上海地鐵土建技術概要
摘 要：本文介紹上海地鐵一、二號線地下工程結構設計及施工方法的主要技術特點。針對上海軟粘土的高壓縮性和流變性，車站深基坑和盾構法區間隧道施工中采用了一系列優化施工工藝和施工參數的治理方法，經濟有效地控制了地層移動。
關鍵詞：地鐵、地下工程、基坑、盾構法隧道
1、工程概況
上海地鐵一、二號線，總長37.7km（見圖1）。其中一號線地下車站11座，單線盾構隧道18.8km；二號線地下車站12座，單線盾構隧道24.2km。工程所處地層基本為飽和和含水流塑或軟塑粘土層，土抗剪強度低、含水量高、靈敏度大，大多數屬中高壓縮性土層，并且具有較大的流變性（見表1）。土體經擾動后強度明顯降低，且在長時間內進行固結和次固結沉降。
一、二號線地鐵線路十字交叉穿過市中心區，車站大多數設在街道狹窄、兩側建筑物密集的城市道路下面，街道下地下管線密布。區間隧道大多數穿過市中心城區，地面建筑年代久遠、結構基礎型式為淺基礎，盾構在下部穿越引起地極易產生由不均勻沉降導致結構裂縫。面對這些工程技術困難，在工程實踐中進行了技術攻關和科學研究。在地下墻深基坑及盾構法隧道施工、地下車站結構防水和區間隧道結構防水等方面，力求在設計和施工技術中運用安全、可靠、經濟、合理的方法。
圖1 上海地鐵一、二號線走向示意圖
在近10年來的工程實踐中，通過對不同施工工序和施工參數車站深基坑施工過程中進行現場監測分析，形成了一套較完善運用時空效應原理的理論和方法，以充分利用軟土自身控制變形的潛力來進行深基坑開挖施工方法。在盾構施工過程中，采用信息施工土自身控制變形的潛力來進行深基坑開挖施工方法。在盾構施工過程中，采用信息施工和以優化施工參數為主的手段來控制地層移動。在對鄰近建筑物保護技術方面，逐步從常規的事先保護法，發展完善成套動態過程保護法，確保鄰近建筑物的保護控制在結構允許的范圍以內。區間隧道和車站縱向剛度設計中、采用有限剛度柔性結構設計理念，既滿足了結構合理安全使用，又降低了地下工程的造價。
上海典型土層土性參數表 表1
2、地下工程的結構設計
2.1 地鐵車站結構設計
圖2考慮時空效應的基坑擋墻
計算模型
在建筑物密集的市區建造地鐵車站，常采用地下連續墻圍護，其側墻有單層墻和雙層墻兩種結構形式。單層側墻的地下墻既作為施工階段的圍護結構又作為使用階段的永久結構；雙層墻是將地下連續墻作為基坑開挖階段的圍護結構，內部結構施工澆筑內襯形成永久復合型側墻。
2.1.1 車站深基坑的計算模型及參數
地下墻墻體結構分別按基坑開挖階段、回筑內部結構施工階段及使用階段進行結構內力和變形等方面計算。基坑開挖時地下墻內力按“總和法”計算，內部結構施工時地下墻～內部結構組合框架內力按“分步疊加法”計算。基坑開挖階段地下墻內力～變形計算，國內外常用的計算方法很多，有相當梁法、彈性法、塑性法、假想支點法、彈塑性法等等。
目前我們一般采用彈性桿系有限元法的計算模型，計算參數Kh采用在一定施工條件和一定地基加固條件下的經驗等效水平基床系數。水平基床系數根據實測分析土體的開挖深度、土的流變特性、墻體主動區和被動區應力水平及地下墻無支撐暴露時間來選定（見圖2）。
2.1.2 車站內部結構施工階段“地墻～內部結構組合框架”內力計算
采用單層墻內部結構施工階段內力計算：地下墻與內部結構板按絞接相連，承受水平荷載時墻體內力可按與開挖相似“總和法”模型獨立計算，水平荷載輸入尚需計入結構板澆筑前該墻體的“先期位移”，內部結構板承受豎向荷載時的內力計算，采用彈性地基上的框架模型，按各施工階段進行內力疊加。
采用雙層墻內部結構施工階段的內力計算：一般根據各施工階段的增量內力采用“分步疊加法”計算；即隨著各回筑階段地下墻逐步與內部結構結合成彈性地基上層數不同的框架體系，先分步計算各不同階段因荷載增量所產生的框架內力，再進行內力疊加，形成內力包絡圖。（見圖3）。
圖3常用澆拆工序時的框架荷載內力示意圖
2.1.3 車站結構縱向變形及內力處理的結構措施
圖4 誘導縫布置示意圖
在靈敏度和壓縮性較高的飽和含水粘性土層中修建地鐵車站，結構產生縱向變形和內力的主要影響因素有地基不均勻沉降、溫度和干縮。為了使地鐵車站結構的撓曲和剪切移動控制在一定的限度內，以往通常是采用加大車站側墻和頂、樓板的厚度，通過提高車站的縱向剛度來控制車站的縱向變形。這往往又導致施工階段混凝土溫度內力及建成后若干年內干縮應力的增大，從而引起結構的開裂與滲水。國外為了解決這一問題往往是通過加大縱向配筋來控制裂縫的寬度，這又導致造價過大。通過對軟土地層中車站基坑開挖回彈～再壓縮規律的研究，以及在合理的工藝條件下，對混凝土施工階段溫度應力和建成后一定時間內干縮應力的控制，在考慮長期使用階段季節性溫差引起的縱向應力基礎上提出誘導縫結構構造措施。
