王全賢
(北京市政建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 北京 100055)
隨著國(guó)內(nèi)城市化進(jìn)程的加快,城市交通擁堵問(wèn)題日益突出,北京、上海、廣州等一線大城市出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)矶?,二、三線城市也逐漸擁堵起來(lái),各地基本都以發(fā)展地鐵作為解決城市交通擁堵問(wèn)題的首選舉措。由于城市環(huán)境條件的復(fù)雜性、多樣性,加上各地地層的差異,出現(xiàn)了許多新技術(shù)、新工藝,例如盾構(gòu)法、逆作法、蓋挖法、洞樁法等,尤其是盾構(gòu)法的應(yīng)用,極大地減少了施工對(duì)城市交通的干擾,以及工程對(duì)周邊建構(gòu)筑物的影響,并且成為穿越河湖路障的主要施工手段。
盾構(gòu)法目前已成為地鐵區(qū)間隧道施工的主要方法,在隧道斷面選取上,國(guó)內(nèi)地鐵大多采用雙洞單線隧道,隧道內(nèi)徑5.4或5.5 m,但一些大直徑盾構(gòu)隧道逐漸被應(yīng)用于地鐵工程,上海地鐵6號(hào)線、8號(hào)線采用了雙圓盾構(gòu),上海長(zhǎng)江隧道采用了公路軌道一體化設(shè)計(jì),在公路隧道下部預(yù)留了地鐵位置,盾構(gòu)機(jī)外徑15.43 m[1],上海地鐵 16 號(hào)線采用 11.58 m 盾構(gòu),隧道設(shè)置中隔墻[2]。
北京地鐵14號(hào)線東風(fēng)北橋站以北的3個(gè)區(qū)間采用了10.22 m盾構(gòu),隧道內(nèi)徑9 m,為單洞雙線線路。中間的將臺(tái)站和高家園站采用先隧后站的施工方式,即大盾構(gòu)先行通過(guò)車站,然后再利用盾構(gòu)隧道擴(kuò)挖成車站。從已貫通的一個(gè)區(qū)間來(lái)看,該段的盾構(gòu)機(jī)選型、管片設(shè)計(jì)、沉降控制等都是比較成功的。
地鐵建設(shè)一般都與城市線網(wǎng)布局相結(jié)合,先期建設(shè)的線路一般布置在城市主干道或次干道下,由于主干道或次干道道路較寬,選線條件相對(duì)寬松。隨著地鐵線網(wǎng)的逐漸形成,地鐵進(jìn)入線網(wǎng)加密完善階段,地鐵線路不可避免地進(jìn)入一般城市道路、繁華商業(yè)區(qū)或狹小街道下布局,兩側(cè)建筑物對(duì)選線的制約越來(lái)越嚴(yán)重;同時(shí)另一個(gè)制約地鐵建設(shè)的因素是占路施工交通疏導(dǎo)問(wèn)題,這個(gè)非技術(shù)因素往往改變地鐵施工工法,在北京施工占路遵循“占一還一”的原則,在較窄的街道實(shí)施“占路明開”的地鐵施工實(shí)際上是很難實(shí)現(xiàn)的;還有一個(gè)因素就是前期費(fèi)用,由于拆遷、管線改移、占地、商業(yè)補(bǔ)償費(fèi)用的上漲(有些車站的管線改移費(fèi)用甚至超過(guò)車站本身土建費(fèi)用),地鐵建設(shè)有時(shí)不得不采用更為復(fù)雜的施工方法。
