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软土地下工程技术及其发展

侯学渊 廖少明

(同济大学地下建筑与工程系)

1前言
        我国的一些大城市正在兴建和筹建轨道交通,除北京外,目前上海、重庆、青岛、沈阳、武汉、长春等20多个城市都在筹建不同形式的轨道交通系统,拟建的轨道交通线路超过20条,总长度约2000km。
        同时铁路、公路隧道建设也在高速发展之中。我国目前拥有8600多座铁路、公路隧道,总长度约4370多公里。按照交通部规划,10年内,我国将再建设总长155km以上的公路隧道。已经建成的秦岭终南山特长隧道全长18.4km;上海和武汉、南京的长江上正在建设大型过江隧道工程。另外,城市地下快速道路的规划建设也逐渐被纳入城市建设的视野之中,如上海正规划建设城区南北地下通道。
        我国大型跨海通道也在积极规划和有计划的实施之中。在最近的20至30年内,除已经动工的厦门东通道海底隧道之外,我国正考虑再建造5条跨海隧道。这5条跨海隧道分别是大连到烟台的渤海湾跨海隧道,由上海到宁波的杭州海湾工程,连接香港、澳门与广州、深圳和珠海的伶仃洋跨海工程,连接广东和海南两省的琼州海峡的跨海工程,连接福建和台湾的台湾海峡跨海工程。这些工程中海底隧道将是主要的部分。
        地下工程建设的大发展,大大促进了我国地下工程施工技术的进步,也为我国地下工程学术界提供了广阔的研究空间。
2软土盾构施工技术的发展
        由于盾构施工的优越性,城市地下或越江交通工程大多数采用盾构法。自20世纪90年代以来, 国内大规模地铁建设使得中小直径土压平衡盾构制造及施工技术获得了长足发展,已经成功地掌握了土压平衡盾构和泥水平衡盾构施工技术,并用于上海、广州、深圳及南京等地。我国国家863计划——“关于盾构适应性研究专题”已经启动,标志着我国具有自主知识产权的先进盾构设计制造技术开始进入崭新的历史阶段;2004年10月,“先行号”盾构掘进机研制成功,新盾构的关键部位——自动控制系统应用软件,完全由上海隧道股份攻关小组自行编制,具备许多创新点:其具有完整的远程功能,能对盾构运行进行远程监视和远程控制,对盾构设备故障进行远程诊断,对盾构自动控制应用软件进行远程修改,这是目前进口的国外地铁盾构都不具备的。它集当今世界盾构制造各类系统的长处,融汇德国产品的稳定性和日本产品的经济性为一体,其售价仅为进口盾构掘进机的三分之二。
        近年来,大型市政交通基础设施建设导致中大乃至超大直径盾构的需求越来越多。采用盾构技术在上海黄浦江施工的大直径越江隧道有打浦路隧道、延安东路隧道及复线隧道,已经开工的我国最大直径的盾构隧道-崇明越江通道直径更是达到15.43m世界之最,一次顶进距离将达到7km之多。而超大直径盾构施工将面临一些世界级的施工难题,如盾构刀具适应性,长距离施工,通风防灾等,这些难题通过国内自主研究开发逐步得以解决。这中工程发展与研究态势显示,我国已在隧道施工方面基本上拥有了世界上最先进的设备,并掌握了其施工操作方法和技术,隧道修建的长度、速度、质量、科研理论均已接近世界先进水平。


