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上海大连路越江隧道施工技术综述

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提 要:本工程为穿越黄浦江的公路隧道,工程规模为双管双向四车道。其中过江圆隧道长1274m,采用单层柔性衬砌,隧道外径11m,隧道内径10.04m,衬砌环宽1.5m,采用11.22m大型泥水平衡盾构掘进机穿越黄浦江底全断面粉砂地层及两岸码头等重要构筑物。在黄浦江底两条圆隧道间设置联络通道,采用水平冻结土体暗挖施工方法。两岸暗埋段为两孔一管廊形式,采用地下连续墙围护,明挖法施工。

  关键词:隧道泥水盾构深基坑土体冻结加固施工技术

  上海大连路隧道工程下游距杨浦大桥3.0km,上游距延安东路隧道3.5km,浦西位于虹口区与杨浦区交界处,浦东位于陆家嘴金融贸易区。工程总投资为人民币16.552 6亿元,以类似BOT形式进行融资、建设、经营、管理。工程线路平面图。

  1 概况

  隧道按城市次干道设计,设计荷载按城B级,隧道布置为双管双向四车道,车辆在每条隧道内属同向行驶,设计车速40km/h,通行净高4.5m。隧道内双车道宽度为3.75m×2,两侧路缘带宽0.25m×2,外侧布置防撞侧石及安全带。1 工程地质

  本工程设计线路总长度为:东线2565.740m,西线2549.600m。  

  工程中浦西设隧道管理中心大楼。浦西、浦东各设一座风塔。全线共设两座降压变电所,两座雨水泵房,两座消防泵房和两座江中泵房。2 线路设计

  由于大连路及东方路以西地铁明珠线二期先于本工程半年前开工,因此大连路隧道只能在地铁线路东侧布线。为回避浦西毛麻公司码头较深桩基,隧道平面线型呈反S形,最小曲率半径R=500m,东西线浦西侧最大纵坡为4.24%,浦东侧最大纵坡为4%,东西线最小竖曲线半径为1 500m。3 工程进展情况

  大连路隧道由上海隧道工程股份有限公司设计施工总承包,工程合同工期36个月。其总体安排由原计划的一台盾构来回掘进过江圆隧道优化为两台盾构同步由浦东往浦西掘进。2001年5月25日浦东工作井率先开工,2001年11月浦东工作井基本结束;2001年12月先后开始西线盾构和东线盾构井下安装调试,2002年3月25日西线盾构顺利出洞始发掘进,2002年6月17日东线盾构随后出洞始发掘进;浦西工作井于2002年2月开工,2002年7月完成,为盾构进入接收井创造了条件。西线盾构于2002年9月抵达浦西工作井、东线盾构于在2002年12月抵达浦西工作井;两岸的暗埋段和引道段于2003年6月实现隧道土建结构贯通,整个工程于2003年9月通车,比合同工期提早8个月。

  2 江中圆隧道施工技术

  圆形主隧道东线长2565m,西线长2549m,采用11.22m泥水盾构掘进机施工。圆形衬砌环由5块标准块、2块邻接块和1块封顶块组成。衬砌环采用外径11 000mm、内径10 040mm、环宽1 500mm、厚度480mm的平板式衬砌结构。衬砌环采用大封顶,拼装时纵向插入。环间采用错缝拼装,环间错缝11.25°。

  环与环间以32根M30的纵向螺栓相连,环面设有半圆形剪切键。块与块间以3根M36的环向螺栓紧密相连,纵缝内设凹凸榫槽,以利提高拼装精度。外弧侧设框形弹性密封垫槽,内弧侧设嵌缝槽。环向螺栓、纵向螺栓均采用锌基铬酸盐涂层作防腐蚀处理。1 高精度钢筋混凝土管片生产工艺

  为确保高精度钢筋混凝土管片的质量要求,采用由日本都筑株式会社设计的轻型高精度钢模,其宽度允差小于0.2mm。根据隧道各型号管片需求量,共生产直线环钢模4套、左楔环钢模1套、右楔环钢模1套。

