上海外灘觀光隧道盾構施工技術

周文波吳惠明

上海市隧道工程股份有限公司提要：上海外灘觀光隧道是第一條較長距離的水底觀光游覽隧道，采用國內直徑最大的φ7.76m鉸接式土壓平衡盾構掘進機施工，穿越黃浦江時與兩條上海地鐵2號線隧道相交，施工工況極其復雜和嚴峻。本文重點介紹隧道股份運用首創“盾構施工專家系統”，實施了盾構穿越疊交點施工的技術創新和實時監控，填補了我國在大直徑鉸接式土壓盾構疊交施工領域的空白。關鍵詞：鉸接式盾構隧道施工專家系統疊交技術實時監控1概述1.1工程概況上海外難觀光隧道工程東起陸家嘴地區東方明珠電視塔西側的浦東出入口豎井，西至南京路外灘（陳毅塑像北側）綠化帶內的浦東出入豎井，全長646.70mm（詳見圖1）。隧道外徑φ7.76m，內徑φ6.76m，每環由6塊鋼筋混凝土管片組成，管片環寬為1.2m，每環管片中設標準塊4塊、拱底管片1塊及封頂塊1塊，管片拼裝形式采用縱向半插入式，管處接縫防水采用EPDM多孔型橡膠止水帶和水膨性彈性密封墊。隧道軸線為空間復合曲線：平面為U型曲線，隧道起始為186.872m的直線，經46.478m的緩和線后，進入24.00m,R＝400m的平曲線，然后經113.727m的緩和曲線回到59.623m的直線；縱剖面是U型豎曲線，上下坡度均為48％，坡段長度分別為113.350m及233.350m，黃浦江中設長240m、半徑R＝2500m的豎曲線連接。

盾構掘進施工先后穿越浦東防訊墻、親水平臺、黃浦江江底、地鐵2號線上下線隧道上部、浦西防汛墻及地下管線等。其中江底淺覆土僅為5.67m，在浦西防汛墻19m×39m箱體內與地鐵2號線上下行線區間隧道成51021，斜交，并從其上部穿越，與上、下行線圖2外灘觀光隧道穿越地鐵2號線示意分別為1.57m及2.18m（詳見圖2），形成了盾構施工史上少有的“三龍過江”工況。盾構穿越地鐵2號線的上、下行線，其施工難度極高：a.采用φ7650mm鉸接式土壓平衡盾構施工，國內尚無鉸接式盾構施工先例；b.隧道軸線為空間曲線，其坡度達到4.8%（地鐵隧道最大坡度為3.2％）。同時，軸線要求控制在±50mm以內；c．外灘觀光隧道與地鐵2號線上行線隧道的最小間僅為1.57m，且滯后地鐵2號線隧道施工僅3個月左右，隧道尚處于穩定狀態。1.2地質情況況沿線隧道將穿越三種不同的地段；浦東岸邊段越②1層褐黃色粘土、⑤1－1層灰色粘土、

⑤1－2層灰色粉粘土；江中段穿越⑤1－1層灰色粘土、⑤1－2層灰色粉質粘土；浦西岸邊段穿越④層灰色淤泥質粘土、⑤1－1層灰色粘土、⑤1－2層灰色粉質粘土。隧道大部分下臥層為灰色粉質粘土，各土層主要物理力學性質指標詳見表1。各土層主要物理力學性質指標表1層號土層名稱土層厚度

