上海城市交通隧道盾構施工技術綜述

內容提要：上海城市軌道交通規(guī)劃總長385km，地鐵區(qū)間隧道采用盾構法已建設約100km。本文介紹了上海交通隧道的綜合施工技術，結合上海大浦路隧道、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，重點論述了網(wǎng)格式擠壓盾構技術、土壓平衡盾構技術和大直徑泥水加壓盾構技術的開發(fā)與應用。
關鍵詞：城市交通隧道 網(wǎng)格盾構 土壓盾構 雙圓盾構 泥水盾構 滬崇蘇越江工程

1　前言
上海城市人口1450萬，流動人口300萬，面積6340km2，目前已經(jīng)成為中國的經(jīng)濟、貿(mào)易、金融、航運中心城市。城市的經(jīng)濟發(fā)展促進城市建設尤其是交通建設的發(fā)展，城市地下軌道交通具有快捷、安全的特點。上海城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃17條線路，總長780km，其中地鐵11條線，長度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)間隧道總長度達700km（雙線），采用盾構法施工，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)展促進了越江交通工程建設，采用大直徑盾構建造江底交通隧道已得到廣泛的應用。已建隧道5條，在建隧道4條擬建隧道6條。
上海地層為第四紀沉積層，其中0~40m深度內均為軟弱地層，主要為粘土、粉質粘土、淤泥質粘土、淤泥質粉質粘土、粉砂土等，這類土顆粒微細、固結度低，具有高容水性、高壓縮性、易塑流等特性。在該類地層中進行盾構隧道掘進施工，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)盾構隧道技術的應用，始于1965年，近40年來，尤其是近10年來，盾構隧道技術廣泛用于地鐵隧道、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施工技術的發(fā)展和現(xiàn)狀，作一個回顧和綜述。

2　網(wǎng)絡擠壓盾構掘進技術的開發(fā)和隧道工程應用
2.1　Φ5.18m網(wǎng)格擠壓盾構及上海地鐵試驗工程
1964年，上海市決定進行地鐵擴大試驗工程，線路位于衡山路北側，建2條長600m的區(qū)間隧道，隧道復土10m，隧道外徑5.6m，內徑5m。隧道掘進施工采用2臺自行設計制造的Φ5.8m網(wǎng)格擠壓盾構，輔以氣壓穩(wěn)定開挖面土體，于1966年底完成1200m地鐵區(qū)間掘進施工，地面沉降達10cm。
2.2　打浦路隧道Φ10.2m網(wǎng)格擠壓盾構掘進施工
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2761m，主隧道1324m采用Φ10.2m網(wǎng)格擠壓盾構掘進施工，黃浦江約600m，水深16m，見圖1所示。

φ10.2m網(wǎng)格擠壓盾構掘進機是中國第一臺最大直徑的盾構，盾構總推力達7.84×104KN，為穩(wěn)定開挖面土體，采用氣壓輔助施工方法。盾構穿越的地層為淤泥質粘土和粉砂層，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，至今已運營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施工
1983年，位于上海　外灘的延安東路隧道北線工程開工建設，隧道全長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計研制的φ11.3m網(wǎng)格型水力出土盾構，見圖3所示。在密封艙內采用高壓水槍沖切開挖面，擠壓進網(wǎng)絡的土體，攪拌成泥漿后通過泥漿泵接力輸送，實現(xiàn)了掘進、出土運輸自動化。網(wǎng)格上布有30扇液壓閘門，具有調控進土部位、面積和進土量的作用，可輔助盾構糾偏和地面沉降控制。網(wǎng)格板上還布設了20只鋼弦式土壓計，可隨時監(jiān)測開挖面各部位的土壓值變化，實現(xiàn)了信息化施工。盾構最大推力可達1.08×105KN。盾構順利穿越江中段淺復土層和浦西500m建筑密集區(qū)，保護了沿線的主要建筑物和地下管線。