  管片结构混凝土的设计强度等级为C50、抗渗等级为S10,混凝土采用高效减水剂、高活性微矿粉掺料,选择合理的拌和物配合比参数,配制以抗裂、耐久为重点的高性能混凝土。为确保管片生产质量,本次管片全部在室内工厂化流水线生产。

  本次管片生产质量优良,单块检验达到了宽度允差小于±0.2mm、弧弦长允差小于±1mm、管片内半径允差小于±1mm、螺栓直径与孔位允差小于±1mm的精度要求。管片3环拼装检验相邻环环面间隙小于0.8mm、纵缝相邻块块间间隙小于1mm、对应的环向螺栓孔不同轴度小于1mm。2 盾构掘进机

  经多方案比较反复论证,选用了由日本三菱重工设计和制造11.22m大型泥水平衡盾构。

该盾构大致可分为盾构掘进机、掘进管理、泥水输送、泥水处理和同步注浆等五大系统。盾构掘进主机(图3)是进行掘进和完成管片拼装的主要设备。

表2 盾构掘进机主要技术参数表

名   称 技术参数 名   称 技术参数

盾构本

体 外径 Φ11220mm

大刀

盘 旋转驱动 电动机

75kw× 12

内径(盾尾) Φ11080mm 外径 Φ11240mm

总长 12045mm 额定转速 0.47 rpm

盾尾密

封装置 三道 额定力矩 18550kNm

总推力 112000kN

(3500kN×32) 最高力矩 22260kNm

推进速度 最大

4.6cm/min 仿形超挖刀(2把) Φ11500 mm  

最大超挖4.65 m3/环

举重臂 驱动形式 液压油马达 土体探测装置 形式 内藏式土压计

探测部位 盾构前方壳体外345mm

驱动速度 0~0.63rpm 测试范围 土压计0~20kg/cm2

土压计0~300kg/cm2

牵引千斤顶 牵引力 500kN×3

旋转角度 ± 220° 牵引行程 200mm 3 盾构出洞技术

  泥水平衡盾构的出洞口土体稳定极为重要,一旦洞口土体受到扰动或破坏,将使刚出洞时的泥膜支护前方土体的能力大为降低,被扰动的土体更易造成地表坍陷和泥水冒溢地面等不利现象。为确保在破洞门过程中,暴露的土体具有稳定性和可靠性,对洞门外土体作局部垂直冰冻加固处理。

  盾构在出洞过程中,工作井壁洞口与盾构壳体形成的环形建筑空隙达19cm,为防止出洞时泥水大量从洞门外通过此建筑空隙窜入井内,影响盾构开挖面泥水压力的建立和开挖面土体的稳定,特设置密封止水装置。

  西线盾构于2002年3月25日始发掘进,2002年4月1日洞圈初步封堵完毕,盾尾脱出工作井后,盾构逐渐转为正常掘进施工,至8月底已完成1 000m隧道,月均掘进达250m;东线盾构于2002年6月17日始发掘进,2002年6月21日洞圈初步封堵完毕转为正常掘进施工。4 盾构掘进管理4.1 主要施工参数

  (1) 在泥水平衡盾构掘进施工过程中,切口泥水压力必须使开挖面保持稳定,即与作用在开挖面上的土压力保持平衡。

  设定泥水压p0=土压(含水压)p+加压k

  土压p的取值在工程中通过试推进后确定,一般取静止土压力。加压 k取0.02Mpa。

  (2) 掘进速度取2~3cm/min。

  (3) 送泥水比重取1.18~1.25g/cm3,粘度取20~25s。

  (4) 建筑空隙采用双液注浆充填,双液浆初凝时间为6~8s,1h抗压强度大于60kPa,注浆压力取0.3~0.4MPa,注浆量取理论建筑空隙的120%~200%。

