青草沙水源地原水过江管隧道工程综述

1 工程概况
　　上海市是中国36个水质型缺水城市之一，而上海现有城市供水水源的开发和利用水平已不能适应城市发展的要求。寻求最适宜的新水源已成为当务之急。
　　上海青草沙水源地长江原水过江管工程是将青草沙水库原水由长兴岛输送到浦东陆域的过江管线，是改善上海市饮用水原水水质的重点工程，整个工程由浦东盾构工作井（始发井）、长兴岛盾构工作井（接收井）和两条过江隧道（东线隧道和西线隧道）组成。
　　过江隧道位于上海崇明越江通道长江隧道保护带内侧，基本与长江隧道平行。长兴岛盾构工作井设在长江隧道与中海造船基地之间——新开港西侧的长江大堤内，浦东盾构工作井设在浦东新区的五号沟地区。东线隧道起始里程为DK0＋030.000m，终止里程为DK7＋205.524m，全长7175.524m；西线隧道起始里程为XK0＋030.000m，终止里程为XK7＋202.978m，全长7172.978m。
　　隧道采用两台直径7085mm的泥水气压平衡式盾构掘进机。隧道最大坡度为4.5%，最小平曲线半径为R992.5m，隧道顶覆土最深处（33.8m）位于长兴岛大堤段，覆土最浅处（16.08m）位于江中段浦东侧，东西线隧道外壁净距最小为8.2m，如图1 所示。


　　东线隧道盾构于2008年4月出洞，至今已完成3300m隧道掘进。
　　西线隧道盾构于2008年8月出洞，至今已完成1600m隧道掘进。
2 隧道设计方案概述
　　越江隧道平面基本呈直线，竖向基本呈变坡度的折线。
　　东线隧道竖向坡度变化为：自浦东工作井起始为长1314.251m，坡度为－0.88%的斜坡段，接长211.498m，R=25000m的曲线段，然后接长5052.626m，坡度为－0.03%的斜坡段，然后接长113.25m，R=2500m的曲线段，然后接长60.375m，坡度为4.5%的斜坡段，然后接长110m，R=－2500m的曲线段，最后接长313.542m，坡度为0.1%的斜坡段至长兴岛工作井。
西线隧道竖向坡度变化与东线隧道基本相同。
　　隧道管片形式为通用楔形管片，每环由6 块管片构成，隧道内径5.84m，管片环宽1.5m、厚度0.48m。其中标准块3 块（B1，B2，B3），邻接块2 块（L1，L2），封顶块1 块（F）。普通环管片由钢筋混凝土管片构成，混凝土强度等级为C55，抗渗等级为S12，钢筋采用HPB235 级、HRB335 级钢。采用全圆周错缝拼装工艺，在加强隧道整体性的同时，可以通过通用环楔形管片的旋转，来满足隧道轴线和推进施工的需要。为了缩短施工周期，隧道内不另浇筑内衬。
　　管片接缝防水首次采用内、外两道弹性橡胶密封垫组成的防水线。弹性橡胶密封垫的材质为三元乙丙橡胶止水带。在变形缝处设置传力衬垫，材质为丁晴软木橡胶板，普通段隧道每20 环设置一条变形缝。
　　管片环面设凹凸榫槽，纵缝内设定位棒，环向螺栓处采用预埋铸铁手孔，管片环、纵向均采用直螺栓连接。


3 φ7085mm 泥水气压平衡混合式盾构
　　泥水气压平衡混合式盾构与泥水平衡盾构的区别和优点在于：
　　（1）混合式盾构机的开挖区域设计为一个双舱构造：开挖舱为前舱，气垫调压舱为后舱（工作舱）。
　　（2）气垫控制、调节支持压力，该压力由压缩空气系统精确地进行控制。
　　（3）开挖舱内的受压悬浮液通过分隔挡板门连到气闸。开挖舱内完全充满受压的悬浮液后就会产生支持压力。