由地基不均勻沉降、溫度及干縮引起的結構彎曲應力及水平應力通過設置的橫向縫予以釋放防止混凝土的開裂，但又不允許車站底板撓曲和剪切移動超過一定限度，通過橫向縫兩側可滑移的鋼筋來使整個車站結構滿足一定的抗彎剛度（見圖4）。既使結構具有一定縱向剛度來滿足軌道的平整度，又防止結構板砼的開裂。
2.2 區間隧道結構設計
2.2.1 計算模型
盾構隧道的結構按平面問題計算，計算模式取自由變形的彈性勻質園環，并按襯砌與地層共同作用、接頭影響的彈性鉸園環復核。作為彈性勻質圓環，考慮到接頭的影響，對襯砌的抗彎剛度EI取0.65～0.75的折減系數。彈性鉸園環是將各縱縫接頭按其所處的位置，可能產生的變形形態、螺栓的設置等處理成能承受一定彎矩即 的彈性鉸， 為接頭剛度（KN·m/rad）， 為接頭轉角（rad）。其設計荷載簡圖（見圖5）。
圖5設計荷載簡圖
2.2.2 結構形式
為了提高襯砌環縫承受隧道縱向變形引起剪力的抵抗能力、抗裂及防水等要求，將管片的端肋面設計成凹凸榫。
管片寬度為1m，既便于起吊、安裝又使縫相對減少，隨著管片生產拼裝精度的提高和拼裝設備負荷增大，管片寬度可適當增加。
管片環面大凸榫承受千斤頂力，可減少環面壓損。小封頂拆裝方便，亦可減少長沖程千斤頂。
2.2.3隧道襯砌防水
由于采用高精度鋼模（各向誤差小于0.5mm），使生產鋼筋混凝土管片誤差小于1mm，同時采用了彈性防水密封墊，使得拼裝后的隧道管片縫達到襯砌滲漏量小于0.1L/m2d；無滴漏線流；管片抗滲要0.6Mpa以上。
彈性防水密封墊設計要求，（一號線）按環縫張開5mm和（二號線）環縫張開8mm，縱縫張開6mm，可抗水壓0.6Mpa。
3、地下工程的施工技術
3.1 地鐵車站深基坑施工技術
基坑開挖不可避免地要引起坑內土體的應力釋放，基坑開挖土體的空間尺寸的大小直接決定了每步開挖土體釋放的應力大小。同時粘性土具有明顯的流變性，尤其是淤泥質粘性土，基坑圍護結構的變形在同一工況下會隨著時間的延長而不斷增長。因此，選取合理而可靠的施工工序和施工參數，就能在設計中科學地定量地考慮時空效應為主要特征的施工因素。按此合理而規則地施工，就會使土體應力路徑和土體應力狀態的變化由復雜莫測變為有一定規律。使軟土基坑變形的預測值與實測值變得相符，基坑變形達到可控。按上海地鐵實踐，地下車站深基坑施工工序及其參數可分為以下三種（圖6、7）：
圖6 長條形基坑施工順序及參數示意圖 圖7 基坑斜支撐部分的開挖步序和參數示意圖
3.2 盾構施工技術
3.2.1 盾構的選型
在近20m深的飽和含水的粘土性土層粉砂土層中采用加泥式土壓平衡盾構，可以滿足盾構施工對周圍環境控制變形的保護要求，使得地表變形在隆起1cm、沉降3cm的范圍內。
3.2.2 土壓平衡盾構的施工
合理的盾構施工參數是根據盾構試驗段（一般出洞100m），在結合以往盾構推進參數的基礎上憑地表面變形監控數據及盾構施工記錄的施工參數優化得到的。特別是采用了以單環推進引起的盾構上方地面隆沉曲線推算按同樣施工參數做長距離推進所引起的縱向地面隆沉曲線的方法，據以及時調整施工參數，可使盾構在全線推進中隨地質、埋深、環境條件變化而動態地加以優化，提高控制地面變形的效果。
在優化施工參數中，盾構的正面壓力、推進速度、出土量和同步壓漿材料、壓力與數量，以及推進中糾編幅度是精心掌握的重點。
對在粉砂、砂質粉土中盾構施工，要根據測試數據提高土艙壓力，以在推進過程中疏干正面一定范圍的土體，防止土體液化而由出土器噴出，同時又向正面壓注適量泥漿或泡沫，來提高土的塑性和減少刀盤切工阻力。
3.3 地鐵區間隧道聯絡通道及泵站的施工技術
隧道上下行線設置聯絡通道是為了便于區間隧道內列車發生火災等意外事故時，乘客能就近下車，快速安全疏散到另一條平行隧道中去。
在上海飽和含水軟弱地層中，建造區間聯絡通道的辦法不外乎有以下幾種：
① 豎井法－在場地條件允許的情況下，地面做圍護由上至下開挖，再和相鄰兩條隧道聯通。
② 頂管法－在地質條件允許的情況下，用鋼頂管頂進挖掘，類似箱涵頂進施工，下部泵站施工可采用類沉井工法。
③ 類礦山法－先對聯絡通道及其泵站部位土體進行地基加固，待加固地體達到一定強度后，采用類礦山法進行施工。
被加固的土體要求勻質、不透水（抗滲透系數小于10－9cm/s）、具有一定的強度。根據不同的地質及施工條件采用不同的加固方法，如：水泥土加固和凍結加固。
4、施工監控
環境巖土工程監控技術是通過將常規手段與高精度連續自動監測手段相結合對工程自身強度和變形以及周圍環境進行監測，通過對施工過程的監控和分析研究，摸索一整套優化施工參數保護周圍環境的信息化施工技術。
在車站基坑施工過程中，實踐證明：按照軟土基坑工程時空效應的理論和方法，所設計的基坑在施工過程中，在各層開挖階段的擋墻水平位移及相應的墻后地層位移基本符合設計預測值，但由于地層的各向異性和不均勻性以及地層在施工擾動時發生的難以預測到的不明確因素，在施工過程的各個階段還可能發生某些偏離預測值的現象，這就必需在施工過程進行施工監測和有效控制。該項工作是保證地下工程的實際地層位移符合預測的一個關鍵環節，其工作要點有四：
