上海城市交通隧道盾構(gòu)施工技術(shù)綜述

內(nèi)容提要：上海城市軌道交通規(guī)劃總長(zhǎng)385km，地鐵區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法已建設(shè)約100km。本文介紹了上海交通隧道的綜合施工技術(shù)，結(jié)合上海大浦路隧道、延安東路隧道、外灘觀光隧道、大連路隧道、地鐵隧道和雙圓隧道工程等，重點(diǎn)論述了網(wǎng)格式擠壓盾構(gòu)技術(shù)、土壓平衡盾構(gòu)技術(shù)和大直徑泥水加壓盾構(gòu)技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：城市交通隧道 網(wǎng)格盾構(gòu) 土壓盾構(gòu) 雙圓盾構(gòu) 泥水盾構(gòu) 滬崇蘇越江工程

1　前言
上海城市人口1450萬，流動(dòng)人口300萬，面積6340km2，目前已經(jīng)成為中國(guó)的經(jīng)濟(jì)、貿(mào)易、金融、航運(yùn)中心城市。城市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展促進(jìn)城市建設(shè)尤其是交通建設(shè)的發(fā)展，城市地下軌道交通具有快捷、安全的特點(diǎn)。上海城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃17條線路，總長(zhǎng)780km，其中地鐵11條線，長(zhǎng)度385km。已建3條線，其中地鐵2條線；在建4條線，其中地鐵2條線。地鐵區(qū)間隧道總長(zhǎng)度達(dá)700km（雙線），采用盾構(gòu)法施工，已建約100km。
黃浦江從東北至西南流經(jīng)上海城區(qū)，把上海分為浦東、浦西2部分，江面寬500m~700m，主航道水深14m~16m。近10年來，浦東的迅速發(fā)展促進(jìn)了越江交通工程建設(shè)，采用大直徑盾構(gòu)建造江底交通隧道已得到廣泛的應(yīng)用。已建隧道5條，在建隧道4條擬建隧道6條。
上海地層為第四紀(jì)沉積層，其中0~40m深度內(nèi)均為軟弱地層，主要為粘土、粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粉砂土等，這類土顆粒微細(xì)、固結(jié)度低，具有高容水性、高壓縮性、易塑流等特性。在該類地層中進(jìn)行盾構(gòu)隧道掘進(jìn)施工，開挖面穩(wěn)定和控制周圍地層的變形沉降十分困難。
上海地區(qū)盾構(gòu)隧道技術(shù)的應(yīng)用，始于1965年，近40年來，尤其是近10年來，盾構(gòu)隧道技術(shù)廣泛用于地鐵隧道、越江公路隧道和其它市政公用隧道。本文就上海城市交通隧道盾構(gòu)施工技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)狀，作一個(gè)回顧和綜述。

2　網(wǎng)絡(luò)擠壓盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)的開發(fā)和隧道工程應(yīng)用
2.1　Φ5.18m網(wǎng)格擠壓盾構(gòu)及上海地鐵試驗(yàn)工程
1964年，上海市決定進(jìn)行地鐵擴(kuò)大試驗(yàn)工程，線路位于衡山路北側(cè)，建2條長(zhǎng)600m的區(qū)間隧道，隧道復(fù)土10m，隧道外徑5.6m，內(nèi)徑5m。隧道掘進(jìn)施工采用2臺(tái)自行設(shè)計(jì)制造的Φ5.8m網(wǎng)格擠壓盾構(gòu)，輔以氣壓穩(wěn)定開挖面土體，于1966年底完成1200m地鐵區(qū)間掘進(jìn)施工，地面沉降達(dá)10cm。
2.2　打浦路隧道Φ10.2m網(wǎng)格擠壓盾構(gòu)掘進(jìn)施工
1965年，上海第一條穿越黃浦江底的車行隧道――打浦路隧道，全長(zhǎng)2761m，主隧道1324m采用Φ10.2m網(wǎng)格擠壓盾構(gòu)掘進(jìn)施工，黃浦江約600m，水深16m，見圖1所示。

φ10.2m網(wǎng)格擠壓盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)是中國(guó)第一臺(tái)最大直徑的盾構(gòu)，盾構(gòu)總推力達(dá)7.84×104KN，為穩(wěn)定開挖面土體，采用氣壓輔助施工方法。盾構(gòu)穿越的地層為淤泥質(zhì)粘土和粉砂層，在岸邊采用降水輔助工法和氣壓輔助工法，在江中段采用全氣壓局部擠壓出土法施工。盾構(gòu)見圖2所示。

