越江盾構隧道項目施工難點控制

姚素標

(1.上海大學管理學院，上海 200436;2.和記黃埔地產管理有限公司，上海 200031)

越江盾構隧道項目施工難點控制

姚素標1，2

(1.上海大學管理學院，上海 200436;2.和記黃埔地產管理有限公司，上海 200031)

越江盾構隧道施工由于其地下埋深、水下作業(yè)、線路長的特殊性和復雜性，形成了施工工期長、難度大、不可見風險多等特點。因此，在盾構施工時必須對各項工序及其特點加以分析，編制相應的專項施工方案及應急預案，從而確保隧道施工順利、安全。該文以上海虹梅南路越江隧道項目為例，介紹了該大型越江隧道施工階段的施工難點及控制措施。

施工控制； 盾構隧道； 越江

隧道工程項目是一項涉及多個學科門類的復雜系統(tǒng)工程，具有項目投資大、技術復雜、建設工期長、建筑安裝實物量大、項目涉及面廣等特點。在隧道工程項目施工過程中，面臨著大量的施工難點和不確定性，這些難點具有復雜性、多樣性、綜合性、突發(fā)性、不可見性等特點[1]。該文以結合上海紅梅南路～金海路越江隧道項目，闡述大型越江隧道實施階段(重點介紹施工階段)難點分析和控制措施。通過對工程難點進行分析，制定有針對性的施工方案和控制要點，確保了該項目的順利、安全實施。

1 工程項目概況

虹梅南路越江隧道，是上海市閔行區(qū)的第一條黃浦江越江隧道，目前正在建設中，有希望在2015年貫通。虹梅南路隧道途經閔行區(qū)和奉賢區(qū)，全長5.26 km，起于浦西永德路北側，于劍川路北側入地跨越黃浦江，經西閘公路后出地面，終于金海路。

根據《虹梅南路、金海路道路紅線專項規(guī)劃》，該工程分為兩段。一段是虹梅南路，位于徐匯、閔行兩區(qū)，從上中路至東川路，長約10.9 km。原虹梅南路為地面道路，現在規(guī)劃為“高架+地面輔道”，沿線設外環(huán)線、銀都路、金都路、元江路、A 15、放鶴路6組匝道。另一段是金海路，位于奉賢區(qū)，從西閘公路至大葉公路，長約3.4 km，仍為地面道路。盾構段隧道采用單圓雙線隧道，直徑14.5 m，全長約3 400 m，盾構機采用德國海瑞克產Φ14.93 m泥水氣平衡盾構。隧道按東、西雙線流水掘進，首先進行西線隧道掘進施工(奉賢段)，西線掘進完成后，盾構到達閔行工作井并完成掉頭作業(yè)，最后進行東線隧道掘進施工。盾構施工沿線將穿越奉賢施工區(qū)場內建筑、黃浦江及防汛墻、京濱電子廠、閔行段乙烯管、蔣家港河及橋梁[2]。

參考國內外隧道工程建設發(fā)展情況，與虹梅南路越江隧道類似的國內工程主要包括：

1)上海長江隧道(單圓雙線隧道，直徑15.43 m，全長8.95 km)。2)武漢長江隧道(單圓雙線隧道，直徑11.38 m，全長3.63 km)。3)上海延安東路隧道及復線隧道(單圓雙線隧道，原隧道直徑11.3 m，全長2.26 km，復線隧道直徑11.2 m，全長2.21 km)。4)上海西藏南路越江隧道(單圓雙線隧道，直徑11.36 m，全長2.67 km)。5)上海大連路越江隧道(單圓雙線隧道，直徑11.36 m，全長2.56 km)。

國外類似工程主要有：

1)荷蘭綠色心臟隧道(高速鐵路隧道，直徑14.9 m，全長約7 km)。2)日本東京灣公路隧道(直徑14.14 m，全長15 km)。3)英法海底隧道(兩側鐵路隧道直徑7.8 m、中間服務隧道直徑4.8 m，全長49 km)。4)丹麥斯多貝爾特大海峽隧道(主隧道直徑8.5 m，全長7.9 km)等[3]。