(1) 按照基坑周圍環境保護要求，設計基坑工程并預測坑周地層位移分布，通過設計分析，確定出關鍵監測點。對各關鍵觀測點均要經預測計算，提出各重要部位在各層開挖過程中各階段的變形速率的警戒值 ，（如圖8）：
圖8 基坑分層開挖時的擋墻位移圖
式中， ——某層開挖中的墻體變形速率（每班次的變形增量）； ——開挖第i層過程中墻體允許最大水平位移值； ——開挖第i-1層過程中墻體允許最大水平位移值； ——經驗系數，取0.8~0.9；N——開挖一層的工作班次。
(2) 按照測點的監測內容選擇具有相應功能與精度的測試儀器，最常用和有效的有：①擋墻內設置的測斜管，誤差≤0.5mm；②測量地表及建筑物垂直位移及水平位移的精密水準儀（誤差≤0.2mm）及經緯儀（誤差≤0.5mm）；③支撐軸力測壓傳感器（誤差≤10kN）；④孔隙水壓計（誤差≤0.01MPa）。
(3) 在關鍵部位施工過程中，對該部位關鍵監測點的監測數據，要緊跟工況發展進行數據處理與反饋分析。
(4) 當變形速率的監測數據達到警戒值時，立即采取有效控制，以事先備用的措施將施工中的風險性趨勢制止在萌芽狀態。使基坑工程坑周環境的安全和質量始終處于可控狀態。
按一定施工參數施工中單環監測數據推算施工參數相同的
長距離推進的地面縱向變形示意圖
在盾構施工過程中，施工監測是對周圍環境進行積極保護的關鍵措施，通過施工監測和診斷各種施工因素對地表變形的影響，提供優化施工參數的依據，根據觀測到的結果，預測下一步的地表沉降和對周圍建造及其它設施的影響，以便采取合理可靠的保護措施。根據單環監測數據分析推算按相同施工參數長距離推進地面縱向變形曲線是盾構施工監測的精髓（見圖9）。
5、鄰近建造物及設施的保護技術
在上海建筑物密集市區進行地鐵車站深基坑開挖和盾構施工，環境保護問題是一個十分辣手的問題。根據上海地鐵深基坑的工程經驗，按環境保護的要求將基坑變形控制標制標準分三個保護等級如表2。
按表2所要求的主要參數地表最大沉降量和圍護墻水平位移以及抗隆起安全系數來實施基坑工程，對環境保護問題通常采用兩種做法：(1)事先保護法;(2)過程保護法。
5.1 事先保護法
事先保護法是在基坑實施前對工程地質和周圍環境作深入調查，提出基坑施工時減少地層位移的施工工藝和施工參數，并針對環境允許的強度和變形，事先對周圍環境采取工程保護如隔斷法、基礎托換、地基加固、結構補強等方法。
5.2 過程保護法
由于地下工程的不確定性，施工過程中各個階段可能發生某些偏離預測值的情況或者在采取事先保護法時費用過大或不能完全徹底解決問題的情況，事先有所準備在施工過程中采取的動態保護方法，有跟蹤注漿法、被動區注漿法、降水糾偏法等等。
基坑變形控制保護等級標準 表2
注：H為基坑開挖深度， 為抗隆起安全系數，按圓弧滑動公式算出，c、f值取固結快剪峰值的0.7倍。
· 跟蹤注漿法：
進行軟土深基坑開挖卸載造成圍護墻兩側壓力差過大引起基坑內土體回彈隆起，以及圍護墻變形引起圍護墻坑外主動區土體損失，對坑周邊建筑物及地下管線均會造成不均勻沉降差，若不均勻沉降差超出現有設施允許值，便會導致周邊設施的破壞。怎樣在施工過程中減少坑外土體的損失是控制現有設施不均勻沉降差的關鍵。
跟蹤注漿法就是在基坑施工各個階段，在嚴密監測的前提下，通過緊貼坑外注漿管進行及時、適量、分層、低壓速注漿，及時填充由于開挖造成坑外土體損失（如圖10）。
對盾構施工土體損失引起地表建筑不均勻沉降，也經常采用及時跟蹤注漿的辦法來控制沉降差。
· 被動區注漿法
圖10
圖11
在基坑施工過程中，由于基坑較深，圍護墻剛度相對較小，同時存在深層超載或運營地鐵的振動荷載引起圍護墻變形速率過大。提高被動區抗力在被動區采取的雙液分層注漿技術。被動區注漿通常要求要和支撐預應力的更加結合在一起，及時用支撐力將圍護結構 頂緊，有效控制基坑的變形（如圖11）。
· 降水糾偏法
上海軟粘土地下水位較高，大多夾有薄層粉砂，采用真空深井可控地降低地下水位，利用降水后土層中有效應力的增加，原來由孔隙水壓承擔的荷載將逐漸轉嫁到土骨架上，因此隨著孔隙水壓力的消散，將會引起土體固結和變形，導致地表和建筑物的沉降。降水糾偏只是通過監控，將這種沉降變得可控有利。
由于上海軟粘土水平滲透系數大于垂直滲透系數。采用降水糾偏要注意地下水位降低對地下管線及鄰近其他建筑物的不利影響，因此對降水井所產生的水頭的高低及由此引起土體固結沉降量要特別引起重視，影響方案設計及實施的時候井點布置。某工程通過控制建筑物不同點的水頭高度達到了調整建筑物不均勻沉降差之目的。
6、軌道結構的設計與施工
