“零扰动”穿越居民区,望京高铁隧道是怎么做到的?

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  出品 | 网易新闻

  作者 | 须臾千秋,清华大学土木工程博士

  通常讲到某某隧道时,相伴而来的都是一些听上去就人迹罕至的名字,不是“xx沟”,就是“xx岭”。

  的确,高速公路与铁路的隧道往往是为了穿越难以绕行或翻过的山脉而修建的,这些地方自古以来交通不便,确实人烟稀少。

  不过,这其中也有例外,“望京隧道”就是这样的存在。

  望京是北京最繁华的地段之一,房价超过10万一平米,这种地方,除了地铁隧道和下水道外,人们实在很难想象它能有像大山深处一样,跑高铁的隧道。

  

  (繁华拥挤的望京)

  (一)跑高铁的望京隧道为何要修在地下?

  望京隧道是京沈高铁的一部分。

  京沈高铁于2014年7月1日开工建设,设计时速为350km/h,线路全长679.626公里,总投资约1245亿元,沿途共经三省五市,预计在2020年底通车,是连接北京与整个东北的交通大动脉,建成后,沈阳到北京只需2.5个小时,同时串起辽西山区的朝阳、阜新等城市。

  

  而望京隧道就是它进入北京城的最后八公里。

  由于京沈高铁的规划建设较晚,北京市已经具有了超大城市的规模,地价已经开始飞涨。如果让京沈高铁像之前的铁路一样在地面上招摇过市,拆迁成本怕是足够再修一条高铁了。

  因此,京沈高铁要么把北京一端的车站修在远郊外:这样一来从市区到车站就要消耗大量的时间并增加道路拥堵,高铁速度再快也没有意义;要么把京沈高铁的进城一段修在地下。

  (二)穿越居民区、机场快轨、地下管线,如何保证不拆迁、“零沉降”?

  京沈高铁在北京端的终点站是星火站,它位于北京市东北部四五环之间,是北京曾经的远郊区,如今的市中心。

  京沈高铁从星火站出来后,一路向北到达北京的郊区顺义,途中正好经过位于东北四、五环之间的望京CBD,还要穿越机场快轨、地铁15号线马泉营站、红砖艺术中心、污水处理厂以及多条市政道路,此外还有数不尽的管网和1.8公里的居民区。

  

  

  

  其中的机场快轨属于特级风险源,施工地段探明有200多处、埋深100多米的热力管道和大量水井,如措施不当,容易导致盾构施工中气压失衡,给施工和地面构筑物带来重大安全隐患。

  为了减少对地面建筑和地下管线、地铁的影响,京沈高铁必须被埋在非常深的地下,相当于是“地铁的地铁”。

  望京隧道的竖井维护地连墙深达68米、基坑开挖深度41.6米,均为华北地区之最。隧道最深处达43米,但即便这样,其距离马泉营地铁站的围护结构也仅有0.6米,穿越距离长达120米。

  

  望京隧道,是京沈高铁全线唯一一处采用双洞单线盾构技术施工的隧道,同时也是国内首条高铁线路穿越城市区采用大直径盾构工艺的隧道。

  由于地上结构复杂,隧道的掘进需要盾构机在地下连续掘进3680米,中间无法设置任何检修井,这要求盾构各系统、各部件必须有较高的可靠性和较长的使用寿命。

  盾构采用四台直径10.9米拥有完全自主知识产权的泥水盾构机“共青团号”,高度与三层楼相当,盾构机开挖直径10.87米,全长87米,总重1500吨,仅盾构机刀盘就配备安装中心鱼尾刀、焊接贝壳刀、更换贝壳刀等各类道具352把,推进系统由共计50个油缸协同完成,堪称国内同类盾构机“巨无霸”。

  隧道从两侧采用两台挖掘机同时进行掘进,在中间的2号竖井汇合将隧道打通,创下了国内大直径盾构施工盾构机同时到达、同时接收、同时拆解、相继吊装施工技术上的先河和创举。

  

  要在这些已经建成的建筑物下方穿行,最大的要求就是不能造成土体变形。

  尤其是下穿车站密集道岔区时,需要保证每天近700余次地铁列车运行安全,变形量控制要求在正负1毫米以内,这在一般的隧道施工中几乎是不可能完成的任务。

  然而,望京隧道的精密施工通过采用气压式平衡原理,提前布置一定宽度的超前加固和水平加固通道,辅以同步双液注浆系统来控制地表沉降,居然做到了0.68毫米的沉降,达到了形变要求,成功穿越了危险区域。

  在整条隧道中,施工的沉降也都不到6毫米,远远优于规范中对隧道施工的要求。经评估,隧道上方334栋各类不同民房均未出现任何新增裂缝,旧有裂缝和缺陷没有进一步发展与扩大,望京隧道的修建真正做到了完全的“安静不打扰”。

  

  除了盾构机外,望京隧道的管片也与普通隧道管片不同,它是采用新型4D连续端钩形钢纤维部分或全部取代了钢筋,制备的钢纤维混凝土管片。

  与普通钢筋混凝土管片相比,钢纤维管片在各个方向上的抗拉强度都较好,没有明显的薄弱环节。这是因为钢纤维在管片混凝土内的分布比较均匀,可以提供不同方向上的拉力,这正适合受力形式复杂的地下隧道管片。

  与传统钢筋混凝土管片相比,这种管片还有着显著的价格优势,能节省38.9%的造价,同时显著提高管片混凝土的抗裂性能,在遭遇冻融循环、火灾高温等恶劣环境时,也有更好的性能表现。

  

  (端钩形钢纤维)

  (三)在市区施工,如何满足环保要求也是个大问题

  在北京市区进行隧道施工相比起在荒郊野岭施工还有另一个重大难点,就是严格的环保要求。

  像施工中的泥浆、沙土这些东西,虽然并不会对自然环境造成什么影响,但是在城市中却会破坏人们的生活和居住环境。在整个望京隧道作业施工过程中,成功取得绿色环保施工——泥水处理循环利用“零排放”等一系列新工艺。

  泥水盾构法施工,势必会产生大体量的超细颗粒泥浆,这种泥浆很难自然沉淀分成泥和水,如果依靠传统物理方法进行处理,然后集中排放,不仅会造成严重的环境污染,而且能耗投入高,处理这种泥浆一直是一个世界性的难题。

  

  (处理中的泥浆)

  为此,施工单位与国内高校、科研机构积极开展联合攻关,建成了首批国内大直径泥水盾构“零污染、零渗漏、零排放”泥水处理工厂,并形成掌握了国内首批全新泥水处理新技术、新标准、新经验和新制度。

  这有效解决了细颗粒地层中的泥水固液分离问题,不仅可以分离头发丝粗细的细颗粒,同时还打破了传统泥水固液分离处理只能随掘进运转的模式,实现了24小时独立运转,极大提高了泥水处理能力,对周边环境不构成污染,同时也能大量节省沉淀池的建设空间,实现盾构施工过程泥浆不落地全循环运转零排放的目标。

  

  (整洁的隧道施工现场)

  结语

  

  京沈高铁是中国“四纵四横”高速铁路网的最后一条,京沈高铁的建成意味着中国强劲的高铁框架完全搭起,中国的每一个大区域之间都被高铁网络连接了起来,哈尔滨到北京的通勤时间将被缩短到5小时以内,对于加快东北老工业基地、促进京津冀协同发展、进一步优化全国路网布局具有重大意义。

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  编辑| 史文慧

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