北京地鐵14號(hào)線東風(fēng)北橋站以北的3個(gè)區(qū)間就存在這樣的情況。東風(fēng)北橋站在現(xiàn)況綠地內(nèi),具備明開條件,東風(fēng)北橋站至將臺(tái)站區(qū)間,穿越四環(huán)路、大片平房等,宜采用盾構(gòu)法;將臺(tái)站位于酒仙橋路上,酒仙橋路規(guī)劃紅線55 m,但未實(shí)現(xiàn)規(guī)劃,道路實(shí)際寬度33~45 m,車站處道路實(shí)際寬度38 m,地下有雨水管線2條、污水管線2條,以及燃?xì)?、電信、上水等管線,將臺(tái)站實(shí)施占路明開難度很大,宜采用暗挖法;將臺(tái)站—高家園站區(qū)間,大部分在現(xiàn)況道路下,但穿越兩處建筑,一處為2層樓房,另一處為5層樓房,宜采用盾構(gòu)法;高家園站位于萬(wàn)紅西街,萬(wàn)紅西街規(guī)劃道路寬度40 m,未全部實(shí)現(xiàn)規(guī)劃,道路實(shí)際寬度17~31 m,車站處寬度26 m,地下管線較多,高家園站占路明開難度很大,宜采用暗挖法;高家園站至京順路站區(qū)間,道路兩側(cè)建筑以多層磚混結(jié)構(gòu)為主,磚混結(jié)構(gòu)整體性較弱,距離線路距離較近,抵抗變形能力較差,并且穿越機(jī)場(chǎng)高速、機(jī)場(chǎng)快軌、京順路等風(fēng)險(xiǎn)源,宜采用盾構(gòu)法。
將臺(tái)站及高家園站采用“暗挖島式車站+盾構(gòu)雙洞單線區(qū)間”方案,技術(shù)上是最優(yōu)的,但存在暗挖車站較難解決盾構(gòu)接收、拆解、吊出、組裝、始發(fā)、出渣、運(yùn)料等問(wèn)題,而區(qū)間隧道暗挖法由于風(fēng)險(xiǎn)太大不宜采用,就該段而言需要一種區(qū)間盾構(gòu)法及車站暗挖法相結(jié)合的施工方法,因此“側(cè)式站臺(tái)車站+單洞雙線盾構(gòu)區(qū)間”方案被提出,即區(qū)間采用單洞雙線的大直徑盾構(gòu)隧道,盾構(gòu)不在中間車站接收和始發(fā),而是通過(guò),最終利用盾構(gòu)隧道擴(kuò)挖修建車站。采用“大盾構(gòu)+擴(kuò)挖車站”方案可以解決的問(wèn)題是:暗挖車站與盾構(gòu)區(qū)間的結(jié)合問(wèn)題;相比兩條小盾構(gòu)隧道,單條大盾構(gòu)隧道與兩側(cè)建筑物的距離要遠(yuǎn)5~6 m,振動(dòng)影響范圍更小;實(shí)現(xiàn)大盾構(gòu)多個(gè)區(qū)間連續(xù)掘進(jìn),減少盾構(gòu)轉(zhuǎn)場(chǎng)次數(shù),發(fā)揮了盾構(gòu)連續(xù)掘進(jìn)的優(yōu)勢(shì);在不具備始發(fā)井場(chǎng)地條件的車站,也可以采用盾構(gòu)法修建相鄰區(qū)間隧道;不用設(shè)置聯(lián)絡(luò)通道,減少了施工風(fēng)險(xiǎn)源;渡線設(shè)置容易,不用開挖多種斷面隧道,節(jié)約渡線段土建造價(jià);對(duì)地面交通干擾很小;改移管線量大為減少,節(jié)約前期費(fèi)用。
鑒于上述情況,在北京14地鐵號(hào)線東風(fēng)北橋至京順路站之間采用“大斷面盾構(gòu)+車站擴(kuò)挖”的方案。
盾構(gòu)機(jī)選型主要是確定盾構(gòu)機(jī)開挖面的平衡形式,確定刀盤的開口率,這兩個(gè)系統(tǒng)決定了盾構(gòu)機(jī)安全性能和適應(yīng)性能。盾構(gòu)機(jī)選型一般根據(jù)使用地段的土層情況、地下水、地面環(huán)境、安全要求、沉降要求、工期、造價(jià)等多方面綜合對(duì)比確定。大直徑盾構(gòu)國(guó)外應(yīng)用得較多,國(guó)內(nèi)上海較多,目前北京地區(qū)僅有北京站—北京西站地下直徑線盾構(gòu)機(jī)可以借鑒。
隧道穿越地層主要為粉細(xì)砂、中粗砂、黏質(zhì)粉土、粉土、細(xì)中砂等。地下水有4層,第1層為上層滯水,水位埋深 4.3~6.6 m;第 2層為潛水,水位埋深為9.4 ~11.3 m;第3 層為層間水,水位埋深18.3 ~18.4 m,第4層為承壓水,水位埋深22.3 m。隧道所在深度內(nèi)主要為第2層潛水、第3層層間水,埋深最深處局部進(jìn)入到了第4層承壓水。
