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上海外滩观光隧道盾构施工技术

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2020年6月23日
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上海外滩观光隧道盾构施工技术
周文波 吴惠明
上海市隧道工程股份有限公司

提要:
上海外滩观光隧道是第一条较长距离的水底观光游览隧道, 采用国内直径最大的φ7.76m铰接式土压平衡盾构掘进机施工, 穿越黄浦江时与两条上海地铁2号线隧道相交, 施工工况极其复杂和严峻。本文重点介绍隧道股份运用首创”盾构施工专家系统”, 实施了盾构穿越叠交点施工的技术创新和实时监控, 填补了中国在大直径铰接式土压盾构叠交施工领域的空白。
关键词:
铰接式盾构 隧道施工 专家系统 叠交技术 实时监控
1 概述
1.1 工程概况
上海外难观光隧道工程东起陆家嘴地区东方明珠电视塔西侧的浦东出入口竖井, 西至南京路外滩( 陈毅塑像北侧) 绿化带内的浦东出入竖井, 全长646.70mm( 详见图1) 。隧道外径φ7.76m, 内径φ6.76m, 每环由6块钢筋混凝土管片组成 , 管片环宽为1.2m, 每环管片中设标准块4块、 拱底管片1块及封顶块1块, 管片拼装形式采用纵向半插入式, 管处接缝防水采用EPDM多孔型橡胶止水带和水膨性弹性密封垫。

隧道轴线为空间复合曲线: 平面为U型曲线, 隧道起始为186.872m的直线, 经46.478m的缓和线后, 进入24.00m,R＝400m的平曲线, 然后经113.727m的缓和曲线回到59.623m的直线; 纵剖面是U型竖曲线, 上下坡度均为48％, 坡段长度分别为113.350m及233.350m, 黄浦江中设长240m、 半径R＝2500m的竖曲线连接。
盾构掘进施工先后穿越浦东防讯墙、 亲水平台、 黄浦江江底、 地铁2号线上下线隧道上部、 浦西防汛墙及地下管线等。其中江底浅覆土仅为5.67m, 在浦西防汛墙19m×39m箱体内与地铁2号线上下行线区间隧道成51021, 斜交, 并从其上部穿越, 与上、 下行线

图2 外滩观光隧道穿越地铁2号线示意
分别为1.57m及2.18m( 详见图2) , 形成了盾构施工史上少有的”三龙过江”工况。盾构穿越地铁2号线的上、 下行线, 其施工难度极高:
a.采用φ7650mm铰接式土压平衡盾构施工, 国内尚无铰接式盾构施工先例;
b.隧道轴线为空间曲线, 其坡度达到4.8%( 地铁隧道最大坡度为3.2％) 。同时, 轴线要求控制在±50mm以内;
c．外滩观光隧道与地铁2号线上行线隧道的最小间仅为1.57m, 且滞后地铁2号线隧道施工仅3个月左右, 隧道尚处于稳定状态。
1.2 地质情况况
沿线隧道将穿越三种不同的地段; 浦东岸边段越②1层褐黄色粘土、 ⑤1－1层灰色粘土、  
⑤1－2层灰色粉粘土; 江中段穿越⑤1－1层灰色粘土、 ⑤1－2 层灰色粉质粘土; 浦西岸边段穿越④层灰色淤泥质粘土、 ⑤1－1层灰色粘土、 ⑤1－2层灰色粉质粘土。隧道大部分下卧层为灰色粉质粘土, 各土层主要物理力学性质指标详见表1。
各土层主要物理力学性质指标 表1

层号
土层名称
土层厚度
( m)
含水量W( ％)
密度
( kN/m3)
孔隙比
e
塑性指数
Ip
液性指数
IL
内聚力c(kPa)
摩擦角φ( °)
压缩系数
a1-2(Mpa)
压缩模量
E1-2(Mpa)
① 2
②1
②2
④
⑤1-1
⑤1-2
泥质杂填土
褐黄色粘土
灰色砂质粉土
灰色淤泥质粘土
灰 色 粘 土
灰色粉质粘土
2.0
6.0
9.2
5.7
2.0
9.1
39.1
36.5
36.4
45.8
36.2
35.7
18.0
18.4
18.4
17.3
18.2
18.2
1.051
0.969
0.953
1.270
1.003
0.993
13.4

