上海长江隧道试验段工程施工技术

1 前言
上海长江隧桥(崇明越江通道)工程(见图1)南起浦东五号沟,途经长兴岛,向北止于崇明岛东端陈海公路,在南、北港分别采用隧道过江和桥梁过江方案,全长25.5km,道路规划为双向6车道,设计时速为80km。
穿越长江南港的隧道长8.9km,为双向6车道双线隧道。圆隧道采用f15.43m泥水平衡盾构连续掘进,长7.5km;内径为13.7m,外径为15.0m;管片宽2m、厚65cm。
试验段工程位于浦东陆域部分,由1号工作井(盾构始发井)、浦东暗埋段、浦东引道段和接线道路组成(见图2),总长657.83 m,线路纵坡2.9%。
                                                图1  工程位置图

                                    图2  试验段工程平面布置图

    2 地质情况
根据上海市隧道工程轨道交通设计研究院提供的详勘报告,②2~③2为粉性土层或夹较多薄层粉砂,渗透性强,在一定的动水条件下易产生流砂、管涌等不良地质现象;在7°地震作用下为轻微液化土层。③1和④1层为灰色淤泥质软土,厚度较大,属高灵敏度软土,易产生触变及蠕变。
本场地的地下水类型主要为潜水和承压水两种。根据邻近工程的水质分析结果,潜水赋存于⑤2粘质粉土层以上的土层中,其中②2、②3、③2层为主要含潜水层,其渗透性强,在一定的动水条件下,易产生流砂、管涌等不良地质现象。埋藏于⑤2粘质粉土层、⑦1-2层灰色砂质粉土层中的地下水具有承压性,由勘察报告提供,⑦2层的承压水水头埋深为10.33 m(标高-5.45 m)。但根据本场地的地层情况来看,必须考虑⑤2粘质粉土层的承压性,根据经验,其水头埋深暂按地表以下6.00 m计,相应的绝对标高为-2.00 m。
现场土体的分层及力学性能指标见表1。

表1  分层土体力学性能

土层名称 层底标高 土层厚度 重度 含水量 渗透系数/cm×sec-1
层号 /m /m /kN×m-3 /% Kv Kh
1 填土 4.56~1.74 0.30~1.70
1 粘质粉土 3.96~1.20 0.00~1.80 18.2 32.6 1.81×10-5 2.68×10-5
3 砂质粉土 -1.84~-3.46 3.60~6.40 18.7 30.6 5.60×10-5 2.80×10-4
1 淤泥质粉质粘土 -4.85~-8.20 1.80~6.20 17.5 40.9 1.16×10-6
2 砂质粉土 -7.34~-9.70 1.50~3.80 18.2 32.1
淤泥质粘土 -19.45~-22.66 10.60~14.30 16.9 47 1.62×10-7 5.28×10-6
1 粘土 -23.36~-27.19 3.40~7.00 17.3 42.2 5.45×10-7 1.09×10-6
2 粘质粉土 -36.09~-38.04 9.70~13.30 18 32.2
2 砂质粉土 -57.52~-58.94 19.90~22.20 18.2 31.3
粉质粘土 未钻穿 -39.28~-41.54 18 33.8

3 试验段工程施工技术
3.1 试验段分段
由上海隧道工程股份有限公司设计施工总承包的试验段工程,各分段项目的起止里程、施工方法、围护形式等见表2。

表2  试验段工程分段划分表

项目
起止里程桩号
分段长度
/m
施工方法
围护形式
基底埋深
/m
接线道路
K0 -175.33~-145.00
30.33
引道段
K0 -145.00~+165.00
310
明挖
1:3放坡
0~10.0
暗埋段
K0 +165.00~+460.50
295.5
明挖
地下连续墙
10.0~22.1
1号工作井
K0 +460.50~+482.50
22
明挖
地下连续墙
井底标高 -19.963