隧道覆土厚度11.3~20.2 m,隧道上方有平房、綠地、道路、地下管線、2層及5層樓房等,需要穿越的有電力塔、河道、橋梁、輕軌等。
從地層條件看,土壓平衡盾構(gòu)與泥水平衡盾構(gòu)均能適應(yīng)本工程,泥水式平衡盾構(gòu)能抗較高的水壓,洞內(nèi)運(yùn)輸設(shè)備簡(jiǎn)單,但因泥水處理設(shè)備復(fù)雜且龐大,需要較大的始發(fā)井場(chǎng)地,機(jī)械造價(jià)高于土壓平衡式盾構(gòu),更適用于高水壓、厚覆土、超大斷面的工程;土壓平衡盾構(gòu)抗高水壓能力不如泥水平衡盾構(gòu),洞內(nèi)運(yùn)輸和提升系統(tǒng)較復(fù)雜,但無(wú)泥水處理設(shè)備,始發(fā)井占地面積較小,機(jī)械造價(jià)較泥水平衡盾構(gòu)低,更適用于水壓不高、覆土較淺的工程。
在數(shù)量上,大直徑盾構(gòu)機(jī)采用泥水平衡形式的居多,但近幾年由于技術(shù)的發(fā)展,大直徑盾構(gòu)機(jī)采用土壓平衡形式的逐漸增多,如日本東京中央外環(huán)線公路隧道,也采用了土壓平衡盾構(gòu)機(jī),上海外灘通道工程采用了14.27 m土壓平衡盾構(gòu)機(jī)。北京地鐵14號(hào)線在盾構(gòu)選型時(shí),主要考慮了以下幾個(gè)方面:
1)始發(fā)井場(chǎng)地條件,東風(fēng)北橋站作為盾構(gòu)始發(fā)井,能提供場(chǎng)地10000 m2,可以滿足土壓平衡和泥水平衡盾構(gòu)的始發(fā)占地條件,但考慮到本工程結(jié)束后,該盾構(gòu)機(jī)用于其他地鐵線或工程,場(chǎng)地條件可能沒(méi)有這么寬松,在始發(fā)井占地方面,土壓平衡盾構(gòu)要比泥水平衡盾構(gòu)機(jī)具有優(yōu)勢(shì)。
2)北京地鐵埋深較淺,基本在30 m以內(nèi),14號(hào)線擬采用大盾構(gòu)地段覆土厚度11.3~20.2 m,縱坡3‰~27‰,土壓平衡盾構(gòu)在較小覆土條件下具有優(yōu)勢(shì),雖然止水方面不如泥水平衡盾構(gòu)機(jī),但因北京無(wú)大江大河等高水頭地段,土壓平衡盾構(gòu)止水性能完全能滿足北京地鐵工程要求。
3)擬采用大盾構(gòu)段,穿越大片民房、一般道路和地下管線,以及四環(huán)路、機(jī)場(chǎng)高速高架橋、機(jī)場(chǎng)快軌高架橋,地面沉降和地層變位控制標(biāo)準(zhǔn)高,而土壓平衡盾構(gòu)機(jī)在控制地面沉降及地層變位方面較泥水平衡盾構(gòu)具有一定優(yōu)勢(shì)。
4)雖然該段未勘探到砂卵石地層,但考慮到該盾構(gòu)機(jī)可能用于北京其他地鐵工程,泥水平衡盾構(gòu)機(jī)尚需加裝破碎裝置,而土壓平衡盾構(gòu)機(jī)地層適應(yīng)性更強(qiáng)。
5)土壓平衡盾構(gòu)機(jī)無(wú)泥水分離裝置,整體構(gòu)造簡(jiǎn)潔,便于維護(hù),用電量較省,盾構(gòu)機(jī)造價(jià)相對(duì)較低。
6)北京具有豐富的土壓平衡盾構(gòu)施工經(jīng)驗(yàn),有利于操作人員盡快掌握機(jī)械性能、操作工藝等。
7)在與國(guó)外知名盾構(gòu)制造商進(jìn)行交流時(shí),多數(shù)廠商建議采用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)。
