上海地铁工程设计施工新技术

1　概述
　　1.1　上海地铁建设规模
　　经过20多年的建设，至2013年初，上海地铁已初步形成地铁运营的骨干网络，运营地铁里程439km、磁悬浮30km；2013年新增地铁100km；至2015年，上海地铁运营里程将达到569km；计划到2020年，上海地铁将形成800km规模的地铁运营网络。在2020年之前，集中、高密度、高强度的建设任务仍是上海地铁建设长期面临的难题。
　　2010年世博会之后开展的上海地铁新五线工程建设，同期建设80个车站（其中23个与运营交叉）、150km盾构法隧道、61个联络通道及22个盾构穿越地铁节点。目前还有23个车站在建（其中12个车站与运营交叉），大部分车站的土建结构已经完成，还有19个盾构区间和11个盾构穿越地铁节点有待完成。除已经完成的金沙江路站换乘通道外，还有6个换乘通道项目未实施。待完成的工程项目集中在城市中心区域，实施难度大、风险高、工期紧，与运营交叉项目多，建设的边界条件苛刻，是当前上海地铁建设迫切需要解决的难题。
　　1.2　上海地铁建设的挑战和难题
　　由于在既有地铁运营骨干网络的基础上建设，上海地铁新建项目的线路埋深越来越大。汉中路枢纽站的埋深达33.1m，13号线淮海路站的埋深达32.7m，12号线利津路站—复兴岛站最深覆土达36m。
　　随着更深的车站和区间的设计，工程实施的岩土工程地质发生了本质的变化。地下车站基坑工程除了软黏土的变形控制问题，⑤2、⑦层等承压水降压及环境影响控制问题也十分突出［1－2］。超深覆土对盾构区间施工带来了装备能力不足的问题，盾构机的推力、扭矩等配置均需要在原设计基础上提高。
　　而且，上海各管理层越来越重视地铁施工对环境的影响问题，地铁工程的参建方也竭尽全力减少工程建设对环境的影响。但是，在城市中心区域施工，必然会发生工程与居民房屋、建构筑物和市政工程交叉的现实困难。如13号线淮海路车站（见图1），周边有20世纪90年代初建设投运的地铁1号线的正线隧道、卜龄公寓、市重点中学向明中学等需保护建筑。再加上基坑开挖深度达32.7m，受⑤2、⑦层等承压水的影响，工程实施难度极大。


　　相对于保护建构筑物对环境的影响问题，地铁在建工程对运营项目的保护问题更为困难，运营许可的结构位移按mm计算［3］。如12号线龙漕路车站（见图2），地铁3号线高架区间的2个桥墩紧邻基坑。如果没有可靠的保护措施，基坑开挖将释放桥墩单侧土压，可能导致桥墩发生过大位移，影响到3号线的运营安全；而且，众多高难度、高风险的盾构穿越运营隧道分布于上海地铁各个在建项目，点多面广的风险项目管理给建设单位带来全新的挑战。


　　1.3　应对建设难题的技术路线
　　随着地铁工程建设的深入和运营维护经验的不断积累，上海地铁工程建设的重心从追求建设速度逐步转变为追求工程质量。在新五线的建设中，如何以更好的工程质量交付运营，来缓解运营的压力，减少运营期的维护工程量，体现地铁工程百年大计的建设要求，已成为地铁建设的核心需求和动力。
　　为从源头上解决工程建设和风险控制的难题，上海地铁开展了新五线工程风险的研究和评估工作，建立了客观的工程风险评估指标，对单项工程的风险从水文地质条件、环境制约条件和工程实施工况条件等方面开展了细化的评估工作。根据工程风险评估结果，结合施工图设计审图和工程风险过程管理（远程监控工作），将工程风险防控措施细化落实。
　　同时，根据车站主体基坑工程、盾构隧道工程和换乘通道及附属工程的不同特点，在装备、设计、施工、监测和管理等多方面采取系统措施，化解工程建设风险，提高工程建设质量。在上述措施的综合作用下，从2010年开始的新五线工程的预报警情次数远低于世博会前的建设高峰预报警次数（如图3所示），呈逐年递减趋势，2012年预报警数量仅有13次。


