劉艷濱

（上海城投公路投資（集團(tuán)）有限公司，上海 200335）

盾構(gòu)法越江道路隧道建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)

劉艷濱

（上海城投公路投資（集團(tuán)）有限公司，上海 200335）

通過對(duì)上海建設(shè)的多條大直徑盾構(gòu)越江隧道進(jìn)行總結(jié)分析，確定盾構(gòu)法越江道路隧道建設(shè)管理需遵循功能性、安全性等總體原則，提出盾構(gòu)法越江道路隧道的盾構(gòu)工作井、圓隧道橫斷面選型與設(shè)計(jì)參數(shù)、盾構(gòu)隧道防水等設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)，介紹盾構(gòu)選型及開挖面平衡技術(shù)、壁后注漿技術(shù)、盾構(gòu)進(jìn)出洞施工、監(jiān)控量測等施工技術(shù)，分析盾構(gòu)隧道防水技術(shù)、防火內(nèi)襯及風(fēng)塔合建等防火與通風(fēng)存在問題與改進(jìn)措施，以期為今后同類工程建設(shè)提供借鑒。

大直徑盾構(gòu)；越江隧道；設(shè)計(jì)施工技術(shù)

0 引言

越江道路隧道建設(shè)經(jīng)歷了由小直徑向大直徑、由單層向雙層、由短向長、由單點(diǎn)進(jìn)出向多點(diǎn)進(jìn)出的發(fā)展趨勢，隨著城市總體交通規(guī)模的持續(xù)快速增長，越江道路建設(shè)的需求越來越多、隧道直徑越來越大。截至2014年底，上海市道路越江隧道已建成14處、在建5處，隧道外徑11～15 m。在世界各國的城市地下基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中，主要采用盾構(gòu)法、明挖法技術(shù)及各種輔助工法，在建筑物密集和對(duì)周圍環(huán)境影響限制嚴(yán)格的大城市中，盾構(gòu)法具有明顯的優(yōu)勢。根據(jù)日本1991年對(duì)東京、大阪等主要城市的統(tǒng)計(jì)，在城市隧道工程中，盾構(gòu)法占60.9%，明挖法占33%。在上海、武漢、杭州等地也已建成多處超大直徑盾構(gòu)法道路隧道，取得了一定的技術(shù)突破。杭州錢江隧道和上海長江西路隧道采用了盾構(gòu)整體平移和調(diào)頭的工作井設(shè)計(jì)［1］；上海北橫通道工程針對(duì)超大直徑小半徑曲線盾構(gòu)隧道的構(gòu)造設(shè)計(jì)和施工控制技術(shù)等進(jìn)行了研究［2］；武漢三陽路越江隧道采用了公鐵合建、上層布置車道和管廊層、下層布置軌道交通及疏散通道的橫斷面設(shè)計(jì)，雙線小凈距（不足0.35D）設(shè)計(jì)方案［3］；日本營團(tuán)地鐵7號(hào)線采用φ14.18 m泥水盾構(gòu)，頂覆土最薄處為0.89D；北京地下直徑線前三門隧道，在襯砌管片內(nèi)弧側(cè)和外弧側(cè)各設(shè)置1道防水密封墊2道防水設(shè)防，首道防水彈性橡膠密封墊采用以EPDM為主、輔以遇水膨脹橡膠的復(fù)合密封墊防水技術(shù)［4］。在上海建設(shè)的19條大型道路越江隧道中，盾構(gòu)法隧道有18條，占總數(shù)的95%，在盾構(gòu)法隧道的設(shè)計(jì)及施工方面積累了大量經(jīng)驗(yàn)。隨著工程規(guī)模的不斷擴(kuò)大，越江道路隧道的安全可靠和經(jīng)濟(jì)合理成為建設(shè)各方高度關(guān)注的問題，處理不當(dāng)會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和嚴(yán)重的社會(huì)影響。因此，有必要對(duì)已建成項(xiàng)目進(jìn)行分析、評(píng)價(jià)和總結(jié)，提煉出軟土大直徑盾構(gòu)法道路隧道設(shè)計(jì)施工關(guān)鍵技術(shù)，為后續(xù)同類工程建設(shè)提供指導(dǎo)和借鑒。

1 建設(shè)管理總體原則

綜合“十一五”期間上海建成的城市道路隧道的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，盾構(gòu)法越江道路隧道建設(shè)總體上應(yīng)遵循“功能性、安全性、經(jīng)濟(jì)性、集約化、環(huán)境友好”等原則。

1）功能性原則。越江道路隧道設(shè)計(jì)首先必須滿足交通功能需求，隧道總平面布置應(yīng)在充分滿足隧道功能的前提下，綜合考慮規(guī)劃用地、城市景觀、環(huán)境保護(hù)、防災(zāi)的要求，進(jìn)行隧道主體、地下附屬設(shè)施及地面附屬設(shè)施的布置。