　　（4）传输到膨润土悬浮液的支持压力精确率为±0.05bar，盾构掘进开挖过程中，外界压力的变化不会对开挖面的稳定造成影响，而传统泥水盾构机（单舱）开挖舱内的支持压力较大的变化会带来隧道开挖面不稳定情况及塌陷的危险。
　　（5）泥浆循环的波动将被准确、迅速平衡。
　　φ7085mm 混合式盾构参数如表1 所示。

4 隧道施工主要难点
　　（1）难点一：超深盾构出洞口地基加固及始发推进
　　盾构出洞口预埋洞圈顶部埋深为25m，出洞口地质为④淤泥质粘土、⑤1 粉质粘土、⑤2 粘质粉土。这些土层的含水量大，土体内聚力小、承载力低、稳定性差，暴露时易液化流动，对施工不利。其中⑤2粘质粉土渗透性好，与⑦砂质粉土直接相通，因此含有承压水（承压水水头为地面以下5.6m），盾构出洞时容易发生涌水和流砂。
　　由于出洞口深度大、承压水水头高，传统的水泥搅拌桩＋旋喷桩进行出洞口地基加固的方案风险偏大。经过分析讨论，最终确定了对出洞口地基采用冻结法加固的施工方案。
　　（2）难点二：穿越长江防汛大堤
　　本工程两条隧道跨越长江，均需穿越浦东防汛大堤、长兴岛新大堤和长兴岛老大堤。浦东防洪大堤以及长兴岛新大堤系对原有海塘护坡结构改造、加固而成。长兴岛老堤防工程采用桩基，桩长11m，距离隧道顶部约16.23m。穿越浦东段大堤过程中最深覆土约28.4m，穿越长兴岛段大堤过程中最深覆土约33.8m。两条隧道之间净距离8.2m，穿越各处大堤时采用东线隧道先行，西线隧道延后3～4 个月进行穿越施工，反复的土层扰动将对大堤稳定产生负面的影响。根据设计及大堤管理部门的要求，大堤的最终沉降变形量要求控制在+3、-25px。
　　（3）难点三：长距离隧道施工测量
　　隧道测量主要依靠全站仪进行，测量误差主要来源于地面控制测量、竖井联系测量、隧道内导线测量以及施工误差。施工误差包含了盾构姿态测量误差和盾构推进、管片拼装引起的误差，这部分误差在隧道施工的全过程中都是相对固定的，根据自动导向系统提供的参考精度和施工经验横向误差可以控制在±15mm。
　　本工程的隧道线形基本为直线，且通视条件较好。因而，地下导线可以近似地布设成等边直伸导线的形式，这样测边引起的误差对于横向贯通中误差的影响可以忽略。把本工程的地下导线定为边长为800m 的等边直伸导线的模型，根据国家二等三角的测角中误差，1″级仪器12 测回施测（见《工程测量规范》GB50026－93），并考虑控制测量中的最弱点位中误差的最大影响，则因为测量产生的对横向贯通中误差的影响为±110mm。最后横向贯通中误差，根据误差分布符合正态分布的原则，考虑施工误差在内的横向贯通中误差为111mm，则在贯通面的限差为：222mm。
　　为了满足盾构在长兴岛工作井的进洞精度，设计对盾构进洞时的轴线偏差控制要求为±100mm，使用现有测量手段将不能满足这一要求。
　　（4）难点四：长距离隧道施工运输
　　过江管隧道属于水工隧道，直径较小，不具备大直径公路隧道中施工车辆可直接行驶的条件，只能采用电机车作为牵引动力进行轨道运输。由于单条隧道长度超过7km，隧道施工的工期相当紧迫，而隧道内空间不足以布置两条运输线供电机车双向同时通行。而单向通行时电机车来回一次的周期相当长，效率低下，对施工进度有严重的制约。
　　（5）难点五：长距离隧道施工通风
　　本工程隧道长度大，自然通风远远不能满足作业面对空气流通的需求，盾构掘进作业面存在温度高、空气含氧量偏少等状况，对施工人员的健康将会产生不良影响。根据相关规范要求，盾构掘进作业面最低风速为0.15m/s，且要满足散热要求和空气含氧量指标。
