北京轨道交通大兴机场线盾构选型研究

夏瑞萌，郑 杰，姜传治，贺博阳

（北京城建设计发展集团股份有限公司，北京 100037）

1 研究背景

盾构结构在北京地铁建设中已经应用多年，形成了系统的标准，同时积累了大量的工程经验[1]，以往均应用在时速不大于100 km/h的地铁线路中，以外径6 m及6.4 m的单洞单线断面为主。

北京轨道交通大兴机场线作为国内首条通车的设计时速为160 km/h的地铁线路，在工程建设初期并无既有的规范、标准及经验可以借鉴。而盾构断面型式的确定，需综合考虑车辆及接触网选型、道床结构型式、线路曲线半径、疏散平台宽度、施工误差、结构后期加固空间需求、车-隧阻塞比、工程地质及水文地质条件、造价、工期、风险比选等诸多参数及要素。因此，要确保大兴机场线盾构段运营的舒适性，有效控制其施工难度及投资，同时做到安全快速建造，就必须对上述参数进行慎重选择并进行有效组合[2-5]，以确定大兴机场线盾构段的断面型式，为北京大兴机场线及后续160 km/h的地铁线路奠定必要的技术基础。

2 工程概况

北京轨道交通大兴机场线是线网中连接北京中心城与北京新机场的地铁线路，其定位为快速、直达、高品质的轨道交通专线，旨在提高新机场外部综合交通服务水平，同时带动北京南城发展(见图1)。

图1 轨道交通大兴机场线工程示意图Figure 1 Schematic of Daxing Airport Express

已经通车运营的大兴机场线一期工程线路全长41.3 km，其中盾构段长15.4 km。穿越北京地区典型的富水砂卵石地层，工程建设难度大，同时沿线风险工程众多。

2.1 区域地质概况

区域典型地层从上到下主要为填土层、粉细砂②3层、圆砾②5层、粉细砂④3层、卵石⑤层、卵石⑦层及卵石⑨层。盾构隧道主要从砂卵石地层中进行穿越，其中穿越卵石地层的信息如表1所示。

表1 卵石地层信息Table 1 Pebble formation profile

工程的主要地下水类型为上层滞水(一)、层间水(三)及层间水(四)，影响盾构穿越段的主要为层间水(四)，含水层为卵石圆砾⑦层及其以下砂土、卵石⑨层，埋深在23.00～24.70 m之间。

2.2 盾构段风险概况

大兴机场线全线的风险源主要集中在盾构段。主要风险工程包括盾构下穿南环铁路、轨道交通大兴线、南水北调南干渠、高压塔群等，其风险工程如表2所示。

表2 风险工程统计Table 2 Statistical profile of risk engineering

2.3 盾构隧道设计

大兴机场线采用新型市域D型车、160 km/h的设计时速、25 kV的交流供电方式，以下问题需要系统研究：

1) 盾构隧道的合理阻塞比；

2) 盾构段限界的控制因素及原因；

3) 国内传统25 kV的交流供电方式，基本采用柔性接触网，盾构结构如何应对其下锚点及锚段关节带来的标准断面扩大问题；

4) 大兴机场线盾构结构选型与接触网选型存在相互联系，如何处理好二者之间的关系；

5) 大兴机场线可选断面型式有几种，不同断面型式的内径和外径是什么；

6) 在盾构可选断面尺寸确定后，如何通过技术经济比选确定最终使用的断面型式。

3 盾构隧道

3.1 盾构断面型式

根据设备选型、速度目标值、沿线工程特点及以往工程建设经验，并经各方研讨，可选断面型式最终聚焦为3种。

1) 不可容纳柔性下锚点的单洞单线断面。盾构隧道断面可将单列列车、轨道、洞内管线及接触网标准段容纳下，以下简称断面1。

2) 可容纳柔性下锚点的单洞双线断面。盾构隧道断面可将双列列车、轨道、洞内管线、接触网标准段及下锚段容纳下，以下简称断面2。

3) 可容纳柔性下锚点的单洞单线断面。盾构隧道断面可将单列列车、轨道、洞内管线、接触网标准段及下锚段容纳下，以下简称断面3。

3.2 建筑限界确定

3.2.1 车-隧阻塞比

为确定大兴机场线压力舒适度标准及车-隧阻塞比合理范围，通过对科技文献综述、实际工程调研及总结与分析，提出在使用密闭车辆-密封指数不低于5 s时，车内压力变化率小于800 Pa/3 s的标准。同时在考虑能耗与舒适度的前提下，通过数值模拟计算，在列车最高运行速度160 km/h的条件下，对列车进出隧道洞口、在隧道内匀速运行、进出站及加减速运行、经过中间风井等多个运行场景的压力波及压力变化率进行模拟分析，最终得出最高运行速度160 km/h，本工程使用密闭车辆，阻塞比需小于0.289。