圓隧道外徑10m，由8塊鋼筋混凝土管片拼裝而成。管片環(huán)寬90cm，厚60cm。管片環(huán)向接頭采用雙排鋼螺栓聯(lián)接。襯砌接縫防水采用環(huán)氧樹脂。打浦路隧道于1970年底建成通車，至今已運(yùn)營(yíng)33年。
2.3　延安東路隧道北線Φ11.3m網(wǎng)格擠壓水力出土盾構(gòu)施工
1983年，位于上?！⊥鉃┑难影矕|路隧道北線工程開工建設(shè)，隧道全長(zhǎng)2261m，為穿越黃江底的2車道隧道，其中1310m為圓形主隧道，采用盾構(gòu)法施工，隧道外徑11m，隧道襯砌由8塊高精度鋼筋混凝土管片拼裝而成，管片環(huán)寬100cm，厚55cm，接縫防水采用氯丁橡膠防水條。
隧道北線圓形主隧道采用了上海隧道工程公司自行設(shè)計(jì)研制的φ11.3m網(wǎng)格型水力出土盾構(gòu)，見圖3所示。在密封艙內(nèi)采用高壓水槍沖切開挖面，擠壓進(jìn)網(wǎng)絡(luò)的土體，攪拌成泥漿后通過泥漿泵接力輸送，實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)、出土運(yùn)輸自動(dòng)化。網(wǎng)格上布有30扇液壓閘門，具有調(diào)控進(jìn)土部位、面積和進(jìn)土量的作用，可輔助盾構(gòu)糾偏和地面沉降控制。網(wǎng)格板上還布設(shè)了20只鋼弦式土壓計(jì)，可隨時(shí)監(jiān)測(cè)開挖面各部位的土壓值變化，實(shí)現(xiàn)了信息化施工。盾構(gòu)最大推力可達(dá)1.08×105KN。盾構(gòu)順利穿越江中段淺復(fù)土層和浦西500m建筑密集區(qū)，保護(hù)了沿線的主要建筑物和地下管線。

3　土壓平衡盾構(gòu)在城市交通隧道工程的應(yīng)用和發(fā)展
3.1　土壓平衡盾構(gòu)的引進(jìn)和開發(fā)應(yīng)用
近年來，我國(guó)的城市地鐵隧道、市政隧道、水電隧道、公路交通隧道已經(jīng)越來越多地采用全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)施工，其中用得最多的是土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)。上海、廣州、深圳、南京、北京的地鐵區(qū)間隧道已經(jīng)采用了31臺(tái)直徑6.14m～6.34m的土壓平衡盾構(gòu)，掘進(jìn)區(qū)間隧道總長(zhǎng)度達(dá)400km。土壓盾構(gòu)具有機(jī)械化程度高、開挖面穩(wěn)定、掘進(jìn)速度快、作業(yè)安全等優(yōu)點(diǎn)，在隧道工程中有廣泛的發(fā)展前景。
土壓平衡盾構(gòu)適用于各種粘性地層、砂性地層、砂礫土層。對(duì)于風(fēng)化巖地層、軟土與軟巖的混合地層，可采用復(fù)合型的土壓平衡盾構(gòu)。在砂性、砂礫、軟巖地層采用土壓盾構(gòu)掘進(jìn)施工，應(yīng)在土艙、螺旋輸送機(jī)內(nèi)以及刀盤上注入潤(rùn)滑泥漿或泡沫，以改良土砂的塑流性能。
3.2　Φ6.34m土壓盾構(gòu)在上海地鐵工程中的應(yīng)用
1990年，上海地鐵1號(hào)線開工建設(shè)，雙線區(qū)間隧道選用土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)，經(jīng)國(guó)際招標(biāo)，7臺(tái)Φ6.34m土壓盾構(gòu)由法國(guó)FCB公司、上海市隧道工程公司、上海市隧道工程設(shè)計(jì)院、上海滬東造船廠聯(lián)合體中標(biāo)，利用法國(guó)混合貸款1.32億法郎。第1臺(tái)Φ6.34m土壓盾構(gòu)于1991年6月始發(fā)推進(jìn)，7臺(tái)盾構(gòu)掘進(jìn)總長(zhǎng)度17.37km，1993年2月全線貫通，掘進(jìn)施工期僅20個(gè)月，每臺(tái)盾構(gòu)的月掘進(jìn)長(zhǎng)度達(dá)200～250m。掘進(jìn)施工穿越市區(qū)建筑群、道路、地下管線等，地面沉降控制達(dá)＋1cm～－3cm。Φ6.34m土壓平衡盾構(gòu)見圖4所示，其主要技術(shù)性能見表1。