軌道是地鐵運營設備的基礎，它直接承受地鐵列車荷載，引導列車的運行。由于地鐵列車軸重輕、行車密度大、運營時間長、維修保養時間短，軌道結構在強度、穩定性、耐久性方面具有以下特征：
1) 適應維修時間短，養護工程量少，使用壽命長的特點；
2) 扣件具有適量的彈性，使列車運行所引起的振動與噪聲控制在容許的范圍內；
3) 要具有絕緣性能，降低雜散電流對周圍金屬的電腐蝕；
4) 減少軌道結構的零部件的非標品種，盡可能選用鐵道部通用件，以降低工程造價和養護費用。
6.1 軌道設計
針對上述原則，鋼軌應具有足夠承載能力、抗彎強度、斷裂韌性及穩定性、耐磨性、耐腐蝕性等。鋼軌的選型采用了國鐵“年通過重量在30～60Mt時，采用60kg/m鋼軌”的選型規定。
地鐵扣件要求具有足夠的強度、扣壓力和耐久性，以及具有良好彈性和絕緣性能。根據不同減振要求分別在整體道床采用DTⅢ型扣件和軌道減振扣件，地面線碎石道床地段，采用了國鐵的定型扣件，詳見圖12、13。
道床在隧道內采用整體道床，考慮到上海區間隧道處于飽和軟土地層中，為了減少隧道結構縱向不均勻沉降以及運營列車振動可能引起隧道下臥土層振陷和液化，將道床設計成連續支承的縱向軌枕式整體道床，道床和管片具有一定的抗剪強度粘結成一個整體，通過加大結構重量減緩振動以減少對隧道結構周邊土體的影響，鋼軌下的彈性墊層及鋼筋混凝土基礎都是順線路方向連續的，其橫斷面圖詳見圖14。
6.2 軌道結構的施工
1、 于地鐵圓形區間隧道的內徑較緊湊，無法提前設置輕型軌道作為施工材料的運輸線路，而只能利用正式鋼軌，并在道床施工地段兩側水溝設置。
2、 龍門吊軌道采用長軌枕。
3、預拼軌排然后運到施工地段，再用鋼軌支撐吊掛，經調整合格后澆筑混凝土道床，使軌道施工既便捷又快速，其整體道床施工工藝流程圖詳見圖15。
圖15 整體道床施工工藝流程圖
為了提高地鐵線路的質量，軌道設計采用了超長無縫線路，無縫線路采用溫度應力式。鎖定軌溫確定為1/2（當地的最高軌溫＋當地的最低軌溫）±5℃。無縫線路的焊接方式，采用工廠接觸焊機將短軌焊成250米長的長軌條，送至現場，再采用洞內氣壓焊接成無縫線路，針對隧道內小半徑曲線及陡坡給無縫線路鋪設與鎖定帶來的困難，采用“分段鋪設、交叉鎖定、線上連焊、統一換算”的施工方案，比較合理地解決了勞力、設備及技術標準的難題。
軌道是地鐵運營設備的基礎，它直接承受地鐵列車荷載，引導列車的運行。由于地鐵列車軸重輕、行車密度大、運營時間長、維修保養時間短，軌道結構在強度、穩定性、耐久性方面具有以下特征：
1) 適應維修時間短，養護工程量少，使用壽命長的特點；
2) 扣件具有適量的彈性，使列車運行所引起的振動與噪聲控制在容許的范圍內；
3) 要具有絕緣性能，降低雜散電流對周圍金屬的電腐蝕；
4) 減少軌道結構的零部件的非標品種，盡可能選用鐵道部通用件，以降低工程造價和養護費用。
7、結論
1. 在軟粘土地層采用考慮時空效應的理論和方法進行深基坑設計和施工是一條被實踐證明經濟而可靠的技術途徑，在軟土基坑工程得到廣泛的應用。
2. 科學的施工工藝和施工參數是設計的必要依據，也是控制基坑變形的關鍵。科學的監測方式及信息化施工以及根據監測信息對施工工藝及參數做必要的優化是工程成功的保障。
3. 盾構施工中根據單環推進引起上方地表沉降推算按相同施工參數做長距離推進引起地面隆沉曲線，進行施工參數的優化是施工的精髓。
4. 輔助施工技術和措施是地下工程的必不可少的關鍵手段之一。隨著施工技術的提高，將會得到廣泛地應用和發展。
5. 采用合理的軌道結構措施，可避免列車長期振動引起砂性土的液化和軟粘土的振陷。
參考文獻
[1]上海市建設委員會科學技術委員會 地鐵一號線 上海科學技術出版社
[2]劉建航、侯學淵編 盾構法隧道 同濟大學出版社 1996
[3]劉建航 侯學淵主編 基坑工程手冊 1997 中國建筑工業出版社
[4]劉建航 地下墻深基坑周圍地層移動與治理 上海 地下工程與隧道1991年第二期 1993年第三期
[5]"基坑工程時空效應理論與實踐"研究課題總結報告 上海市地鐵總公司 同濟大學
[6]Liu JianHang (1998-October 18-21)"Design and Construction of Excavation for Shanghai Metro" Proc of Sessions of GEO-CONGRESS 98. ASCE
[7]Peck Deep Excavation and Tunneling in Soft Ground Proc.7th int. Conf. Soil Mechanics and Foundation Engineering, Vol3. State of the art reports. Mexico City 1969
[8]葛世平 軟土地鐵車站縱向變形預測與治理研究 同濟大學博士論文， 2000.8
原文作者：葛世平（上海地鐵運營有限公司）
