复合地层，软土与岩石结合，细微颗粒与大粒径卵石混合。工程全线富水，部分工程处于承压水中。
②长距离掘进：因盾构独头掘进5.2km，施工中面临大长隧道通风、测量控制、泥水长距离环流以及管道磨损与爆管、刀盘刀具对不同地层的适应性配置调整以及磨损与修复、泥浆对不同地层的适应性、泥饼堵仓设备老化等诸多问题。
③变形控制标准严格：工程沿线地面及地下设施复杂．不同建（构）筑、地下管线、桥梁等对环境变形的敏感程度不同，需结合环境特点进行全面风险识别与评估，确定各设施变形控制标准。既有地铁2号线允许底板最大沉降5mm、4号线宣武门站底板最大允许沉降3mm、桥梁单跨两端差异沉降小于5mm等为代表的变形控制标准，给工程建设提出了严格的变形控制要求。
④多工法交接施工：工程浅埋暗挖隧道采用洞桩法、盖挖法、CRD法、双侧壁导坑法等多工法交接施工，涉及多工序转换及不同技术控制标准，施工难度大。
⑤施工场地狭小：因工程地处北京市中心区，盾构施工场地面积仅6000m2+3000m2，为泥水盾构施工所涉及的盾构组装、泥水分离等带来较大压力。
⑥首都核心区环保要求高：施工场地近临居民区，不仅噪声、扬尘等需严格控制，泥浆系统涉及的泥浆对地下水影响、渣土筛分、废浆排放等也成为施工中环境保护控制的重点。
4 泥水盾构施工关键技术
(1)盾构刀盘刀具与地层的适应性技术
掘进过程中先后经历大粒径致密砂卵石层、钙化岩石层、黏土层等为主的复合地层。不同地质条件下盾构刀盘结构、刀具材料、刀具形式及布置方式、刀具切削原理等都有所不同。初期采用的原设计刀盘刀具，因与实际地质条件不相适应，引起了地表变形大、刀具损坏严重、掘进排渣困难等一系列问题，为解决以上问题，采取以下措施：
①通过对刀盘、刀具的改造，形成了适用于不同地层条件的刀盘刀具配置形式。
施工过程中，结合致密卵石夹钙化岩石层、富水砂卵石复合地层、砂一黏土复合地层等不同地质条件，针对性进行了三次刀盘刀具改造及修复作业，如图3～图5所示。通过不同形式刀盘刀具的调整，总结出在富水砂卵石地层中，“辐条+面板”式对变形控制有其明显的优越性；“滚压”切削理论较“捶击”切削理论在刀具磨损、地层扰动控制、掘进参数控制等方面有其明显优越性；针对易结“泥饼”的黏土复合地层，则应依照“痕迹覆盖适当”原则配置刀具，并适当调整刀盘开口率等经验。
图3 初装刀盘的改造效果
图4 砂卵石地层中不同刀具的应用
图5 刀盘改造对盾构施工进度的影响
②三层“立体切削”理念的提出及应用，拓宽了盾构刀盘对地层的应用范围。
施工过程中，针对致密砂卵石为主的富水复合地层，在原“捶击+切削”的双层土体切削理论基础上，研究总结并实践“先行滚压+二次捶击+三次切削”的三层立体切削理论(图6)，加大刀盘对胶结岩石层、致密卵石、砂层等复合地层的适应性；针对易结泥饼的“黏土+砂卵石”复合地层，则需适当加大刀盘开口率，同时按照“痕迹覆盖”原则配置刀具。采用“加强刀具配置+大强度冲刷+人工带压进仓冲刷”的综合措施，解决仓内结泥饼等掘进难题。
图6 立体切削理念的实施效果
③刀具国产化及刀具磨损监测技术的推进及实施。
通过对进口刀具与国产刀具不同形式及刀具材料的对比分析（图7和图8），联合国内盾构刀具研发单位对卵石黏土（局部钙化）复合地层中刀盘刀具的受力环境进行分析，研发了适合砂卵石一黏土复合地层中的新型刀具。此外通过对刀具形式的改造及刀具磨损检测技术的研发及应用，实现了盾构刀具磨损量的快速监测，为刀具的及时更换及减少意外停机奠定了基础。
图7 砂卵石地层中不同刀具适用掘进距离
图8 国产刀具使用情况对比
④改造“冲刷系统”，结合带压进仓人工冲刷，辅助解决刀盘泥饼。
针对卵石—黏土复合地层及砂—黏土复合地层，结合刀盘前泥饼黏结规律，改造刀盘冲刷系统（图9），在开挖仓增加冲刷口，通过单独或混合使用不同冲刷管路减少刀盘黏附泥饼现象。因冲刷管路布置形式受盾构设备限制，在复合地层中掘进时，需要结合人工带压进仓冲刷、选择性投放分散材料等综合辅助措施解决刀盘黏附泥饼问题，提高掘进效率。
