他们用科技创造地铁施工的穿越奇迹

　　今天，城市居民的生活、出行方式正因为不断开通的地铁而改变。

　　每天早上8点半，家住大红门的张欣都会准时乘坐10号线前往位于车道沟的单位。“以前上班要一个半小时，自从10号线通车后，一小时就到了。”张欣对每天路上能节约一个小时，感到很开心。

　　张欣并不知道，他每天上下班乘坐的10号线，开创了国内地铁施工的多项第一：它是北京地铁线路最长、换乘节点最多、工程环境最复杂、特一级风险工程总数最多的一条线路。全长57公里的10号线，建设难度极大，全线穿越风险工程1200多处，特级、一级风险工程198处；8次穿越既有地铁线路，零距离密贴下穿地铁1号线公主坟站，变形控制3毫米内；12次下穿铁路；6次下穿昆玉河；多次长距离下穿平房群，穿越房屋17.5万m2；25次穿越重要桥梁，部分桥梁沉降控制3毫米内；地层复杂多变，国内外罕见。

　　面对建设难度如此之高的线路，北京市轨道交通建设管理有限公司迎难而上，组成产、学、研、用相结合的研究团队，历经10年，创新研发了穿越工程微变形控制成套技术，确保穿越安全，意义重大，在复杂地层中成功穿越了既有地铁车站、大型桥梁、高铁、国铁站场、楼房、河湖等重大风险工程，为今后大量的类似工程提供了可靠的技术。10号线二期工程自2013年通车后，客运量居路网各条线路之首，大大缓解了北京市区的地面交通压力，社会效益显著。该项目荣获2014年北京市科学技术奖一等奖。

　　最苛刻的3毫米

　　在10号线二期工程建设难度“排行榜”中，公主坟站的施工难度无疑名列前茅。下穿既有1号线公主坟站建设新线车站是当时北京最大规模的下穿既有线工程。它与1号线公主坟站的“零接触”，还要避开几百株古树、新兴桥桥柱和长安街西延主干道，都为这座车站的建设带来种种考验。

　　“在10号线公主坟站施工过程中，为了保持1号线的不停运、无限速，工程施工产生的既有站绝对沉降值必须小于3毫米。”北京市轨道交通建设管理有限公司副总经理苏斌告诉记者，如果超过3毫米就会造成上方的1号线运行速度减慢，影响运营。

　　为此，苏斌带领自己的团队积极组织技术攻关，大胆创新。施工过程中，如何控制既有线沉降是技术攻关焦点，项目部创造性地把千斤顶引入地铁施工领域，采用“CRD+千斤顶”工艺，通过控制千斤顶顶力来实现控制沉降，辅以检测仪埋入轨道下方，24小时自动检测，自动记录，自动传输，时时监控，并根据检测数据随时调整压力，最终变被动控制为主动控制，实现安全顺利下穿，沉降控制在2.98毫米。创造了北京市轨道交通下穿工程的“规模最大、沉降最小、造价最低”、首次实现新旧车站“零距离”接触、地铁大跨平顶直墙矩形断面下穿既有线车站等一系列新纪录。

　　而为了避开古树、桥柱和干道，公主坟站建成后设了两个联络通道、4处直梯、26处扶梯，“上上下下、左躲右闪”地实现了与1号线的换乘与车站自身各自独立空间的上下线候车区域。

　　“最终10号线的公主坟车站结构紧贴1号线车站，真正零距离穿越，而沉降被成功地控制在3毫米以内，1号线列车运营没有受到任何影响，对后续类似工程施工积累了技术经验。”苏斌说。

　　让盾构“所向披靡”

　　与上世纪六十年代，北京修建地铁1号线时，“开膛破肚”的明挖方法相比，现在的人们几乎察觉不到地下深处地铁正在悄然掘进。

　　在地下挖掘绝非易事，国际上很多城市是地铁与城市同步发展，而北京这座千年古都，已经演变为国际大都市，地下管线纵横，地上高楼林立，要想在下方修建地铁，难上加难。

　　因此，一种先进的挖掘技术被施工人员选用，那就是盾构法。盾构机通过盾构外壳和管片支承四周围岩，防止发生往隧道内的坍塌，同时在开挖面前方用切削装置进行土体开挖，通过出土机械运出洞外，靠千斤顶在后部加压顶进，并拼装预制混凝土管片，形成隧道结构的一种机械化施工方法。

　　目前，盾构法已成为我国城市地铁隧道施工的主力，北京地铁10号线二期工程，盾构法所占比例达到了82.3%。

　　然而，北京复杂的地质条件，却让“无往不利”的盾构机屡屡“受挫”。“盾构下穿施工中最害怕的是砂卵石地层，特别是大粒径砂卵石地层。北京的地下，这种砂卵石特别多。”苏斌说。

　　据介绍，砂卵石是一种典型的力学不稳定地层，盾构在此不利条件下长距离穿越房屋、铁路、桥梁等，技术难度很大，属世界难题，掘进姿态控制、刀盘与刀具、换刀频率、换刀方案等均未有先例。

　　技术人员针对不同地层分别采用不同的开口率、不同的刀盘型式、不同的耐磨材料、不同的螺旋输送杆型式、不同的土体改良技术，保证了工程的顺利实施。

　　最为典型的案例就是，盾构曾6次在砂卵石地层中下穿昆玉河，昆玉河水深2米，同时，河床下卵石密布，是北京少见的复杂地层。施工稍有不慎河水就会倒灌工地，造成重大安全事故。