綜合上述各項(xiàng)因素,土壓平衡盾構(gòu)在本工程具有更大優(yōu)勢(shì),完全能夠滿足地質(zhì)條件、工程條件、環(huán)境條件與工期等要求,因此選用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)。
刀盤形式大體可分輻條式和面板式,兩種刀盤外觀差別在開口率上,內(nèi)在差別在開挖面土體穩(wěn)定性的控制機(jī)理上。對(duì)于外徑10.22 m的盾構(gòu)機(jī),兩種形式的刀盤形式均能滿足工程的要求,面板式刀盤適應(yīng)性更強(qiáng)一些,但本工程要求的側(cè)重點(diǎn)在于地面沉降和地層變位控制,開挖面土體穩(wěn)定性要求更高,土壓調(diào)整反應(yīng)速度要更迅速。本工程地層無(wú)需加裝滾刀,輻條式刀盤更適合于北京地區(qū)的地層,該盾構(gòu)直徑適中,所以選用輻條式刀盤。盾構(gòu)機(jī)刀盤形式見圖1。
圖1 10.22 m盾構(gòu)機(jī)
盾構(gòu)機(jī)的其他主要參數(shù)見表1。
表1 盾構(gòu)機(jī)主要參數(shù)
東風(fēng)北橋站為明開島式站臺(tái)車站,在站后設(shè)置120 m過(guò)渡段,線間距由15 m漸變至4.0 m,在過(guò)渡段端頭設(shè)置盾構(gòu)始發(fā)井,始發(fā)井尺寸16.2 m×21 m。
大盾構(gòu)線路平面設(shè)計(jì)最小曲線半徑350 m,最大縱坡27‰,區(qū)間隧道線間距4.0 m,將臺(tái)站和高家園站線間距調(diào)整為4.2 m,在將臺(tái)站站后設(shè)置渡線,在區(qū)間中間低點(diǎn)設(shè)置泵站。
北京地鐵14號(hào)線車輛為A型車,通過(guò)對(duì)區(qū)間車輛限界、區(qū)間空間利用、車站布置、工程造價(jià)等方面的比較,單洞雙線盾構(gòu)區(qū)間隧道的建筑限界為8800 mm,另外,考慮施工誤差、結(jié)構(gòu)變形、隧道沉降以及測(cè)量誤差等,在隧道周邊預(yù)留100 mm的裕量,隧道管片內(nèi)凈空理論值為R=8800+100+100=9000 mm,即盾構(gòu)隧道內(nèi)徑9 m。
由于區(qū)間及擴(kuò)挖車站管片需設(shè)置預(yù)埋鐵,因而選用標(biāo)準(zhǔn)襯砌環(huán)、左轉(zhuǎn)彎襯砌環(huán)和右轉(zhuǎn)彎襯砌環(huán)組合的形式。雖然管片類型有3種,管片模具的利用率有所降低,但該組合施工方便,操作簡(jiǎn)單,預(yù)埋鐵板位置也容易得到保證。
加大襯砌環(huán)的寬度,可使同等長(zhǎng)度隧道內(nèi)縱向連接螺栓數(shù)量減少,防水密封膠條用量減少,并減少漏水環(huán)節(jié),有利于提高隧道的縱向剛度,降低工程造價(jià),加快施工進(jìn)度,因此綜合考慮隧道直徑、管片重量等因素環(huán)寬選用1.8 m。
因采用擴(kuò)挖法,襯砌環(huán)分塊需要滿足區(qū)間和車站兩部分的結(jié)構(gòu)受力和車站擴(kuò)挖施工要求,襯砌環(huán)分塊綜合考慮的因素有:①區(qū)間采用錯(cuò)縫拼裝;②車站擴(kuò)挖范圍采用通縫拼裝;③管片分塊需結(jié)合車站擴(kuò)挖工序、擴(kuò)挖臨時(shí)支撐位置;④方便管片的拆除,盡可能整塊拆卸,利于管片的回收和再利用;⑤盡量減小管片質(zhì)量。
由于隧道直徑大,車站為盾構(gòu)過(guò)站后擴(kuò)挖形式,為降低擴(kuò)挖施工難度,控制管片最大質(zhì)量,襯砌環(huán)分塊采用8+1形式,每環(huán)9塊,每塊40°。區(qū)間錯(cuò)縫拼裝,錯(cuò)縫角度10°,擴(kuò)挖車站通縫拼裝,封頂塊正放,單塊最大質(zhì)量77.6 kN。