  施工过程中检查掘削量来判断开挖面的稳定、坍方、超挖以及土质变化等情况;并通过地面沉降监测等数据来分析掘进控制效果,并随时调整完善各施工参数取值。正常掘进施工引起的地面隆起小于1cm,地面沉降小于3cm。4.2 穿越构筑物

  盾构掘进沿线穿越大量房屋建筑物和两次穿越黄浦江码头及防汛墙,特别是两岸码头及防汛墙几经改建、扩建,基础较为复杂,必须采取相应的技术措施确保构筑物的安全。

  (1) 严格控制盾构正面切口水压,使盾构切口处的地层有微小的隆起量来平衡盾构背土时的地层沉降量。

  (2) 穿越构筑物时,推进速度不宜过快,尽量做到均衡施工。

  (3) 盾构姿态变化不可过大、过频,隧道轴线和折角变化不超过0.4%。推进时不急纠、不猛纠,多注意观察管片与盾壳的间隙,采用稳坡法、缓坡法推进,以减少盾构施工对地层的影响。

  (4) 在保证每环同步注浆总量的同时,还须保证均匀合理地注浆,并保证浆液的配比稠度符合质量标准。

  (5) 在构筑物区域合理布置相关测点,在盾构穿越前后,根据实际情况加密监测频率,必要时进行跟踪监测,并将监测结果及时反馈给相关施工人员,以便调整施工参数,做到信息化施工。

在盾构穿越两岸码头及防汛墙时,由于严格遵守上述措施,盾构穿越后,码头及防汛墙沉降量均控制在允许范围内,保证了码头的正常使用和安然度汛。4.3  江底全断面粉砂地层技术措施

  盾构穿越黄浦江底有近400m为全断面⑦1-1草黄色砂质粉土与⑦1-2草黄~灰色粉细砂地层,其中含承压水,为此特制定了“保头护尾”的针对性措施。

  (1) 推进时根据潮位变化情况,对切口水压进行相应调整,控制其波动范围在设定值±0.02MPa,防止江底冒浆和土层坍陷。

  (2) 由于⑦层土内粘粒含量几乎为零,粘聚力极低,在全断面⑦层土掘进时,排泥水的粘度都会有所降低,因此在施工中适当提高送泥水的比重和粘度,防止开挖面土体坍塌和正面泥水后窜。

  (3) 在江中段推进时,在每块管片外侧垫放止水海绵条,封堵管片与盾尾间存在的间隙,必要时,在管片与盾壳间隙内填塞钢丝球,以加强盾尾密封效果。

  (4) 管片拼装坚持居中原则,使成环衬砌与盾壳的间隙均匀,确保盾尾密封效果的正常发挥。拼装后及时调整千斤顶的顶力,防止盾构姿态发生突变。

  西线盾构已于2002年6月上旬进入黄浦江,于2002年7月下旬顺利穿越黄浦江抵达浦西毛麻公司码头区。过程中取得了日均掘进6~7环的好成绩。5 盾构进洞方案

  为保证盾构进洞的安全、可靠,洞门外土体加固采用冻结帷幕墙。经过计算,取厚度为2.8m的板状全深冻结加固方式,冻结墙宽16.7m,深21.6m。为保证土体加固强度的均匀性,冻结孔排距、孔距不大于0.8m。

  为防止盾构推力波及冻土墙,造成拔管困难,在盾构掘进离冻土墙20m时,暂停掘进,将隧道断面范围的冻结管拔出至盾构顶部上1m处,并与其他未拔冻结管一起继续维护冻结。拔管结束后,盾构继续掘进,并逐步降低切口水压、减缓掘进速度,直至穿过冻土墙,靠近地下连续墙,然后完全凿除洞门口地下连续墙,盾构进入接收井。进洞特殊环管片的背覆钢板与井壁洞门预留钢圆环之间用扇形钢板进行电焊连接封堵。

www.667e.com 6 圆隧道内道路结构施工

  圆隧道内道路结构采用现浇钢筋混凝土结构,每36m~39m设一变形缝。圆隧道的盾构掘进完成以后,由中间向两侧逐段施工。道路结构施工期间工程材料和施工材料的运输采用轨道式电机车拖挂平板车完成,混凝土采用固定泵和150mm钢管直接由工作井口输送到各施工段。