3　土壓平衡盾構在城市交通隧道工程的應用和發(fā)展
3.1　土壓平衡盾構的引進和開發(fā)應用
近年來，我國的城市地鐵隧道、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機施工，其中用得最多的是土壓平衡盾構掘進機。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臺直徑6.14m～6.34m的土壓平衡盾構，掘進區(qū)間隧道總長度達400km。土壓盾構具有機械化程度高、開挖面穩(wěn)定、掘進速度快、作業(yè)安全等優(yōu)點，在隧道工程中有廣泛的發(fā)展前景。
土壓平衡盾構適用于各種粘性地層、砂性地層、砂礫土層。對于風化巖地層、軟土與軟巖的混合地層，可采用復合型的土壓平衡盾構。在砂性、砂礫、軟巖地層采用土壓盾構掘進施工，應在土艙、螺旋輸送機內以及刀盤上注入潤滑泥漿或泡沫，以改良土砂的塑流性能。
3.2　Φ6.34m土壓盾構在上海地鐵工程中的應用
1990年，上海地鐵1號線開工建設，雙線區(qū)間隧道選用土壓平衡盾構掘進，經(jīng)國際招標，7臺Φ6.34m土壓盾構由法國FCB公司、上海市隧道工程公司、上海市隧道工程設計院、上海滬東造船廠聯(lián)合體中標，利用法國混合貸款1.32億法郎。第1臺Φ6.34m土壓盾構于1991年6月始發(fā)推進，7臺盾構掘進總長度17.37km，1993年2月全線貫通，掘進施工期僅20個月，每臺盾構的月掘進長度達200～250m。掘進施工穿越市區(qū)建筑群、道路、地下管線等，地面沉降控制達＋1cm～－3cm。Φ6.34m土壓平衡盾構見圖4所示，其主要技術性能見表1。

1995年上海地鐵二號線24.12km區(qū)間隧道開始掘進施工，地鐵一號線工程所用的7臺Φ6.34m土壓盾構經(jīng)維修以后，繼續(xù)用于二號線區(qū)間隧道掘進，同時又從法國FMT公司和上海的聯(lián)合體購置2臺土壓盾構，上海隧道工程股份有限公司制造1臺土壓盾構，共計10臺土壓盾構用于隧道施工。
于2000年開工興建的上海地鐵明4號工程區(qū)間隧道仍將使用這10臺Φ6.34m土壓平衡盾構施工。2001年，向日本三菱重工購置4臺Φ6.34m土壓平衡盾構，共計14臺盾構正在掘進施工。
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號線部分區(qū)間隧道管片采用錯縫拼裝，環(huán)寬120cm。

上海地鐵2號與1號線垂直相交，盾構從1號線區(qū)間隧道下1m穿越，掘進施工中采用地層注漿加固、跟蹤注漿、信息化施工等技術措施，確保1號線地鐵安全運營，沉降控制在2cm以內。地鐵4號線與2號線區(qū)間隧道相交，4號線盾構從2號線隧道下1m穿越。Φ6.34m土壓盾構在城市建筑群下穿越，其沉降一般也在4cm以內。盾構平均月推進長度約250m，最快達400m/月。
3.3　雙圓形盾構掘進機的引進和應用
2002年，上海地鐵8號線黃興路至開魯路站三個區(qū)間隧道，長度2,688m，采用DOT雙圓盾構隧道工法，并從日本引進2臺Φ6300m×W10900mm的雙圓形土壓盾構掘進機。雙圓盾構見圖所示，其主要技術參數(shù)見表2。

雙圓隧道襯砌采用預制鋼筋混凝土管片，錯縫拼裝；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土壓盾構掘進外灘觀光隧道
3.4.1 工程概況
上海外灘觀光隧道是我國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646m，隧道內徑6.76m。隧道內通行一來一往2條觀光車軌道。
外灘觀光隧道于1998年初開工，1999年底建成運營，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，并與上海地鐵二號線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、粉質粘土、淤泥質粘土和砂質粉土。

隧道襯砌環(huán)由6塊鋼筋混凝土管片拼裝而成，管片設計強度C50，抗?jié)B等級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土壓平衡盾構掘進施工
隧道掘進采用φ7.65m土壓平衡盾構，見圖9所示。盾構大刀盤切削土體，為幅條式結構。盾構長8.935m，中間有較接裝置，易于糾偏施工。盾構最大推力5.2×104KN。盾構密閉艙內充滿切削土砂，通過直徑900mm的螺雙輸送機排土，通過推進速度、螺旋機轉速、排土量來控制密閉艙土壓，使之與開挖面水壓力平衡。盾構掘進速度為0～4cm/min。

盾構于1998年11月始發(fā)推進，隧道縱坡達4.8%，；平曲線最小半徑為400m，均為國內越江盾構隧道之最。盾構初推段100m內進行了土體變形、土應力、孔隙水壓的監(jiān)測，反饋盾構施工，調整盾構施工參數(shù)，控制施工軸線和地表沉降。盾構掘進的平均速度達8m/d，646m隧道共花費3個月的時間完成，工程質量優(yōu)良。
3.5　 3.8m×3.8m矩形土壓盾構掘進地鐵過街人行地道
常用的盾構隧道掘進機為圓形，主要是圓形結構受力合理，圓形掘進機施工摩阻力小，即使機頭旋轉也影響小。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)應用了矩形隧道，在90年代開發(fā)應用了任意截面盾構和多圓盾構，并完成了多項人行隧道、公路隧道、鐵路隧道、地鐵隧道、排水隧道、市政共同溝隧道等，使異形盾構技術日益成熟，異形斷面隧道工程日益增多。
我國于1995年開始研究矩形隧道技術，1996年研制1臺2.5m×2.5m可變網(wǎng)格矩形頂管掘進機，頂進矩形隧道60m，解決了推進軸線控制、糾偏技術、深降控制、隧道結構等技術難題。1999年5月，上海地鐵二號線陸家嘴路站62m過街人行地道采用矩形頂管掘進機施工，研制1臺3.8m×3.8m組合刀盤矩形頂管掘進機，具有全斷面切削和土壓平衡功能，螺旋輸送機出土，掘進機的主要工作參數(shù)見表3，矩形頂管掘進機見圖10。