與上述類似的越江隧道工程相比，虹梅南路越江隧道主要特點包括：盾構直徑大、軟土地質、地下水位高(尤其是黃浦江底地址條件復雜)、穿越區(qū)域內市政管線保護要求高、工期緊等特點。

2 工程施工階段難點分析

該文根據虹梅南路隧道工程結構特點、穿越土層的地質水文條件、特殊地理位置等，結合前期擬定的相關工程實施方案，分別從施工進度、工程質量、工程安全、人員安全、環(huán)境保護等方面影響因素對其施工階段的難點控制進行分析和評價，并給出相關控制措施及建議。同時，在工程實施前，進一步參考國內外類似工程隧道施工經驗，運用專家調查法和層次分析法對項目施工難點和風險控制重點進行識別和分析。

通過分析，得出虹梅南路隧道工程施工控制難點主要包括機械設備選擇、操作控制、施工節(jié)點控制、基坑開挖等方面，見表1。

表1 虹梅南路隧道施工難點分析表

2.1 風險評估矩陣

根據虹梅南路隧道相關勘察及設計文件，并結合以往類似實際工程，通過專家調查法進行問卷調查方式對本隧道施工難點進行匯總分析，為保證調查結果的權威性和廣泛性，調查對象只選擇參見單位(建設單位、設計單位、施工單位、監(jiān)理單位)中從事隧道工程建設管理年限超過5年的專業(yè)人士。其次，通過風險矩陣表的方式對工程難點控制所能引發(fā)各種風險的頻率進行歸納、分類。按照發(fā)生頻率的大小分為“不可能”、“難得”、“偶爾地”、“可能頻繁地”和“頻繁地”五類；同時，根據風險可能將引發(fā)災難帶來的后果威脅程度劃分為“后果可忽略”、“后果較輕”、“后果嚴重”、和“災難性后果”四種。據此可得出災難風險評估矩陣，見表2[4]。

表2 災難風險評估矩陣

2.2 施工風險評估

通過對虹梅南路隧道施工難點的分析(表1)，并對上述施工難點控制不當可能引發(fā)的各個環(huán)節(jié)潛在風險進行定性分析(結合表2)，通過綜合評價方式得出虹梅南路隧道主要施工風險等級評價表，見表3[4]。

表3 風險分析綜合評價表

3 施工難點控制方法

通過對盾構越江隧道工程施工的難點分析、并對其各項施工難點進行相應的風險評估，在此基礎上，結合本工程特點及國、內外已有實際工程案例，作者對虹梅南路隧道施工中的技術難點及其風險應對提出以下控制方法及對策、建議。

3.1 盾構機選型

盾構機選型一般在隧道前期策劃階段進行，盾構機選型的影響因素主要包括以下幾個方面：1)擬建隧道穿越的工程地質環(huán)境、水文條件。2)擬建隧道設計參數。3)擬建隧道工期計劃。4)擬建隧道造價制約。5)隧道建設地區(qū)特殊的環(huán)境保護要求等。

虹梅南路隧道工程項目特點主要包括以下幾方面：

1)隧道穿越地質為軟土地層，地下水位高。2)紅梅南路隧道設計為雙線隧道，單線隧道直徑達14.5 m，約3 400 m長。3)擬建工期為5年。4)隧道施工地區(qū)對周圍環(huán)境保護要求較高。

因此，根據上述項目特點，該工程盾構機選用原則為全封閉、機械自動化程度高的泥水氣平衡盾構機。為了保證施工期間盾構機械設備的耐久性及性能穩(wěn)定性，確保隧道掘進連續(xù)、順利，盾構機選擇由世界知名盾構設備制造商德國海瑞克生產的直徑14.93 m泥水氣平衡盾構，以確保滿足施工各方面的需要。