（m）含水量W（％）密度

（kN/m3）孔隙比

e塑性指數

Ip液性指數

IL內聚力c(kPa)摩擦角φ（°）壓縮系數

a1-2(Mpa)壓縮模量

E1-2(Mpa)①2

②1

②2

④

⑤1-1

⑤1-2泥質雜填土

褐黃色粘土

灰色砂質粉土

灰色淤泥質粘土

灰色粘土

灰色粉質粘土2.0

6.0

9.2

5.7

2.0

9.139.1

36.5

36.4

45.8

36.2

35.718.0

18.4

18.4

17.3

18.2

18.21.051

0.969

0.953

1.270

1.003

0.99313.4

13.0

18.8

16.4

14.71.37

1.44

1.29

0.89

0.968.57

2.00

7.57

12.00

10.50

10.0020.7

22.5

22.5

11.0

13.6

18.40.543

0.295

0.370

0.930

0.458

0.5384.28

6.60

5.76

2.45

4.50

3.902φ7650mm鉸接式土壓平衡盾構2．1主要技術參數

外灘觀光隧道首次采用法國FCB土壓平衡式鉸接盾構掘進施工，與地鐵中使用的法國FCB盾構的區別是增加了鉸接部分。盾構的主要技術參數詳見表2。盾構的主要技術參數表2盾構機中部的鉸接部分為盾構機關鍵部位。盾構總長8．935m，其中切口至鉸接為4．900m，鉸接至盾尾為4．035m，盾構前后段采用12臺千斤頂鉸接連接，是一種道軌式鉸接，機身一側為鉸接的陽部，另一側為鉸接的陰部，上下最大伸出距離為66.7mm，左右最大伸出距離為267mm。鉸接機構所允許的最大角向移動為：水平方向±2．0°，垂直方向±10.5°。