　2　上海地铁车站深基坑工程
　　2.1　上海地铁车站深基坑工程特点
　　新五线的80个车站工程中有68座地下车站，车站深基坑工程的开挖深度普遍超过了20m，属于超深基坑。除了上部③、④层受软黏土影响外，还受⑤2、⑦层等承压水含水层的影响；而且，金沙江路沿线的13号线1期工程②3层埋藏浅且深厚，工程的安全、环境的保护均需要围绕水文地质条件开展。
　　新五线有汉中路站和南京西路站2个3线换乘枢纽，还有2线换乘的龙华站，以及众多与运营项目交叉的2线换乘车站和与周边地块开发相结合的车站深基坑工程；再加上建构筑物的保护、道路的翻交和管线的迁改，使得工程难度大、风险高、工序多、工艺复杂、相互交叉影响频繁，协调的工作量极大。
　　与运营项目交叉的车站工程，除了对结构变形的运营保护要求外，还需要从运营需求出发，合理筹划施54隧道建设第34卷工工艺流程，杜绝在施工过程中产生的废水、废气、粉尘和噪声等干扰。2.2地铁车站深基坑施工新技术与实践针对新五线地铁车站风险问题，上海地铁结合环境保护、运营保护和工程质量的需求，严抓工程风险控制源头，实践中应用新技术、新装备、新工艺和新材料的“四新”技术，在设计、装备、施工和监测等方面采取了以下措施。
　　2.2.1　设计措施
　　承压水降压不仅关系到工程的成败，而且是影响施工环境的主要因素。通过加深地下连续墙的深度，增加地下水扰流路径及隔断地下水等措施来解决车站深基坑建设过程中的承压水。上海地铁11号线北段2期交通大学站，地下连续墙深度由43m加深至52m，通过增加扰流路径来解决车站建设过程中的承压水问题。上海地铁13号线长寿路站地质剖面如图4所示。通过设计措施将地下连续墙由33m加深至39m，隔断⑦层来解决施工过程中承压水对周边环境的影响问题，且在工程实践中取得了良好的应用效果。


　　2.2.2　装备措施
　　围护结构的质量是风险地层中基坑工程成败的首要保障。通过引入先进的连续墙成槽工艺，采用铣槽机进行连续墙施工，有效地解决了深基坑建设过程中地下连续墙垂直度难以控制、施工效率低且对周边建筑影响等问题。以13号线淮海路站地下连续墙施工为例，在地层⑦2以上采用成槽机（见图5）抓土，⑦2层开始采用铣槽机（见图6），连续墙最深达到73m。




　　2.2.3　施工措施　
　　2.2.3.1　地下水就地回灌技术
　　地铁、基坑工程建设引起的地表沉降事故在各大城市屡屡发生，已成为影响城市地面沉降的主要因素。由于上海地铁车站在建设过程中有承压水的存在，采用传统的抽降承压水必然造成地面沉降。
　　上海地铁13号线汉中路车站位于市中心，是上海目前在建规模最大的换乘枢纽车站，地铁1号线、12号线和13号线在此接轨换乘。该车站也是目前上海开挖深度最深的地铁车站，车站基坑深达33.1m（如图7所示）。同时该车站地处苏州河以北，黄浦江以西，⑦2、⑧2层与⑨层土存在水力联系，抽水最大降深达11.36m，无法进行隔断，汉中路车站地质剖面如图8所示。