  施工顺序由下往上依次进行:

  第一次浇筑:底部矢高约60cm的弓形底板和宽1.2m深0.4m的流水槽;

  第二次浇筑:弓形底板两侧的弧形板及牛腿和流水槽两侧的250mm×250mm的立柱;

  第三次浇筑;立柱上部的梁和厚30cm的路面板;

  第四次浇筑:路面板二侧的防撞侧石;

  第五次浇筑:二侧墙。

  为合理调配周转材料和安排劳动力,采用流水施工。

  4 江底联络通道施工技术

  本工程盾构掘进圆隧道较长。从“以人为本”的设计理念出发,本工程设计在圆隧道段长度的三分点左右各设一座东线、西线间的连接通道,即在两条平行隧道间构筑内净断面为1.4m×2.1m的连接通道。这样,一旦出现紧急事故工况,乘行人员、求援人员可通过连接通道进入相邻隧道出入,确保人身安全。

  位于浦西侧的联络通道一,东西线隧道间高差3.11m,净距22.87m,;位于浦东侧的联络通道二,东西线隧道间高差1.02m,净距17.17m。由于联络通道位于黄浦江底全断面饱和含水草黄色砂质粉土地层,施工过程中可能会发生水砂突出和地层沉陷甚至黄浦江水涌入,施工风险和难度极大,为确保工程安全,采用在黄浦江底“水平孔冻结加固土体,隧道内开挖构筑”的施工方案。1 施工方法

  在隧道内利用水平孔冻结加固地层,使联络通道外土体冻结,形成强度高、封闭性好的冻土帷幕,然后根据“新奥法”的基本原理,在冻土中采用矿山法进行联络通道的开挖构筑施工。地层冻结和开挖构筑均在圆隧道内进行。2 冻结方案

  按弹性理论设计冻结壁,冻土强度按砂质粉土冻结强度计算,σ压=4.5MPa,σ拉=2.3MPa,σ剪=1.9MPa。通过计算及强度安全系数校核,冻结壁厚取1.8m,冻结孔开孔间距取0.6m,从西线隧道往东线隧道钻水平孔,采用全深冻结。3 施工措施

  为杜绝在饱和砂质粉土地层水平钻孔时易出砂涌水的问题,采用强力水平钻机MKD-5S全液压钻机,实现无水钻进。在开孔前先进行水泥-水玻璃双液注浆,以提高孔口隧道外地层稳定性。在圆隧道预留钢管片采用金刚石取芯钻开孔,跟管钻进下冻结管,每个钻孔都设有孔口管,并安装钻孔密封装置,以防钻进时出泥、出水。

  严格控制钻孔精度,终孔间距小于1.0m。在冻土帷幕内布置测温孔、观测孔,以便正确测定冻土帷幕厚度和判断冻土帷幕是否交圈。为确保连接通道开挖和衬砌施工安全,选用可靠的冻结施工机械,安装足够的备用设备,开挖时在冻土帷幕表面喷洒低温氮气,避免冻土帷幕化冻。

  开挖采用短段短砌技术,开挖步距控制在0.3~0.5m,采用预应力钢支架加背板作为第一次支护,以维护地层稳定。钢支架的间排距与开挖步距相对应,所有钢支架后用木背板密背并紧贴冻结壁,以控制冻结壁的变形和减少冻结壁冷量损失。第二次支护为结构设计中的400mm厚永久钢筋混凝土衬砌。为减少施工接缝,在通道开挖和第一次支护后一次性连续浇筑。