3.2.2 设备设置控制值

1) 沿垂直方向。市域D型车高3 880 mm，接触网导高5 300 mm，接触网安装高度取1 400 mm，普通及特殊减振段轨道结构高度均按900 mm控制。

2) 沿水平方向。疏散平台最小宽度取1 100 mm，直线段疏散平台边缘至线路中心线距离按 1 900 mm控制，下锚点及锚段关节的尺寸按实际尺寸考虑。最终确定不同断面建筑限界情况详见表3、图2～4。

图2 不可容纳柔性下锚点的单洞单线断面Figure 2 Single-hole and single-line of cross-section incapable of accommodating flexible lower anchor point

表3 各断面建筑限界Table 3 Building limits for each section

3.3 盾构内径确定

根据北京市盾构隧道建设的经验，以及有关文件对于盾构隧道后期预留结构加固空间的提法和要求，结合线路自身的工程特点及环境特点，本线预留后期结构加固补强空间，对于结构加固补强的方式及预留空间考虑如下：

图3 可容纳柔性下锚点的单洞双线断面Figure 3 Single-hole and double-line of cross-section incapable of accommodating flexible lower anchor point

图4 可容纳柔性下锚点的单洞单线断面Figure 4 Single-hole and single-line of cross-section incapable of accommodating flexible lower anchor point

1) 沿线工程地质、水文地质条件不利于隧道开挖掘进，但其在永久运营阶段水土稳定好、沉降微小，所以隧道长期运营受地质环境影响小、补强需求低。

2) 本线采用了较厚的管片，管片自身刚度、强度及耐久性相应提高；同时推荐采用了斜直螺栓连接，有利于拼装质量提高，耐久性亦相应提高，补强需求低。

3) 本线基本限界尺寸大，预留混凝土二衬结构补强施作空间将进一步加大盾构隧道尺寸，造价增加明显不经济。

综上所述，本线预留钢环局部补强施作空间。同时，综合北京地区盾构施工经验及盾构平均掘进水平，施工误差确定为 100 mm。最终，确定不同断面型式的盾构内径详见表4。

表4 盾构隧道内径参数Table 4 Internal diameter parameters of shield tunnel

3.4 盾构外径的确定

内径7 900 mm的盾构隧道管片厚度按如下原则考虑：

1) 根据《城市轨道交通工程设计规范》及《地铁设计规范》给出的建议值，结合日本已实施盾构隧道的调研结果，同时考虑北京地区已实施盾构隧道的实际取值(见表5)，本隧道结构管片厚度与外径比推荐为0.05，其理论厚度为440 mm。

表5 北京隧道调研情况Table 5 Survey of Beijing tunnels

2) 根据对国内城际线盾构隧道结构的调研结果(见表6)，本盾构隧道结构管片厚度与外径比推荐大于0.047，其理论厚度为410 mm。

表6 城际隧道调研情况Table 6 Survey of intercity tunnels

3) 在前两点的基础上，考虑地处北京，未来本线将发生较多的穿越工程，为提高穿越的安全度，本盾构隧道结构推荐采用450 mm的管片厚度。基于用最为经济的手段，提高本线盾构隧道结构的耐久性、刚度及强度，推荐采用450 mm的管片厚度。大兴机场线采用160 km/h的设计时速，从减小运营对两侧建构筑物振动影响的角度考虑，推荐采用450 mm厚的管片，以增加结构刚度，提高结构减振作用。

4) 结构分析计算结果如下：盾构管片采用错缝拼装，计算模型的选择需考虑管片接头对管片刚度的折减。采用修正惯用法进行分析，把多块管片构成的圆形隧道衬砌结构看作是刚度均一的匀质圆环体，计算分析结果如图5所示。

图5 盾构隧道内力分析Figure 5 Internal force analysis chart of shield tunnel

由图可知，其结构受力及变形满足要求。最终确定其管片厚度为450 mm，从而确定其外径为8 800 mm。其结构如图6所示。

图6 盾构断面Figure 6 Tunnel shield cross-section

断面2、断面3基于与断面1同等条件分析与计算后，外径情况如表7所示。

表7 盾构隧道外径参数Table 7 External diameter parameters of shield tunnel mm

4 盾构选型

本线盾构段隧道埋深受控于既有的东西走向的南水北调南干渠，因南干渠隧道上面覆土较少，盾构隧道仅具备下穿南水北调干渠的条件。盾构隧道与南水北调南干渠剖面关系如图7所示。