隧道管片分塊見圖2,管片主要參數(shù)見表2。
圖2 隧道管片分塊
表2 管片參數(shù)
襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算考慮的荷載有:永久荷載(結(jié)構(gòu)自重、地層壓力、隧道上部設(shè)施及建筑物壓力、水壓及浮力、設(shè)備質(zhì)量等)、可變荷載(地面車輛荷載及其沖擊力、地下鐵道車輛荷載及其沖擊力、人群荷載等)、偶然荷載(地震荷載、人防荷載)、施工荷載(盾構(gòu)千斤頂頂力、不均勻注漿壓力、相鄰隧道施工的影響等)、結(jié)構(gòu)內(nèi)部荷載(地鐵車輛震動(dòng)荷載、固定設(shè)備荷載等)、特殊荷載等。
上覆土層以及盾構(gòu)穿越土層取典型地層斷面,管片采用C50混凝土,厚度500 mm,考慮最高和最低地下水位兩種工況,采用修正慣用法進(jìn)行管片內(nèi)力計(jì)算。按照兩種計(jì)算工況進(jìn)行計(jì)算后,管片內(nèi)力分布見圖3~圖5。
圖3 彎矩圖
始發(fā)場(chǎng)地設(shè)置在東風(fēng)北橋站,先施工過(guò)渡段結(jié)構(gòu)及明開車站主體結(jié)構(gòu),完成之后回填,硬化地面,作為盾構(gòu)的始發(fā)用地,本車站可提供8000 m2作為盾構(gòu)的始發(fā)場(chǎng)地??紤]盾構(gòu)推進(jìn)距離在3 km以上,盾構(gòu)后配套設(shè)備的能力均按一次出土考慮,豎井設(shè)置2臺(tái)門式起重機(jī),1臺(tái)下放管片,1臺(tái)提升土斗。
隧道內(nèi)設(shè)置軌道運(yùn)輸系統(tǒng),軌距900 mm,電瓶車牽引。
大直徑盾構(gòu)機(jī)組裝比較復(fù)雜,周期長(zhǎng),需要2~3個(gè)月,設(shè)備調(diào)試需要1個(gè)多月。從完成的東風(fēng)北橋站—將臺(tái)站區(qū)間施工情況看,大盾構(gòu)正常掘進(jìn)可以達(dá)到300—500 m/月,日進(jìn)尺一般8~12環(huán),最快日進(jìn)尺16環(huán)。盾構(gòu)刀盤扭矩在40% ~60%之間,盾構(gòu)總推力在50000~60000 kN之間。隧道軸線偏差控制符合規(guī)范規(guī)定,管片拼裝外觀良好,見圖6。
通過(guò)對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析,在正常推進(jìn)情況下,地面沉降存在以下規(guī)律:盾構(gòu)機(jī)刀盤前方在1倍埋深距離范圍內(nèi)的地表隆起,隆起量為5 mm左右,在管片脫出盾尾后下沉速率突然加大,下沉絕對(duì)值在10~20 mm,之后隨同步注漿,下沉速率減緩,累計(jì)下沉量在15 mm左右,至二次補(bǔ)漿結(jié)束,地面再度隆起8~10 mm,然后再緩慢下沉,最終沉降穩(wěn)定時(shí),累計(jì)沉降量在10 mm左右。
盾構(gòu)隧道先后成功地穿越了四環(huán)路、大片民房、電力塔、壩河及酒仙橋橋,最終沉降值基本上控制在允許范圍內(nèi),總結(jié)720環(huán)的掘進(jìn)經(jīng)驗(yàn),以下措施對(duì)控制沉降是非常有效的:根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)設(shè)置土壓力,并保持土壓力在一個(gè)合理的范圍,減少其波動(dòng)幅度;適當(dāng)加大同步注漿流量;適當(dāng)提高二次補(bǔ)漿壓力。
圖6 盾構(gòu)隧道
