直径14.27 米土压平衡盾构机在穿越上海虹桥机场道路工程中的应用

1　概述
　　迎宾三路为上海虹桥交通枢纽“十三横九纵”地面干路网之一，同时与仙霞西路隧道、SN10路构成了枢纽内部环路系统，作为沟通东西航站楼两侧最直接、便捷的通道之一，迎宾三路隧道的建设对于形成虹桥综合交通枢纽配套路网的框架有着重要的意义。隧道的工程地理位置，见图1。


　　隧道西起申昆路，往东依次上跨规划轨道交通5号线盾构区间，下穿5号线出入场线到达西端工作井（盾构始发井），而后隧道依次下穿七莘路高架、北横泾、机场控制区域、101铁路专用线，在现状迎宾三路与空港六路相交处进入东端工作井（盾构接收井），随后隧道结构沿现状迎宾三路采用上下层重叠型式前后出地面到达近期终点A20公路交叉口。近期实施考虑远期穿越A20的预留接口。近期隧道全长2862.6m，其中盾构段长约1861.6m。
　　2　总体设计
　　（1）隧道平纵面


　　上层隧道行车方向为东向西，下层隧道行车方向为西向东。
　　隧道平面布置主要西起采用R=750m、R=730m的两个反向平曲线穿越虹桥机场区域后进入东侧迎宾三路。隧道预留远期东延伸至虹桥路的匝道。
　　隧道纵断面布置受到二端接线道路和机场跑道埋深等因素的控制，西端最大纵坡为-5.5％，东段最大纵坡为5％。
　　（2）隧道横断面
　　根据不同的功能要求和施工方法，隧道横断面有盾构段圆形断面、暗埋段矩形断面和敞开段U型断面多种断面型式。
　　盾构段为单孔双层隧道，在车道顶部设置射流风机、车道指示器、照明灯具、监控摄像机等设施，在车道的两侧设置设备管廊和逃生楼梯，盾构隧道的断面布置，见图2。


　　（3）盾构段结构
　　根据隧道内的建筑限界和设备布置，同时考虑施工误差、测量误差、曲线段衬砌结构排版轴线拟合误差、不均匀沉降等因素，按已有的设计、施工经验，隧道的内径确定为12.75m。管片环宽采用2m，厚度为600mm，混凝土强度等级为C60，抗渗等级为P12。管片采用9分块，即1块小封顶块+2块邻接块+6块标准块，采用通用环错缝拼装。管片设计考虑通用环拼装以及施工纠偏等因素，按拟合半径R350m设置楔形量，计算楔形量为79.72mm，双面楔。管片之间采用斜螺栓连接。纵缝采用设导向杆的平缝构造，既增加纵缝面的管片接触面积，改善纵缝面的受力性能，又满足管片拼装定位的要求，见图4。

　3　盾构机的选用
　　本工程隧道需穿越虹桥机场跑道、滑行道和停机坪，还需近距离穿越高架桥墩和浅覆土河道等，施工环境复杂，保护要求很高，盾构机必须保证开挖面的稳定，能有效控制地面沉降。根据外滩通道盾构穿越临近保护建筑的施工成功经验，本工程选用直径14.27米土压平衡盾构机，具有以下特点：
　　（1）总推力176800kN（2600Kn×68），最大扭矩63436kN·m，刀盘主轴寿命为10000h。采用辐条式刀盘，中间支撑方式，螺旋输送机采用φ1.5m大直径，可以防止喷涌。
　　（2）配备一定数量的土压传感器，螺旋机无级调速，可以精确计算出土量，确保土压平衡的效果。
　　（3）配备平衡水土压力控制系统和数据采集、监控系统和同步注浆系统，使盾构机具有良好的正面压力控制和有效的浆液填充。
　　（4）推进油缸实施分区控制，并配备高精度的自动导向系统，确保大直径土压平衡盾构机轴线推进精度。
　4　关键节点处理
　　本工程采用直径14.27米的土压平衡盾构机。盾构从西工作井出洞后，由西向东，先后下穿七莘路高架桥墩、虹桥机场飞机跑道、滑行道、φ450航油管、停机坪、101铁路等重要建、构筑物,除了采取。主要采取分小段慢推，严格控制纠偏幅度，及时同步注浆，加强监测等措施外，根据不同的节点特点采取不同的加强措。
　　A．盾构穿越七莘路高架桥墩
　　盾构隧道在规划迎宾三路与七莘路交叉口南侧穿越七莘路高架桥墩，桥墩下设φ600PHC管桩，桩长40m，隧道与桩水平最小净距2.05m。盾构隧道的穿越位置见图5。施工在穿越桩基时，采用安装纵向拉紧装置等临时措施，提高衬砌环整体刚度，控制隧道的整体变形，以减小其对高架桥墩桩基的影响。