13.0
18.8
16.4
14.7
1.37

1.44
1.29
0.89
0.96
8.57
2.00
7.57
12.00
10.50
10.00
20.7
22.5
22.5
11.0
13.6
18.4
0.543
0.295
0.370
0.930
0.458
0.538
4.28
6.60
5.76
2.45
4.50
3.90

2 φ7650mm铰接式土压平衡盾构
2．1 主 要 技 术 参 数 
外滩观光隧道首次采用法国FCB土压平衡式铰接盾构掘进施工, 与地铁中使用的法国FCB盾构的区别是增加了铰接部分。盾构的主要技术参数详见表2。
盾构的主要技术参数 表2

盾构机中部的铰接部分为盾构机关键部位。盾构总长8．935m, 其中切口至铰接为4．900m, 铰接至盾尾为4．035m, 盾构前后段采用12台千斤顶铰接连接, 是一种道轨式铰接, 机身一侧为铰接的阳部, 另一侧为铰接的阴部, 上下最大伸出距离为66.7mm, 左右最大伸出距离为267mm。铰接机构所允许的最大角向移动为: 水平方向± 2．0°, 垂直方向 ±10.5 °。 
2．2 盾构铰接部分对轴线控制和管片拼装的作用 
铰接盾构是当前国际上先进的盾构机械设备, 它能方便地控制盾构掘进轴线。一般盾构由于受到盾构总体长度、 切口支承环、 盾尾、 千斤顶伸出长度及管片形式的影响, 使盾构的直径、 长度比例受到限制, 这对中小型盾构的影响特别明显, 因为盾构的长度和直径比越大, 灵敏度越差, 对盾构高程及平面控制难度越高, 并使盾构对周边扰动范围扩大, 但采用铰接盾构就能比较容易克服以上困难, 因为盾构切口至支承环、 支承环至盾尾都是活体, 它能根据掘进轴线、 管片与盾尾的四周空隙来调整切口至支承环和支承环至盾尾的夹角, 从而达到控制盾构的高程及平面, 并使盾构对周围的扰动范围大大减少。
铰接盾构容易保护管片并防止碎裂。盾构掘进中, 管片碎裂和漏水是比较常见的通病, 主要原因是盾构掘进与管片夹角过大。如掘进过程中盾构、 管片轴线偏高时, 盾构向下掘进很容易拉坏上部管片外弧, 如外弧拉坏、 止水槽损坏, 橡胶止水带就起不了止水效果, 管片就容易滴水和渗水。但采用了铰接盾构, 就能克服以上困难, 因为铰接盾构的盾尾是一个活体, 在掘进过程中能根据盾尾和管片四周间隙不断调整它们之间的间隙, 并根据高程和平面的测量报表和这片间隙, 最大限度地使盾构调整到轴线位置。
铰接是一个活体, 在进过程中与刀盘联锁, 当刀盘转动时, 铰接千斤顶锁定, 当刀盘停止转动时, 铰接千斤顶呈自由体, 管片对盾尾的应力释放, 使盾尾改进受力状态, 从而使管片不被挤压坏, 以达到保护管片, 减少漏水的目的。
3 盾构出洞施工技术
3．1 地基加固
隧道出洞口中心标高为－11.68m, 隧道断面所处地层为砂质粉土。出洞时在深层搅拌桩隔水帷幕的前提下, 采用拉森钢板桩结合分层注浆, 且在原隔水帷幕外增加9排深层搅拌桩加固的方法进行地基加固( 详见图3) , 以避免呈流性砂质粘土在凿除洞门混凝土时涌入工作井内。另外, 为防止在洞门混凝土块吊除时产生水土大面积流失现象, 在洞门混凝土凿除的位置打入侧向管子并注入适量聚胺脂。