图9 冲刷系统布置
(2)高气压条件下进仓检查及动火维修技术
盾构机在地下封闭环境条件下施工，对刀盘刀具的检查、维修等工作一般需要在密闭的高气压条件下进行。因此，为确保盾构在地下施工的高效性，必须掌握高气压条件下进仓检查、刀具更换及动火维修技术。
①高气压环境条件下空间构建及安全性维持技术的研究和成功应用，为刀具更换、动火维修、障碍物处理等奠定了基础。
采用超前地质探测、带压进仓检查等措施确定盾构停机点的地质条件，通过注浆加固、灌注桩等措施进行停机点的预加固处理，然后采用复打空心桩、开挖面洞室开挖等措施开辟高气压条件下盾构修复作业空间（图10和图11）。当盾构机到达预停机点后通过开挖面压力精确控制、高黏度泥浆置换、开挖仓保压建立优质泥膜、高浓度泥浆盾壳外密封处理等措施确保作业空间稳定性。人员进仓作业期间通过高压气体逃逸量检测、仓内气体成分控制等措施确保进仓人员及环境的安全性。
图10 空心桩预留地下高压作业空间（尺寸单位：mm）
②通过自主创新研究，高气压环境条件下的带压动火维修技术达到国际领先水平并填补了国内该项技术的空白。
联合相关高校，针对高气压条件下刀盘刀具的动火维修技术进行创新研究，通过高气压环境中爆炸试验、无人自动焊接、高气压载人焊接等试验（图12～图14），研究高气压条件下焊接技术、气体组分、通风技术及环境对人体的影响等规律，并成功实施了高气压条件下刀盘维修作业，填补了国内该项技术空白。该项技术的突破，解除了高压环境条件盾构刀盘修复作业的技术壁垒，实现了地面不设竖井、不影响地面交通的条件下直接修复刀盘，同时该项技术可以用于盾构掘进过程中各类地下障碍物的处理，提高了盾构机面临此类风险的应变能力。
图11 带压进仓直接开挖地下作业空间
图12 高气压自动焊接及载人焊接试验
图13 高气压条件下电弧变化
图14 高气压条件下电弧电压的变化规律
③高气压条件下进仓检查及刀具更换技术的创新研究及成功应用，确保了盾构停机点周围环境安全性及盾构机长距离施工刀具磨损检查及更换的顺利实施。
砂卵石地层中刀具磨损严重，刀具磨损导致掘进参数较大的波动，如盾构机推力、扭矩的增加，掘进速度的降低等，致使工程建设效率降低，加大盾构施工对地层扰动的影响。把高气压条件下进行刀盘刀具检查及更换纳入常规的工序管理，成为项目建设风险主动控制的关键措施之一。高气压条件下进仓作业涉及地面预加固、泥浆置换建立开挖面均质泥膜、盾壳周围密封处理、高气压进仓作业等关键技术，项目部制定了高气压条件下进仓作业标准化流程（图15），确保了高气压进仓作业的安全实施。
(3)环保型泥浆处理及系统配套技术
项目地处北京市中心区，一方面施工场地面积十分有限，另一方面工程条件复杂。泥水盾构施工时面临泥浆影响地下水、泥水环流系统磨损、不同粒径渣土筛分处理、废浆零排放等问题，需因地制宜建立可以实现降低扬尘、防止噪声污染、渣土及泥浆环保处理的综合配套技术。
①针对卵石—黏土复合地层颗粒粒径及性能差异大等特点，将传统“三级”泥水分离技术升级为“五级”泥水分离技术。
在盾构施工技术发展过程中，传统泥水处理系统由“筛分一旋流一沉淀”三级处理构成，泥水处理颗粒的最小粒径为40μm，对黏土颗粒、粉质黏土颗粒等细微颗粒则难以进行有效处理。项目针对卵石—黏土复合地层的特点，通过实践研究将传统泥水分离升级为“筛分一旋流一离心一沉淀一压滤”的五级处理模式，泥水单位时间处理能力提升了40%，泥水处理性能提高到可以处理最小粒径7μm的颗粒。
图15 带压进仓流程
②泥浆调制、环流、处理等设备通过系统集成，实现了工厂化、立体化。
通过泥浆立体制浆、立体储存，泥水分离设备系统集成，泥水场地工厂化处理等措施不但解决了泥水分离有效面积小与单日泥水处理量需求大之间的矛盾，而且通过设置隔音棚、除尘器等设施实现了施工场地无扬尘、无噪声污染。