2）安全性原則。越江道路隧道建設(shè)應(yīng)遵循全壽命周期的理念，運(yùn)營安全和建設(shè)期安全并重，既要以人為本，做到以防為主、防消結(jié)合，確保行車安全、結(jié)構(gòu)防護(hù)安全、人員疏散安全的防災(zāi)設(shè)計(jì)，又要充分考慮建設(shè)條件、現(xiàn)有技術(shù)水平和施工能力，確保建設(shè)安全。

3）經(jīng)濟(jì)性原則。在方案合理的基礎(chǔ)上優(yōu)先考慮建造成本和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的降低，如：合理確定建筑限界，充分利用橫斷面空間；優(yōu)化選址，減少動(dòng)遷量；優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，選擇適宜的施工方法和結(jié)構(gòu)型式。

4）集約化原則。一是越江道路隧道空間利用的集約化，在有限的結(jié)構(gòu)斷面中，合理組織隧道功能，最大限度提高隧道通行能力；二是道路管理設(shè)施的集約化，包括多項(xiàng)目合一的管理用房、結(jié)合周邊建筑的風(fēng)塔合建等。

5）環(huán)境友好原則。在工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)營過程中，都采取有利于環(huán)境保護(hù)的管理方式、建設(shè)方式和采購方式，建立隧道工程項(xiàng)目與環(huán)境良性互動(dòng)的關(guān)系，隧道建設(shè)既要考慮環(huán)境保護(hù)、城市景觀協(xié)調(diào)、節(jié)能降噪、耐久性等需求，又要考慮設(shè)施運(yùn)營的長效安全。

2 盾構(gòu)法越江道路隧道設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 盾構(gòu)工作井

盾構(gòu)工作井是盾構(gòu)組裝、拆卸及始發(fā)、接收的場所，是隧道最先開工和最后完工的結(jié)構(gòu)；它連接了圓形的盾構(gòu)隧道和矩形的明挖隧道，是隧道內(nèi)設(shè)備集中放置的區(qū)域；同時(shí)，盾構(gòu)工作井開挖深度大、尺寸大、工況復(fù)雜，也是設(shè)計(jì)難度大、施工風(fēng)險(xiǎn)大的結(jié)構(gòu)，且易出現(xiàn)滲漏水。

2.1.1 工作井設(shè)計(jì)應(yīng)滿足建設(shè)的功能及流程要求

2.1.1.1 建設(shè)的功能要求

1）設(shè)計(jì)應(yīng)滿足施工籌劃和周邊環(huán)境的要求。始發(fā)井的尺寸需要考慮盾構(gòu)的組裝、管片調(diào)運(yùn)、出土出泥等要求，其內(nèi)部平面長度（順?biāo)淼谰€路方向）由盾構(gòu)長度和安裝空間決定，而平面寬度（垂直于隧道線路方向）則主要取決于隧道出洞處的線路線間距、盾構(gòu)直徑以及盾構(gòu)組裝時(shí)的操作空間要求。接收井一般是隧道最后完工的區(qū)域，其平面凈空尺寸也同樣受盾構(gòu)尺寸、隧道線路線間距、盾構(gòu)的安裝空間控制。當(dāng)雙管隧道只采用1臺(tái)盾構(gòu)進(jìn)行施工時(shí)，需要設(shè)置1個(gè)盾構(gòu)調(diào)頭井，要求底板上表面為1個(gè)平面，即底梁不得上翻。設(shè)置調(diào)頭井的隧道主要有翔殷路隧道、軍工路隧道等。

2）設(shè)計(jì)應(yīng)滿足使用階段的功能要求。工作井車道層上層（即工作井的下一層）的凈空尺寸大，平面也較為規(guī)整，因此，設(shè)備層一般布置在此層空間內(nèi)。在凈空允許的情況下，在工作井的地下1層之下可設(shè)置電纜夾層，最小凈高應(yīng)大于1.4 m。雙管隧道的工作井車道層一般設(shè)置調(diào)頭車道，使車輛在緊急情況下可在此處調(diào)頭。工作井作為隧道暗埋段的最低點(diǎn)，需要在井內(nèi)設(shè)置廢水泵房，并設(shè)置橫截溝攔截從暗埋段流向盾構(gòu)段的水。

2.1.1.2 建設(shè)的流程要求

盾構(gòu)隧道始發(fā)井的施工流程是施工圍護(hù)—施工框架+內(nèi)襯—拆除支撐—組裝盾構(gòu)—出洞+拼裝負(fù)環(huán)—盾構(gòu)推進(jìn)+拼裝管片—推進(jìn)完成—拆除負(fù)環(huán)—施工各層板—安裝+調(diào)試設(shè)備；接收井的施工流程是施工圍護(hù)—施工框架+內(nèi)襯—拆除支撐—進(jìn)洞—拆除盾構(gòu)—施工各層板—安裝+調(diào)試設(shè)備。當(dāng)工期要求緊張時(shí)，可以將下一層的設(shè)備搬離工作井，另行在暗埋段布置，這樣工作井的最后收頭工作將不再影響設(shè)備的搬運(yùn)和調(diào)試，如龍耀路隧道的接收井。