图3 盾构出洞地基加固示意
3.2 土舱内充填粘土
为防止盾构出洞时正面土体的流失, 在盾构切口前端距离钢板桩10cm处, 利用螺旋机反转法向盾构的正面土舱灌注粘土, 使土压力达1kh/cm2。
3.3 完善盾构后盾支撑体系
当第一环闭口环管片脱出盾尾后, 立即进行后盾支撑的安装。用56＃工字钢设置Π型支撑, 并用φ609mm的钢管支撑轴向传力至井壁。这样, 盾构出洞推进时千斤顶的油压及区域有较大的选择范围, 以控制盾构出洞时的轴线。后盾支撑完善后, 在盾构推进时, 密切观察后靠的变形情况, 防止变形过大而造成的破坏。
铰接式土压平衡盾构在国内属首次应用, 对此种盾构轴线控制的标准尚无成文规定。外滩观光隧道属国内第一条观光隧道, 为确保其使用功能, 对其轴线控制提出了高程平面均需控制在±50mm以内的严格要求。
4.1 注浆量控制
观光联睛在脱出盾尾后存在着上浮现象, 从而引起隧道轴线上浮, 其上浮量与同步注浆量有直接关系贬片脱出盾尾后的上浮量随着注浆量的增加而增加, 反之, 上浮量则减少并出现下沉现象。浆液在某种程度上对上述土体2％的损失率有一定的互补性, 但要经过一个阶段后才能体现出来, 在同样注浆量的情况下, 管片上浮量与盾构掘进中土体扰动有很大关系, 扰动范围越大, 上浮量越小( 详见图4)

图4 注浆量与隧道轴线波动关系
4.2 土压力设定
管片脱出盾尾后的上浮量达到一定值后开始稳定, 这一点能够从连通管测量中看出( 详见图5) 。但当时的注浆量还不能控制地面沉降, 其主要原因为土压力设定值过低。

观光隧道盾构不同于地铁隧道盾构, 其刀盘开口率要比地铁盾构大, 观光隧道盾构开口率为63％( 地铁盾构为35％) 。因此, 在设定土压力时接近主动土压力, 并经过地面测量的及时反馈来调整土压力, 一般将盾构切口前方的地面隆起量控制在4～6mm左右。
5 盾构穿越叠交点施工技术
浦西防汛墙施工时考虑到地铁两条隧道穿越防汛墙, 故留有一条39m宽的盾构穿越孔, 其外侧为桩, 39m范围内为12m短桩。而观光隧道在浦西防汛墙施工时并没设置预留孔, 因此必须在地铁隧道上部1.5～2m、 短桩底部1.5～1.6m的范围内穿越, 此范围土层已受地铁隧道穿越扰动而处于非稳定状态。为此, 在施工中采取如下措施:
5.1 地基加固
在整个施工过程中, 先对2号线上下行线底部进行加固, 使其能够承受观光隧道盾构进入时的压及盾构向下的侧向分力对上下行线的影响。
5.2 盾尾注浆
盾构穿越过程中及时注浆并加固脱出盾尾4环后的管片上部, 经过注浆使其固结, 从而克服因观光隧道上浮及地铁隧道上部负载不够而造成的地铁隧道上浮。
当观光隧道上部有一定的承受力后, 可利用注浆加固克服地铁隧道的上浮情况, 使其受扰动的土体得到改良并增加承载力。
5.3 外滩观光台的沉降监测
根据外滩观光平台的实际情况, 分别布置沉降监测点( 详见图6) 。