  为防止打开连接通道预留钢管片时隧道结构的变形和受损,在该区隧道内设置预应力支撑。在连接通道混凝土中按水泥用量的4%掺入PH型防冻剂。并在衬砌中预埋注浆管,在冻土帷幕融化过程中采用注浆方式补偿土层融沉。

  5 岸边段隧道施工技术

  岸边段隧道分为浦东和浦西两部分。浦东共17个施工段,包括浦东盾构工作井以及9段暗埋段(图8)、2段光栅段以及5段敞开段。浦东工作井为盾构始发井,基坑设计开挖深度达到23.84m(实际开挖深度达24.0m),为超深基坑。浦西共13个施工段,含浦西盾构接收井、5段暗埋段、2段光栅段和5段敞开段。浦西盾构接收井的设计开挖深度为20.18m(实际为20.32m),也属于超深基坑。

  岸边段隧道地处闹市区,除了基坑开挖深度较大以外,两岸的隧道结构紧邻大量地下管线、城市道路以及破旧民房,环境保护的要求较高。此外,两岸的隧道结构段多次跨越交通主干道,必须对主要道路实施翻交作业,施工难度较大。

  岸边段隧道为滨海地貌,根据地质钻探揭示的土层基本为第四纪松散堆积物。从地面以下依次为:人工填土、褐黄色粉质粘土、灰色粘质粉土、灰色淤泥质粉质粘土、灰色粘土、灰色粉质粘土、暗绿色粘土、草黄色砂质粉土、草黄色粉细砂等。第一承压水存在于草黄色砂质粉土及草黄色粉细砂层中,承压水头在地表下8~10m。1 盾构工作井及暗埋段

  盾构工作井及暗埋段基坑开挖较深,特别是浦东盾构始发井,其平面尺寸为36.2m×20.6m,开挖深度达到24m,属于超深基坑。

  根据基坑开挖的实际条件和环境要求,两岸的工作井和暗埋段均采用了地下连续墙作为围护结构,基坑内采用了辅助真空的深井井点进行降水。另外,根据承压水计算,浦东和浦西的工作井开挖后的承压水覆盖层仅3~4m,设置了降承压水井以降低承压水头,防止坑底隆起和涌水。

  为了有效地降低基坑开挖和内部结构施工中围护结构的位移和周边地面的沉降,盾构工作井和暗埋段均采用了钢筋混凝土支撑结合钢支撑的支撑体系,综合了钢筋混凝土支撑刚度大以及钢支撑施工快捷的优点。在基坑开挖中还充分运用“时空效应”的原理,分区分块、快挖快撑。由于措施运用得当,超深基坑的变形得到了很好的控制。监测资料显示,浦东工作井围护结构的最大位移在55mm,浦西工作井最大位移在45mm,均达到了设计要求。2 地铁M6线预留技术

  大连路隧道浦东暗埋段在穿越浦东大道处与规划的地铁M6线正交,由于规划的M6线将从大连路隧道的下方穿越,该区段必须考虑规划M6线的实施的可行性,以及M6线实施时隧道结构的安全。

  为了满足M6线车站或区间隧道的实施,考虑隧道结构下部的车站站台层暗挖实施的条件,在大连路隧道区域规划地铁M6线车站的两侧预设深度为45m的地下连续墙,在中部柱网位置设置两道45m深的地下连续墙。两侧两道地下连续墙作为M6线车站暗挖区段的围护结构,全部四道地下连续墙,作为M6线车站开挖阶段大连路隧道结构的承载体系。同时考虑到区间隧道实施的可能性,两侧的地下连续墙适当向外侧放宽,留足区间隧道盾构穿越的空间。

  在该特殊区段隧道开挖的支撑体系也采用钢筋混凝土结合钢支撑的形式。3 超深地下连续墙施工

  在浦东工作井和规划地铁M6线预留段的围护结构中,均有深度超过40m的地下连续墙,尤其是M6线预留段的地下连续墙深度达45m,属于超深地下连续墙。地质资料显示,浦东段⑦1-2层的标贯击数在50以上,土体的埋深在37m左右。根据类似工程的经验,采用常规的液压抓斗施工极其困难,单幅地下连续墙的成槽时间在5~7d,进度极其缓慢。由于施工周期长,槽孔容易发生缩孔和塌方,地下连续墙的施工质量难以确保。