　　为此，项目团队提出了地铁盾构隧道组段划分方法，研发了砂卵石地层土体改良技术，确定了砂卵石地层穿越工程中盾构关键参数、刀盘型式与开口率对盾构适应性的影响，提高了砂卵石地层盾构换刀距离，避免盾构在重大风险工程下部被动式换刀，成功实现了盾构长距离下穿京西机务段、昆玉湖、平房群的特级风险工程。

　　此外，项目团队研发了盾构施工实时监控系统，实现盾构施工过程的实时远程监控；研发了“北京轨道交通工程施工安全风险监控系统”，实现了地层变形、地面变形及风险工程的实时监控。

　　据了解，通常情况下，砂卵石地层平均约150米需换刀一次，经研究技术改进后，换刀距离提高至平均350米—400米（大粒径卵石地层）或400米—700米（小粒径卵石地层），北京地铁10号线二期穿越砂卵石地层的盾构区间全长约32000米，改进后可减少换刀次数约为120次，每次换刀按150万计算，可节约成本18000万元。

　　“纹丝不动”地穿越桥梁

　　通常，地铁线路通常沿城市繁华市区主干道布置。地铁在城市道路下方穿越不可避免会发生与既有线路、桥梁基础、建筑物基础、地下管线构筑物发生交叉穿越问题。

　　“当地铁穿越这些已经建成的建（构）筑物时，由于引起地层的变形，建筑在地层之上的这些构筑物也同样会发生变形，导致结构上的受力变化，进而影响到这些结构的安全，国内外地铁穿越工程事故频发，经济损失和社会影响巨大。”苏斌说。

　　北京地铁10号线区间下穿的道路和桥梁多数为主干路，车流量大，对地层变形和沉降控制要求高，一旦盾构施工引起的沉降超限或者控制不当引发地表塌陷，极易引发重大交通事故，不仅会带来巨大的经济损失，同时会造成恶劣的社会影响。

　　据了解，10号线工程穿越较大的桥梁就有25处。当地铁在这些桥梁的桩基础下或邻近处施工时，这些桥梁基础会发生下沉、倾斜，以及偏离原来的位置。那么如何解决穿越过程中的既有结构的安全性，成为地铁建设者们需要去研究的关键和重要问题。

　　项目团队在10号线的建设中，针对桥梁结构类型、空间位置关系、保护方案、控制措施及现场监测结果进行系统研究，形成了穿越桥梁的关键控制技术体系。提出了主动桩基托换技术、被动桩基托换技术、预支顶同步顶升技术、隔离桩技术以及加强地铁结构自身强度和刚度的方法等，保证了地铁下穿桥梁的变形控制和安全。

　　“地铁10号线微变形控制技术在三个方面取得了重要突破，密贴下穿公主坟站变形控制在2.98毫米；砂卵石盾构的换刀距离提高了3—4倍；新兴桥异型板区桩基托换变形控制在2.75毫米，达到了国际领先水平。”苏斌说。

　　提高了我国地铁穿越的技术水平

　　如今，经历了重重考验的地铁10号线，已经贯通2年，每天都安全高效地将乘客送达目的地。但其在建设过程中形成的创新技术、先进经验却延续下来。

　　据了解，该项目共申请专利6项，其中1项发明专利和1项实用新型专利已获授权；获批北京市施工工法及企业工法各1项；出版专著4部；发表论文28篇。

　　多名院士与业内知名专家对项目所属的四个课题进行了成果鉴定，研究成果总体达到国际先进水平，其中大跨、浅埋、密贴下穿既有地下结构微沉降控制设计与施工技术、桥梁桩基础荷载和变形双控完全主动托换技术、盾构穿越重大风险工程施工控制技术等成果达到国际领先水平。

　　“如今，部分研究成果已在北京地铁6、7、8、9、14号线等多条地铁线路建设中推广应用，为北京地铁安全、快速建设提供了技术保障。”苏斌告诉记者。

　　据了解，通过合理运用本项目相关技术，工程建设参建各方在及时掌握轨道交通建设穿越重大风险工程关键技术的前提下，安全、高效、有序地解决了各项风险工程控制难题，提高了轨道交通建设效率，有效降低了施工风险，取得了显著的经济和社会效益。同时，项目研究成果为北京地铁建设相关技术标准的制定提供了有力的支持。参考项目相关研究成果，北京市轨道交通建设管理有限公司于2012年3月印发了《北京市轨道交通工程盾构施工管理相关规定（汇编）》，促进了城市轨道交通工程建设领域的安全管理升级，推动了北京地铁建设的安全、有序进行。

　　不仅仅是北京，10号线的部分科技成果也在沈阳、深圳、广州、武汉、长春等多个城市轨道交通建设中推广应用，奠定了我国地铁建设穿越重大风险工程施工的技术基础。

　　“北京未来将建设近550公里轨道交通线路，越来越多的轨道交通线网建设将会遇到更多的穿越问题。全国近35个城市轨道交通规划得到批复，也将会遇到类似的穿越问题，因此本项目的研究成果具有广阔的推广应用前景。”苏斌说。