③通过渣土与泥浆混合流体与循环系统设备相互作用的分析，掌握了卵石黏土复合地层条件下大直径泥水盾构泥浆环流系统中继泵站的合理设置间距，采用自主创新的复合型耐磨管路（图16）替代传统的焊接钢管作为排浆管路，解决了卵石黏土复合地层长距离掘进过程中的环流系统耐磨损问题，降低了隧道内渣土排出产生的噪声。
图16 复合型耐磨管路
④选用膨润土、环保型制浆剂等材料调制不同性能的环保型泥浆，防止泥浆对地下水的污染。
针对盾构掘进地层差异、工况差异（掘进、停机保压及带压换刀等）采用了不同的泥浆配方（图17），提高了泥水盾构施工过程泥浆适用性，有效提升了盾构掘进过程开挖面的稳定，从源头上实现了绿色施工，避免了对地下水的污染。
图17 不同用途泥浆在掌子面的泥膜效果
(4)大直径泥水盾构施工地层变形的精确控制技术
作为北京市“在建最难、风险最大的地下工程”，北京铁路地下直径线通过全面的风险识别与风险评估，确定了工程沿线不同风险点的变形控制标准，对工程施工变形控制提出了更高、更严格的要求。工程建设过程中通过深入研究大直径泥水盾构施工变形规律及控制措施，制定了全面的变形控制方案，确保沿线风险点的安全性。
①委托专业机构采用先进技术手段对全线环境风险现状进行全面深入的检测、鉴定及评估，采取设计与施工结合、施工与运营结合、定性与定量结合的多层面、多渠道措施对既有建（构）筑物进行全面评估，确认变形控制标准（表1）及风险管理等级。
表1 既有地铁变形控制标准值
②通过理论计算、试验测试、实际参数统计分析等措施实现盾构掘进参数的精确化控制（图18～图20）。充分利用气垫加压式泥水盾构设备的先进性，实现对盾构掘进过程泥水压力与流量、推力、刀盘扭矩、刀盘转速、贯入度、盾构姿态与纠偏、同步注浆压力及注浆量、泥水性能指标、出土量等参数的精确化控制，以达到沉降变形的主动控制。
图18 围岩应力数值计算
图19 围岩应力试验测试
图20 泥水压力设定统计分析
③通过沉降数据分析，掌握大直径泥水盾构在不同埋深、地层情况下的泥浆与地层作用规律、沉降规律及主要影响因素，动态反馈盾构施工过程中掘进参数设定的合理性。
根据施工过程监测数据统计分析，将盾构掘进引起的地表沉降（图21）分为先行沉降、开挖面前沉降、通过沉降、盾尾空隙沉降、后期沉降五个阶段。以砂卵石地层为代表，经统计分析各阶段沉降值占总沉降值的比例分别为8%、20%、35%、21%、17%。先行沉降主要受泥浆性能指标、泥水压力等因素的影响。
开挖面前沉降主要受刀具配置形式、盾构掘进参数设置等因素的影响。通过沉降主要受掘进速度、地层自稳性能、盾壳周围空隙填充及时性等因素的影响。盾尾空隙沉降主要受同步注浆填充率、浆液性能、填充及时性等因素的影响。后期沉降主要受地下水位变化（图22）、土体固结性质等因素的影响。盾构掘进的总体纵向影响范围为刀盘前方1D～1.5D (D为盾构直径)，盾构通过后1.5D～2D的范围。
图21 盾构掘进沉降历时曲线
图22 盾构掘进地下水位变化历时曲线
④通过齐全的监测项目设置，及时采集监测数据，施工方、第三方、产权单位多层面相互校核验证，人工、软件相结合的结果分析，多渠道的及时反馈，确保施工过程变形信息反应的灵敏性与应对的准确性，为盾构施工参数的动态反馈及调整奠定数据支持。
5 结语
北京地下直径线气垫式泥水盾构施工实践表明，气垫式泥水盾构施工过程可精确控制地层沉降，减少对周边建（构）筑物的迁改，对周边建（构）物保护较其他工法更优；以高气压条件下盾构刀盘动火作业技术为代表的盾构刀盘刀具检查及维修技术成果的推广应用，使盾构可以向大埋深、长距离进一步发展；盾构刀盘与地层适应性技术的创新技术，以及盾构刀具的完全国产化，不仅使得盾构的应用可以拓展至全地层，且大大降低了工程建设成本，也为今后泥水盾构国产化设计制造提供重要依据；泥水处理技术的成熟及配套设施的立体化、模块化、工厂化，使泥水盾构所需的场地面积极大缩小，加之噪声、污染排放等问题的全面解决，必将使泥水盾构成为地下空间开发应用中最为安全、优质、环保、综合效益高的施工方法之一。