2．2盾構鉸接部分對軸線控制和管片拼裝的作用

鉸接盾構是目前國際上先進的盾構機械設備，它能方便地控制盾構掘進軸線。通常盾構由于受到盾構總體長度、切口支承環、盾尾、千斤頂伸出長度及管片形式的影響，使盾構的直徑、長度比例受到限制，這對中小型盾構的影響特別明顯，因為盾構的長度和直徑比越大，靈敏度越差，對盾構高程及平面控制難度越高，并使盾構對周邊擾動范圍擴大，但采用鉸接盾構就能比較容易克服以上困難，因為盾構切口至支承環、支承環至盾尾都是活體，它能根據掘進軸線、管片與盾尾的四周空隙來調整切口至支承環和支承環至盾尾的夾角，從而達到控制盾構的高程及平面，并使盾構對周圍的擾動范圍大大減少。鉸接盾構容易保護管片并防止碎裂。盾構掘進中，管片碎裂和漏水是比較常見的通病，主要原因是盾構掘進與管片夾角過大。如掘進過程中盾構、管片軸線偏高時，盾構向下掘進很容易拉壞上部管片外弧，如外弧拉壞、止水槽損壞，橡膠止水帶就起不了止水效果，管片就容易滴水和滲水。但采用了鉸接盾構，就能克服以上困難，因為鉸接盾構的盾尾是一個活體，在掘進過程中能根據盾尾和管片四周間隙不斷調整它們之間的間隙，并根據高程和平面的測量報表和這片間隙，最大限度地使盾構調整到軸線位置。鉸接是一個活體，在進過程中與刀盤聯鎖，當刀盤轉動時，鉸接千斤頂鎖定，當刀盤停止轉動時，鉸接千斤頂呈自由體，管片對盾尾的應力釋放，使盾尾改善受力狀態，從而使管片不被擠壓壞，以達到保護管片，減少漏水的目的。3盾構出洞施工技術3．1地基加固隧道出洞口中心標高為－11.68m，隧道斷面所處地層為砂質粉土。出洞時在深層攪拌樁隔水帷幕的前提下，采用拉森鋼板樁結合分層注漿，且在原隔水帷幕外增加9排深層攪拌樁加固的方法進行地基加固（詳見圖3），以避免呈流性砂質粘土在鑿除洞門混凝土時涌入工作井內。另外，為防止在洞門混凝土塊吊除時產生水土大面積流失現象，在洞門混凝土鑿除的位置打入側向管子并注入適量聚胺脂。圖3盾構出洞地基加固示意3.2土艙內充填粘土為防止盾構出洞時正面土體的流失，在盾構切口前端距離鋼板樁10cm處，利用螺旋機反轉法向盾構的正面土艙灌注粘土，使土壓力達1kh/cm2。3.3完善盾構后盾支撐體系當第一環閉口環管片脫出盾尾后，立即進行后盾支撐的安裝。用56＃工字鋼設置Π型支撐，并用φ609mm的鋼管支撐軸向傳力至井壁。這樣，盾構出洞推進時千斤頂的油壓及區域有較大的選擇范圍，以控制盾構出洞時的軸線。后盾支撐完善后，在盾構推進時，密切觀察后靠的變形情況，防止變形過大而造成的破壞。鉸接式土壓平衡盾構在國內屬首次應用，對此種盾構軸線控制的標準尚無成文規定。外灘觀光隧道屬國內第一條觀光隧道，為確保其使用功能，對其軸線控制提出了高程平面均需控制在±50mm以內的嚴格要求。4.1注漿量控制觀光聯睛在脫出盾尾后存在著上浮現象，從而引起隧道軸線上浮，其上浮量與同步注漿量有直接關系貶片脫出盾尾后的上浮量隨著注漿量的增加而增加，反之，上浮量則減少并出現下沉現象。漿液在某種程度上對上述土體2％的損失率有一定的互補性，但要經過一個階段后才能體現出來，在同樣注漿量的情況下，管片上浮量與盾構掘進中土體擾動有很大關系，擾動范圍越大，上浮量越小（詳見圖4）圖4注漿量與隧道軸線波動關系4.2土壓力設定管片脫出盾尾后的上浮量達到一定值后開始穩定，這一點可以從連通管測量中看出（詳見圖5）。但當時的注漿量還不能控制地面沉降，其主要原因為土壓力設定值過低。觀光隧道盾構不同于地鐵隧道盾構，其刀盤開口率要比地鐵盾構大，觀光隧道盾構開口率為63％（地鐵盾構為35％）。因此，在設定土壓力時接近主動土壓力，并通過地面測量的及時反饋來調整土壓力，一般將盾構切口前方的地面隆起量控制在4～6mm左右。5盾構穿越疊交點施工技術浦西防汛墻施工時考慮到地鐵兩條隧道穿越防汛墻，故留有一條39m寬的盾構穿越孔，其外側為樁，39m范圍內為12m短樁。而觀光隧道在浦西防汛墻施工時并沒設置預留孔，因此必須在地鐵隧道上部1.5～2m、短樁底部1.5～1.6m的范圍內穿越，此范圍土層已受地鐵隧道穿越擾動而處于非穩定狀態。