白廷輝

(上海申通地鐵集團有限公司，上海 200031)

上海地鐵工程設計施工新技術

白廷輝

(上海申通地鐵集團有限公司，上海 200031)

上海地鐵新五線工程建設具有難度大、風險高和工期緊的特點，與運營交叉項目多，建設的邊界條件極為苛刻。通過上海地鐵車站深基坑工程、盾構穿越工程及換乘通道和出入口工程實踐案例，闡述上海地鐵解決工程難題和挑戰(zhàn)的具體做法和成功經(jīng)驗，推廣“建設為運營服務”的建設管理理念。

上海地鐵；深基坑；盾構穿越；換乘通道

1 概述

1.1 上海地鐵建設規(guī)模

經(jīng)過20多年的建設，至2013年初，上海地鐵已初步形成地鐵運營的骨干網(wǎng)絡，運營地鐵里程439 km、磁懸浮30 km；2013年新增地鐵100 km；至2015年，上海地鐵運營里程將達到569 km；計劃到2020年，上海地鐵將形成800 km規(guī)模的地鐵運營網(wǎng)絡。在2020年之前，集中、高密度、高強度的建設任務仍是上海地鐵建設長期面臨的難題。

2010年世博會之后開展的上海地鐵新五線工程建設，同期建設80個車站(其中23個與運營交叉)、150 km盾構法隧道、61個聯(lián)絡通道及22個盾構穿越地鐵節(jié)點。目前還有23個車站在建(其中12個車站與運營交叉)，大部分車站的土建結構已經(jīng)完成，還有19個盾構區(qū)間和11個盾構穿越地鐵節(jié)點有待完成。除已經(jīng)完成的金沙江路站換乘通道外，還有6個換乘通道項目未實施。待完成的工程項目集中在城市中心區(qū)域，實施難度大、風險高、工期緊，與運營交叉項目多，建設的邊界條件苛刻，是當前上海地鐵建設迫切需要解決的難題。

1.2 上海地鐵建設的挑戰(zhàn)和難題

由于在既有地鐵運營骨干網(wǎng)絡的基礎上建設，上海地鐵新建項目的線路埋深越來越大。漢中路樞紐站的埋深達33.1 m，13號線淮海路站的埋深達32.7 m，12號線利津路站—復興島站最深覆土達36 m。

隨著更深的車站和區(qū)間的設計，工程實施的巖土工程地質發(fā)生了本質的變化。地下車站基坑工程除了軟黏土的變形控制問題，⑤2、⑦層等承壓水降壓及環(huán)境影響控制問題也十分突出[1-2]。超深覆土對盾構區(qū)間施工帶來了裝備能力不足的問題，盾構機的推力、扭矩等配置均需要在原設計基礎上提高。

而且，上海各管理層越來越重視地鐵施工對環(huán)境的影響問題，地鐵工程的參建方也竭盡全力減少工程建設對環(huán)境的影響。但是，在城市中心區(qū)域施工，必然會發(fā)生工程與居民房屋、建構筑物和市政工程交叉的現(xiàn)實困難。如13號線淮海路車站(見圖1)，周邊有20世紀90年代初建設投運的地鐵1號線的正線隧道、卜齡公寓、市重點中學向明中學等需保護建筑。再加上基坑開挖深度達32.7 m，受⑤2、⑦層等承壓水的影響，工程實施難度極大。

圖1 13號線淮海路車站周邊環(huán)境Fig.1 Surrounding environment of Huaihailu Station of Line 13 of Shanghai Metro

相對于保護建構筑物對環(huán)境的影響問題，地鐵在建工程對運營項目的保護問題更為困難，運營許可的結構位移按mm計算[3]。如12號線龍漕路車站(見圖2)，地鐵3號線高架區(qū)間的2個橋墩緊鄰基坑。如果沒有可靠的保護措施，基坑開挖將釋放橋墩單側土壓，可能導致橋墩發(fā)生過大位移，影響到3號線的運營安全;而且，眾多高難度、高風險的盾構穿越運營隧道分布于上海地鐵各個在建項目，點多面廣的風險項目管理給建設單位帶來全新的挑戰(zhàn)。

圖2 12號線龍漕路車站周邊環(huán)境Fig.2 Surrounding environment of Longcaolu Station of Line 12 of Shanghai Metro