2.1.2 工作井的設(shè)計(jì)規(guī)模與圍護(hù)結(jié)構(gòu)選型

2.1.2.1 工作井的設(shè)計(jì)規(guī)模

工作井的設(shè)計(jì)長度一般由機(jī)頭長度、盾尾、安裝平臺(tái)和安裝空間等多個(gè)因素決定，若盾構(gòu)整體調(diào)頭，在調(diào)頭井中需同步考慮盾構(gòu)整體調(diào)頭所需的空間。工作井尺寸確定與周邊環(huán)境關(guān)系密切，當(dāng)條件受限時(shí)，工作井尺寸需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行縮減，如：人民路隧道浦西工作井周邊環(huán)境條件受限，隧道的最小凈距僅3.7 m（0.33D），兩側(cè)的盾構(gòu)安裝空間也只留了1.38 m，這樣井的內(nèi)凈空就壓縮為29.4×16.4 m，比同類型的工作井凈寬小了4.6 m。這些措施降低了對(duì)周邊道路和管線的影響，但在盾構(gòu)安裝和進(jìn)出洞等方面帶來了很大難度。

2.1.2.2 工作井的圍護(hù)結(jié)構(gòu)選型

1）上海的城市隧道工作井周邊均有較高的環(huán)境保護(hù)要求，已建隧道的工作井圍護(hù)結(jié)構(gòu)均采用地下連續(xù)墻明挖順作。盾構(gòu)進(jìn)出洞的覆土一般大于0.5D，已建越江隧道工作圍護(hù)結(jié)構(gòu)厚度主要是1.0、1.2 m，插入比主要有0.74、0.82、0.86。

2）地下連續(xù)墻設(shè)計(jì)厚度選取原則。根據(jù)工程位置、周圍環(huán)境條件、基坑開挖深度，當(dāng)開挖深度在20～25 m時(shí)，采用1 m厚地下連續(xù)墻作為圍護(hù)；當(dāng)開挖深度在25 m以上時(shí)，采用1.2 m厚地下連續(xù)墻作為圍護(hù)。

3）工作井圍護(hù)結(jié)構(gòu)插入比設(shè)計(jì)。工作井地下連續(xù)墻的入土深度主要取決于土層情況和基坑環(huán)境保護(hù)等級(jí)，需要通過基坑的整體穩(wěn)定性、坑底抗隆起穩(wěn)定性計(jì)算確定。根據(jù)目前上海多條隧道工作井的插入比綜合分析，已建盾構(gòu)工作井的深度在20～30 m，采用0.8～1.2 m厚地下連續(xù)墻，基坑坑底多落在⑤1、⑤1-2、⑥層上，基坑等級(jí)為一、二級(jí)，地下連續(xù)墻插入比為0.67～0.88。當(dāng)?shù)貙虞^差和基坑等級(jí)為一級(jí)時(shí)，在基坑設(shè)計(jì)中可以通過坑底和支撐底加固等方法進(jìn)行加強(qiáng)，以減小地層變形和增加穩(wěn)定性。

2.1.3 工作井的構(gòu)造設(shè)計(jì)要求

1）變形縫設(shè)置。在工作井與暗埋段、盾構(gòu)段等結(jié)構(gòu)變化較大處應(yīng)設(shè)置變形縫，需要在接口處由密至疏設(shè)置變形縫，其位置宜設(shè)置在工作井地下連續(xù)墻外側(cè)0.5～1 m處；盾構(gòu)進(jìn)出洞加固區(qū)與常規(guī)區(qū)域等處地基變化較大，也需要相應(yīng)的設(shè)置變形縫。

2）施工縫設(shè)置。工作井與盾構(gòu)段、暗埋段的結(jié)構(gòu)形式變化較大，施工縫位置和間距應(yīng)綜合考慮結(jié)構(gòu)形式、受力要求、施工方法、氣象條件等因素來確定。工作井框架、圍檁在圍護(hù)階段先行實(shí)施，內(nèi)襯后施工，兩者之間結(jié)合面較難處理，是常見的漏點(diǎn)；因此，需要在設(shè)計(jì)中考慮預(yù)留全斷面注漿管等類似措施，以便今后堵漏。在變形縫、施工縫處應(yīng)采取有效防水措施，其施工縫防水設(shè)置如圖1所示，在施工縫中宜預(yù)留注漿管，以便在今后出現(xiàn)滲漏時(shí)進(jìn)行注漿堵漏。

圖1 工作井施工縫防水示意圖Fig.1 Waterproofing measures for construction joints of working shaft

3）后澆板混凝土結(jié)構(gòu)防滲漏水技術(shù)處理措施。工作井后澆板易在角部形成斜裂縫，這主要是由于工作井框架以及先期澆筑的板整體剛度較大，后澆板混凝土結(jié)構(gòu)存在固結(jié)收縮，易在角部產(chǎn)生斜裂縫而出現(xiàn)滲漏水?？赏ㄟ^以下技術(shù)處理措施進(jìn)行改進(jìn)：在頂框架與后澆板接縫處預(yù)留企口，既利于頂板抗剪，又可以減少接縫滲漏水現(xiàn)象；頂板采用補(bǔ)償收縮防水混凝土，摻加具有補(bǔ)償收縮功能的微膨脹外加劑，并細(xì)化后澆板微膨脹混凝土的外加劑指標(biāo)，使其基本能達(dá)到膨脹與水化收縮的平衡。