1995年上海地鐵二號(hào)線24.12km區(qū)間隧道開始掘進(jìn)施工，地鐵一號(hào)線工程所用的7臺(tái)Φ6.34m土壓盾構(gòu)經(jīng)維修以后，繼續(xù)用于二號(hào)線區(qū)間隧道掘進(jìn)，同時(shí)又從法國(guó)FMT公司和上海的聯(lián)合體購(gòu)置2臺(tái)土壓盾構(gòu)，上海隧道工程股份有限公司制造1臺(tái)土壓盾構(gòu)，共計(jì)10臺(tái)土壓盾構(gòu)用于隧道施工。
于2000年開工興建的上海地鐵明4號(hào)工程區(qū)間隧道仍將使用這10臺(tái)Φ6.34m土壓平衡盾構(gòu)施工。2001年，向日本三菱重工購(gòu)置4臺(tái)Φ6.34m土壓平衡盾構(gòu)，共計(jì)14臺(tái)盾構(gòu)正在掘進(jìn)施工。
上海地鐵隧道外徑6.2m，襯砌環(huán)由6塊鋼筋混凝土管片拼裝而成，通縫拼裝，環(huán)寬100cm，管片厚35cm。見圖5所示，地鐵4號(hào)線部分區(qū)間隧道管片采用錯(cuò)縫拼裝，環(huán)寬120cm。

上海地鐵2號(hào)與1號(hào)線垂直相交，盾構(gòu)從1號(hào)線區(qū)間隧道下1m穿越，掘進(jìn)施工中采用地層注漿加固、跟蹤注漿、信息化施工等技術(shù)措施，確保1號(hào)線地鐵安全運(yùn)營(yíng)，沉降控制在2cm以內(nèi)。地鐵4號(hào)線與2號(hào)線區(qū)間隧道相交，4號(hào)線盾構(gòu)從2號(hào)線隧道下1m穿越。Φ6.34m土壓盾構(gòu)在城市建筑群下穿越，其沉降一般也在4cm以內(nèi)。盾構(gòu)平均月推進(jìn)長(zhǎng)度約250m，最快達(dá)400m/月。
3.3　雙圓形盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的引進(jìn)和應(yīng)用
2002年，上海地鐵8號(hào)線黃興路至開魯路站三個(gè)區(qū)間隧道，長(zhǎng)度2,688m，采用DOT雙圓盾構(gòu)隧道工法，并從日本引進(jìn)2臺(tái)Φ6300m×W10900mm的雙圓形土壓盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)。雙圓盾構(gòu)見圖所示，其主要技術(shù)參數(shù)見表2。

雙圓隧道襯砌采用預(yù)制鋼筋混凝土管片，錯(cuò)縫拼裝；每環(huán)管片由11塊管片拼裝而成，其中2塊為海鷗形，1塊為柱形。管片厚度30cm，環(huán)寬120cm，見圖7所示。

3.4　Φ7.64m土壓盾構(gòu)掘進(jìn)外灘觀光隧道
3.4.1 工程概況
上海外灘觀光隧道是我國(guó)第一條行人過江專用隧道，是一條連接南京路外灘和陸家嘴東方明珠塔的江底隧道，全長(zhǎng)646m，隧道內(nèi)徑6.76m。隧道內(nèi)通行一來一往2條觀光車軌道。
外灘觀光隧道于1998年初開工，1999年底建成運(yùn)營(yíng)，土建工程包括黃浦江兩岸的2座出入口豎井和一條過江隧道，見圖8所示。隧道位于延安東路隧道北側(cè)，并與上海地鐵二號(hào)線2條過江區(qū)間隧道在江底交叉。隧道穿越的主要地層為粘土、粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粘土和砂質(zhì)粉土。

隧道襯砌環(huán)由6塊鋼筋混凝土管片拼裝而成，管片設(shè)計(jì)強(qiáng)度C50，抗?jié)B等級(jí)S8，環(huán)寬120cm，厚35cm。管片接縫防水采用EPDM多孔橡膠止水帶，管片背面涂防水層。
3.4.2 φ7.65m土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)施工
隧道掘進(jìn)采用φ7.65m土壓平衡盾構(gòu)，見圖9所示。盾構(gòu)大刀盤切削土體，為幅條式結(jié)構(gòu)。盾構(gòu)長(zhǎng)8.935m，中間有較接裝置，易于糾偏施工。盾構(gòu)最大推力5.2×104KN。盾構(gòu)密閉艙內(nèi)充滿切削土砂，通過直徑900mm的螺雙輸送機(jī)排土，通過推進(jìn)速度、螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速、排土量來控制密閉艙土壓，使之與開挖面水壓力平衡。盾構(gòu)掘進(jìn)速度為0～4cm/min。