為此，在施工中采取如下措施：5.1地基加固在整個施工過程中，先對2號線上下行線底部進行加固，使其能夠承受觀光隧道盾構進入時的壓及盾構向下的側向分力對上下行線的影響。5.2盾尾注漿盾構穿越過程中及時注漿并加固脫出盾尾4環后的管片上部，通過注漿使其固結，從而克服因觀光隧道上浮及地鐵隧道上部負載不夠而造成的地鐵隧道上浮。當觀光隧道上部有一定的承受力后，可利用注漿加固克服地鐵隧道的上浮情況，使其受擾動的土體得到改良并增加承載力。5.3外灘觀光臺的沉降監測根據外灘觀光平臺的實際情況，分別布置沉降監測點（詳見圖6）。盾構在施工過程中，依據觀光平臺的沉降監測數據，及時優化調整各類施工參數，最終將觀光隧道沉降控制在30mm以內。6盾構進洞施工技術6.1盾構進洞盾構逐漸靠近洞門混凝土上開設觀察孔，以加強對其變形和土體的觀測，并控制好推進時的土壓力設定值。在盾構切口距洞門20～50cm處停止盾構推進，同時盡可能掏空土倉內的泥土，使切口正面的土壓力降到最低值，從而確保封門混凝土吊除的施工安全。在洞門混凝土吊除后，在洞口安裝一套止水環板和止水條，以減少水的流失和漿液從洞口流出，同時，盾構掘進采取連續推進和管片拼裝，大大縮短了盾構進洞時間，實現了洞門土體不塌方。由于工作井尺寸的限制，長約8.9m的盾構進洞不能一次完成，要分兩步進行。盾構工作井底層沿隧道軸線線長7.8m，當盾構切口環（包括大刀盤及其驅動裝置）進入工作井后，將切口環與支撐環分離，吊出切口環后，采取措施恢復盾構的推進功能，將盾構全部推入工作井。6.2洞口密土盾尾脫出洞圈后及時封閉洞門，用弧形鋼板將其與洞圈焊接成一個整體，洞門封好后立即用雙液漿和聚胺脂將管片和洞圈的建筑間隙充填加固，以減少地面沉降并防止水土、漿液從洞圈溢出，從而保證了外灘觀光臺不受損壞。7“專家系統”在外灘觀光隧道工程中的成功應用“盾構法隧道施工專家系統”是在地鐵1號線、2號線、延安東路南線等多個項目的施工中逐步建立和完善起來的。“盾構隧道掘進專家系統”的基礎是施工數據，既有以前的工程數據，也有當時正在施工隧道的實時數據。以前工程數據主要用于新隧道推進之初提供經驗上的參考，而當前不斷輸入的數據則是為了在隧道推進過程中不斷提高系統預測的準確性。“盾構法隧道施工專家系統”的主要功能有兩個方面，第一方面是地面沉降的預測和控制，第二方面是隧道軸線的控制。外灘觀光隧道由于對于軸線控制非常嚴格，因此選用了從法國FCB引起的土壓平衡式鉸接盾構進行施工。這種鉸接類型的盾構是首次應用，所以原有的專家系統中有許多方面都不能直接應用。為了提高專家系統的適用范圍，針對鉸接類型盾構的特點，我們對專家系統進行了以下幾方面的補充和完善：a.在相關的數據庫中加入鉸接類型盾構所需要的域。b.在軸線控制中，加入了對六區油壓的控制功能，使用戶可根據不同的盾構類型選擇四區油壓控制、六區油壓控制或千斤頂控制等不同方式來控制盾構的走向。c.增加了鉸鏈式盾構推進軸線圖和管片拼裝圖。通過這些圖，施工人員可以直觀地看出管片和盾構推進軸線之間的關系，從而為下一階段的盾構推進提供了參考。經過改進的“專家系統”在施工過程中的價值主要體現在：a.有系統地搜集和保存了大量的施工數據，不僅為“專家系統”的咨詢提供了依據，而且也為工程資料的整理和保存提供了方便。b.在地面沉降的預測和控制方面，不僅使施工人員在調整施工參數方面有了參考，而且在推進這前對未來情況有了一個大致的了解。c.在隧道軸線的控制方面，施工人員能很快掌握隧道軸線控制的技巧，從而使隧道軸線控制符合設計的要求。d.盾構軸線和管片拼裝圖的自動繪制，以及楔子環粘貼方案的自動計算，使施工人員可從復雜的工作中解脫出來，從而有更多的時間解決施工中的諸多問題。8結束語鉸接式盾構在外灘觀光隧道掘進施工中的成功運用，為盾構順利穿越浦東防汛墻、黃浦江、地鐵2號線隧道、浦西防汛墻、地下管線等重要構筑線及地下管線奠定了基礎，且社會、經濟效益顯著，據工程竣工測量報告，軸線均控制在±50mm范圍內，盾構日掘進速度達到8m以上，工程質量被評定為優良級，填補了我國在鉸接式盾構方面的空白，在施工技術方面有質的飛躍。此外，盾構在短期內順利穿越近距離隧道的施工技術，開創了國際盾構法隧道施工史的先河