摘 要：本文介紹上海地鐵一、二號線地下工程結構設計及施工方法的主要技術特點。針對上海軟粘土的高壓縮性和流變性，車站深基坑和盾構法區間隧道施工中采用了一系列優化施工工藝和施工參數的治理方法，經濟有效地控制了地層移動。
關鍵詞：地鐵、地下工程、基坑、盾構法隧道
1、工程概況
上海地鐵一、二號線，總長37.7km（見圖1）。其中一號線地下車站11座，單線盾構隧道18.8km；二號線地下車站12座，單線盾構隧道24.2km。工程所處地層基本為飽和和含水流塑或軟塑粘土層，土抗剪強度低、含水量高、靈敏度大，大多數屬中高壓縮性土層，并且具有較大的流變性（見表1）。土體經擾動后強度明顯降低，且在長時間內進行固結和次固結沉降。
一、二號線地鐵線路十字交叉穿過市中心區，車站大多數設在街道狹窄、兩側建筑物密集的城市道路下面，街道下地下管線密布。區間隧道大多數穿過市中心城區，地面建筑年代久遠、結構基礎型式為淺基礎，盾構在下部穿越引起地極易產生由不均勻沉降導致結構裂縫。面對這些工程技術困難，在工程實踐中進行了技術攻關和科學研究。在地下墻深基坑及盾構法隧道施工、地下車站結構防水和區間隧道結構防水等方面，力求在設計和施工技術中運用安全、可靠、經濟、合理的方法。
圖1 上海地鐵一、二號線走向示意圖
在近10年來的工程實踐中，通過對不同施工工序和施工參數車站深基坑施工過程中進行現場監測分析，形成了一套較完善運用時空效應原理的理論和方法，以充分利用軟土自身控制變形的潛力來進行深基坑開挖施工方法。在盾構施工過程中，采用信息施工土自身控制變形的潛力來進行深基坑開挖施工方法。在盾構施工過程中，采用信息施工和以優化施工參數為主的手段來控制地層移動。在對鄰近建筑物保護技術方面，逐步從常規的事先保護法，發展完善成套動態過程保護法，確保鄰近建筑物的保護控制在結構允許的范圍以內。區間隧道和車站縱向剛度設計中、采用有限剛度柔性結構設計理念，既滿足了結構合理安全使用，又降低了地下工程的造價。
上海典型土層土性參數表 表1
2、地下工程的結構設計
2.1 地鐵車站結構設計
圖2考慮時空效應的基坑擋墻
計算模型
在建筑物密集的市區建造地鐵車站，常采用地下連續墻圍護，其側墻有單層墻和雙層墻兩種結構形式。單層側墻的地下墻既作為施工階段的圍護結構又作為使用階段的永久結構；雙層墻是將地下連續墻作為基坑開挖階段的圍護結構，內部結構施工澆筑內襯形成永久復合型側墻。
2.1.1 車站深基坑的計算模型及參數
地下墻墻體結構分別按基坑開挖階段、回筑內部結構施工階段及使用階段進行結構內力和變形等方面計算。基坑開挖時地下墻內力按“總和法”計算，內部結構施工時地下墻～內部結構組合框架內力按“分步疊加法”計算。基坑開挖階段地下墻內力～變形計算，國內外常用的計算方法很多，有相當梁法、彈性法、塑性法、假想支點法、彈塑性法等等。
目前我們一般采用彈性桿系有限元法的計算模型，計算參數Kh采用在一定施工條件和一定地基加固條件下的經驗等效水平基床系數。水平基床系數根據實測分析土體的開挖深度、土的流變特性、墻體主動區和被動區應力水平及地下墻無支撐暴露時間來選定（見圖2）。
2.1.2 車站內部結構施工階段“地墻～內部結構組合框架”內力計算
采用單層墻內部結構施工階段內力計算：地下墻與內部結構板按絞接相連，承受水平荷載時墻體內力可按與開挖相似“總和法”模型獨立計算，水平荷載輸入尚需計入結構板澆筑前該墻體的“先期位移”，內部結構板承受豎向荷載時的內力計算，采用彈性地基上的框架模型，按各施工階段進行內力疊加。
采用雙層墻內部結構施工階段的內力計算：一般根據各施工階段的增量內力采用“分步疊加法”計算；即隨著各回筑階段地下墻逐步與內部結構結合成彈性地基上層數不同的框架體系，先分步計算各不同階段因荷載增量所產生的框架內力，再進行內力疊加，形成內力包絡圖。（見圖3）。
圖3常用澆拆工序時的框架荷載內力示意圖
2.1.3 車站結構縱向變形及內力處理的結構措施
圖4 誘導縫布置示意圖
在靈敏度和壓縮性較高的飽和含水粘性土層中修建地鐵車站，結構產生縱向變形和內力的主要影響因素有地基不均勻沉降、溫度和干縮。為了使地鐵車站結構的撓曲和剪切移動控制在一定的限度內，以往通常是采用加大車站側墻和頂、樓板的厚度，通過提高車站的縱向剛度來控制車站的縱向變形。這往往又導致施工階段混凝土溫度內力及建成后若干年內干縮應力的增大，從而引起結構的開裂與滲水。國外為了解決這一問題往往是通過加大縱向配筋來控制裂縫的寬度，這又導致造價過大。通過對軟土地層中車站基坑開挖回彈～再壓縮規律的研究，以及在合理的工藝條件下，對混凝土施工階段溫度應力和建成后一定時間內干縮應力的控制，在考慮長期使用階段季節性溫差引起的縱向應力基礎上提出誘導縫結構構造措施。