盾構(gòu)于1998年11月始發(fā)推進(jìn)，隧道縱坡達(dá)4.8%，；平曲線最小半徑為400m，均為國(guó)內(nèi)越江盾構(gòu)隧道之最。盾構(gòu)初推段100m內(nèi)進(jìn)行了土體變形、土應(yīng)力、孔隙水壓的監(jiān)測(cè)，反饋盾構(gòu)施工，調(diào)整盾構(gòu)施工參數(shù)，控制施工軸線和地表沉降。盾構(gòu)掘進(jìn)的平均速度達(dá)8m/d，646m隧道共花費(fèi)3個(gè)月的時(shí)間完成，工程質(zhì)量?jī)?yōu)良。
3.5　 3.8m×3.8m矩形土壓盾構(gòu)掘進(jìn)地鐵過街人行地道
常用的盾構(gòu)隧道掘進(jìn)機(jī)為圓形，主要是圓形結(jié)構(gòu)受力合理，圓形掘進(jìn)機(jī)施工摩阻力小，即使機(jī)頭旋轉(zhuǎn)也影響小。但是圓形隧道往往斷面空間利用率低，尤其在人行地道和在行隧道工程中，矩形、橢圓型、馬蹄形、雙圓形和多圓形斷面更為合理。日本80年代開發(fā)應(yīng)用了矩形隧道，在90年代開發(fā)應(yīng)用了任意截面盾構(gòu)和多圓盾構(gòu)，并完成了多項(xiàng)人行隧道、公路隧道、鐵路隧道、地鐵隧道、排水隧道、市政共同溝隧道等，使異形盾構(gòu)技術(shù)日益成熟，異形斷面隧道工程日益增多。
我國(guó)于1995年開始研究矩形隧道技術(shù)，1996年研制1臺(tái)2.5m×2.5m可變網(wǎng)格矩形頂管掘進(jìn)機(jī)，頂進(jìn)矩形隧道60m，解決了推進(jìn)軸線控制、糾偏技術(shù)、深降控制、隧道結(jié)構(gòu)等技術(shù)難題。1999年5月，上海地鐵二號(hào)線陸家嘴路站62m過街人行地道采用矩形頂管掘進(jìn)機(jī)施工，研制1臺(tái)3.8m×3.8m組合刀盤矩形頂管掘進(jìn)機(jī)，具有全斷面切削和土壓平衡功能，螺旋輸送機(jī)出土，掘進(jìn)機(jī)的主要工作參數(shù)見表3，矩形頂管掘進(jìn)機(jī)見圖10。

4　大直徑泥水加壓盾構(gòu)掘進(jìn)越江公路隧道施工
4.1 延安東路隧道南線Φ11.22m泥水加壓盾構(gòu)掘進(jìn)施工
1995年，為發(fā)展浦東建設(shè)需要，上海延安東路隧道南線開工建設(shè)，為縮短工期和保護(hù)隧道沿線建筑物的需求，引進(jìn)日本三菱重工制造的Φ11.22m泥水加壓盾構(gòu)。盾構(gòu)本體示意見圖11。
隧道南線1300m圓形主隧道采用日本三菱重工制造的φ11.22m泥水加壓盾構(gòu)掘進(jìn)施工，盾構(gòu)本體示意見圖5。盾構(gòu)采用刀盤切削，總推力達(dá)1.12×105KN，刀盤扭矩4635kn·m，最大掘進(jìn)速度46mm/min。盾構(gòu)密封艙充滿壓力泥漿與開挖面水土壓保持平衡，并在開挖面形成泥膜，起到穩(wěn)定的作用。盾構(gòu)設(shè)有掘進(jìn)管理、泥水輸送、泥水分離和盾尾同步雙液注漿系統(tǒng)。掘進(jìn)管理和姿態(tài)自動(dòng)計(jì)測(cè)系統(tǒng)能及時(shí)反映盾構(gòu)掘進(jìn)施工的幾十項(xiàng)參數(shù)，便于準(zhǔn)確設(shè)定和調(diào)整各類參數(shù)。

