外滩通道超大直径土压平衡盾构施工技术综述

1 概况
　　外滩通道工程位于黄浦区、虹口区，为地下两层机动车通道，是上海中心城区规划的三条南北向主干道之一的东线重要组成部分。工程南起老太平弄及中山南路交叉口南侧，沿中山南路、中山东二路、中山东一路向北，至外白渡桥下穿越吴淞江、再穿越天渡路后向北转入吴淞路，在吴淞路东侧设吴淞路出入口即转为地面道路，终点位于武进路和吴淞路交叉口。另在延安东路和长治路各设一出入口匝道。
　　天渔路到福州路的区段工程采用Ф14.27m 土压平衡盾构机施工，总长为1 098m，隧道直径为13.95m，内径为12.75m，上、下两层双向6 车道，隧道最大纵坡为5%。盾构从天渡路工作井始发，从大名路下方穿越，并从外白渡桥下穿过苏州河，沿线在中山东一路下穿越外滩万国建筑群，最终到达福州路接收井，如图1 所示。


2 工程地质和环境条件
　　2.1工程地质及水文地质
　　沿线场地标高-74.64m 范围内土层由第四系全新统至上更新统沉积地层组成。根据野外钻探鉴别及室内土工试验成果，结合静力触探及标贯试验成果，按其成因类型、土层结构及其性状特征可划分为9 层。
　　受古河道切割影响，沿线⑥层缺失，⑦层埋藏较深，局部缺失，且厚度变化较大，并沉积⑤3 灰色粉质黏土层、⑤3-1，灰色粉质黏土夹黏质粉土层(呈透镜体状)和⑤4 灰绿色粉质黏土层，如图2 所示。


　　工程沿线陆域浅部土层中的地下水类型为潜水。勘探期间测得潜水稳定水位埋深为0.90~2.50m(绝对标高为0.81~2.66m)，平均埋深为1.55m(平均标高为1.76m)。工程沿线场地揭示的承压水分布于⑦(⑦1、⑦2)层和⑨层中，⑦层为上海市第1 承压含水层，揭示的顶板标高为-24.19~-49.86m;⑨层为上海地区第2 承压含水层，揭示的顶板标高为-64. 61~-67. 60m。
　　2.2 工程环境条件
　　外滩通道工程北区所在区域管线极为复杂，不仅有20 世纪初埋设的上、下水管道，还有近十几年改扩建过程增设的市政管线。主要管线有上水、信息、电车、电力电缆、路灯电力、雨水、污水、煤气、军用电缆、合流污水管等。福州路一天渔路沿线的重要构、建筑物有23 处，详见表1。其中，大部分均为重要的历史古建筑物，如上海大厦和浦江饭店，这些建筑物结构脆弱，基础薄弱，微小的扰动都会导致不可挽回的损失，所以工程施工环境相当敏感。