1.3 應對建設難題的技術路線

隨著地鐵工程建設的深入和運營維護經(jīng)驗的不斷積累，上海地鐵工程建設的重心從追求建設速度逐步轉變?yōu)樽非蠊こ藤|量。在新五線的建設中，如何以更好的工程質量交付運營，來緩解運營的壓力，減少運營期的維護工程量，體現(xiàn)地鐵工程百年大計的建設要求，已成為地鐵建設的核心需求和動力。

為從源頭上解決工程建設和風險控制的難題，上海地鐵開展了新五線工程風險的研究和評估工作，建立了客觀的工程風險評估指標，對單項工程的風險從水文地質條件、環(huán)境制約條件和工程實施工況條件等方面開展了細化的評估工作。根據(jù)工程風險評估結果，結合施工圖設計審圖和工程風險過程管理(遠程監(jiān)控工作)，將工程風險防控措施細化落實。

同時，根據(jù)車站主體基坑工程、盾構隧道工程和換乘通道及附屬工程的不同特點，在裝備、設計、施工、監(jiān)測和管理等多方面采取系統(tǒng)措施，化解工程建設風險，提高工程建設質量。在上述措施的綜合作用下，從2010年開始的新五線工程的預報警情次數(shù)遠低于世博會前的建設高峰預報警次數(shù)(如圖3所示)，呈逐年遞減趨勢，2012年預報警數(shù)量僅有13次。

圖3 2007—2012年預報警年度比較Fig.3 Statistics of alarms from 2007 to 2012

2 上海地鐵車站深基坑工程

2.1 上海地鐵車站深基坑工程特點

新五線的80個車站工程中有68座地下車站，車站深基坑工程的開挖深度普遍超過了20 m，屬于超深基坑。除了上部③、④層受軟黏土影響外，還受⑤2、⑦層等承壓水含水層的影響；而且，金沙江路沿線的13號線1期工程②3層埋藏淺且深厚，工程的安全、環(huán)境的保護均需要圍繞水文地質條件開展。

新五線有漢中路站和南京西路站2個3線換乘樞紐，還有2線換乘的龍華站，以及眾多與運營項目交叉的2線換乘車站和與周邊地塊開發(fā)相結合的車站深基坑工程；再加上建構筑物的保護、道路的翻交和管線的遷改，使得工程難度大、風險高、工序多、工藝復雜、相互交叉影響頻繁，協(xié)調(diào)的工作量極大。

與運營項目交叉的車站工程，除了對結構變形的運營保護要求外，還需要從運營需求出發(fā)，合理籌劃施工工藝流程，杜絕在施工過程中產(chǎn)生的廢水、廢氣、粉塵和噪聲等干擾。

2.2 地鐵車站深基坑施工新技術與實踐

針對新五線地鐵車站風險問題，上海地鐵結合環(huán)境保護、運營保護和工程質量的需求，嚴抓工程風險控制源頭，實踐中應用新技術、新裝備、新工藝和新材料的“四新”技術，在設計、裝備、施工和監(jiān)測等方面采取了以下措施。

2.2.1 設計措施

承壓水降壓不僅關系到工程的成敗，而且是影響施工環(huán)境的主要因素。通過加深地下連續(xù)墻的深度，增加地下水擾流路徑及隔斷地下水等措施來解決車站深基坑建設過程中的承壓水。上海地鐵11號線北段2期交通大學站，地下連續(xù)墻深度由43 m加深至52 m，通過增加擾流路徑來解決車站建設過程中的承壓水問題。上海地鐵13號線長壽路站地質剖面如圖4所示。通過設計措施將地下連續(xù)墻由33 m加深至39 m，隔斷⑦層來解決施工過程中承壓水對周邊環(huán)境的影響問題，且在工程實踐中取得了良好的應用效果。

2.2.2 裝備措施

圍護結構的質量是風險地層中基坑工程成敗的首要保障。通過引入先進的連續(xù)墻成槽工藝，采用銑槽機進行連續(xù)墻施工，有效地解決了深基坑建設過程中地下連續(xù)墻垂直度難以控制、施工效率低且對周邊建筑影響等問題。以13號線淮海路站地下連續(xù)墻施工為例，在地層⑦2以上采用成槽機(見圖5)抓土，⑦2層開始采用銑槽機(見圖6)，連續(xù)墻最深達到73 m。