3.2 盾構進出洞

該工程盾構出洞段(100 m)施工中，最小覆土厚度僅為9.2 m，約為0.63D(D為盾構直徑)，屬于淺覆土盾構施工的范疇。盾構出洞階段容易產生軸線上浮、盾構偏離隧道設計軸線較大現象。產生上述偏差的主要原因有進出洞洞口土體加固強度不均勻導致刀盤斷面受力不均；盾構正面泥水平衡壓力設定不合理導致盾構正面土體拱起變形，引起盾構軸線上浮。

此階段應主要控制進出洞范圍土體加固方法、加固位置的排列方式，確保出洞土體能夠得到均勻加固，同時應重點結合土體加固強度報告、盾構相關機械參數、泥水平衡計算公式等分析盾構正面泥水壓力，確保設定的正面泥水壓力符合實際要求。

3.3 開挖面平衡

該工程隧道掘進盾構采用的是泥水氣平衡盾構，維持開挖面平衡主要通過氣壓控制膨潤土懸膠液穩(wěn)定，水壓可以精細調節(jié)，使膨潤土懸膠液在開挖面形成泥膜，從而使開挖面土層保持相對穩(wěn)定。盾構推進過程中應根據地質勘探數據，提前計算掘進深度區(qū)域的靜止水土壓力，并根據計算結果，設定符合掘進壓球的刀盤氣泡倉壓力，一般情況下，刀盤氣泡倉壓力設定值選定為1.2倍于刀盤前方靜止水土壓力(P=1.2P0)。刀盤氣泡倉內的膨潤土懸膠液應由空氣壓力進行控制，通過對膨潤土懸膠液的控制，與刀盤正面壓力的變化進行反向補償。

盾構掘進時，要及時補充刀盤的新鮮泥漿，及時對刀盤開挖區(qū)的土體起到類似鉆孔灌注樁中的泥漿護壁作用。其基本原理是，當刀盤注入新鮮泥漿后，泥漿可滲入開挖面土層一定深度，并可以在較時間內在開挖面土層形成一道泥膜，這種泥膜有助于提高開挖面土層的自穩(wěn)性能。泥漿比重下限為1.05，上限則可根據施工的特殊要求而定，當盾構穿越淺覆土層時泥水比重不小于1.25。對透水性小的粘性土可用原狀圖造漿，有效利用現場條件以節(jié)約成本。施工中嚴格控制盾構掘進速度、出土量和新鮮泥漿補給。如遇超淺覆土掘進區(qū)段(覆土厚度小于0.5D，D為盾構直徑)，應隨時關注盾構姿態(tài)與地表監(jiān)測數據，如果一旦出現盾構冒頂或冒漿現象，應及時打開氣壓平衡系統(tǒng)，維持刀盤土體穩(wěn)定，防止土體塌方造成嚴重后果。

3.4 盾尾密封

地下水、泥及同步注漿漿液從盾尾的密封裝置滲漏進盾殼和隧道內，會嚴重影響工程進度和施工質量，處理不好甚至對工程帶來致命的災難。該隧道長度約3.4 km，屬于中長隧道，按通常經驗，在盾尾應設3道盾尾刷。盾尾刷主要構成構件包括：緊急止水裝置、集鋼彈簧、鋼絲刷、不銹鋼金屬網。因為盾構穿越地層屬于軟土地層，地下水豐富，水壓較高，地層透水系數較大，盾構掘金過程中地下水對隧道盾尾的壓力可達到1.2 MPa，如果一旦盾尾密封控制不當，引起地下水從盾尾滲入封閉的盾構內部，將會給盾構掘金施工及人員安全帶來嚴重的安全隱患。因此，對處于軟土層高壓水下的中長距離盾構隧道施工，盾尾刷能否密封嚴密且發(fā)生意外時能否及時調換就顯得十分重要。