图7 与南水北调南干渠的剖面关系Figure 7 Sectional relationship with South Main Channel of South-to-North Water Transfer Project

根据南水北调有关文件的要求，在对南干渠进行穿越时，其竖向净距要尽量拉开一倍的隧道洞径，因此当隧道断面尺寸增加时，隧道底埋深将呈双倍关系增加。不同断面形式的隧道结构与地层及地下水的关系如表8所示。

表8 单洞单线与单洞双线方案的对比Table 8 Comparison of single-hole and single-line and single-hole scheme and double-line schem

考虑单洞单线盾构隧道仅局部穿越大粒径卵石⑦、卵石⑨层，且进入卵石深度及入水深度均较少，结合北京地区以往盾构工程的施工经验及习惯做法，推荐采用土压平衡盾构[6-10]。因单洞双线盾构隧道较长范围穿越大粒径卵石⑦、卵石⑨层，局部进入卵石层，同时最大入水深度达17 m，结合北京地区以往盾构工程经验，推荐采用泥水平衡盾构。

5 方案对比

5.1 工期

大兴机场线于2016年底完成PPP招标工作，而2019年9月30日要完成通车建设。2017年初盾构机还没有开始加工制作，沿盾构工程建设时间轴，留给盾构机采购、盾构机加工制作、盾构用地协调、盾构机到场及调试、盾构始发及接收结构施作、盾构隧道正线结构掘进施工及附属结构施工的时间不足 20个月，各建设环节需紧密衔接，且必须保证高效高质量完成，工程建设面临着严峻的挑战。

5.1.1 盾构机基本情况

项目调研了国内外厂家盾构加工及制作时间、到厂及调试时间，详见表9、10。

表9 国产盾构机基本情况信息Table 9 Basic information about domestic shield machines

由表可知，盾构直径越大，加工制作周期和到场调试时间越长。

5.1.2 盾构机掘进时间

考虑盾构区间隧道上方的覆土需至少满足1倍洞径的要求，单洞双线区间埋深原则均大于27.60 m，相对于单洞单线方案，对应埋深为19.8 m及17.6 m。由表可知，直径越大与富水砂卵石地层的矛盾越大。经与多家施工单位研究确定，13.8 m盾构隧道比9.9 m盾构隧道掘进时间长1.5个月左右，比8.8 m盾构隧道掘进时间长2个月左右。

5.1.3 配套结构施作时间

8.8m单洞单线方案在盾构结构全部施工完毕后，需要施作联络通道及破除下锚段内的盾构管片结构(见图8)。上述作业部分可与铺轨作业同时进行，占用绝对工期1个月。

图8 单洞单线方案二次结构情况Figure 8 Secondary-structure of single-hole and single-line scheme

9.9 m单洞单线方案在相比8.8 m可节约小锚段处理时间，但下锚点处理时间可并入联络通道处理时间。

单洞双线方案在盾构结构完全施工完毕后施作(见图9)，根据目前掌握情况，做法有两种，分述如下：

图9 单洞双线方案二次结构情况Figure 9 Secondary-structure of single-hole and double-line scheme

1) 轨道下二次结构与中隔墙采用现浇混凝土结构，考虑施工工作距离长达3.2 km，需4～6个月。

2) 轨道下二次结构采用预制结构，中隔墙采用现浇混凝土结构，考虑施工工作距离长达3.2 km，需约2个月。

3) 用地协调时间。在3种盾构中，8.8 m盾构相比其他盾构增加下锚段处理用地 32处，每处用地约300 m2。用地协调量较大，协调工期存在不可控因素。

5.2 造价

在造价对比中，考虑了盾构机加工制作成本、正线结构造价、始发及接收结构、过渡区结构及附属结构造价5个方面。

1) 盾构机造价。根据项目对国内外厂家的调研情况，详见表10、11。

表10 进口盾构机基本情况信息Table 10 Basic information about imported shield machines

2) 正线造价。结合北京市的相关指标及已有盾构工程施工经验制定，详见表11。

表11 盾构造价指标Table 11 The price index of tunneling shield

3) 始发及接收结构造价。盾构始发及接收结构在同等技术条件下，采用单洞双线结构比单洞单线结构层数增加1～2层，同时长度略有增长。全线盾构始发井5处，接收井5处。全线梳理后，13.8 m盾构相比8.8 m盾构投资增加2.6亿元，9.9 m盾构相比8.8 m盾构增加0.3亿元。