由地基不均勻沉降、溫度及干縮引起的結構彎曲應力及水平應力通過設置的橫向縫予以釋放防止混凝土的開裂，但又不允許車站底板撓曲和剪切移動超過一定限度，通過橫向縫兩側可滑移的鋼筋來使整個車站結構滿足一定的抗彎剛度（見圖4）。既使結構具有一定縱向剛度來滿足軌道的平整度，又防止結構板砼的開裂。
2.2 區間隧道結構設計
2.2.1 計算模型
盾構隧道的結構按平面問題計算，計算模式取自由變形的彈性勻質園環，并按襯砌與地層共同作用、接頭影響的彈性鉸園環復核。作為彈性勻質圓環，考慮到接頭的影響，對襯砌的抗彎剛度EI取0.65～0.75的折減系數。彈性鉸園環是將各縱縫接頭按其所處的位置，可能產生的變形形態、螺栓的設置等處理成能承受一定彎矩即 的彈性鉸， 為接頭剛度（KN·m/rad）， 為接頭轉角（rad）。其設計荷載簡圖（見圖5）。
圖5設計荷載簡圖
2.2.2 結構形式
為了提高襯砌環縫承受隧道縱向變形引起剪力的抵抗能力、抗裂及防水等要求，將管片的端肋面設計成凹凸榫。
管片寬度為1m，既便于起吊、安裝又使縫相對減少，隨著管片生產拼裝精度的提高和拼裝設備負荷增大，管片寬度可適當增加。
管片環面大凸榫承受千斤頂力，可減少環面壓損。小封頂拆裝方便，亦可減少長沖程千斤頂。
2.2.3隧道襯砌防水
由于采用高精度鋼模（各向誤差小于0.5mm），使生產鋼筋混凝土管片誤差小于1mm，同時采用了彈性防水密封墊，使得拼裝后的隧道管片縫達到襯砌滲漏量小于0.1L/m2d；無滴漏線流；管片抗滲要0.6Mpa以上。
彈性防水密封墊設計要求，（一號線）按環縫張開5mm和（二號線）環縫張開8mm，縱縫張開6mm，可抗水壓0.6Mpa。
3、地下工程的施工技術
3.1 地鐵車站深基坑施工技術
基坑開挖不可避免地要引起坑內土體的應力釋放，基坑開挖土體的空間尺寸的大小直接決定了每步開挖土體釋放的應力大小。同時粘性土具有明顯的流變性，尤其是淤泥質粘性土，基坑圍護結構的變形在同一工況下會隨著時間的延長而不斷增長。因此，選取合理而可靠的施工工序和施工參數，就能在設計中科學地定量地考慮時空效應為主要特征的施工因素。按此合理而規則地施工，就會使土體應力路徑和土體應力狀態的變化由復雜莫測變為有一定規律。使軟土基坑變形的預測值與實測值變得相符，基坑變形達到可控。按上海地鐵實踐，地下車站深基坑施工工序及其參數可分為以下三種（圖6、7）：
圖6 長條形基坑施工順序及參數示意圖 圖7 基坑斜支撐部分的開挖步序和參數示意圖
3.2 盾構施工技術
3.2.1 盾構的選型
在近20m深的飽和含水的粘土性土層粉砂土層中采用加泥式土壓平衡盾構，可以滿足盾構施工對周圍環境控制變形的保護要求，使得地表變形在隆起1cm、沉降3cm的范圍內。
3.2.2 土壓平衡盾構的施工
合理的盾構施工參數是根據盾構試驗段（一般出洞100m），在結合以往盾構推進參數的基礎上憑地表面變形監控數據及盾構施工記錄的施工參數優化得到的。特別是采用了以單環推進引起的盾構上方地面隆沉曲線推算按同樣施工參數做長距離推進所引起的縱向地面隆沉曲線的方法，據以及時調整施工參數，可使盾構在全線推進中隨地質、埋深、環境條件變化而動態地加以優化，提高控制地面變形的效果。
在優化施工參數中，盾構的正面壓力、推進速度、出土量和同步壓漿材料、壓力與數量，以及推進中糾編幅度是精心掌握的重點。
對在粉砂、砂質粉土中盾構施工，要根據測試數據提高土艙壓力，以在推進過程中疏干正面一定范圍的土體，防止土體液化而由出土器噴出，同時又向正面壓注適量泥漿或泡沫，來提高土的塑性和減少刀盤切工阻力。
3.3 地鐵區間隧道聯絡通道及泵站的施工技術
隧道上下行線設置聯絡通道是為了便于區間隧道內列車發生火災等意外事故時，乘客能就近下車，快速安全疏散到另一條平行隧道中去。
在上海飽和含水軟弱地層中，建造區間聯絡通道的辦法不外乎有以下幾種：
① 豎井法－在場地條件允許的情況下，地面做圍護由上至下開挖，再和相鄰兩條隧道聯通。
② 頂管法－在地質條件允許的情況下，用鋼頂管頂進挖掘，類似箱涵頂進施工，下部泵站施工可采用類沉井工法。
③ 類礦山法－先對聯絡通道及其泵站部位土體進行地基加固，待加固地體達到一定強度后，采用類礦山法進行施工。
被加固的土體要求勻質、不透水（抗滲透系數小于10－9cm/s）、具有一定的強度。根據不同的地質及施工條件采用不同的加固方法，如：水泥土加固和凍結加固。
4、施工監控
環境巖土工程監控技術是通過將常規手段與高精度連續自動監測手段相結合對工程自身強度和變形以及周圍環境進行監測，通過對施工過程的監控和分析研究，摸索一整套優化施工參數保護周圍環境的信息化施工技術。
在車站基坑施工過程中，實踐證明：按照軟土基坑工程時空效應的理論和方法，所設計的基坑在施工過程中，在各層開挖階段的擋墻水平位移及相應的墻后地層位移基本符合設計預測值，但由于地層的各向異性和不均勻性以及地層在施工擾動時發生的難以預測到的不明確因素，在施工過程的各個階段還可能發生某些偏離預測值的現象，這就必需在施工過程進行施工監測和有效控制。該項工作是保證地下工程的實際地層位移符合預測的一個關鍵環節，其工作要點有四：