3 工程特点及难点

　　(1)外滩万国建筑群的保护
　　如此大直径盾构隧道近距离、浅覆土、高密度施工穿越如此重要的建筑群，在隧道史上相当罕见。
　　(2)盾构上穿运营中的地铁2 号线
　　本次盾构施工在南京东路与中山东一路交口处上穿正在运营的轨道交通2 号线，隧道底部距离轨道交通2 号线隧道顶部只有1.46m，且隧道覆土仅为8.4m，施工风险极大。
　　(3)大直径土压平衡盾构进、出洞
　　本次盾构外径为14. 27m，相应出洞的洞门面积也接近170m2，且出洞时盾构坡度达5%，盾构的轴线控制以及洞门的防渗漏有相当大的难度。
　　(4)长距离浅覆土施工
　　盾构推进过程中有400m 左右覆土厚度仅为8.5~9m，约为0.6D，属于极浅覆土盾构施工的范畴。
　　(5)穿越桩基群
　　盾构沿线需穿越吴淞江防汛墙方桩、外白渡桥桩基、吴淞路闸桥匝道挡土墙桩基、北京东路、南京东路人行地道板桩。
　　(6)盾构穿越苏州河
　　盾构穿越苏州河时河底覆土离隧道顶部最小距离小于1 倍直径D，而盾构机直径达14.27m，故盾构穿越时对于河底土体的防冒顶、防沉，以及盾构盾尾防渗漏都须严格控制。
　　(7)隧道上浮
　　根据大型盾构施工经验，施工过程中将使临近盾构工作面的隧道产生“上浮”现象。本工程中将首次在国内使用直径达到14.27m 的超大型土压平衡盾构，如何有效地控制隧道上浮现象将直接关系到工程的整体质量和安全，必须在施工过程中给予高度的重视。
　　(8)盾构推进与道路结构同步施工
　　为确保该工程可以尽快投入运营，缩短整个工程施工工期，在本工程中采取盾构推进与道路结构制作的同步实施。这就要求在实际施工中必须全面优化作业流程，合理安排各道工序，进行时间与空间上的统一协调指挥，减少两者之间的相互冲突，保证盾构推进与道路结构施工能够高效、优质，安全顺利地齐头并进。
4 超大直径土压平衡盾构设备选型
　　盾构机选型主要按适用性、可靠性、先进性、经济性相统一的原则进行。为实施该工程，盾构机选型需满足以下几点要求:
　　4.1开挖面的称定性措施
　　本工程盾构施工的难度极大，隧道轴线大部分处在浅覆土的情况，同时，盾构推进对于周边的环境保护要求极高，因此盾构机必须保证开挖面的稳定，控制地面的变形。
针对Ф14.27m 土压平衡盾构机，除了需要保证一般直径的土压平衡盾构机的性能，还因为开挖面积增大后，所需要特殊考虑的性能。
(1)价14.27m 土压平衡盾构机必须配备一定数量土压传感器，螺旋机无级调速，精确计算出土量，确保动态压力平衡效果。
开挖面增大后，需要合理地在土舱内各个位置上设置土压传感器，这样才能更为准确地反映正面的土压力。土压传感器可分为固定式和可更换式。
盾构机的螺旋机为无级调速式，可以细微地调整单位时间内的出土量，从而更好地匹配盾构的推进速度，到达压力动态平衡的效果。
　　(2)增加刀盘、隔舱处的注入口数量，加强土体改良效果。
大直径土压平衡盾构机在掘进时，单位时间内进入土舱的土体体积较大，为改善土舱内土体的流塑性，应采取土体改良的措施，因此需在盾构机刀盘和土舱处设置多个注入口，通过加注泡沫或膨润土来改良土体。
　　(3)土舱中心区域增加多个搅拌机，改善中心区域的土体的流塑性。
由于土舱面积大，仅仅通过土体改良还是很难改善土舱中心处的土体流塑性，故还应考虑在盾构机的中心区域增加多个搅拌机，通过搅拌机的旋转来改善中心区域土体的流塑性。
　　4.2对地衰，要建筑物密集地段适应性
　　隧道沿线存在大量需保护的重要建筑物，且盾构机还需穿越苏州河，因此盾构机应具备良好的正面压力控制系统，同时应确保盾构机掘进造成的建筑空隙得到及时有效的填充。
　　(1)配备平衡水土压力控制系统和数据采集、监控系统
　　盾构机通过设置的土压传感器采集数据，传输到电脑控制系统，系统通过分析整合，来确定满足正面平衡压力所需的施工数据。此平衡水土压力控制系统需时时工作，是盾构机控制操作的关键系统。
　　(2)配备同步注浆系统
　　同步浆液的质量直接关系到盾构施工后的地面变形情况，良好的浆液能够最大程度地减少因自身固结、泌水所引起的地面后期变形量。根据原有的成功经验，结合工程的土质环境等实际情况，同步注浆采用单液浆。