盾构在施工过程中, 依据观光平台的沉降监测数据, 及时优化调整各类施工参数, 最终将观光隧道沉降控制在30mm以内。
6 盾构进洞施工技术
6.1 盾构进洞盾构逐渐靠近洞门混凝土上开设观察孔, 以加强对其变形和土体的观测, 并控制好推进时的土压力设定值。在盾构切口距洞门20～50cm处停止盾构推进, 同时尽可能掏空土仓内的泥土, 使切口正面的土压力降到最低值, 从而确保封门混凝土吊除的施工安全。在洞门混凝土吊除后, 在洞口安装一套止水环板和止水条, 以减少水的流失和浆液从洞口流出, 同时, 盾构掘进采取连续推进和管片拼装, 大大缩短了盾构进洞时间, 实现了洞门土体不塌方。
由于工作井尺寸的限制, 长约8.9m的盾构进洞不能一次完成, 要分两步进行。盾构工作井底层沿隧道轴线线长7.8m, 当盾构切口环( 包括大刀盘及其驱动装置) 进入工作井后, 将切口环与支撑环分离, 吊出切口环后, 采取措施恢复盾构的推进功能, 将盾构全部推入工作井。
6.2 洞口密土
盾尾脱出洞圈后及时封闭洞门, 用弧形钢板将其与洞圈焊接成一个整体, 洞门封好后立即用双液浆和聚胺脂将管片和洞圈的建筑间隙充填加固, 以减少地面沉降并防止水土、 浆液从洞圈溢出, 从而保证了外滩观光台不受损坏。
7 ”专家系统”在外滩观光隧道工程中的成功应用
”盾构法隧道施工专家系统”是在地铁1号线、 2号线、 延安东路南线等多个项目的施工中逐步建立和完善起来的。”盾构隧道掘进专家系统”的基础是施工数据, 既有以前的工程数据, 也有当时正在施工隧道的实时数据。以前工程数据主要用于新隧道推进之初提供经验上的参考, 而当前不断输入的数据则是为了在隧道推进过程中不断提高系统预测的准确性。”盾构法隧道施工专家系统”的主要功能有两个方面, 第一方面是地面沉降的预测和控制, 第二方面是隧道轴线的控制。
外滩观光隧道由于对于轴线控制非常严格, 因此选用了从法国FCB引起的土压平衡式铰接盾构进行施工。这种铰接类型的盾构是首次应用, 因此原有的专家系统中有许多方面都不能直接应用。为了提高专家系统的适用范围, 针对铰接类型盾构的特点, 我们对专家系统进行了以下几方面的补充和完善:
a. 在相关的数据库中加入铰接类型盾构所需要的域。
b. 在轴线控制中, 加入了对六区油压的控制功能, 使用户可根据不同的盾构类型选择四区油压控制、 六区油压控制或千斤顶控制等不同方式来控制盾构的走向。
c. 增加了铰链式盾构推进轴线图和管片拼装图。经过这些图, 施工人员能够直观地看出管片和盾构推进轴线之间的关系, 从而为下一阶段的盾构推进提供了参考。
经过改进的”专家系统”在施工过程中的价值主要体现在:
a.有系统地搜集和保存了大量的施工数据, 不但为”专家系统”的咨询提供了依据, 而且也为工程资料的整理和保存提供了方便。
b.在地面沉降的预测和控制方面, 不但使施工人员在调整施工参数方面有了参考, 而且在推进这前对未来情况有了一个大致的了解。
c.在隧道轴线的控制方面, 施工人员能很快掌握隧道轴线控制的技巧, 从而使隧道轴线控制符合设计的要求。
d.盾构轴线和管片拼装图的自动绘制, 以及楔子环粘贴方案的自动计算, 使施工人员可从复杂的工作中解脱出来, 从而有更多的时间解决施工中的诸多问题。
8 结束语
铰接式盾构在外滩观光隧道掘进施工中的成功运用, 为盾构顺利穿越浦东防汛墙、 黄浦江、 地铁2号线隧道、 浦西防汛墙、 地下管线等重要构筑线及地下管线奠定了基础, 且社会、 经济效益显著, 据工程竣工测量报告, 轴线均控制在±50mm范围内, 盾构日掘进速度达到8m以上, 工程质量被评定为优良级, 填补了中国在铰接式盾构方面的空白, 在施工技术方面有质的飞跃。另外, 盾构在短期内顺利穿越近距离隧道的施工技术, 开创了国际盾构法隧道施工史的先河