  在超深地下连续墙施工中,针对地质特点,采用了“两钻一抓”的工艺。即在每个开槽孔的两侧采用钻机打设先导孔,然后再采用液压抓斗沿着先导孔进行槽孔的开挖工作。在整个施工过程中加强过程管理和工序衔接,减少各工序之间的等工现象。在浦东工作井的超深地下连续墙施工中,平均施工时间3天一幅,施工质量全部达到设计和规范的要求。4 引道段施工

  隧道引道段(图9)开挖深度较浅,围护结构采用SMW工法。在开挖深度小于3.5m的区段采用水泥土搅拌桩重力式挡墙。引道段施工必须按由深至浅的顺序进行。

  在开挖深度较大、设置两道钢支撑的区域,为防止围护结构变形过大,造成引道段墙体开裂,施工采取换撑措施。即在完成底板后拆除第二道支撑,制作下部侧墙,待侧墙达到一定的强度后,将第一道支撑下移至下部侧墙上,再完成上部侧墙的施工。

  6 机电设备

  6.1 隧道通风系统

  本工程采用纵向通风方式,污染空气分别从隧道东、西端车辆驶出洞口附近的风塔内,由排风机集中高空排放,对洞口周围环境的影响将降低到允许标准内。

  6.2 给排水、消防系统

  隧道内不设生活用水设施,仅在两端道口处设置加水栓,供给冲洗车加水,并在雨水泵房内设置冲洗水龙。隧道内消防废水、冲洗废水沿侧墙下明沟及分段设置的五条横截沟分别将截流废水汇入浦东、浦西工作井废水泵房及最低点车道下的江中泵房。

  在浦东、浦西工作井内各设一座消防泵房,每座泵房接入两根DN200进水管,形成环网供水。由每座消防泵房接出的两根DN150出水管分别在两条隧道车道下管廊内全线贯通,以形成安全可靠的消火栓总管环网,在每孔隧道的一侧墙内,每隔45m设置一组消火栓箱。在圆形隧道段范围内,设置自动开式水喷雾系统。

  6.3 监控系统组成

  为实现隧道一体化集中管理,组成计算机网络的中央控制室对中央计算机信息系统、交通监控分系统、设备监控分系统(含电力SCADA、照明)、通信分系统(包括有线、无线、广播(PA)子系统)、闭路电视监控分系统(CCTV)、火灾报警分系统(FAS)进行集成和协调管理。监控系统在控制方式上可以分为计算机控制、区域控制器自动控制和就地人工控制。

  6.4 供电与照明系统

  浦西侧设一座10kV/0.4kV降压变电所,位于浦西隧道工作井内,供电范围为浦西隧道口至隧道江中心的动力照明负荷和管理中心大楼内的动力、照明、监控设备负荷;浦东侧设一座10kV/0.4kV降压变电所,位于浦东隧道工作井内,供电范围为浦东隧道口至隧道江中心的动力照明负荷。

  本隧道采用荧光灯作为隧道基本照明的主光源,高压钠灯作为加强照明光源。圆隧道和矩形隧道基本照明灯具均沿隧道二侧顶部纵向布置,隧道出入口的加强照明灯具布置于隧道基本照明两侧。

  7 结语

  上海大连路隧道是上海城市规划交通基础设施建设中的一个重要组成部分。工程的建成将对缓和黄浦江过江难的矛盾,特别是对减轻杨浦大桥和延安东路越江隧道的交通压力,促进经济飞速发展具有重要意义。工程目前正按预定计划进展正常,工程的建设将以“高标准、高质量、高效率”的一流水平取得成功。

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