2.2 圓隧道橫斷面設(shè)計(jì)

2.2.1 單雙層橫斷面設(shè)計(jì)選擇

隧道橫斷面設(shè)計(jì)包括隧道平面、橫斷面和縱斷面建筑設(shè)計(jì)，主要與建筑限界、設(shè)備安裝和疏散要求等有關(guān)。其中，建筑限界是橫斷面設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，它取決于車道數(shù)、通行車輛類型和設(shè)計(jì)行車速度。上海已建成的盾構(gòu)越江道路隧道有4種直徑（11.36、13.95、14.5、15.0 m），其代表性的圓隧道橫斷面設(shè)計(jì)如圖2所示。綜合分析越江道路隧道規(guī)模及橫斷面布置，雙向4車道推薦斷面為φ14.5 m雙層斷面，或2×φ11.36 m圓隧道單層斷面；當(dāng)規(guī)模為雙向6車道時(shí)，推薦斷面為φ14.5 m單層斷面。

2.2.2 雙層隧道設(shè)計(jì)關(guān)鍵

1）當(dāng)雙層隧道各層車道正常運(yùn)營時(shí)，車行功能各自獨(dú)立；當(dāng)發(fā)生事故火災(zāi)時(shí)，互相疏散，互為備用。2）雙層隧道由于空間限制，車道常選用小型車甚至突破小型車的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，因此，需充分考慮車道高度、寬度對(duì)救援車輛的限高要求。3）當(dāng)雙層隧道空間較低時(shí)，內(nèi)部空間設(shè)計(jì)需充分考慮較低空間的視覺效果，與照明配合，以避免眩光。4）隧道空間極其緊張，宜通過管線綜合設(shè)計(jì)，合理安排設(shè)備與管線，管線可以共享，宜在其中一層設(shè)置專用電纜管線通道，將干管、與防災(zāi)救援相關(guān)的應(yīng)急管線至于其中，以減少意外損壞。

2.3 圓隧道設(shè)計(jì)參數(shù)控制

2.3.1 最小曲線半徑選擇

圓隧道段所能采用的最小曲線半徑取決于隧道的直徑、盾殼內(nèi)藏管片的長度、盾構(gòu)車架的長度以及其內(nèi)部的走行系統(tǒng)等，最小曲線半徑與隧道外徑關(guān)系如圖3所示。盾構(gòu)的選型要與工程條件相匹配，一般情況下最小平曲線半徑為45～80D（D為隧道外徑），在對(duì)盾構(gòu)設(shè)備的適應(yīng)能力進(jìn)行核實(shí)后可減小最小曲線半徑。如打浦路隧道復(fù)線工程最小平曲線半徑為380 m，僅為35D，是目前國內(nèi)外同規(guī)格盾構(gòu)隧道中最小的，該工程在小半徑曲線段采用了1.5 m環(huán)寬的常規(guī)管片與0.75 m的小環(huán)寬管片組合的模式擬合曲線，在施工過程中，未出現(xiàn)異常，結(jié)構(gòu)使用狀況良好。

2.3.2 隧道縱坡設(shè)計(jì)

隧道縱坡設(shè)計(jì)的主要控制因素在于滿足道路車輛通行要求外，還應(yīng)滿足盾構(gòu)動(dòng)力系統(tǒng)以及配套設(shè)備系統(tǒng)的要求。在已建隧道中，復(fù)興東路隧道的縱坡最大，達(dá)到5.59%，人民路隧道的最大縱坡為5%（見圖4）。

2.3.3 盾構(gòu)隧道間的最小距離

為了降低對(duì)先推進(jìn)盾構(gòu)隧道的影響，2條隧道間需保留一定的安全距離，最小距離一般為0.5～0.6D（D為隧道外徑）（見圖5）。若間距過小，需采取工程措施。

圖2 已建越江道路隧道斷面圖（單位：mm）Fig.2 Cross-sections of river-crossing road tunnels built in Shanghai（mm）

圖3 最小曲線半徑與隧道外徑關(guān)系圖Fig.3 Correlation between minimum curve radius and outer diameter of tunnel

2.3.4 隧道最小覆土厚度

盾構(gòu)最小覆土厚度與工程地質(zhì)、周邊環(huán)境有關(guān)，覆土厚度越小，對(duì)地面的影響越大［5］。為了減少明挖段的長度及深度、節(jié)約工程投資，在工程條件允許的情況下，盡量采用較小的覆土厚度，盾構(gòu)的最小覆土厚度一般取在0.53～0.70D。

2.4 盾構(gòu)隧道防水設(shè)計(jì)