2.2.3 施工措施

2.2.3.1 地下水就地回灌技術

地鐵、基坑工程建設引起的地表沉降事故在各大城市屢屢發(fā)生，已成為影響城市地面沉降的主要因素。由于上海地鐵車站在建設過程中有承壓水的存在，采用傳統(tǒng)的抽降承壓水必然造成地面沉降。

圖4 上海地鐵13號線長壽路站地質剖面圖Fig.4 Geological profile of Changshoulu Station of line 13 of Shanghai Metro

圖5抓斗成槽機
Fig.5 Diaphragm wall trench cutting machine with grab bucket

上海地鐵13號線漢中路車站位于市中心，是上海目前在建規(guī)模最大的換乘樞紐車站，地鐵1號線、12號線和13號線在此接軌換乘。該車站也是目前上海開挖深度最深的地鐵車站，車站基坑深達33.1 m(如圖7所示)。同時該車站地處蘇州河以北，黃浦江以西，⑦2、⑧2層與⑨層土存在水力聯(lián)系，抽水最大降深達11.36 m，無法進行隔斷，漢中路車站地質剖面如圖8所示。

圖6雙輪銑槽機
Fig.6 Diaphragm wall trench cutting machine with twin cutters

因此，漢中路站首次在地鐵基坑中應用“地下水就地回灌技術”，即將基坑內(nèi)開采的地下承壓水通過處理后，再回灌到坑外原地層，以減少承壓水降壓對環(huán)境的影響，如圖9所示。降壓回灌運行期間總抽水量達38 385.6 m3，總回灌量達16 130.4 m3，占抽水總量的42%，完全達到了沉降防控的設計標準，也確保了工程周邊重點保護對象“水位零降落，地面零沉降”?；毓?個月期間，漢中路樞紐站附近高層建筑最大沉降<1 mm，水頭下降<0.5 m，如圖10所示。

圖7 漢中路車站建筑平面圖Fig.7 Plan layout of Hanzhonglu Station

圖8 漢中路車站地質剖面圖Fig.8 Geological profile of Hanzhonglu Station

圖9 抽灌一體化施工示意圖Fig.9 Integration of water pumping and water backfilling

2.2.3.2 伺服型支撐體系

漢中路站首次在地鐵車站基坑工程中應用了伺服型支撐體系[4]，通過計算機的自動控制，實現(xiàn)了支撐預應力的自動補償，有效地控制了基坑變形。

圖10 2012年金峰大廈沉降(距離降壓井約80 m)Fig.10 Settlement of Jinfeng Mansion 80 m away from dewatering well in 2012

2.2.4 自動化監(jiān)測措施

漢中路站還應用了電水平、房屋傾斜、土體測斜等自動化監(jiān)測措施。通過自動化監(jiān)測措施對圍護結構、土體變形、周圍環(huán)境進行24 h連續(xù)監(jiān)控，實現(xiàn)現(xiàn)場責任人、工地領導以及專家能夠“零距離、零時間”掌握工程情況，使工程處于可控狀態(tài)，同時也降低了監(jiān)測人員的勞動強度，確保了監(jiān)測對象時刻受控。

3 盾構穿越施工

3.1 盾構穿越工程特點

盾構穿越工程是盾構推進施工難度最大的工程，其種類也很多，有地鐵隧道間的相互穿越，也有地鐵和電力隧道、大直徑的雨污水管線及越江隧道間的相互穿越，其中以穿越運營隧道尤為困難。而上海地鐵的盾構穿越工程數(shù)量多，在2010年世博會前后6年中完成了20余次穿越工程，其中新五線的穿越地鐵工程有22次，是世博會之前地鐵穿越工程數(shù)量的總和。密集、高難度的穿越工程是新五線建設中必須面對的挑戰(zhàn)。

目前，新五線已經(jīng)完成11次盾構穿越工程，其中包括新五線難度最大的11號線北段2期徐家匯站—上海體育場站區(qū)間下穿1號線，疊交、上下穿越4號線(國內(nèi)首例上下穿越運營隧道)，工程均順利圓滿地完成，達到了工程變形控制的目標和運營保護的要求。

3.2 盾構穿越施工新技術與實踐

盾構穿越工程是系統(tǒng)性很強的工程，在穿越過程中隧道的荷載隨盾構施工變化，需要根據(jù)地質條件、環(huán)境條件及施工單位的特點，在盾構穿越施工的各個環(huán)節(jié)精細化施工和控制。