4　大直徑泥水加壓盾構掘進越江公路隧道施工
4.1 延安東路隧道南線Φ11.22m泥水加壓盾構掘進施工
1995年，為發(fā)展浦東建設需要，上海延安東路隧道南線開工建設，為縮短工期和保護隧道沿線建筑物的需求，引進日本三菱重工制造的Φ11.22m泥水加壓盾構。盾構本體示意見圖11。
隧道南線1300m圓形主隧道采用日本三菱重工制造的φ11.22m泥水加壓盾構掘進施工，盾構本體示意見圖5。盾構采用刀盤切削，總推力達1.12×105KN，刀盤扭矩4635kn·m，最大掘進速度46mm/min。盾構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。盾構設有掘進管理、泥水輸送、泥水分離和盾尾同步雙液注漿系統(tǒng)。掘進管理和姿態(tài)自動計測系統(tǒng)能及時反映盾構掘進施工的幾十項參數(shù)，便于準確設定和調整各類參數(shù)。

4.2　大連路隧道Φ11.22m泥水加壓盾構掘進施工
上海大連路隧道全長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個月。隧道平、剖面見圖12所示。

圓形主長1263m，采用2臺Φ11.22m泥水加壓盾構同時掘進施工。隧道襯砌結構在延安東路隧道工程的基礎上進行了優(yōu)化改良，拼裝形式由通縫改為錯縫，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。隧道襯砌結構見圖13。

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

盾構進出洞土體加固全部采用凍結法。
西線隧道于2002年3月28日始發(fā)推進，至9月20日隧道貫通，工期6個月。東線隧道于6月18日 發(fā)推進，至12月底隧道貫通。盾構掘進速度平均為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個月，是上海越江公路隧道建設周期最短的。
4.3 上海越江交通工程的發(fā)展
2001年底，復興東路隧道工程開工建設，為2條3車道隧道，隧道外徑11m，分為上下兩層，是我國第一條雙層隧道，全長2785m。2條1215m主隧道于2003年2月和5月先后始發(fā)推進，于11月隧道貫通。
2003年6月，翔殷路隧道工程開工建設，為2條2車道隧道，隧道全長2597m，隧道外徑11.36m，內徑10.2m，是目前車道最寬的盾構隧道，設計車速可達80km/h。
正在設計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江西路、新建路、人民路、耀華路等4處。
長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，位于長江口，從上海浦東－橫沙島－崇明島－南通，采用橋隧結合的工程方案，全長68km，為3來3去6車道，設計車速100km/h。其中浦東5號溝至橫沙島穿越長江南港，采用盾構隧道施工，全長約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9.54km。見圖15所示。直徑Φ15.2m的盾構隧道，目前是世界上最大直徑的盾構隧道，隧道斷面見圖16。

5　結語
上海城市交通隧道工程的發(fā)展提高了盾構隧道技術的水平。從最初的網(wǎng)格擠壓盾構，發(fā)展到目前的土壓平衡盾構和泥水加壓盾構，盾構機向機械化、自動化、信息化發(fā)展，掘進速度快，盾構開挖面穩(wěn)定，地面沉降控制好，環(huán)境影響小。盾構襯砌不斷改進和優(yōu)化。盾構與隧道技術正在向大深度、大直徑、長距離掘進發(fā)展。雙圓隧道、矩形隧道技術也得到應用。隨著上海城市交通隧道工程建設的不斷發(fā)展，盾構隧道技術水平將進一步的發(fā)展和提高。

參考文獻
1、 傅德明、楊國祥.　《上海地區(qū)越江交通盾構施工技術綜述》.　“國際隧道研討會暨公路建設技術交流大會論文集”.　人民交通出版社.　2002.10
2、 傅德明.　《土壓盾構掘進機在我國隧道工程中的應用和發(fā)展》. “第三屆海峽兩巖隧道與地下工程學術與技術研討會”. 成都. 2002.8
3、 劉建航、候學淵.　《盾構法隧道》. 鐵道出版社. 1990