盾構(gòu)隧道以混凝土自防水為根本，接縫防水為重點(diǎn)［6］，滿足結(jié)構(gòu)防水和使用壽命要求。上海已建隧道防水形式如表1所示。

2.4.1 彈性橡膠密封墊的設(shè)置

盾構(gòu)法隧道襯砌接縫的主要防水措施是彈性橡膠密封墊的設(shè)置，橡膠的材質(zhì)有多種類型，三元乙丙橡膠具備力學(xué)性能受溫差變化影響較小、應(yīng)力松弛相對(duì)其他橡膠而言變化較小的特點(diǎn)，十分適合作為彈性橡膠密封墊的材質(zhì)［7］。另根據(jù)試驗(yàn)檢測結(jié)果，彈性橡膠密封墊頂部嵌入的水膨脹橡膠所產(chǎn)生的膨脹止水功效不明顯，且通過調(diào)研了解到國內(nèi)水膨脹橡膠的產(chǎn)品質(zhì)量良莠不齊，不利于應(yīng)用到彈性橡膠密封墊的斷面構(gòu)造中。因此，采用單一的三元乙丙橡膠作為密封墊標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)材質(zhì)的要求是合理且必需的。

圖4 人民路隧道縱斷面圖Fig.4 Longitudinal profile of Renminlu river-crossing shield-bored tunnel

圖5 隧道間最小水平凈距與隧道外徑關(guān)系分布圖Fig.5 Correlation between minimum clear distance between two parallel shield-bored tunnels and outer diameter of tunnel

2.4.2 防砂條的設(shè)計(jì)

防砂條的設(shè)計(jì)理念由國外的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)得來，設(shè)計(jì)防砂條的目的在于：因其設(shè)置于彈性橡膠密封墊的外側(cè)，可阻擋泥砂直接作用于密封墊本體，確保密封墊的耐久性使用要求，同時(shí)可起到輔助防水的功效。而遇水膨脹類材料能較好地滿足上述要求。另從試驗(yàn)數(shù)據(jù)及現(xiàn)場使用效果來看，膨脹類材料遇水后產(chǎn)生的膨脹力未超過管片混凝土的抗壓強(qiáng)度，故對(duì)管片不產(chǎn)生任何影響。因此，將防砂條作為接縫防水密封墊的配套設(shè)計(jì)措施是有益的，可將其作為密封墊標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的附加內(nèi)容。防砂條的材質(zhì)建議采用遇水膨脹類材料。

表1 隧道防水形式統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistics of waterproofing measures of river-crossing shield-bored tunnels built in Shanghai

2.4.3 螺栓孔的防水

采用設(shè)置遇水膨脹橡膠密封圈的方式達(dá)到防水目標(biāo)。

2.4.4 涂刷保護(hù)涂膜防水

隧道管片是否采用外防水涂層，需根據(jù)隧道所處地質(zhì)條件決定。涂刷保護(hù)涂膜可有效降低混凝土的滲透系數(shù)與氯離子擴(kuò)散系數(shù)，通?？梢允褂铆h(huán)氧瀝青、環(huán)氧-聚氨酯、環(huán)氧-氯磺化聚乙烯涂料，或者水泥基滲透結(jié)晶型防水涂料。

2.4.5 管片外注漿防水

管片外注漿可以分為同步注漿、二次注漿，漿液可分為單液漿液和水玻璃雙液型漿液。同步注漿就是在隧道內(nèi)將具有適當(dāng)?shù)脑缙诩白罱K強(qiáng)度的材料，按規(guī)定的注漿壓力和注漿量，在盾構(gòu)推進(jìn)的同時(shí)，通過注漿管注入盾尾與管片間空隙內(nèi)?？梢宰鳛橐r砌防水的第1道防線，提供長期、均質(zhì)和穩(wěn)定的防水功能，同時(shí)，作為隧道襯砌結(jié)構(gòu)加強(qiáng)層，具有耐久性和一定強(qiáng)度。同步注漿主要技術(shù)參數(shù)有注漿量、注漿速度、注漿壓力和注漿材料。應(yīng)根據(jù)地層條件、隧道線路情況認(rèn)真選擇注漿方式和漿液。

3 盾構(gòu)法越江道路隧道施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 盾構(gòu)選型及開挖面平衡技術(shù)

3.1.1 盾構(gòu)選型

在上海建成隧道中，除穿越吳淞江的外灘隧道采用土壓平衡盾構(gòu)以外，其余皆采用了泥水平衡盾構(gòu)（見圖6）。泥水平衡盾構(gòu)通過泥水以及氣壓平衡切削面壓力，控制靈敏度高，能減少對(duì)土層的擾動(dòng)，但其泥水系統(tǒng)對(duì)場地的要求較高，同時(shí)，盾構(gòu)擾動(dòng)土體受泥水系統(tǒng)的擾動(dòng)存在較大的固結(jié)變形，后期土體的變形較大。土壓平衡盾構(gòu)在切削面的壓力控制靈敏度上相對(duì)較差，但其擾動(dòng)土體后期變形相對(duì)較小，同時(shí)，對(duì)場地要求較小，對(duì)環(huán)境的影響小。通過外灘通道的工程實(shí)踐可知，土壓平衡盾構(gòu)在市區(qū)實(shí)施具有一定的優(yōu)越性。由于盾構(gòu)種類的不同，其穩(wěn)定切削面的機(jī)制也有所不同。