大盾構(gòu)與車站施工結(jié)合問(wèn)題,主要有兩個(gè)方案:①車站明挖,盾構(gòu)空推過(guò)站,車站形成支撐結(jié)構(gòu)后盾構(gòu)整體通過(guò),這種方法需要對(duì)車站局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整,設(shè)置臨時(shí)支撐或后澆結(jié)構(gòu),以提供一個(gè)大于盾構(gòu)機(jī)外徑的過(guò)站空間,這種過(guò)站方式在技術(shù)上是不難實(shí)現(xiàn)的;②盾構(gòu)先行通過(guò),車站擴(kuò)挖,盾構(gòu)機(jī)先行通過(guò)車站,然后利用盾構(gòu)隧道作為車站的中洞,再擴(kuò)挖形成車站的站臺(tái)層。
結(jié)合圖7~圖9,車站擴(kuò)挖的主要步序是:①先施工車站外掛集散廳,利用集散廳基坑作為施工豎井,在車站的兩個(gè)端頭橫向開挖風(fēng)道,完成風(fēng)道二次結(jié)構(gòu);②盾構(gòu)穿過(guò)風(fēng)道和車站,在盾構(gòu)隧道內(nèi)施工底縱梁、中柱、頂縱梁,形成車站的中柱,并架設(shè)洞內(nèi)臨時(shí)支撐;③利用風(fēng)道作為施工橫通道,開挖車站兩側(cè)導(dǎo)洞,并在小導(dǎo)洞內(nèi)實(shí)施PBA工法;④對(duì)稱開挖中洞,初襯扣拱,貫通后沿隧道縱向分段拆除管片,完成二襯扣拱;⑤自上而下開挖土方,拆除側(cè)導(dǎo)洞內(nèi)部隔壁,拆除盾構(gòu)管片,開挖至隧道底,完成二襯封閉,擴(kuò)挖車站形成。
由于車站擴(kuò)挖只形成了站臺(tái)層,設(shè)備用房乘客集散廳可通過(guò)站旁外掛結(jié)構(gòu)的方式來(lái)解決,見圖10。
圖10 大直徑盾構(gòu)擴(kuò)挖車站外掛集散廳斷面
站臺(tái)層設(shè)于路中,集散廳和設(shè)備用房設(shè)置在車站之外,車站可結(jié)合周邊環(huán)境靈活布置,站臺(tái)與站廳由跨線通道連接。
在管片拆除時(shí)二襯未閉合成環(huán),為關(guān)鍵受力工況,因此需分段拆除管片;在施工二襯時(shí),采取頂梁設(shè)置抗剪鍵和側(cè)向臨時(shí)支撐措施避免偏載。單塊管片質(zhì)量為77.6 kN,在有限空間內(nèi)管片拆除力求對(duì)稱、快速,實(shí)際施工擬制作專用的拆除裝置,提高拆除效率,保證拆除安全。
從北京地鐵14號(hào)線大直徑盾構(gòu)隧道已經(jīng)貫通的一個(gè)區(qū)間來(lái)看,盾構(gòu)掘進(jìn)速度、地面沉降控制等都達(dá)到了預(yù)期目的,盾構(gòu)機(jī)選型、管片設(shè)計(jì)等均得到進(jìn)一步驗(yàn)證,北京地鐵大盾構(gòu)技術(shù)取得初步成功。從現(xiàn)場(chǎng)施工效果來(lái)看,大盾構(gòu)結(jié)合擴(kuò)挖車站施工技術(shù),基本上實(shí)現(xiàn)了不影響道路交通、不改或少改地下管線的設(shè)計(jì)意圖。
大斷面盾構(gòu)結(jié)合擴(kuò)挖車站的施工方法,是應(yīng)對(duì)在狹窄街道下,且有大量地下管線的地段修建地鐵的有效方案,既解決了困難地段車站的修建問(wèn)題,又提高了盾構(gòu)在區(qū)間的利用效率,減少了施工風(fēng)險(xiǎn),增加了車站站位選擇的靈活性,為今后北京地鐵乃至全國(guó)地鐵的建設(shè)提供一種新的工法和思路。
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