上海外滩观光隧道盾构施工技术

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，填补了我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)①2

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

9.139.1

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

铰接盾构是目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。通常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，使盾尾改善受力状态，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，这一点可以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，并通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，通过注浆使其固结，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，所以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。通过这些图，施工人员可以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，不仅为“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，不仅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，填补了我国在铰接式盾构方面的空白，在施工技术方面有质的飞跃。此外，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

站台施工工艺1.适用范围适用于新建铁路站台工程施工。2.作业准备2.1技术准备2.1.1作业指导书编制后，应在开工前组织技术人员认真学习实施性施工组织设计，阅读、审核施工图纸，澄清有关技术问题，熟悉规范和设计标准。制定施工安全技术措施和应急预案，对施工人员进行技术交底，对参加施工人员进行上岗前技术培训，考核合格后持证上岗。2.1.2必要时与铁路局车站、桥工段、电务段、供电段、房屋修建中心等相关单位签订施工安全协议。2.2外业技术准备施工前应先对施工场地进行平整，准备好材料、劳力及机具，并检查其性能达到要求。收集施工地点外部地理环境、施工作业层中所涉及的轴线、方向、标高、开挖范围等各种外部技术数据，测量放线，做好开挖前准备。3．技术要求3.1施工前按设计提拱的配合比进行室内试验，确定施工配合比。3.2混凝土的拌和采用场地集中拌和，砼灌车运输至现场。3.3依照设计图纸和施工规范进行开挖前技术交底。3.4技术人员应现场值班。4．施工程序及工艺流程基底处理→垫层施工→站台墙底板钢筋绑扎→底板模板及砼浇筑→墙身及顶板钢筋安装→墙身、顶板模板→墙身顶板砼浇筑→拆除模板→站台内回填施工→砼面层浇筑施工。站台施工工艺流程框图测设平面位置、标高测设平面位置、标高基础开挖处理垫层施工站台墙底板钢筋绑扎底板模板及砼浇筑墙身及顶板钢筋安装墙身、顶板模板墙身顶板砼浇筑拆除模板砼面层浇筑施工站台内回填施工5．施工要求5.1施工测量测量定位仪器为尼康MT532全站仪（角度误差2秒，测距2mm）水准测量为DS2光学水准仪，竖向标高量测用钢尺，测量报告得到批准后方可进入下步施工。5.2基底处理及垫层施工⑴基底开挖前，要探明基底范围内有无管线设备，必要时采取相应措施，确保工程的顺利进行。⑵基底开挖后，进行基底杂物的清除及基底平整。基底开挖标高、坡度及尺寸要严格执行技术交底，超挖部分回填必须夯实，达到设计承载要求后才能浇筑垫层基础。5.3站台墙施工钢筋绑扎、模板安装及混凝土浇筑底板和墙身分开先后两次进行。每20m设置一道施工缝。5.3.⑴本工程所有钢筋均根据设计提供的施工图纸和《铁路混凝土与砌体工程施工质量验收标准》的要求进行，进场钢材必须有出厂合格证并做好现场状态标识，试验员及时做好复试工作，试验合格后方准使用。同时钢筋应架空分类存放，并做好钢筋的维护工作，避免锈蚀或油污，确保钢筋保持洁净。⑵各位置钢筋必须绑扎到位，钢筋的数量、规格、接头位置，搭接长度、间距应严格按施工图施工绑扎，并且绑扎牢固无松动。⑶站台墙底板、墙身与模板间均应设垫块，按设计要求的保护层厚度提前制作混凝土垫块，并按规定加扎丝，以便与主筋固定在一起，固定垫块位置，同时垫块应具有相应构件的混凝土标号，加工尺寸应规整。⑷钢筋定位：每次混凝土灌注前，钢筋混凝土主体钢筋应统一校正，发现钢筋位移和变形后及时修复，保证钢筋间距、位置、保护层始终符合设计要求。