圖6 泥水平衡盾構(gòu)示意圖Fig.6 Schematic diagram of slurry shield

3.1.2 土壓平衡盾構(gòu)開挖面

為了保持土壓平衡盾構(gòu)在推進(jìn)過程中的切削面穩(wěn)定，可通過控制螺旋輸送機(jī)的排土量、調(diào)節(jié)盾構(gòu)千斤頂?shù)耐七M(jìn)速度和螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速這2種方法來實(shí)現(xiàn)［8］。土壓平衡盾構(gòu)切削面穩(wěn)定的必要條件為：1）泥土壓力需平衡切削面上的土壓力和水壓力；2）利用螺旋輸送機(jī)等排土機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)排土量；3）對(duì)需混入添加材的土質(zhì)而言，注入的添加材必須可使泥土的流塑性和抗?jié)B性提高到滿足切削穩(wěn)定的要求。

3.1.3 泥水平衡盾構(gòu)開挖面

泥水平衡盾構(gòu)是通過泥水艙內(nèi)的泥水壓力在切削面處形成泥膜或滲透區(qū)域來穩(wěn)定切削面，一般情況下所設(shè)定的泥水壓力要比作用在切削面上的泥水壓力略高（20～50 kN/m2）。在掘進(jìn)管理中，泥水的品質(zhì)、泥水壓力以及切削土量的管理很重要。

3.2 盾構(gòu)進(jìn)出洞施工

3.2.1 洞門預(yù)埋鋼環(huán)

圓形隧道與盾構(gòu)工作井接口為后澆環(huán)形鋼筋混凝土井圈。為保證圓隧道結(jié)構(gòu)與工作井結(jié)構(gòu)的可靠連接，需在盾構(gòu)工作井的洞門處預(yù)埋環(huán)形鋼板。為保證盾構(gòu)進(jìn)出洞在打開洞門時(shí)水土盡量少流失，預(yù)埋環(huán)形鋼板的直徑一般比盾構(gòu)的外徑大500 mm左右；另外，在盾構(gòu)出洞前，還需通過預(yù)埋環(huán)形鋼板上預(yù)留的螺栓孔安裝鉸鏈板、簾布橡膠板等出洞防水裝置（見圖7）。

圖7 大直徑盾構(gòu)洞圈防水構(gòu)造圖Fig.7 Waterproofing measures taken for shield launching

3.2.2 進(jìn)出洞土體加固

在盾構(gòu)進(jìn)出洞時(shí)，洞門處地層較軟弱，需進(jìn)行端頭加固，地基加固范圍一般為洞口外周圍D/2，加固長度為洞口外1D；對(duì)于含砂地層考慮適當(dāng)加大地基加固的長度和深度，且預(yù)設(shè)降水井。經(jīng)加固后的土體要有良好的自立性、密封性及均勻性，其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu≥0.8～1.0 MPa，土體滲透系數(shù)K≤1×10-7cm/s。同時(shí)，由于加固區(qū)與非加固區(qū)土體軟硬程度不同，為避免工作井、加固區(qū)與非加固區(qū)間的不均勻沉降，宜在其間設(shè)置變形縫。上海大直徑盾構(gòu)隧道進(jìn)出洞加固主要采用深層攪拌樁結(jié)合深井降水，部分隧道盾構(gòu)進(jìn)出洞加固采用了冰凍法，加固效果均滿足要求。

3.2.3 井接頭施工設(shè)計(jì)

圓形隧道與盾構(gòu)工作井接口為后澆環(huán)形鋼筋混凝土井圈。為保證圓隧道結(jié)構(gòu)與工作井結(jié)構(gòu)的可靠連接，需在洞門處預(yù)埋連接鋼環(huán)，并在洞門混凝土管片環(huán)面預(yù)埋鋼板，以便后澆環(huán)形井圈，使整個(gè)結(jié)構(gòu)形成一個(gè)整體。

3.4 監(jiān)控量測

3.4.1 觀測點(diǎn)設(shè)置

線路縱向地表沉降觀測點(diǎn)應(yīng)沿線路中線按3～5環(huán)間距布設(shè)；橫向地表沉降觀測斷面一般設(shè)置50 m間距，應(yīng)按盾構(gòu)掘進(jìn)沿線環(huán)境保護(hù)要求重點(diǎn)設(shè)置，觀測范圍一般不小于中線兩側(cè)10 m（大于隧道底埋深），測點(diǎn)間距2～5 m。

3.4.2 監(jiān)測頻率

盾構(gòu)切口前20 m至盾尾脫出后30 m，2次/d；當(dāng)掘進(jìn)面前后小于50 m時(shí)，1次/2 d；當(dāng)盾尾脫出30 m后，當(dāng)變形速率大于5 mm/d時(shí)，不少于2次/d；當(dāng)變形速率在1～5 mm/d時(shí)，不少于1次/d；當(dāng)變形速率在0.5～1 mm/d時(shí)，每2 d監(jiān)測1次；當(dāng)變形速率小于0.5 mm/d時(shí)，每周1次或更長。