　　B．盾构穿越机场跑道、滑行道、停机坪
　　盾构隧道与虹桥机场跑道、滑行道竖向最小净距约为23.8m，与虹桥机场停机坪竖向最小净距约为19.4m。按照《国际民航公约附件十四》（第三版），机场跑道的变形控制要求为：变坡曲线的最小曲率半径≥30000m。施工过程采取加密设置地表监测点，并在盾构前方布置土体深层沉降测点；控制盾构一次纠偏量，保证盾构机的平稳穿越；盾构穿越过程中根据监测数据及时补充注浆加固，盾构穿越施工后，需根据实测资料，进行二次注浆，以达到加固土体和控制机场跑道、滑行道及停机坪变形的目的。
　　C．盾构穿越航油管
　　虹桥机场内埋设航油管，为平行双管，管距5m左右，采用拖拉管工艺施工，管径450mm，管材为钢管，焊接接头。航油管与隧道最小水平净距约为5.1m。施工过程根据实测资料，进行二次注浆等措施，控制航油管的变形。
　　D．盾构穿越101铁路
　　盾构隧道在临近东端工作井处以斜交下穿101铁路，铁路与隧道最小竖向净距约15.3m。盾构推进施工须保证铁路变形满足《铁路轨道工程质量检验评定标准》（TB10413-98），当出现超出要求的偏差时，则需要通过各类措施对路基、轨道进行调整。施工过程在铁路两侧埋设沉降观测点，每半小时测量一次，将变形监测信息及时反馈到盾构工作面和地面铁路维护部门，盾构施工单位据此修改施工参数，进行注浆和预注浆；在铁路两侧设置地面跟踪注浆管，在紧急情况下进行注浆加固。
　　（2）盾构段浅覆土节点
　　A．西工作井出洞
　　西工作井为盾构始发井，现状地面标高为4.3米。盾构出洞处上覆土层厚约仅6.6米，不满足施工期间的覆土要求。在浅覆土环境下出洞，盾构的灵敏度高，易飘动，难度及风险较大。具体技术措施如下：
　　①在盾构出洞前，将洞口上方土体覆至规划标高（5.36米），并进行加固、压重等处理。
　　②盾构机出洞段由于不能及时注浆等因素，会造成盾构上浮，出洞时轴线宜比设计轴线低3～5cm，出洞基座安装时，应同样比设计轴线低3～5cm。
　　③盾构穿越加固区时，盾构土仓压力的设定值要低于理论值，并控制推进速度。盾构出加固区时，为防止正面土质变化而造成盾构突然磕头，将平衡压力值设定要高于理论值，并按工况条件在盾构正面加泥以改良正面土体，根据地层变形量等信息对平衡压力设定值、推进速度等施工参数作及时调整。
　　B．穿越北横泾
　　盾构隧道在规划迎宾三路与七莘路交叉口东南侧下穿北横泾河床，隧道最小覆土层厚度约6.9米，不满足施工期间的覆土要求。
　　参考类似工程经验，下穿河床时采用以下对策降低下穿风险：
　　①在隧道内设置压重物至使用阶段，并满足不影响盾构施工的要求。
　　②在河中段施工前，对隧道轴线沿线的河底水深情况进行全面测量，复核隧道覆土层的厚度，绘制河底地形图，并根据地形图核算覆土压力。
　　③在盾构进出河床段前后，覆土厚度存在突变，在盾构切口进出河床后及时调整其压力值，减少对土体的扰动，减少河底的沉降。盾构进入河底后，应根据土质状况、隧道埋深及水位高低计算盾构前方土压力值指导施工，同时注意潮汐的影响。
　　④在盾构掘进过程中不断对盾尾密封装置注入油脂，防止地层泥水和注浆液进入盾体内，同时控制注浆浆液的浮力影响。
　5　结束语
　　本工程为国内首次采用超大大直径土压平衡盾构机穿越正在运营的机场跑道，目前已全线贯通，由于设计、施工、监测等各项技术措施到位，全线施工对环境影响各项控制指标都满足规定要求。