(1) 按照基坑周圍環境保護要求，設計基坑工程并預測坑周地層位移分布，通過設計分析，確定出關鍵監測點。對各關鍵觀測點均要經預測計算，提出各重要部位在各層開挖過程中各階段的變形速率的警戒值 ，（如圖8）：
圖8 基坑分層開挖時的擋墻位移圖
式中， ——某層開挖中的墻體變形速率（每班次的變形增量）； ——開挖第i層過程中墻體允許最大水平位移值； ——開挖第i-1層過程中墻體允許最大水平位移值； ——經驗系數，取0.8~0.9；N——開挖一層的工作班次。
(2) 按照測點的監測內容選擇具有相應功能與精度的測試儀器，最常用和有效的有：①擋墻內設置的測斜管，誤差≤0.5mm；②測量地表及建筑物垂直位移及水平位移的精密水準儀（誤差≤0.2mm）及經緯儀（誤差≤0.5mm）；③支撐軸力測壓傳感器（誤差≤10kN）；④孔隙水壓計（誤差≤0.01MPa）。
(3) 在關鍵部位施工過程中，對該部位關鍵監測點的監測數據，要緊跟工況發展進行數據處理與反饋分析。
(4) 當變形速率的監測數據達到警戒值時，立即采取有效控制，以事先備用的措施將施工中的風險性趨勢制止在萌芽狀態。使基坑工程坑周環境的安全和質量始終處于可控狀態。
按一定施工參數施工中單環監測數據推算施工參數相同的
長距離推進的地面縱向變形示意圖
在盾構施工過程中，施工監測是對周圍環境進行積極保護的關鍵措施，通過施工監測和診斷各種施工因素對地表變形的影響，提供優化施工參數的依據，根據觀測到的結果，預測下一步的地表沉降和對周圍建造及其它設施的影響，以便采取合理可靠的保護措施。根據單環監測數據分析推算按相同施工參數長距離推進地面縱向變形曲線是盾構施工監測的精髓（見圖9）。
5、鄰近建造物及設施的保護技術
在上海建筑物密集市區進行地鐵車站深基坑開挖和盾構施工，環境保護問題是一個十分辣手的問題。根據上海地鐵深基坑的工程經驗，按環境保護的要求將基坑變形控制標制標準分三個保護等級如表2。
按表2所要求的主要參數地表最大沉降量和圍護墻水平位移以及抗隆起安全系數來實施基坑工程，對環境保護問題通常采用兩種做法：(1)事先保護法;(2)過程保護法。
5.1 事先保護法
事先保護法是在基坑實施前對工程地質和周圍環境作深入調查，提出基坑施工時減少地層位移的施工工藝和施工參數，并針對環境允許的強度和變形，事先對周圍環境采取工程保護如隔斷法、基礎托換、地基加固、結構補強等方法。
5.2 過程保護法
由于地下工程的不確定性，施工過程中各個階段可能發生某些偏離預測值的情況或者在采取事先保護法時費用過大或不能完全徹底解決問題的情況，事先有所準備在施工過程中采取的動態保護方法，有跟蹤注漿法、被動區注漿法、降水糾偏法等等。
基坑變形控制保護等級標準 表2
注：H為基坑開挖深度， 為抗隆起安全系數，按圓弧滑動公式算出，c、f值取固結快剪峰值的0.7倍。
· 跟蹤注漿法：
進行軟土深基坑開挖卸載造成圍護墻兩側壓力差過大引起基坑內土體回彈隆起，以及圍護墻變形引起圍護墻坑外主動區土體損失，對坑周邊建筑物及地下管線均會造成不均勻沉降差，若不均勻沉降差超出現有設施允許值，便會導致周邊設施的破壞。怎樣在施工過程中減少坑外土體的損失是控制現有設施不均勻沉降差的關鍵。
跟蹤注漿法就是在基坑施工各個階段，在嚴密監測的前提下，通過緊貼坑外注漿管進行及時、適量、分層、低壓速注漿，及時填充由于開挖造成坑外土體損失（如圖10）。
對盾構施工土體損失引起地表建筑不均勻沉降，也經常采用及時跟蹤注漿的辦法來控制沉降差。
· 被動區注漿法
圖10
圖11
在基坑施工過程中，由于基坑較深，圍護墻剛度相對較小，同時存在深層超載或運營地鐵的振動荷載引起圍護墻變形速率過大。提高被動區抗力在被動區采取的雙液分層注漿技術。被動區注漿通常要求要和支撐預應力的更加結合在一起，及時用支撐力將圍護結構 頂緊，有效控制基坑的變形（如圖11）。
· 降水糾偏法
上海軟粘土地下水位較高，大多夾有薄層粉砂，采用真空深井可控地降低地下水位，利用降水后土層中有效應力的增加，原來由孔隙水壓承擔的荷載將逐漸轉嫁到土骨架上，因此隨著孔隙水壓力的消散，將會引起土體固結和變形，導致地表和建筑物的沉降。降水糾偏只是通過監控，將這種沉降變得可控有利。
由于上海軟粘土水平滲透系數大于垂直滲透系數。采用降水糾偏要注意地下水位降低對地下管線及鄰近其他建筑物的不利影響，因此對降水井所產生的水頭的高低及由此引起土體固結沉降量要特別引起重視，影響方案設計及實施的時候井點布置。某工程通過控制建筑物不同點的水頭高度達到了調整建筑物不均勻沉降差之目的。
6、軌道結構的設計與施工
軌道是地鐵運營設備的基礎，它直接承受地鐵列車荷載，引導列車的運行。由于地鐵列車軸重輕、行車密度大、運營時間長、維修保養時間短，軌道結構在強度、穩定性、耐久性方面具有以下特征：