　　4.3对随道轴线控制能力
　　对于隧道质量的关键问题是轴线，确保盾构掘进的轴线符合设计线路是盾构机所必须具备的性能。针对大直径土压平衡盾构机，由于开挖面积大，掘进阻力也大，其掘进轴线的控制难度也相对较大，需要从机械设计本身和辅助测量两方面来加以保证。
　　(1)推进油缸实施分区控制
　　盾构机直径增大后，所需的推进千斤顶数量也随之增加，因此对于盾构推进千斤顶的控制要求也更为严格。盾构机的推进系统需将众多千斤顶进行合理分区，以便可以简化对千斤顶推进的控制，但又确保能形成不同角度的偏转力偶，使盾构机纠偏轻松便捷。由此通过推进千斤顶的分区控制，来实现盾构机的推进轴线控制。
　　(2)配备高精度的自动导向系统
　　盾构施工时，需要通过测量数据来反馈盾构机与隧道设计轴线的相对位置及方位的连续信息，以便指导盾构机的推进纠偏措施。高精度的自动导向系统能为盾构司机提供有关盾构空间位置及方位的连续更新的信息，从而保证盾构司机能够随时调整盾构推进方向及姿态，保证隧道施工的精度。
　　自动导向系统为全自动系统，每分钟可以完成数次全自动测量。其由控制单元控制测量仪器，使测量仪器自动扫描目标，从而既节省了人工，也提高了工作效率。
　　4.4盾构机的可靠性
　　盾构机的可靠性是满足本工程顺利完成的基本条件，为确保万无一失，需在盾构机设计和制造时预先加以考虑。下面是一些关键的参数选取的说明:
(1)刀盘(辐条式、最大扭矩63 436kN·m，a=23. 9)。
(2)刀盘采用中间支撑方式，刀盘主轴承寿命为l0 000h。
(3)总推力176 800kN(2 600kN×68)，速度135px/min。
(4)螺旋输送机采用Ф1. 5m 大直径的形式，具有防喷涌的功能。
(5)配备人行闸。
5 施工技术研究
　　在外滩通道盾构施工影响范围内，其构、建筑物情况极为复杂，无疑给盾构施工提出了前所未有的挑战，但同时也是一次研究超大直径土压平衡盾构在超浅覆土中的施工关键技术和盾构穿越历史保护建筑物及运行中地铁隧道等重要构筑物的有效保护措施的机遇，进而建立一套完善的软土地区超大直径土压平衡盾构施工工法。并探索构筑物保护的有效方法，确保历史重要建筑物得以有效保护。基于本盾构工程，其技术研究的内容主要有以下几个方面:
1)超大直径土压盾构关键施工技术研究
(1)盾构进、出洞施工技术研究;
(2)超大直径土压平衡盾构在不同地层及工况下的稳定性研究
(3)超大直径土压平衡盾构连续出土施工技术研究;
(4)超大直径土压平衡盾构机的土体改良技术和材料的研究。
2)超大直径土压平衡盾构长距离超浅搜土段施工技术研究
(1)超大直径土压平衡盾构超浅覆土工况下施工开挖面稳定性研究;
(2)超大直径土压平衡盾构隧道超浅覆土施工时地面沉降控制技术;
(3)超浅覆土工况下超大直径土压平衡盾构姿态和轴线控制技术研究;
(4)超大直径土压平衡盾构隧道超浅夜土施工抗浮技术研究。
3)超大直径土压平衡盾构穿越外白渡桥施工技术研究
　　盾构推进是须近距离穿越外白渡桥新建群桩，盾构施工对其影响较大，需要研究超大直径土压盾构施工对其保护技术。
(1)超大直径土压平衡盾构推进技术研究;
(2)隧道变形控制技术研究;
(3)桩基保护技术研究。
4)超大直径土压平衡盾构超浅覆土施工中沿线重要建/构筑物施工保护技术研究
(1)超大直径土压盾构上穿运行中的地铁隧道施工技术研究;
(2)盾构施工引起的差异沉降对临近建筑物的影响及建筑物的监测措施;
(3)盾构穿越过程中对临近古老建筑物的保护技术研究;
(4)重要建/构筑物下补偿注浆工艺研究。
6 结语
　　外滩通道圆隧道工程，是我国首次采用Ф14 270mm 超大直径土压平衡盾构在上海软土地层中掘进施工的道路隧道工程，现盾构隧道已经进入接收井，顺利穿越了浦江饭店、上海大厦、外白渡桥、北京路与南京东路地道、地铁2 号线和外滩大多建筑物群，沉降控制均在规范标准之内。其顺利施工不仅为我国大断面土压平衡盾构隧道施工积累了经验，也为我国在该领域盾构施工技术的新突破储备了技术，推动地下施工技术的发展。