越江盾構(gòu)隧道項目施工難點控制

姚素標(biāo)

(1.上海大學(xué)管理學(xué)院，上海 200436;2.和記黃埔地產(chǎn)管理有限公司，上海 200031)

越江盾構(gòu)隧道項目施工難點控制

姚素標(biāo)1，2

(1.上海大學(xué)管理學(xué)院，上海 200436;2.和記黃埔地產(chǎn)管理有限公司，上海 200031)

越江盾構(gòu)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(fù)雜性，形成了施工工期長、難度大、不可見風(fēng)險多等特點。因此，在盾構(gòu)施工時必須對各項工序及其特點加以分析，編制相應(yīng)的專項施工方案及應(yīng)急預(yù)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(gòu)隧道； 越江

隧道工程項目是一項涉及多個學(xué)科門類的復(fù)雜系統(tǒng)工程，具有項目投資大、技術(shù)復(fù)雜、建設(shè)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(fù)雜性、多樣性、綜合性、突發(fā)性、不可見性等特點[1]。該文以結(jié)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(shè)中，有希望在2015年貫通。虹梅南路隧道途經(jīng)閔行區(qū)和奉賢區(qū)，全長5.26 km，起于浦西永德路北側(cè)，于劍川路北側(cè)入地跨越黃浦江，經(jīng)西閘公路后出地面，終于金海路。

根據(jù)《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(xiàn)在規(guī)劃為“高架+地面輔道”，沿線設(shè)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(gòu)段隧道采用單圓雙線隧道，直徑14.5 m，全長約3 400 m，盾構(gòu)機采用德國海瑞克產(chǎn)Φ14.93 m泥水氣平衡盾構(gòu)。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(gòu)到達(dá)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(gòu)施工沿線將穿越奉賢施工區(qū)場內(nèi)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(nèi)外隧道工程建設(shè)發(fā)展情況，與虹梅南路越江隧道類似的國內(nèi)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(fù)線隧道(單圓雙線隧道，原隧道直徑11.3 m，全長2.26 km，復(fù)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(cè)鐵路隧道直徑7.8 m、中間服務(wù)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(gòu)直徑大、軟土地質(zhì)、地下水位高(尤其是黃浦江底地址條件復(fù)雜)、穿越區(qū)域內(nèi)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(jù)虹梅南路隧道工程結(jié)構(gòu)特點、穿越土層的地質(zhì)水文條件、特殊地理位置等，結(jié)合前期擬定的相關(guān)工程實施方案，分別從施工進度、工程質(zhì)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(guān)控制措施及建議。同時，在工程實施前，進一步參考國內(nèi)外類似工程隧道施工經(jīng)驗，運用專家調(diào)查法和層次分析法對項目施工難點和風(fēng)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(shè)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(fēng)險評估矩陣

根據(jù)虹梅南路隧道相關(guān)勘察及設(shè)計文件，并結(jié)合以往類似實際工程，通過專家調(diào)查法進行問卷調(diào)查方式對本隧道施工難點進行匯總分析，為保證調(diào)查結(jié)果的權(quán)威性和廣泛性，調(diào)查對象只選擇參見單位(建設(shè)單位、設(shè)計單位、施工單位、監(jiān)理單位)中從事隧道工程建設(shè)管理年限超過5年的專業(yè)人士。其次，通過風(fēng)險矩陣表的方式對工程難點控制所能引發(fā)各種風(fēng)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(jù)風(fēng)險可能將引發(fā)災(zāi)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(yán)重”、和“災(zāi)難性后果”四種。據(jù)此可得出災(zāi)難風(fēng)險評估矩陣，見表2[4]。

表2 災(zāi)難風(fēng)險評估矩陣

2.2 施工風(fēng)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(dāng)可能引發(fā)的各個環(huán)節(jié)潛在風(fēng)險進行定性分析(結(jié)合表2)，通過綜合評價方式得出虹梅南路隧道主要施工風(fēng)險等級評價表，見表3[4]。

表3 風(fēng)險分析綜合評價表

3 施工難點控制方法

通過對盾構(gòu)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(yīng)的風(fēng)險評估，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合本工程特點及國、內(nèi)外已有實際工程案例，作者對虹梅南路隧道施工中的技術(shù)難點及其風(fēng)險應(yīng)對提出以下控制方法及對策、建議。

3.1 盾構(gòu)機選型

盾構(gòu)機選型一般在隧道前期策劃階段進行，盾構(gòu)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(zhì)環(huán)境、水文條件。2)擬建隧道設(shè)計參數(shù)。3)擬建隧道工期計劃。4)擬建隧道造價制約。5)隧道建設(shè)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(zhì)為軟土地層，地下水位高。2)紅梅南路隧道設(shè)計為雙線隧道，單線隧道直徑達(dá)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(jù)上述項目特點，該工程盾構(gòu)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(gòu)機。為了保證施工期間盾構(gòu)機械設(shè)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(gòu)機選擇由世界知名盾構(gòu)設(shè)備制造商德國海瑞克生產(chǎn)的直徑14.93 m泥水氣平衡盾構(gòu)，以確保滿足施工各方面的需要。