以13號線自然博物館站—南京西路站穿越運營的2號線隧道為例，13號線與地鐵2號線間的最小凈距只有1.4 m(見圖11)，2號線隧道處于盾構施工影響程度最大的區(qū)域。為順利實現(xiàn)盾構穿越施工，對穿越段進行了細化分區(qū)及節(jié)點控制(見圖12)，根據(jù)各分區(qū)的實際情況采取了控制措施，如表1所示。

圖11 13號線與2號線位置關系示意圖(單位：m)Fig.11 Relationship between Metro line 13 and Metro line 2 (m)

圖12對盾構穿越段的細化分區(qū)及節(jié)點控制
Fig.12 Details of shield-bored tunnel part crossing underneath existing Metro line

表1 盾構穿越施工控制措施Table 1 Control measures taken for shield tunneling across underneath existing Metro line

通過采取以上措施，使盾構穿越施工期間對周邊建筑物的影響程度降到了最小，運營的地鐵2號線的變形小于5 mm，且2號線隧道沒有沉降，盾構穿越期間的地層損失率小于1‰。

后續(xù)的穿越工程還包括：江寧路站—漢中路站區(qū)間，在全斷面砂性土層2次曲線下穿1號線；淡水路站—淮海路站區(qū)間，進洞前下穿1號線等。其中淡水路站—淮海路站區(qū)間周邊環(huán)境十分復雜(見圖13)，在穿越黃浦區(qū)政府辦公樓時盾構處于切樁狀態(tài)，需要在盾構裝備、加固處理等方面采取專項措施。

4 換乘通道和出入口施工

4.1 換乘通道和出入口工程特點

換乘通道和車站出入口是地鐵工程功能實現(xiàn)的重要組成部分，相對車站主體工程，其受環(huán)境條件、場地條件的制約更普遍，部分工程施工條件極為苛刻；而且，建設與運營項目交叉的換乘通道和出入口必須兼顧運營和建設的需求，需要嚴格控制運營結構的變形和對環(huán)境的影響，工程施工十分困難，個別工程需要采用特殊工法和特殊工藝進行施作。

圖13 淡水路站—淮海路站區(qū)間的施工周邊環(huán)境Fig.13 Surrounding environment of shield-bored tunnel from Danshuilu Station to Huaihailu Station

4.2 頂管法出入口工程實踐

上海地鐵10號線伊犁路站3號出入口下穿城市骨干道路——虹橋路，地下管線眾多，地面車流量大，且緊鄰頂管接收井有一條110 kV的高壓電纜，需進行原位保護。由于受110 kV高壓電纜原位保護的限制，頂管接收井的尺寸極小，內(nèi)徑只有2 m多，達到了工程施作的極限，由此形成頂管多次進洞和大角度斜交進洞的特殊工況。頂管工作井、頂管工程施工時，10號線伊犁路站已經(jīng)運營，工程實施的難度極大[5]。

工程采用了目前國內(nèi)最大的新型土壓平衡矩形頂管機(6.9 m×4.2 m，見圖14)，工作井坑內(nèi)加固和頂管洞門加固采用了對環(huán)境影響最小、加固質量最好的 MJS(Metro Jet System,全方位高壓噴射)工法。在精心施工、有效管理和各方協(xié)作下，10號線伊犁路站3號出入口工程順利按期完成。施工對周邊環(huán)境影響很小，實現(xiàn)了對沿途的電力、信息和雨污合流管的最大保護。

圖14 頂管施工示意圖(單位：mm)Fig.14 Sketch of pipe jacking construction (mm)

4.3 凍結法出入口工程實踐

13號線大渡河路站3號出入口位于大渡河路交通繁忙的位置，不具備翻交施工的條件。出入口上方有合流污水管等大量重要管線，施工環(huán)境較為復雜。其水文地質條件不利，有厚達5 m的②3層砂質粉土，采用常規(guī)的工藝均不能滿足工程施工條件。因此，工程采用水平凍結法施工，在工作井內(nèi)打設水平凍結管，形成凍結帷幕后，采用暗挖法施工形成結構，通過融沉注漿解決工程中的凍融沉降問題。工程最終順利完成，周圍環(huán)境得到了較好的保護。