3.4.3 變形觀測

當(dāng)盾構(gòu)穿越地面建筑物、地鐵隧道、鐵路、橋梁、防汛墻、地下管線等重要構(gòu)筑物時(shí)，除應(yīng)對(duì)穿越體進(jìn)行觀測外，還應(yīng)增加對(duì)其周圍土體的變形觀測。

4 盾構(gòu)法越江道路隧道防火與通風(fēng)技術(shù)

4.1 隧道防火技術(shù)

4.1.1 隧道內(nèi)防火內(nèi)襯

隧道車道內(nèi)防火內(nèi)襯設(shè)計(jì)關(guān)系到防災(zāi)能力，除滿足相關(guān)技術(shù)要求外，還應(yīng)滿足以下要求：1）在防火內(nèi)襯安裝之前，必須先把照明燈具、揚(yáng)聲器、電纜等設(shè)備的安裝腳頭或支架安裝好，待防火內(nèi)襯安裝后，再做設(shè)備安裝，并注意對(duì)防火內(nèi)襯的保護(hù)，以確保防火效果；2）防火內(nèi)襯安裝應(yīng)不對(duì)結(jié)構(gòu)體安全產(chǎn)生影響，并不影響建筑限界和設(shè)備安裝空間；3）對(duì)隧道頂部影響逃生、救援安全的露明設(shè)備管線，防火內(nèi)襯需設(shè)置保護(hù)構(gòu)造（需要保護(hù)的內(nèi)容包括應(yīng)急照明電纜、風(fēng)機(jī)電纜、防災(zāi)通信電纜等），根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行保護(hù)；4）防火內(nèi)襯要求使用年限為25年（即在隧道環(huán)境中使用25年，不產(chǎn)生結(jié)鹵、粉化、撓曲、返潮、開裂，確保防火效果）。上海道路越江隧道（單層）防火內(nèi)襯布置如圖8所示。

圖8 單層圓隧道防火內(nèi)襯示意圖Fig.8 Fire-resistant lining of shield-bored tunnel

4.1.2 問題與改進(jìn)

4.1.2.1 防火涂料

防火涂料施工工序靈活，可以先附設(shè)管線后噴涂，也可先噴涂后附設(shè)管線，施工工期長。防火涂料有較好的透水性，容易發(fā)現(xiàn)漏點(diǎn)，并能及時(shí)處理，但存在脫落現(xiàn)象，應(yīng)進(jìn)行如下改進(jìn)：1）在盾構(gòu)法隧道段，變形縫間距1.5～2.0 m，變形縫過密，而矩形隧道的變形縫間距較大（20～60 m），因此，防火涂料產(chǎn)品適用于矩形隧道，變形縫處一般需要設(shè)置引滲漏水措施，防火涂料在此處也是相應(yīng)斷開的；2）在防火涂料設(shè)計(jì)施工中，關(guān)鍵是厚型涂料需采取中間拉結(jié)措施，以保持涂料整體性，并采用效果良好的基面處理方法，以保證涂料與結(jié)構(gòu)體可靠粘結(jié)。

4.1.2.2 防火板

防火板施工簡便、工期短。防火板用膨脹螺栓固定在結(jié)構(gòu)上，安裝構(gòu)造比較牢靠，但滲漏點(diǎn)不易發(fā)現(xiàn)，應(yīng)進(jìn)行如下改進(jìn)：1）在防火板施工之前，必須完成堵漏或引水措施；2）防火板顏色層可以噴涂與板材性質(zhì)接近的涂料層（如無機(jī)不燃的深色涂料），應(yīng)在出廠前噴涂完成，現(xiàn)場對(duì)板縫處進(jìn)行補(bǔ)涂；3）在結(jié)構(gòu)變形縫處，一般采用防火板直接鋪貼的方式，裝修不做特殊處理。外灘隧道、人民路隧道矩形隧道段的變形縫多有滲漏，對(duì)防火板的耐久性不利；因此，裝修增加了一個(gè)U型不銹鋼排水槽引流，以便于發(fā)現(xiàn)漏點(diǎn)、保護(hù)板材。

4.2 通風(fēng)地面設(shè)施

4.2.1 風(fēng)塔（亭）設(shè)計(jì)

隧道的通風(fēng)地面設(shè)施包括高風(fēng)塔、低風(fēng)亭、敞開（半敞開）風(fēng)口等。隧道設(shè)置低風(fēng)亭、敞開（半敞開）風(fēng)口，需要地面道路有較好的條件，設(shè)置寬度一般不小于3 m的綠化帶，且設(shè)置低風(fēng)亭的區(qū)域周圍沒有敏感建筑，污染物擴(kuò)散結(jié)果可達(dá)到環(huán)保要求。低風(fēng)亭、風(fēng)口對(duì)景觀影響少，是一種很好的設(shè)計(jì)方案。上海越江道路隧道風(fēng)塔、風(fēng)亭設(shè)計(jì)進(jìn)行了多種方式的嘗試（單建、合建與改建），其風(fēng)塔建設(shè)形式見表2。