　　（6）难点六：盾构进洞
　　盾构进洞口较出洞口埋深更大，所处土层渗透性更强、承压水水头更高，根据施工经验，盾构进洞时的困难也比出洞时更大。
5 解决难点的措施
　　（1）措施一：出洞口冻结法地基加固和盾构出洞措施
　　盾构出洞地层加固需要解决的技术问题，一是要保证打开地连墙时前方土体不坍塌，防止漏水。二是出洞时，地层加固要为盾构出洞后调整泥水压力创造条件，以防止覆土失稳、地表隆沉等问题发生。根据功能要求，冻结加固区分为两个部分，一是与地连墙紧贴的前冻土墙（封头冻土墙），其作用是保证打开出洞口地连墙后前方土体不坍塌，不漏水；二是平衡段，由冻土拱和前冻土墙（平衡段冻土墙）组成，其作用是防止盾构出洞后盾构机头上仰、覆土失稳和地表隆沉。
　　在盾构出洞前需进行出洞口地下连续墙的凿除，本工程完全采用风镐进行粉碎性凿除施工，根据出洞口地基冻结加固的进展，将地连墙凿除分三步进行。
　　第一步：当积极冻结20d 以后，根据垂直测温孔反映的加固体温度进行分析，确认冻结系统运转正常，且封头冻土墙板块平均温度低于－12℃，则判断封头冻土墙完成交圈；开始进行洞门凿除的第一步工作，即将1.2m 厚的地下连续墙凿除内侧0.5m 的厚度。
　　第二步：当积极冻结30d，根据垂直测温孔和水平测温孔反映的加固体温度分析，确认冻结系统运转正常，且冻结加固体平均温度均达到设计指标（低于－12℃），水平探孔无明水渗流，则判断冻结加固体已达到要求；开始进行洞门凿除的第二步工作，即将地下连续墙凿除至外排钢筋并覆盖保温板。
　　第三步：当盾构各系统调试完毕，出洞准备工作就绪后，通过水平探孔对冻结加固体进行再次检查，确认其温度满足出洞要求且无明水渗漏后，开始进行洞门凿除的第三步工作，即迅速将剩余的地下连续墙完全凿除，并立即操作盾构机靠上洞门土体。
　　（2）措施二：长江防汛大堤沉降控制措施
　　工程实施过程中，盾构从长江大堤下穿越必定会因地层移动而导致防汛墙结构产生不同程度的沉降变形。盾构施工引起的地层损失和盾构隧道周围受扰动或受剪切破坏的土层的再固结，是地面沉降的根本原因。控制防汛大堤沉降量的关键就在于减少盾构穿越过程中对地基土的扰动，本工程采取的方法为：
　　① 在盾构试推进阶段掌握系统性能，选择合理的施工参数穿越大堤，在穿越过程中根据理论计算和大堤沉降情况进行及时调整，需要严格控制的施工参数包括：切口水压、泥水质量指标、推进速度、刀盘转速、盾尾油脂压注量、管片拼装速度和精度、盾构姿态精度、同步注浆量和压力。
　　② 在盾构进入大堤影响范围之前，对盾构机进行机械设备（重点为推进、拼装施工设备）和压浆管路的检查和维护，对于存在故障和故障隐患的机械一律进行维修，对压浆管路进行一次彻底的清洗，保证穿越大堤过程中不发生机械故障和压浆管路堵塞情况。
　　③ 加强大堤沉降监测。在盾构穿越大堤前获得大堤自然沉降波动的规律和沉降量；在盾构穿越过程中每天对大堤进行3 次沉降监测，监测结果作为施工参数调整的依据；在盾构穿越大堤后保持对大堤的监测，以便及时采取措施对大堤沉降进行控制。
　　本工程东、西线盾构已完成浦东长江大堤穿越施工，在采取上述措施后大堤的最终沉降量控制在了设计要求范围内。
　　（3）措施三：长距离隧道施工测量措施
　　① 测量误差不可避免，但可以通过往复定向测量来减小测量误差的范围；
　　② 使用先进的自动化测量系统，并及时检测和标定测量仪器，测量人员使用不同类型的验算方式对每次的测量数据进行校对，确保测量报表所反映数据的高精度、低误差和无失误，进而为盾构准确进洞提供有力保证。