4.4 明挖法換乘通道工程實踐

明挖法施作地鐵換乘通道工程的工藝已十分成熟，但13號線金沙江路站的明挖法換乘通道卻很特殊。該換乘通道的施工環(huán)境十分復雜，東側緊鄰3號線和4號線高架，西接已經(jīng)完成的13號線金沙江路站主體工程，下有13號線貫通的隧道區(qū)間(見圖15)，除了要保障3號和4號線高架車站的運營安全和貫通隧道的安全外，還需要保護220 kV的高壓電纜，施工難度很大[6]。

圖15 13號線金沙江路“7”字形換乘通道剖面圖Fig.15 Profile of“L”-shaped passenger transfer tunnel of Jinshajianglu Station of line 13 of Shanghai Metro

為減少工程施工對環(huán)境的影響，將換乘通道分成3個小基坑分區(qū)域分別施工，基坑的圍護止水和坑內(nèi)加固均采用了 MJS工法。

為確保高架承臺的安全，在鉆孔灌注樁施工的同時，對高架承臺進行外擴托換保護；而對220 kV高壓電纜通過在其兩側各施工2排MJS擋墻，在管線兩端施作鉆孔灌注樁，形成2個大梁，懸吊保護220 kV電纜。220 kV電纜懸吊保護現(xiàn)場及完成后的“7”字換乘通道如圖16和圖17所示。

圖16 220 kV電纜懸吊保護現(xiàn)場

圖17 完成后的“7”字換乘通道

5 總結和展望

通過轉變建設理念、加強風險管理、依托先進技術以及參建各方的通力協(xié)作，上海地鐵新五線工程通過不斷克服困難、破解難題，取得了可喜的建設成果。9號線南延伸和13號線1期西段在2012年通車，2013年內(nèi)11號線北段2期及花橋段、12號線東段和16號線即將通車運營，上海地鐵建設的工程質量和應對工程風險的能力也得到了顯著提升。

12號線和13號線中心城區(qū)段的建設正全面展開，相比已經(jīng)完成的項目，這些工程的建設難度更大、限制條件更多、風險程度更高。而2020年前，上

海地鐵還有7個新線項目、5個延伸改造項目、150個車站和246 km盾構隧道需要建設，工程建設的難度和風險將進一步增加，上海地鐵建設面臨的挑戰(zhàn)將更為艱巨。

因此，上海地鐵在后續(xù)建設工程中，需要秉承成功經(jīng)驗，進一步貫徹實踐“建設為運營服務”的理念，加大技術裝備投入和培訓力度，提高管理水平和從業(yè)人員素質，應用“TRD工法”(Trench cutting Re-mixing Deep wall method,深層地下水泥土連續(xù)墻工法)等先進技術，堅持精細化設計、精細化施工和精細化管理原則，以優(yōu)質的工程回饋社會。

[1]劉建航,侯學淵.基坑工程手冊[M].北京: 中國建筑工業(yè)出版社,1997.

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[4]張德標,費巍,王成焱,等.應力伺服系統(tǒng)在緊鄰地鐵深基坑鋼支撐軸力監(jiān)測中的應用[J].施工技術,2011(40): 67-69.(ZHANG Debiao,FEI Wei,WANG Chengyan,et al.Application of servo system of axial stress for steel support in deep foundation excavation next to the subway[J].Construction Technology,2011(40): 67-69.(in Chinese))

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NewTechnologiesAppliedinDesignandConstructionofShanghaiMetroWorks

BAI Tinghui
(ShanghaiShentongMetroCo.,Ltd.,Shanghai200031,China)

Problems such as great construction difficulties,high risks,tight construction schedules,numerous existing line crossings and strict surrounding environment requirements are encountered in the construction of the New 5 Lines of Shanghai Metro.Solutions for these problems are presented,with the Metro station deep foundation pits,shield boring across underneath existing Metro lines,and the passenger transfer tunnels and entrance/exist tunnels as example.The concept of“construction serves for the operation”is promoted.

Shanghai Metro; deep foundation pit; shield tunneling; passenger transfer tunnel

2013-07-13;

2013-11-20

白廷輝(1967—)，男，河南商丘人，回族，2000年畢業(yè)于同濟大學，巖土工程專業(yè)，博士，教授級高級工程師，上海申通地鐵集團有限公司副總裁，主要從事地鐵建設與管理工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.01.009

U 45

B

1672-741X(2014)01-0053-07