4) 明挖与盾构过渡区造价。以磁各庄站为例，比较13.8 m单洞双线方案与8.8 m单洞单线方案在车站—区间过渡段、地下—高架过渡段的区别，两方案在磁各庄站及前后区间的工法如图10、11所示。

图10 单洞单线方案Figure 10 Single-hole and single-line scheme

图11 单洞双线方案Figure 11 Price index of tunneling shield

磁各庄站北段区间，单洞双线方案不满足盾构始发或接收覆土厚度的要求，向北敷设约270 m后采用盾构施工，跨路口约80 m采用暗挖法施工，另190 m采用明挖法施工；单洞单线方案可由车站北端正常盾构始发或接收。磁各庄站南段区间，单洞单线方案同样能正常盾构始发或接收，单洞双线方案需先向南明挖约345 m后盾构施工。

北航站楼站—磁各庄站区间包含高架段，高架段与盾构段通过明挖段和U槽的过渡段衔接，盾构段与明挖段按1倍盾构外径覆土作为分界点，两方案纵断面如图12、13所示。

图12 8.8 m单洞单线方案盾构接高架过渡段Figure 12 Transition of shield tunneling and viaduct with 8.8 m single-hole and single-line scheme

图13 13.8 m单洞双线方案盾构接高架过渡段Figure 13 Transition of shield tunneling and viaduct with 13.8 m single-hole and double-line scheme

盾构接高架过渡段，单洞双线方案明挖框架长度约805 m，U槽段长约380 m；单洞单线方案明挖框架长度约430 m，U槽段长约380 m。经比较，过渡段单洞双线结构比单洞单线结构投资增加3.3亿元。

将9.9 m与8.8 m单洞单线隧道按同样方法进行对比，可见投资增加了0.5亿元。

5) 配套结构造价。8.8 m盾构隧道的附属工程为联络通道+下锚点处理，9.9 m盾构隧道的附属工程为联络通道，13.8 m盾构隧道的附属工程为轨道下二次结构及中隔墙。

8.8 m盾构相比13.8 m盾构增加了0.8亿元，相比9.9 m盾构增加了2.5亿元。

5.3 风险

大兴机场线一期工程盾构段沿线环境风险工程共162处，通过适当安全距离的控制，各种型式的盾构均可保证穿越的安全，但盾构直径大风险也会适当增加。

不同直径盾构风险的差异主要体现在穿越地层上，受沿线既有风险源控制，直径越大进入富水砂卵石的深度及范围越大，13.8 m盾构大范围进入富水砂卵石，施工风险相比单线单洞显著增加。

5.4 方案对比

方案整体对比详见表12。由表可知，13.8 m的单洞双线隧道难以满足大兴机场线的工期要求。同时，因其造价及风险较大，在后续160 km/h的地铁线路中也不具备应用前景。

表12 方案整体对比Table 12 Comparison of overall schemes

9.9 m的盾构工期存在一定的压力，但前期工作相对可控，但考虑其工程费用增加较多，建设各方决定用其增加费用中的小部分投入到刚性接触网的研究应用中，以解决8.8 m盾构下锚点用地协调不可控的问题。大兴机场线现已经以刚性接触网为基础投入运营，目前运营状况良好。经综合对比，最终推荐大兴机场线采用8.8 m的单洞单线结构，其参数配置如表13所示。

表13 盾构参数Table 13 Tunneling shield parameters

因为篇幅原因，对于表中某些参数选取的原因不再做详细论述。

6 结语

1) 对车-隧阻塞比、设备限界及盾构选型的研究分析得出，在160 km/h速度目标下，新型D型车盾构隧道内净空尺寸不受车-隧阻塞比控制，而受高度方向的设备功能空间需求控制。

2) 目前该线运营平稳，人员体感舒适，证明对于车-隧阻塞比及设备的选择是合理可行的。

3) 确定了盾构隧道不同断面形式的内径及外径，并就其工期、造价及风险进行了比选研究，最终确定了大兴机场线盾构隧道为外径8.8 m的单洞单线结构。

4) 在城市轨道交通建设标准下，160 km/h的地铁线路采用单洞双线结构，工期、造价及风险上均存在明显劣势。因此，除城市地下空间资源极其紧张外，在后续类似工程选型中不推荐采用这种结构。

5) 将25 kV柔性接触网下锚点设置于盾构内，造价增加显著。对比设备优化投资，经济效益差，所以不予推荐。

6) 大兴机场线的工程实践证明，该线的盾构选型实现了大兴机场线地下段的安全快速建造，适应了苛刻的工期，同时创造了良好的经济效益。

7) 系统介绍了涉及盾构选型的各要素，可供后续工程借鉴。