　　因此，汉中路站首次在地铁基坑中应用“地下水就地回灌技术”，即将基坑内开采的地下承压水通过处理后，再回灌到坑外原地层，以减少承压水降压对环境的影响，如图9所示。降压回灌运行期间总抽水量达38385.6m3，总回灌量达16130.4m3，占抽水总量的42％，完全达到了沉降防控的设计标准，也确保了工程周边重点保护对象“水位零降落，地面零沉降”。第1期白廷辉：上海地铁工程设计施工新技术55回灌3个月期间，汉中路枢纽站附近高层建筑最大沉降＜1mm，水头下降＜0.5m，如图10所示。


　　2.2.3.2　伺服型支撑体系
　　汉中路站首次在地铁车站基坑工程中应用了伺服型支撑体系［4］，通过计算机的自动控制，实现了支撑预应力的自动补偿，有效地控制了基坑变形。
2.2.4　自动化监测措施
　　汉中路站还应用了电水平、房屋倾斜、土体测斜等自动化监测措施。通过自动化监测措施对围护结构、土体变形、周围环境进行24ｈ连续监控，实现现场责任人、工地领导以及专家能够“零距离、零时间”掌握工程情况，使工程处于可控状态，同时也降低了监测人员的劳动强度，确保了监测对象时刻受控。
　　3　盾构穿越施工
　　3.1　盾构穿越工程特点
　　盾构穿越工程是盾构推进施工难度最大的工程，其种类也很多，有地铁隧道间的相互穿越，也有地铁和电力隧道、大直径的雨污水管线及越江隧道间的相互穿越，其中以穿越运营隧道尤为困难。而上海地铁的盾构穿越工程数量多，在2010年世博会前后6年中完成了20余次穿越工程，其中新五线的穿越地铁工程有22次，是世博会之前地铁穿越工程数量的总和。密集、高难度的穿越工程是新五线建设中必须面对的挑战。
　　目前，新五线已经完成11次盾构穿越工程，其中包括新五线难度最大的11号线北段2期徐家汇站—上海体育场站区间下穿1号线，叠交、上下穿越4号线（国内首例上下穿越运营隧道），工程均顺利圆满地完成，达到了工程变形控制的目标和运营保护的要求。
　　3.2　盾构穿越施工新技术与实践
　　盾构穿越工程是系统性很强的工程，在穿越过程中隧道的荷载随盾构施工变化，需要根据地质条件、环境条件及施工单位的特点，在盾构穿越施工的各个环节精细化施工和控制。
　　以13号线自然博物馆站—南京西路站穿越运营的2号线隧道为例，13号线与地铁2号线间的最小净距只有1.4m（见图11），2号线隧道处于盾构施工影响程度最大的区域。为顺利实现盾构穿越施工，对穿越段进行了细化分区及节点控制（见图12），根据各分区的实际情况采取了控制措施，如表1所示。






　　通过采取以上措施，使盾构穿越施工期间对周边建筑物的影响程度降到了最小，运营的地铁2号线的变形小于5mm，且2号线隧道没有沉降，盾构穿越期间的地层损失率小于1‰。

　　后续的穿越工程还包括：江宁路站—汉中路站区间，在全断面砂性土层2次曲线下穿1号线；淡水路站—淮海路站区间，进洞前下穿1号线等。其中淡水路站—淮海路站区间周边环境十分复杂（见图13），在穿越黄浦区政府办公楼时盾构处于切桩状态，需要在盾构装备、加固处理等方面采取专项措施。
4　换乘通道和出入口施工
　　4.1　换乘通道和出入口工程特点
　　换乘通道和车站出入口是地铁工程功能实现的重要组成部分，相对车站主体工程，其受环境条件、场地条件的制约更普遍，部分工程施工条件极为苛刻；而且，建设与运营项目交叉的换乘通道和出入口必须兼顾运营和建设的需求，需要严格控制运营结构的变形和对环境的影响，工程施工十分困难，个别工程需要采用特殊工法和特殊工艺进行施作。