　　③ 采用比全站仪更高精度的陀螺仪对已完成的隧道进行复核，及时纠正隧道轴线。
　　④ 在盾构进洞前250m 左右的位置顶升1 根立管导通地面，用一井定向联系测量的方法和高程导入的方法对地下平面和高程控制点进行测定，并采用此测量成果指导贯通。
　　（4）措施四：长距离隧道施工运输措施
　　根据盾构机后车架的配套设置，每推进四环需要进行一次泥水管路接长工作，即以四环为一个周期，同时每条隧道配置3 辆电机车，运输措施为：
　　① 前三环推进时每辆电机车拖三节平板，其中两节放置管片，一节放置浆桶，当第四环推进时（此环推进后需要接泥水管路）或需要运送人员时，电机车拖四节平板，多出的一节平板放置泵管、轨道等（或放置人员运输车）。如此，每辆电机车可满足一环工程材料的运输。
　　②在隧道近中心处安装1 个道岔，作为来回电机车的交汇点。先行电机车在盾构掘进工作面卸货时，后继电机车在道岔处等待；当先行电机车回程时经过道岔后，后继电机车再向盾构掘进工作面行驶。这样就将向盾构掘进工作面运输材料的时间间隔缩短了一半。
　　③在盾构始发工作井内安装移动平台，当两辆电机车在隧道内来回运输时，第三辆电机车停在工作井内装载管片等施工材料并做等待，当有电机车从隧道中回到工作井内的移动平台上后，装载完毕的电机车可立即向隧道内输送材料，达到最快的运输效率。
　　（5）措施五长距离隧道施工通风措施
　　为了保证隧道内的通风效果，保证盾构掘进作业面的空气含氧量和气温，本工程选用了独头送风的通风方案。独头送风便于控制管理，对隧道内不产生附加噪音，其配置关键在于送风量和送风压力能否满足7.2km 的施工需要。




　　根据计算，通风管沿程压力损失合计：5161Pa，加上局部压力损失，累计风机所需风压为：5676Pa，根据指标要求选择合适的通风机和双反边胶质风筒。
　　（6）措施六：盾构进洞措施
　　进洞处隧道覆土达到28.9m，拟采用“工作井内钻孔水平冻结加固”的施工方案，即：在工作井内利用水平冻结和部分倾斜孔冻结加固地层，使盾构机外围及开洞口范围内土体冻结，形成圆柱加板块、强度高、封闭性好的冻结帷幕。
　　在盾构进洞前安装好洞门止水装置。在确认冻结加固体达到设计要求、盾构机已进入外圈冻结区后，分批起拔隧道断面范围内的冻结管。然后盾构向进洞口方向继续掘进，同时在接收工作井内分阶段剥离地下连续墙。当盾构靠上地连墙外壁时停止推进，在工作井内通过探孔进一步确认盾构机的姿态、方位，调节好工作井内的基座轨道，将最后2环的管片存储在盾构作业面，然后按指令进行盾构进洞操作。首先凿除剩余部分的地下墙，随即以最快的速度进行盾构的推进和管片的拼装工作，同时安排人员密切注意基座、轨道及各支撑的状态并及时进行修整，以保证盾构准确定位在盾构基座上。在洞口环拼装完成后，为使洞口环脱出盾尾，应继续拼装2环管片（每环仅拼装下部2块）。在洞口环脱离盾尾后立即进行洞门封堵，封堵完毕即表示盾构顺利完成进洞作业。
6 结语
　　青草沙水源地原水过江管隧道是世界上最长的中等直径盾构法越江隧道，在采取一系列措施后已解决了多项施工难点，保证了施工进度。东线隧道计划于2009 年年底前贯通，在2010 年世博会前将长江原水送往浦东地区的自来水厂；西线隧道将随后贯通并通水。本工程完成后既能改善上海市民的饮用水原水水质，也将为以后的类似工程提供宝贵的参考经验和解决难点的思路，为隧道工程施工技术的进步和发展添砖加瓦。