4.2　大連路隧道Φ11.22m泥水加壓盾構(gòu)掘進(jìn)施工
上海大連路隧道全長(zhǎng)2565m，為2來2去的兩條雙車道隧道，工程總投資16.55億元。工程于2001年5月25日開工，合同工期28個(gè)月。隧道平、剖面見圖12所示。

圓形主長(zhǎng)1263m，采用2臺(tái)Φ11.22m泥水加壓盾構(gòu)同時(shí)掘進(jìn)施工。隧道襯砌結(jié)構(gòu)在延安東路隧道工程的基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化改良，拼裝形式由通縫改為錯(cuò)縫，管片厚度從55cm改為48cm，環(huán)寬由100cm增大為150cm，管片分塊由8塊增為9塊，管片連接螺栓由直螺栓改為彎螺栓，螺栓手孔改小，管片形式由箱形改為平板型。隧道襯砌結(jié)構(gòu)見圖13。

泥水加壓盾構(gòu)的泥水輸送和泥水處理是盾構(gòu)施工的重要組成部分，公司自選研究設(shè)計(jì)制造了適應(yīng)上海軟土地層的泥水分離系統(tǒng)，見圖14所示。

盾構(gòu)進(jìn)出洞土體加固全部采用凍結(jié)法。
西線隧道于2002年3月28日始發(fā)推進(jìn)，至9月20日隧道貫通，工期6個(gè)月。東線隧道于6月18日 發(fā)推進(jìn)，至12月底隧道貫通。盾構(gòu)掘進(jìn)速度平均為8m/d，最快為15m/d。兩條隧道最小間距為6m。
大連路隧道于2003年9月建成通車，總工期僅28個(gè)月，是上海越江公路隧道建設(shè)周期最短的。
4.3 上海越江交通工程的發(fā)展
2001年底，復(fù)興東路隧道工程開工建設(shè)，為2條3車道隧道，隧道外徑11m，分為上下兩層，是我國(guó)第一條雙層隧道，全長(zhǎng)2785m。2條1215m主隧道于2003年2月和5月先后始發(fā)推進(jìn)，于11月隧道貫通。
2003年6月，翔殷路隧道工程開工建設(shè)，為2條2車道隧道，隧道全長(zhǎng)2597m，隧道外徑11.36m，內(nèi)徑10.2m，是目前車道最寬的盾構(gòu)隧道，設(shè)計(jì)車速可達(dá)80km/h。
正在設(shè)計(jì)中的越江隧道有軍工路隧道和上中路隧道(中環(huán)線配套工程)，正在規(guī)劃中的越江隧道有長(zhǎng)江西路、新建路、人民路、耀華路等4處。
長(zhǎng)江口越江通道工程是連接上海－崇明－江蘇北部的重要交通工程，位于長(zhǎng)江口，從上海浦東－橫沙島－崇明島－南通，采用橋隧結(jié)合的工程方案，全長(zhǎng)68km，為3來3去6車道，設(shè)計(jì)車速100km/h。其中浦東5號(hào)溝至橫沙島穿越長(zhǎng)江南港，采用盾構(gòu)隧道施工，全長(zhǎng)約8.5km，隧道外徑15.2m。橫沙島至崇明島越江北港，采用橋梁施工，全長(zhǎng)9.54km。見圖15所示。直徑Φ15.2m的盾構(gòu)隧道，目前是世界上最大直徑的盾構(gòu)隧道，隧道斷面見圖16。

5　結(jié)語
上海城市交通隧道工程的發(fā)展提高了盾構(gòu)隧道技術(shù)的水平。從最初的網(wǎng)格擠壓盾構(gòu)，發(fā)展到目前的土壓平衡盾構(gòu)和泥水加壓盾構(gòu)，盾構(gòu)機(jī)向機(jī)械化、自動(dòng)化、信息化發(fā)展，掘進(jìn)速度快，盾構(gòu)開挖面穩(wěn)定，地面沉降控制好，環(huán)境影響小。盾構(gòu)襯砌不斷改進(jìn)和優(yōu)化。盾構(gòu)與隧道技術(shù)正在向大深度、大直徑、長(zhǎng)距離掘進(jìn)發(fā)展。雙圓隧道、矩形隧道技術(shù)也得到應(yīng)用。隨著上海城市交通隧道工程建設(shè)的不斷發(fā)展，盾構(gòu)隧道技術(shù)水平將進(jìn)一步的發(fā)展和提高。

參考文獻(xiàn)
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