1) 適應維修時間短，養護工程量少，使用壽命長的特點；
2) 扣件具有適量的彈性，使列車運行所引起的振動與噪聲控制在容許的范圍內；
3) 要具有絕緣性能，降低雜散電流對周圍金屬的電腐蝕；
4) 減少軌道結構的零部件的非標品種，盡可能選用鐵道部通用件，以降低工程造價和養護費用。
6.1 軌道設計
針對上述原則，鋼軌應具有足夠承載能力、抗彎強度、斷裂韌性及穩定性、耐磨性、耐腐蝕性等。鋼軌的選型采用了國鐵“年通過重量在30～60Mt時，采用60kg/m鋼軌”的選型規定。
地鐵扣件要求具有足夠的強度、扣壓力和耐久性，以及具有良好彈性和絕緣性能。根據不同減振要求分別在整體道床采用DTⅢ型扣件和軌道減振扣件，地面線碎石道床地段，采用了國鐵的定型扣件，詳見圖12、13。
道床在隧道內采用整體道床，考慮到上海區間隧道處于飽和軟土地層中，為了減少隧道結構縱向不均勻沉降以及運營列車振動可能引起隧道下臥土層振陷和液化，將道床設計成連續支承的縱向軌枕式整體道床，道床和管片具有一定的抗剪強度粘結成一個整體，通過加大結構重量減緩振動以減少對隧道結構周邊土體的影響，鋼軌下的彈性墊層及鋼筋混凝土基礎都是順線路方向連續的，其橫斷面圖詳見圖14。
6.2 軌道結構的施工
1、 于地鐵圓形區間隧道的內徑較緊湊，無法提前設置輕型軌道作為施工材料的運輸線路，而只能利用正式鋼軌，并在道床施工地段兩側水溝設置。
2、 龍門吊軌道采用長軌枕。
3、預拼軌排然后運到施工地段，再用鋼軌支撐吊掛，經調整合格后澆筑混凝土道床，使軌道施工既便捷又快速，其整體道床施工工藝流程圖詳見圖15。
圖15 整體道床施工工藝流程圖
為了提高地鐵線路的質量，軌道設計采用了超長無縫線路，無縫線路采用溫度應力式。鎖定軌溫確定為1/2（當地的最高軌溫＋當地的最低軌溫）±5℃。無縫線路的焊接方式，采用工廠接觸焊機將短軌焊成250米長的長軌條，送至現場，再采用洞內氣壓焊接成無縫線路，針對隧道內小半徑曲線及陡坡給無縫線路鋪設與鎖定帶來的困難，采用“分段鋪設、交叉鎖定、線上連焊、統一換算”的施工方案，比較合理地解決了勞力、設備及技術標準的難題。
軌道是地鐵運營設備的基礎，它直接承受地鐵列車荷載，引導列車的運行。由于地鐵列車軸重輕、行車密度大、運營時間長、維修保養時間短，軌道結構在強度、穩定性、耐久性方面具有以下特征：
1) 適應維修時間短，養護工程量少，使用壽命長的特點；
2) 扣件具有適量的彈性，使列車運行所引起的振動與噪聲控制在容許的范圍內；
3) 要具有絕緣性能，降低雜散電流對周圍金屬的電腐蝕；
4) 減少軌道結構的零部件的非標品種，盡可能選用鐵道部通用件，以降低工程造價和養護費用。
7、結論
1. 在軟粘土地層采用考慮時空效應的理論和方法進行深基坑設計和施工是一條被實踐證明經濟而可靠的技術途徑，在軟土基坑工程得到廣泛的應用。
2. 科學的施工工藝和施工參數是設計的必要依據，也是控制基坑變形的關鍵。科學的監測方式及信息化施工以及根據監測信息對施工工藝及參數做必要的優化是工程成功的保障。
3. 盾構施工中根據單環推進引起上方地表沉降推算按相同施工參數做長距離推進引起地面隆沉曲線，進行施工參數的優化是施工的精髓。
4. 輔助施工技術和措施是地下工程的必不可少的關鍵手段之一。隨著施工技術的提高，將會得到廣泛地應用和發展。
5. 采用合理的軌道結構措施，可避免列車長期振動引起砂性土的液化和軟粘土的振陷。
參考文獻
[1]上海市建設委員會科學技術委員會 地鐵一號線 上海科學技術出版社
[2]劉建航、侯學淵編 盾構法隧道 同濟大學出版社 1996
[3]劉建航 侯學淵主編 基坑工程手冊 1997 中國建筑工業出版社
[4]劉建航 地下墻深基坑周圍地層移動與治理 上海 地下工程與隧道1991年第二期 1993年第三期
[5]"基坑工程時空效應理論與實踐"研究課題總結報告 上海市地鐵總公司 同濟大學
[6]Liu JianHang (1998-October 18-21)"Design and Construction of Excavation for Shanghai Metro" Proc of Sessions of GEO-CONGRESS 98. ASCE
[7]Peck Deep Excavation and Tunneling in Soft Ground Proc.7th int. Conf. Soil Mechanics and Foundation Engineering, Vol3. State of the art reports. Mexico City 1969
[8]葛世平 軟土地鐵車站縱向變形預測與治理研究 同濟大學博士論文， 2000.8
原文作者：葛世平（上海地鐵運營有限公司）