由此，對于此項施工控制難點建議在盾尾增設一道應急盾尾刷。盾構出洞前應嚴格檢查盾尾刷安裝質量，發(fā)現盾尾刷損壞或安裝不到位時應及時進行更換、調整，并在盾構出洞前進行首次盾尾油脂注入，同時在鋼彈簧和鋼絲刷上涂防銹劑。盾構掘進過程中應經常向密封刷注油脂，避免同步注漿漿液對鋼絲刷的損壞；如在掘進過程中發(fā)現盾尾刷損壞或出現密封不嚴情況應及時停止隧道掘進工作，并安排相關專業(yè)技術人員進行更換、維修。

3.5 隧道掘進軸線

該工程隧道圓隧道長度約3.4 km，盾構推進軸線的控制難度較大，根據規(guī)范要求隧道軸線偏差控制目標為隧道軸線平面±75 mm，隧道軸線高程±50 mm。產生偏差的主要原因包括：測量誤差累計導致的偏差、盾構糾偏不及時、到位導致的偏差、隧道沉降、上浮導致的偏差等。

施工中應定期做好盾構測量基站的復核工作，減少測量誤差導致隧道軸線控制偏差的概率及影響程度。盾構機掘進過程中的軸線偏差復核頻率應控制在每50 m測量一次，如果復核過程中發(fā)現軸線偏差或偏差趨勢，應安照連續(xù)、緩慢的原則進行軸線糾偏。

軸線復核應有可靠的軸線定位測量系統(tǒng)，主要包括以下幾個方面：

1)地面三角網。2)工作井下引進導線系統(tǒng)。3)激光向導系統(tǒng)。4)陀螺儀定位系統(tǒng)。

與此同時，應認真做好盾構掘進姿態(tài)數據的采集整理工作，分析其變化趨勢，及時采取糾偏準備；其次重點控制同步注漿質量，確保隧道沉降幅度在可控范圍之內。

3.6 隧道上浮

該隧道因下穿黃浦江，江底地質條件尤為復雜，且地下水壓較大，隨著盾構的不斷推進，容易造成成環(huán)管片上浮，引起結構安全隱患。同步注漿的效果及質量、管片拼裝的質量均是造成管片上浮的潛在因素。

為此，應嚴格控制同步注漿漿液的質量，確保漿液各組成材料、配比滿足設計要求，不斷調整注漿壓力，以確保同步注漿質量。加強對隧道內沉降監(jiān)測的關注及相關數據的整理分析，做到可預見性。當發(fā)現隧道呈現較大上浮趨勢時應及時采取補漿措施，并重點檢查成環(huán)管片連接件的安裝質量。管處拼裝允許偏差和檢驗方法，具體見表4[5]。

表4 管片拼裝允許偏差和檢驗方法

[1] 胡 昊，張英隆，范益群.隧道工程設計系統(tǒng)的風險管理[A].中國工程管理環(huán)顧與展望[C].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007：485-490.

[2] 周 駿，何國軍.上海市虹梅南路隧道總體施工組織設計[D].上海：上海隧道工程股份有限公司，2010.

[3] 季玉國.江海盾構隧道施工風險分析與評價[J].探礦工程(巖土鉆掘工程)，2008，36(6)：76-79.

[4] 王 陽，胡 昊.南京長江越江盾構隧道工程項目施工風險管理[J].基建管理優(yōu)化，2010，23(3)：6-9.

[5] GB 50446—2008，盾構法隧道施工與驗收規(guī)范[S].

Difficulty Control on Shield Tunneling Construction

YAO Su-biao1,2

(1.School of Management of Shanghai University，Shanghai 200436，China；
2.Hutchison Whampoa Property Management Limited，Shanghai 200031，China)

The charactersistics of shield tunneling across river are long construction period, high difficult and invisible risk due to the particularity and complexity which refer to the buried depth,underwater operation,and long line.Therfore the analysis of process and charactersistics on shield tunneling construction is necessary, and the special constraction program and contingency plan should be worked out to insure safety.Taking the project Shanghai South Hong-mei Road tunnel crossing the Huangpu River as example,this paper introduced the construction control measures.

construction control； shield tunneling； cross river

10.3963/j.issn.1674-6066.2015.01.010

2014-11-05.

姚素標(1987-)，助理工程師.E-mail:yaosubiao@163.com