表2 風(fēng)塔形式一覽表Table 2 Statistics of ventilation towers of river-crossing shield-bored tunnels built in Shanghai

4.2.2 問題與改進(jìn)措施

1）某隧道風(fēng)塔由于現(xiàn)場條件的限制，出風(fēng)口面積較小，且風(fēng)口扁長，因此，在調(diào)試時(shí)出風(fēng)不暢，當(dāng)一臺(tái)風(fēng)機(jī)啟動(dòng)后，另一臺(tái)風(fēng)機(jī)需增加軟起動(dòng)功率。

2）在敞開直排式風(fēng)塔正下方，一般均設(shè)置集水坑和雨水溝，但仍會(huì)有雨飄入機(jī)房內(nèi)部，因此，風(fēng)機(jī)房需增加排水溝與整個(gè)排水系統(tǒng)連通。

3）采用路中綠化帶敞口低風(fēng)井設(shè)計(jì)的隧道，由于排風(fēng)井較長，標(biāo)高宜按地面道路標(biāo)高控制。帶獨(dú)立風(fēng)道的低風(fēng)井如果不設(shè)頂棚，應(yīng)考慮設(shè)置獨(dú)立排水設(shè)施，排水設(shè)施建議不直接排到路面，而是另外設(shè)置，以避免雨量過大時(shí)對(duì)路面影響過大。

5 結(jié)論與建議

1）盾構(gòu)法越江道路隧道建設(shè)應(yīng)在滿足交通功能需求的基礎(chǔ)上，確保設(shè)施運(yùn)營及建設(shè)安全，充分體現(xiàn)方案的經(jīng)濟(jì)合理性，盡可能采取集約化設(shè)計(jì)，建造環(huán)境友好型交通設(shè)施。

2）盾構(gòu)工作井建設(shè)必須充分考慮工程水文地質(zhì)條件、周邊環(huán)境、設(shè)備選型及施工技術(shù)水平，合理確定工程規(guī)模和圍護(hù)結(jié)構(gòu)，細(xì)部構(gòu)造精細(xì)化設(shè)計(jì)，以防止?jié)B漏水病害的發(fā)生。

3）建筑限界是橫斷面設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，它取決于車道數(shù)、通行車輛類型和設(shè)計(jì)行車速度。綜合分析越江道路隧道規(guī)模及橫斷面布置，雙向4車道推薦斷面為φ14.5 m雙層斷面，或2×φ11.36 m圓隧道單層斷面；當(dāng)規(guī)模為雙向6車道時(shí)，推薦斷面為φ14.5 m單層斷面。

4）盾構(gòu)隧道最小曲線半徑取決于隧道的直徑及盾構(gòu)選型，一般情況下，最小平曲線半徑為45～80D （D為隧道外徑）；最大縱坡應(yīng)滿足盾構(gòu)動(dòng)力系統(tǒng)以及配套設(shè)備系統(tǒng)的要求，宜小于5.6%；最小覆土厚度一般取0.53～0.70D。

5）應(yīng)重視盾構(gòu)進(jìn)出洞的高風(fēng)險(xiǎn)，做好盾尾同步注漿與二次注漿，以控制地表沉降，嚴(yán)格要求管片制作質(zhì)量及防水措施的實(shí)施，做好監(jiān)控量測，實(shí)行信息化施工，確保工程建設(shè)安全，并有效減少運(yùn)營期病害。

6）消防及通風(fēng)排煙設(shè)施是保持隧道安全運(yùn)營的重要設(shè)施，應(yīng)確保其施工質(zhì)量。風(fēng)塔（亭）的設(shè)計(jì)應(yīng)因地制宜，盡量與其他建筑合建，以融入環(huán)境，減少用地。

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Key Construction Technologies for River-crossing Shield-bored Road Tunnels

LIU Yanbin
（Shanghai SMI Highway（Group）Co.，Ltd.，Shanghai 200335，China）

In the paper，the river-crossing shield-bored large-diameter road tunnels built in Shanghai are summarized and analyzed.It is proposed that the function and safety of the river-crossing shield-bored road tunnels must be ensured in the construction of these tunnels.Furthermore，the type selection and design parameters of the working shafts and the circular tunnels and the waterproofing technology for the shield-bored tunnels are proposed.The shield type selection technology，excavation face balance technology，backfilling grouting technology，shield launching/arriving technology and monitoring technology are presented.The waterproofing technology，fire-resistant lining technology and the technology of integrating the ventilation towers into other buildings are analyzed.

large diameter shield；river-crossing tunnel；design and construction technology

10.3973/j.issn.1672-741X.2015.11.001

U 455.46

A

1672-741X（2015）11-1113-08

2015-08-05；

2015-11-09

劉艷濱（1965—），男，山東利津人，1985年畢業(yè)于石家莊鐵道學(xué)院，橋隧工程專業(yè)，本科，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事高架道路、隧道與地下工程建設(shè)的技術(shù)管理工作。