站臺施工工藝1.適用范圍適用于新建鐵路站臺工程施工。2.作業準備2.1技術準備2.1.1作業指導書編制后，應在開工前組織技術人員認真學習實施性施工組織設計，閱讀、審核施工圖紙，澄清有關技術問題，熟悉規范和設計標準。制定施工安全技術措施和應急預案，對施工人員進行技術交底，對參加施工人員進行上崗前技術培訓，考核合格后持證上崗。2.1.2必要時與鐵路局車站、橋工段、電務段、供電段、房屋修建中心等相關單位簽訂施工安全協議。2.2外業技術準備施工前應先對施工場地進行平整，準備好材料、勞力及機具，并檢查其性能達到要求。收集施工地點外部地理環境、施工作業層中所涉及的軸線、方向、標高、開挖范圍等各種外部技術數據，測量放線，做好開挖前準備。3．技術要求3.1施工前按設計提拱的配合比進行室內試驗，確定施工配合比。3.2混凝土的拌和采用場地集中拌和，砼灌車運輸至現場。3.3依照設計圖紙和施工規范進行開挖前技術交底。3.4技術人員應現場值班。4．施工程序及工藝流程基底處理→墊層施工→站臺墻底板鋼筋綁扎→底板模板及砼澆筑→墻身及頂板鋼筋安裝→墻身、頂板模板→墻身頂板砼澆筑→拆除模板→站臺內回填施工→砼面層澆筑施工。站臺施工工藝流程框圖測設平面位置、標高測設平面位置、標高基礎開挖處理墊層施工站臺墻底板鋼筋綁扎底板模板及砼澆筑墻身及頂板鋼筋安裝墻身、頂板模板墻身頂板砼澆筑拆除模板砼面層澆筑施工站臺內回填施工5．施工要求5.1施工測量測量定位儀器為尼康MT532全站儀（角度誤差2秒，測距2mm）水準測量為DS2光學水準儀，豎向標高量測用鋼尺，測量報告得到批準后方可進入下步施工。5.2基底處理及墊層施工⑴基底開挖前，要探明基底范圍內有無管線設備，必要時采取相應措施，確保工程的順利進行。⑵基底開挖后，進行基底雜物的清除及基底平整。基底開挖標高、坡度及尺寸要嚴格執行技術交底，超挖部分回填必須夯實，達到設計承載要求后才能澆筑墊層基礎。5.3站臺墻施工鋼筋綁扎、模板安裝及混凝土澆筑底板和墻身分開先后兩次進行。每20m設置一道施工縫。5.3.⑴本工程所有鋼筋均根據設計提供的施工圖紙和《鐵路混凝土與砌體工程施工質量驗收標準》的要求進行，進場鋼材必須有出廠合格證并做好現場狀態標識，試驗員及時做好復試工作，試驗合格后方準使用。同時鋼筋應架空分類存放，并做好鋼筋的維護工作，避免銹蝕或油污，確保鋼筋保持潔凈。⑵各位置鋼筋必須綁扎到位，鋼筋的數量、規格、接頭位置，搭接長度、間距應嚴格按施工圖施工綁扎，并且綁扎牢固無松動。⑶站臺墻底板、墻身與模板間均應設墊塊，按設計要求的保護層厚度提前制作混凝土墊塊，并按規定加扎絲，以便與主筋固定在一起，固定墊塊位置，同時墊塊應具有相應構件的混凝土標號，加工尺寸應規整。⑷鋼筋定位：每次混凝土灌注前，鋼筋混凝土主體鋼筋應統一校正，發現鋼筋位移和變形后及時修復，保證鋼筋間距、位置、保護層始終符合設計要求。⑸質量檢查工程師應對構件的鋼筋規格數量及設計規范要求項目進行系統檢查,各項檢查全部合格后，報請監理進行隱蔽檢查。⑹每次隱蔽前，有關責任人應提前填好隱蔽檢查證，待監理隱蔽檢查合格后及時完成簽認手續，隱蔽檢查證填寫應規整、全面、表達清楚。⑺成品、半成品鋼筋應遠離污染源存放，如機油、隔離劑、泥土等，一旦污染應作好處理工作。⑻鋼筋的綁扎允許偏差值必須符合下表的要求，合格率應控制在90%以上。項目允許偏差值（mm）綁扎鋼筋網長、寬±10網眼尺寸±20綁扎鋼筋骨架長±10寬、高±5受力鋼筋間距±10排距±5保護層厚度基礎±10柱、梁±5板、墻、殼±3綁扎箍筋、橫向鋼筋間距±20鋼筋彎起點位置20預埋件中心線位置5水平高差+3，05.3⑴模板板面平整、具有足夠的強度、剛度、穩定性，支撐牢固。橫豎縫排列有序，連接緊密，保證板縫不漏漿。⑵模板使用前，對變形、翹曲超出規范的應即刻退出現場，不予使用，模板拆除下來，應將砼殘渣、垃圾清理干凈，重新刷隔離劑。⑶模板安裝完成后，先由現場技術人員進行自檢。