⑸质量检查工程师应对构件的钢筋规格数量及设计规范要求项目进行系统检查,各项检查全部合格后，报请监理进行隐蔽检查。⑹每次隐蔽前，有关责任人应提前填好隐蔽检查证，待监理隐蔽检查合格后及时完成签认手续，隐蔽检查证填写应规整、全面、表达清楚。⑺成品、半成品钢筋应远离污染源存放，如机油、隔离剂、泥土等，一旦污染应作好处理工作。⑻钢筋的绑扎允许偏差值必须符合下表的要求，合格率应控制在90%以上。项目允许偏差值（mm）绑扎钢筋网长、宽±10网眼尺寸±20绑扎钢筋骨架长±10宽、高±5受力钢筋间距±10排距±5保护层厚度基础±10柱、梁±5板、墙、壳±3绑扎箍筋、横向钢筋间距±20钢筋弯起点位置20预埋件中心线位置5水平高差+3，05.3⑴模板板面平整、具有足够的强度、刚度、稳定性，支撑牢固。横竖缝排列有序，连接紧密，保证板缝不漏浆。⑵模板使用前，对变形、翘曲超出规范的应即刻退出现场，不予使用，模板拆除下来，应将砼残渣、垃圾清理干净，重新刷隔离剂。⑶模板安装完成后，先由现场技术人员进行自检。自检完毕，由质检员负责进行模板的轴线、标高、垂直度、截面尺寸、支撑牢固度的复核，并作好书面记录、签证。⑷浇筑混凝土前，模板内的积水和杂物应清理干净。模板的接缝不大于2mm。⑸模板的实测允许偏差如下表所示，其合格率严格控制在90%以上。项目允许偏差值（mm）轴线位移5标高±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。商品混凝土每车都要现场检验坍落度，以测试混凝土的和易性，符合设计要求方可浇筑。砂、石符合要求，每次浇筑前由混凝土商提供原材试验资料，施工现场进行抽样复检。⑵混凝土灌注采用分层阶梯推进，每层不大于0.5m,混凝土灌注连续进行。施工缝处应先凿除缝面上的水泥砂浆薄膜和松动的石子，以压力水冲洗干净，充分湿润，不存积水。当混凝土表面出现泌水现象时（约2－10h混凝土应每50－100m⑶混凝土振捣：①不得漏振，尤其对钢筋密集，模板拐角等处特别注意。②振动棒在每点上的振捣时间以混凝土不沉落、不出气泡，表面泛浆为度，一般为20－30s，最短不得少于10s,也不宜过振，以防混凝土产生离析。③振动棒插入深度应进入下一层混凝土内5－10cm④振动棒移动距离不应大于0.6m,⑤振动棒慢慢上拔，不能突然拔出。⑷混凝土的养护：①可用草袋、棉补等覆盖于混凝土外露面上，注意不使混凝土面受到污染和损伤。②养护时间为14天。⑸拆模：①拆模宜待混凝土强度达到2.5Mpa以上时方可拆除。②拆模时应自上往下逐层拆除，其间不得损坏混凝土表面结构。③拆下的模板严禁抛掷，且应分类堆放、修整、涂油。5.4站台内回填5.4在站台墙施工完毕后，对站台内进行回填。回填首先采用无杂质普通土分层回填，采用机械压实处理，对靠近台墙边不宜采用机械碾压的部分，用平板电夯机夯实。分层厚度为20cm，压实系数＞0.95。每层填土完成后，由质检员、试验员陪同监理进行压实度试验检测，满足要求后，方进行下层填土施工。填土顶部高程由技术人员现场测量控制。5.4素土回填完成后，由质检工程师报监理检查合格后，上铺掺10%石灰处理的素土，碾压密实,压实系数＞0.95。经试验检测合格后,铺25mm厚粗砂一层。报监理现场检查合格后，方可进行混凝土面层的浇筑。5.5混凝土面层浇筑站内内回填完成后，经复测标高无误后，浇筑混凝土层,并设沉降缝。6.劳动组织6.1劳动组织模式：采用架子队组织模式。6.2施工人员应结合工前确定的施工方案、机械、人员组合、工期要求进行合理配置。每作业面主要劳动力配置表序号岗位名称人数（人）备注1技术、测量、试验、质检5-82工班长3-43安全员1-24钢筋工205木工106混凝土工127普工208挖掘机、压路机、装载机司机3各1人9自卸车司机510电工27.材料要求原材料必须符合设计及相应规范规定要求，经检测合格后方可投入使用。8.设备机具配置每作业面主要机具设备配置表序号机械名称型号数量(台)1挖掘机12压路机Zl5013装载机14自卸汽车5T55切断机QJ40-116弯曲机WJ-4017钢筋调直机GT4-1418闪光对焊机100KVA单380V19振动捧ZX50610电焊机BX3-300-2411蛙式打夯机49.质量控制及检验9.1质量控制9.1.1严格遵守公司的质量方针和目标，建立质量控制保证体系。运用全面质量管理的方法，重点做好施工工序控制，工程质量评审，物资材料管理等工作。9.1.2建立各级质量责任制。各级质量控制人员严肃使用质量否决权，做到坚持没有质量计划和组织设计不安排施工；坚持没有校验达标工程不报竣和交付使用。9.1.3优化施工方案，积极采用先进的施工工艺，科学地按施工进度计划合理调配劳动力。对每道工序都要建立严格的质量检验系统，遵守监督上道工序，保证本道工序，服务下道工序的要求，实行样板引路，以样板间，样板段或样板工序指导施工。9.2过程控制9.2.1技术复核、隐蔽工程验收⑴技术复核是确保各道工序是否按设计图纸和施工及验收规范施工关键。⑵凡分项工程的施工结果被后道施工所覆盖，均应进行隐蔽工程验收，隐蔽验收的