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劃總長385km，地鐵區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與應用。
關鍵詞：城市交通隧道 網格盾構 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，目前已經成為中國的經濟、貿易、金融、航運中心城市。城市的經濟發展促進城市建設尤其是交通建設的發展，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規劃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上海城區，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，開挖面穩定和控制周圍地層的變形沉降十分困難。
上海地區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展和現狀，作一個回顧和綜述。
2 網絡擠壓盾構掘進技術的開發和隧道工程應用
2.1 Φ5.18m網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網格擠壓盾構，輔以氣壓穩定開挖面土體，于1966年底完成1200m地鐵區間掘進施工，地面沉降達10cm。
2.2 打浦路隧道Φ10.2m網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。管片環寬90cm，厚60cm。管片環向接頭采用雙排鋼螺栓聯接。襯砌接縫防水采用環氧樹脂。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，擠壓進網絡的土體，攪拌成泥漿后通過泥漿泵接力輸送，實現了掘進、出土運輸自動化。網格上布有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。網格板上還布設了20只鋼弦式土壓計，可隨時監測開挖面各部位的土壓值變化，實現了信息化施工。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，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展
3.1 土壓平衡盾構的引進和開發應用
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、北京的地鐵區間隧道已經采用了31臺直徑6.14m～6.34m的土壓平衡盾構，掘進區間隧道總長度達400km。土壓盾構具有機械化程度高、開挖面穩定、掘進速度快、作業安全等優點，在隧道工程中有廣泛的發展前景。
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，雙線區間隧道選用土壓平衡盾構掘進，經國際招標，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土壓盾構經維修以后，繼續用于二號線區間隧道掘進，同時又從法國FMT公司和上海的聯合體購置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，襯砌環由6塊鋼筋混凝土管片拼裝而成，通縫拼裝，環寬100cm，管片厚35cm。見圖5所示，地鐵4號線部分區間隧道管片采用錯縫拼裝，環寬120cm。
上海地鐵2號與1號線垂直相交，盾構從1號線區間隧道下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。
隧道襯砌環由6塊鋼筋混凝土管片拼裝而成，管片設計強度C50，抗滲等級S8，環寬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、孔隙水壓的監測，反饋盾構施工，調整盾構施工參數，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年代開發應用了矩形隧道，在90年代開發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。掘進管理和姿態自動計測系統能及時反映盾構掘進施工的幾十項參數，便于準確設定和調整各類參數。
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化改良，拼裝形式由通縫改為錯縫，管片厚度從55cm改為48cm，環寬由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，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(中環線配套工程)，正在規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展提高了盾構隧道技術的水平。從最初的網格擠壓盾構，發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、信息化發展，掘進速度快，盾構開挖面穩定，地面沉降控制好，環境影響小。盾構襯砌不斷改進和優化。盾構與隧道技術正在向大深度、大直徑、長距離掘進發展。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展，盾構隧道技術水平將進一步的發展和提高。
參考文獻
1、 傅德明、楊國祥. 《上海地區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