自檢完畢，由質檢員負責進行模板的軸線、標高、垂直度、截面尺寸、支撐牢固度的復核，并作好書面記錄、簽證。⑷澆筑混凝土前，模板內的積水和雜物應清理干凈。模板的接縫不大于2mm。⑸模板的實測允許偏差如下表所示，其合格率嚴格控制在90%以上。項目允許偏差值（mm）軸線位移5標高±5截面尺寸+4、-5垂直度6表面平整度55.3⑴混凝土使用商品混凝土。商品混凝土每車都要現場檢驗坍落度，以測試混凝土的和易性，符合設計要求方可澆筑。砂、石符合要求，每次澆筑前由混凝土商提供原材試驗資料，施工現場進行抽樣復檢。⑵混凝土灌注采用分層階梯推進，每層不大于0.5m,混凝土灌注連續進行。施工縫處應先鑿除縫面上的水泥砂漿薄膜和松動的石子，以壓力水沖洗干凈，充分濕潤，不存積水。當混凝土表面出現泌水現象時（約2－10h混凝土應每50－100m⑶混凝土振搗：①不得漏振，尤其對鋼筋密集，模板拐角等處特別注意。②振動棒在每點上的振搗時間以混凝土不沉落、不出氣泡，表面泛漿為度，一般為20－30s，最短不得少于10s,也不宜過振，以防混凝土產生離析。③振動棒插入深度應進入下一層混凝土內5－10cm④振動棒移動距離不應大于0.6m,⑤振動棒慢慢上拔，不能突然拔出。⑷混凝土的養護：①可用草袋、棉補等覆蓋于混凝土外露面上，注意不使混凝土面受到污染和損傷。②養護時間為14天。⑸拆模：①拆模宜待混凝土強度達到2.5Mpa以上時方可拆除。②拆模時應自上往下逐層拆除，其間不得損壞混凝土表面結構。③拆下的模板嚴禁拋擲，且應分類堆放、修整、涂油。5.4站臺內回填5.4在站臺墻施工完畢后，對站臺內進行回填。回填首先采用無雜質普通土分層回填，采用機械壓實處理，對靠近臺墻邊不宜采用機械碾壓的部分，用平板電夯機夯實。分層厚度為20cm，壓實系數＞0.95。每層填土完成后，由質檢員、試驗員陪同監理進行壓實度試驗檢測，滿足要求后，方進行下層填土施工。填土頂部高程由技術人員現場測量控制。5.4素土回填完成后，由質檢工程師報監理檢查合格后，上鋪摻10%石灰處理的素土，碾壓密實,壓實系數＞0.95。經試驗檢測合格后,鋪25mm厚粗砂一層。報監理現場檢查合格后，方可進行混凝土面層的澆筑。5.5混凝土面層澆筑站內內回填完成后，經復測標高無誤后，澆筑混凝土層,并設沉降縫。6.勞動組織6.1勞動組織模式：采用架子隊組織模式。6.2施工人員應結合工前確定的施工方案、機械、人員組合、工期要求進行合理配置。每作業面主要勞動力配置表序號崗位名稱人數（人）備注1技術、測量、試驗、質檢5-82工班長3-43安全員1-24鋼筋工205木工106混凝土工127普工208挖掘機、壓路機、裝載機司機3各1人9自卸車司機510電工27.材料要求原材料必須符合設計及相應規范規定要求，經檢測合格后方可投入使用。8.設備機具配置每作業面主要機具設備配置表序號機械名稱型號數量(臺)1挖掘機12壓路機Zl5013裝載機14自卸汽車5T55切斷機QJ40-116彎曲機WJ-4017鋼筋調直機GT4-1418閃光對焊機100KVA單380V19振動捧ZX50610電焊機BX3-300-2411蛙式打夯機49.質量控制及檢驗9.1質量控制9.1.1嚴格遵守公司的質量方針和目標，建立質量控制保證體系。運用全面質量管理的方法，重點做好施工工序控制，工程質量評審，物資材料管理等工作。9.1.2建立各級質量責任制。各級質量控制人員嚴肅使用質量否決權，做到堅持沒有質量計劃和組織設計不安排施工；堅持沒有校驗達標工程不報竣和交付使用。9.1.3優化施工方案，積極采用先進的施工工藝，科學地按施工進度計劃合理調配勞動力。對每道工序都要建立嚴格的質量檢驗系統，遵守監督上道工序，保證本道工序，服務下道工序的要求，實行樣板引路，以樣板間，樣板段或樣板工序指導施工。9.2過程控制9.2.1技術復核、隱蔽工程驗收⑴技術復核是確保各道工序是否按設計圖紙和施工及驗收規范施工關鍵。⑵凡分項工程的施工結果被后道施工所覆蓋，均應進行隱蔽工程驗收，隱蔽驗收的