　　4.2　顶管法出入口工程实践
　　上海地铁10号线伊犁路站3号出入口下穿城市骨干道路———虹桥路，地下管线众多，地面车流量大，且紧邻顶管接收井有一条110kＶ的高压电缆，需进行原位保护。由于受110kＶ高压电缆原位保护的限制，顶管接收井的尺寸极小，内径只有2m多，达到了工程施作的极限，由此形成顶管多次进洞和大角度斜交进洞的特殊工况。顶管工作井、顶管工第1期白廷辉：上海地铁工程设计施工新技术57程施工时，10号线伊犁路站已经运营，工程实施的难度极大［5］。
　　工程采用了目前国内最大的新型土压平衡矩形顶管机（6.9m×4.2m，见图14），工作井坑内加固和顶管洞门加固采用了对环境影响最小、加固质量最好的MJS(Merto　Jet　System)，全方位高压喷射）工法。在精心施工、有效管理和各方协作下，10号线伊犁路站3号出入口工程顺利按期完成。施工对周边环境影响很小，实现了对沿途的电力、信息和雨污合流管的最大保护。


　　4.3　冻结法出入口工程实践
　　13号线大渡河路站3号出入口位于大渡河路交通繁忙的位置，不具备翻交施工的条件。出入口上方有合流污水管等大量重要管线，施工环境较为复杂。其水文地质条件不利，有厚达5m的②3层砂质粉土，采用常规的工艺均不能满足工程施工条件。因此，工程采用水平冻结法施工，在工作井内打设水平冻结管，形成冻结帷幕后，采用暗挖法施工形成结构，通过融沉注浆解决工程中的冻融沉降问题。工程最终顺利完成，周围环境得到了较好的保护。
　　4.4　明挖法换乘通道工程实践
　　明挖法施作地铁换乘通道工程的工艺已十分成熟，但13号线金沙江路站的明挖法换乘通道却很特殊。该换乘通道的施工环境十分复杂，东侧紧邻3号线和4号线高架，西接已经完成的13号线金沙江路站主体工程，下有13号线贯通的隧道区间（见图15），除了要保障3号和4号线高架车站的运营安全和贯通隧道的安全外，还需要保护220kＶ的高压电缆，施工难度很大［6］。


　　为减少工程施工对环境的影响，将换乘通道分成3个小基坑分区域分别施工，基坑的围护止水和坑内加固均采用了MJS法。
　　为确保高架承台的安全，在钻孔灌注桩施工的同时，对高架承台进行外扩托换保护；而对220kv高压58隧道建设第34卷电缆通过在其两侧各施工2排MJS挡墙，在管线两端施作钻孔灌注桩，形成2个大梁，悬吊保护220kv电缆。220kv电缆悬吊保护现场及完成后的“7”字换乘通道如图16和图17所示。




5　总结和展望
　　通过转变建设理念、加强风险管理、依托先进技术以及参建各方的通力协作，上海地铁新五线工程通过不断克服困难、破解难题，取得了可喜的建设成果。9号线南延伸和13号线1期西段在2012年通车，2013年内11号线北段2期及花桥段、12号线东段和16号线即将通车运营，上海地铁建设的工程质量和应对工程风险的能力也得到了显著提升。
　　12号线和13号线中心城区段的建设正全面展开，相比已经完成的项目，这些工程的建设难度更大、限制条件更多、风险程度更高。而2020年前，上海地铁还有7个新线项目、5个延伸改造项目、150个车站和246km盾构隧道需要建设，工程建设的难度和风险将进一步增加，上海地铁建设面临的挑战将更为艰巨。
　　因此，上海地铁在后续建设工程中，需要秉承成功经验，进一步贯彻实践“建设为运营服务”的理念，加大技术装备投入和培训力度，提高管理水平和从业人员素质，应用“ＴＲＤ工法”（Tench　cutting　Re-mixing　Deep　wall　method，深层地下水泥土连续墙工法）等先进技术，坚持精细化设计、精细化施工和精细化管理原则，以优质的工程回馈社会。