3.2 超深地下连续墙施工技术
试验段工作井的设计外包尺寸为48m×22m,围护结构为深45m、厚1 m的地下连续墙。暗埋段长295.5 m,基坑也采用地下连续墙围护。考虑到超大直径泥水平衡盾构掘进机的超长距离连续掘进施工特点,为确保整个盾构掘进机系统一次安装就位,需同时完成工作井及其相邻暗埋段的施工。
⑴ 施工厚1m、深45m的超深地下连续墙,需要有相关的施工机械设备和施工工艺进行配合。本工程采用LIEBHERR HSWG2.8/800-1200液压抓斗配HS 855履带吊(90 t)进行挖槽,采用2台150 t履带吊整幅起吊钢筋笼。由于⑦号土层的强度较高,需要采用先钻先导孔、后成槽的方式,这样,既可提高抓斗的开挖速度,又可确成槽的垂直度。
⑵ 先对施工地下连续墙的场区(鱼塘)进行处理。浅层的②2~③2为粉性土层或夹较多薄层粉砂,渗透性强,易造成地下连续墙坍孔,因此,在施工前先进行轻型井点降水施工。
⑶ 为了防止浅层土体在地下连续墙的成槽过程中发生大面积塌方,因此,需要制作深导墙。导墙应深入原状土(或加固土)30 cm以上,导墙宽1050 mm,需确保垂直精度。
⑷ 将原设计的十字止水钢板接头改为接头管。为方便接头管起拔,一方面在接头管表面涂抹减摩剂,另一方面在钢筋笼靠近接头管侧设置“∑”形钢板,减少水下混凝土绕管现象发生,并设计、加工了起拔接头管的专用顶拔设备,确保接头管顺利起拔。
⑸ 在地下连续墙的成槽、起吊钢筋笼和接头管及起拔接头管时,150 t履带吊和起拔设备等重型机械,对导墙和周边道路的要求较高,为确保其有良好的承载力,防止在施工过程中发生沉陷,影响正常施工,施工场区的道路必须与导墙整体制作。
⑹ 考虑⑦号砂土层的稳定,必须适当提高泥浆的粘度和比重,还需增加重晶石的掺量。
3.3 井点降水
为防止基坑底部发生突涌,确保施工时基坑底板的稳定性,必须采取井点降水措施,及时降低下伏承压含水层的承压水水头,将其降至安全的高度。
⑴ 根据地质资料进行承压水头计算,在坑外布置11口降压井,井深53 m,见图3。
                                             图3  井点布置图

⑵ 现场抽水试验
先完成几口降压水井,在现场做一组非稳定流的抽水试验,实测承压含水层的水头高度和实际出水量,验证布井的合理性和井结构设计的准确性。
从试验结果中发现:
① 仅坑外井方案无法满足降低承压水水头的要求;
② 单井出水量小,观测井的水位下降不大,说明土的渗透性较差,单井的影响范围小;
③ 根据抽水试验,结合本场地⑤2粘质粉土层与⑦2砂质粉土层的分布特性,可反映出⑤2层与⑦2层有一定的水力联系,但由于土的垂直渗透性较差,垂直补给不明显,两层土的水力联系不密切。
⑶ 施工井点布置
根据抽水试验的结果,为控制井的数量,决定采用坑内井的方案,即将降压井布置在基坑内;将降压井深度调整为63 m,采用大扬程、小流量抽水泵,降低井内水位,加深水力曲线漏斗;根据地下连续墙深度,采取不同的降压措施,由于工作井及相邻SD1段的地下连续墙将⑤2层隔断,且该层土的垂直渗透性又较差,因此,以降⑦2层为主,⑤2层及时疏干,具体数据见表3。
表3  分段计算降压水位表    地面标高:+4.0 m;承压水水头高度:-2.0 m

位置
最深底标高/m
顶标高/承压水水头高度/m
覆土厚度/折算水柱高度/m
降水头/m
2
2
2
2
工作井
-22.96
-25.79/23.79
(26.17)
-37.8/35.8
(39.38)
2.83/5.09
14.84/26.71
2层疏干,
2层降12 m
SD1
-19.11
-25.79/23.79
(26.17)
-36.5/34.5
(37.95)
6.68/12.02
17.39/31.30
2层疏干,
2层降8 m
SD2
-13.73
-25.79/23.79
(26.17)
-36.5/34.5
(37.95)
12.06/21.71
22.77/40.99
2层降5 m
SD3
-13.00
-25.51/23.51
(25.86)
-36.5/34.5
(37.95)
12.51/22.52
23.50/42.30
2层降3 m
SD4
-12.35
-25.51/23.51
(25.86)
-36.5/34.5
(37.95)
13.16/23.69
24.15/43.47
与SD3交接处降3 m