3.2 盾構(gòu)進出洞

該工程盾構(gòu)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(gòu)直徑)，屬于淺覆土盾構(gòu)施工的范疇。盾構(gòu)出洞階段容易產(chǎn)生軸線上浮、盾構(gòu)偏離隧道設(shè)計軸線較大現(xiàn)象。產(chǎn)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?qū)е碌侗P斷面受力不均；盾構(gòu)正面泥水平衡壓力設(shè)定不合理導(dǎo)致盾構(gòu)正面土體拱起變形，引起盾構(gòu)軸線上浮。

此階段應(yīng)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(yīng)重點結(jié)合土體加固強度報告、盾構(gòu)相關(guān)機械參數(shù)、泥水平衡計算公式等分析盾構(gòu)正面泥水壓力，確保設(shè)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(gòu)采用的是泥水氣平衡盾構(gòu)，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(xì)調(diào)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(gòu)推進過程中應(yīng)根據(jù)地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)，提前計算掘進深度區(qū)域的靜止水土壓力，并根據(jù)計算結(jié)果，設(shè)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(shè)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(nèi)的膨潤土懸膠液應(yīng)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(gòu)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(dāng)?shù)侗P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(nèi)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(jù)施工的特殊要求而定，當(dāng)盾構(gòu)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(xiàn)場條件以節(jié)約成本。施工中嚴(yán)格控制盾構(gòu)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(gòu)直徑)，應(yīng)隨時關(guān)注盾構(gòu)姿態(tài)與地表監(jiān)測數(shù)據(jù)，如果一旦出現(xiàn)盾構(gòu)冒頂或冒漿現(xiàn)象，應(yīng)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(yán)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(nèi)，會嚴(yán)重影響工程進度和施工質(zhì)量，處理不好甚至對工程帶來致命的災(zāi)難。該隧道長度約3.4 km，屬于中長隧道，按通常經(jīng)驗，在盾尾應(yīng)設(shè)3道盾尾刷。盾尾刷主要構(gòu)成構(gòu)件包括：緊急止水裝置、集鋼彈簧、鋼絲刷、不銹鋼金屬網(wǎng)。因為盾構(gòu)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(shù)較大，盾構(gòu)掘金過程中地下水對隧道盾尾的壓力可達(dá)到1.2 MPa，如果一旦盾尾密封控制不當(dāng)，引起地下水從盾尾滲入封閉的盾構(gòu)內(nèi)部，將會給盾構(gòu)掘金施工及人員安全帶來嚴(yán)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(gòu)隧道施工，盾尾刷能否密封嚴(yán)密且發(fā)生意外時能否及時調(diào)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(shè)一道應(yīng)急盾尾刷。盾構(gòu)出洞前應(yīng)嚴(yán)格檢查盾尾刷安裝質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)盾尾刷損壞或安裝不到位時應(yīng)及時進行更換、調(diào)整，并在盾構(gòu)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(gòu)掘進過程中應(yīng)經(jīng)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(xiàn)盾尾刷損壞或出現(xiàn)密封不嚴(yán)情況應(yīng)及時停止隧道掘進工作，并安排相關(guān)專業(yè)技術(shù)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(gòu)推進軸線的控制難度較大，根據(jù)規(guī)范要求隧道軸線偏差控制目標(biāo)為隧道軸線平面±75 mm，隧道軸線高程±50 mm。產(chǎn)生偏差的主要原因包括：測量誤差累計導(dǎo)致的偏差、盾構(gòu)糾偏不及時、到位導(dǎo)致的偏差、隧道沉降、上浮導(dǎo)致的偏差等。

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

軸線復(fù)核應(yīng)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(wǎng)。2)工作井下引進導(dǎo)線系統(tǒng)。3)激光向?qū)到y(tǒng)。4)陀螺儀定位系統(tǒng)。

與此同時，應(yīng)認(rèn)真做好盾構(gòu)掘進姿態(tài)數(shù)據(jù)的采集整理工作，分析其變化趨勢，及時采取糾偏準(zhǔn)備；其次重點控制同步注漿質(zhì)量，確保隧道沉降幅度在可控范圍之內(nèi)。

3.6 隧道上浮

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

為此，應(yīng)嚴(yán)格控制同步注漿漿液的質(zhì)量，確保漿液各組成材料、配比滿足設(shè)計要求，不斷調(diào)整注漿壓力，以確保同步注漿質(zhì)量。加強對隧道內(nèi)沉降監(jiān)測的關(guān)注及相關(guān)數(shù)據(jù)的整理分析，做到可預(yù)見性。當(dāng)發(fā)現(xiàn)隧道呈現(xiàn)較大上浮趨勢時應(yīng)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(zhì)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(shè)計系統(tǒng)的風(fēng)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(shè)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(gòu)隧道施工風(fēng)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(gòu)隧道工程項目施工風(fēng)險管理[J].基建管理優(yōu)化，2010，23(3)：6-9.

[5] GB 50446—2008，盾構(gòu)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(biāo)(1987-)，助理工程師.E-mail:yaosubiao@163.com