调整后的降压井井点布置见图4。
                                       图4  降压井点施工布置图

为减少基坑内井的数量,工作井范围内的降压井设计为混合井,同时抽取上部潜水与下
部承压水,抽水结果满足降承压水的要求。
3.4  土方开挖
为满足盾构安装要求,盾构工作井和相邻暗埋段的施工需同时完成,暗埋段为分层放坡开挖,开挖到底后,紧接着将工作井开挖到底,然后同步完成内部结构。
土方按1~6顺序开挖,开挖到SD2底,制作SD2底板;SD2底板完成后,开挖7,制作SD1底板;SD2底板完成后,开挖8,制作工作井底板。开挖顺序见图5。
                                         图5  土方开挖顺序图

3.5  结构施工
3.5.1  工作井
⑴ 试验段工作井的支撑形式为5道钢筋混凝土围檩支撑和1道钢支撑,其中第一、第二道钢筋混凝土围檩支撑兼做永久结构的顶框架和中框架。
⑵ 原设计的内衬结构采用明挖顺作法施工,逐层开挖、浇筑围檩支撑、开挖到底,再由下往上逐层浇筑围檩间的内衬结构。由于工作井与后续的暗埋段同步、逐层开挖,在工作井和暗埋段的施工中形成2个工作面,即可在一处进行挖土,在另一处进行结构施工。因此,将工作井的内衬墙施工改为逆作法。在暗埋段开挖时,工作井处可先完成围檩支撑(结合正面钢洞圈安装)施工,待混凝土围檩达到强度后,再完成围檩之间的井壁内衬结构。
⑶ 为确保逆作法的施工质量,采取的措施有:
① 根据围檩和内衬的不同厚度,设置预留混凝土浇灌孔,确保混凝土浇筑时由上而下、充分、密实;
② 为确保混凝土二次浇筑的结合面不渗漏,设置呈楔形且有凹凸口的施工缝;
③ 考虑到钢筋分布的间距密集,浇筑混凝土时,应根据不同的部位,采用不同尺寸的振捣器进行振捣,并采用模板外侧补振措施;
④ 为确保盾构出洞时的止水效果,洞圈先在厂内一次成型,然后根据施工顺序分成8块进行安装,安装时采用与设计轴线垂直的方式,分块之间设置楔形企口钢板;洞圈的安装精度控制在1 cm之内。
3.5.2  暗埋段
暗埋段为矩形钢筋混凝土结构,考虑到盾构机的安装,SD1和SD2的施工分成2个阶段,第一阶段(盾构推进阶段)完成钢筋混凝土支撑、板撑的施工,以确保结构安全;第二阶段(使用阶段)完成行车道顶、底板结构。暗埋段在2个阶段中的结构横断面见图6。
                             图6  不同阶段的暗埋段结构横断面图

3.5.3  敞开段
敞开段的施工场地开阔,可放坡开挖。为解决底板的抗浮问题,经综合比较,采用抗拔形式,确保结构使用寿命达100年。敞开段的结构横断面见图7。
图7  敞开段的结构横断面图

4  结语
试验段工程是上海长江隧道工程的先遣工程,1号工作井(盾构始发井48 m×22 m×26.963 m)已于2005年5月20日完成底板混凝土浇筑。
⑴ 通过现场降水试验,根据实际情况进行降水井点布置,采用疏干与降压共用的混合井,使场地的地质条件得到了较大的改善,满足了地下连续墙施工和基坑开挖的安全要求。
⑵ 根据实际情况,灵活地调整施工顺序,将工作井改为逆作法施工,既简化了施工,又为后续工序提供了方便。
⑶ 工作井内预留圆隧道钢圆环(洞圈)安装工艺的优化,达到了±1 cm的精度标准。
⑷ 首次先行实施洞口地基加固,不仅降低了基坑开挖的风险、有效地保护了长江大堤,又大大地节约了工程费用。
⑸ 因地制宜,敞开段结构选用放坡形式施工,未采用市内隧道传统的U形结构,有较好的经济性和入口效果。

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