1)超近距离微扰动施工控制
        随着城市地下空间的进一步开发,地下管线、隧道及其它地下建、构筑物的日益密集,当使用盾构工法新建地下管线或隧道时,盾构穿越已建隧道的概率越来越大,盾构近距离或超近距离穿越已建隧道的保护问题不可避免。特别是在上海、天津等具有滨海相软弱土层的城市中,由于存在诸多不确定地质因素,如何确保邻近已建隧道的正常使用成为目前盾构法隧道工程中亟待解决的难题之一。
(1)土压力预测与控制
        土压平衡盾构掘进工法的施工前提就是精确设定盾构机土压力。穿越过程中由于上部隧道内部土体被淘空以及上部构建筑物存在一定的刚度,将导致已建隧道下方土压力不可避免降低,因此常规的土压力设定方法不能满足施工要求,必须考虑土压力的损失。
        盾构穿越上方隧道过程中,进去时正面土压力的变化从高到低,出来时,从低到高,呈现V字形。按此预计曲线对盾构正面土压进行跟踪控制,设计如图2所示的土仓压力分步台阶控制方案,成功地将上方隧道变形控制在5 mm之内。
(2)正面压力的稳态控制
        因为拼装千斤顶压力的降低,在拼装管片的过程中,盾构机有微量的后退,前仓土压力变小。根据实际统计,拼装管片前后的土压力变化值可达0.1 MPa。因此,在穿越施工时,拼装时土压力的波动,必然会引起周围土体应力的波动,从而加剧对正面土体的扰动。在实际施工时主要采取以下措施来解决这一问题:在每环掘进结束时,通过减少出土量使前仓土压力略高于设定土压力;同时缩短拼装管片的时间。
(3)掘进速度控制
        近距离穿越掘进中,应根据监测数据即时调整掘进速度,以保证盾构机均匀、慢速的通过影响区。掘进速度一般为8-10mm/min;
(4)盾构壳体与土体摩擦力的影响与控制
        在超近距离穿越施工中,盾构机与周边土体摩擦力产生地层变形与盾构正面支护产生的地层变形是一个数量级的,特别是在粘土层中,更容易由摩擦力产生盾构机“背土”现象,加剧了盾构掘进对周边土体的扰动。因此在实际施工时,通过盾构机向周围土体均匀压注适量的膨润土浆液,以减少盾构机壳体与周围土体之间的摩擦力,同时避免盾构机“背土”现象的发生,将盾构机体对周围地层的扰动控制到最小程度。
(5)盾尾微扰动点滴注浆法
        过低过高的注浆都会产生对邻近隧道的扰动,产生附加沉降或隆起。因此在保证盾构正面微小扰动的情况下,盾尾采用未扰动注浆工法,即采取少量多次、均匀缓慢的微扰动注浆工艺。保证了邻近隧道周围土层的超孔隙水压维持在较低水平,又防止了隧道在浆液失水固结过程中的过大沉降。
(6)基底反压注浆
        基底反压注浆法就是在施工中的隧道底部范围内进行壁后注浆。注浆压力在下部隧道(施工隧道)产生向上的反力,通过下部隧道及两隧道间土层间接作用于上部隧道结构,与直接对上部隧道(被穿越隧道)进行注浆相比,对上部隧道扰动更小,在减缓上部结构下沉作用方面更加持久有效。
2)超大直径盾构施工技术
        应用盾构施工技术始于50年末,但系统的开发、研究、设计、制造和施工是从1963年在上海塘桥进行的Φ4.2m的盾构隧道浅土推进开始作为正式起步的。随着国内盾构掘进技术的发展,超大型直径的盾构已经被成功地应用在了上海市政建设中。如下表2所示。


        根据目前盾构技术水平和施工业绩,超大直径盾构隧道拟通过研究解决以下关键技术问题:
(1)         (1)超高水压下的隧道防水及盾构密封问题;
(2)         (2)大直径盾构正面稳定控制技术;
(3)         (3)大直径隧道施工中的上浮及其控制技术(包含盾构与隧道);
(4)         (4)长距离盾构隧道快速施工技术(包括同步施工及管片拼装运输自动化等技术);
(5)     &nb
sp;   (5)复杂环境下特长海底隧道的定位测量与控制; (6)         (6)特长隧道运营的通风与防灾。
3)超大直径盾构的正面稳定控制技术
        目前采用的超大直径盾构均为泥水平衡盾构,随着这种盾构在不同地层中的广泛应用,在技术上将面临越来越多的挑战。首先,由于盾构直径的变大,大尺寸效应会影响盾构前方土体正面稳定的力学机理。其次,超大直径盾构掘进过程中同一断面内不可避免的要遭遇不同的土层,这种成层土的出现,使盾构正面土体在均一压力作用下的稳定问题,与常规的地铁盾构在单一土层中掘进的正面稳定问题有着本质上区别。另外,对于超大直径的泥水盾构来说,泥漠形成在成层土中形成的速度,即泥浆在成层土中的非牛顿流体渗透特性,将会影响这种超大直径盾构在上海地区的适应性。还有,超大直径泥水盾构的施工作为一个完整的系统来说,如何根据施工监测动态控制各个施工参数之间的相互关系,如泥浆循环系统、泥水舱内的压力,掘进速度等等,也是需要认真研究的问题之一。
3大型沉管隧道施工技术
        沉管隧道技术与盾构技术一样,都具有比较悠久的历史,在国外已经发展得相当成熟。但我国沉管隧道的建设数量较少,近年来关于在内陆江河中应用沉管的争论不绝于耳,尽管原因很多,但究其根本则主要是相关的研究和技术储备不够充分。
        上海大型外环沉管隧道的施工为国内沉管隧道的应用起到了示范和推动作用。该隧道宽度达42m,首次设置了3条通道,总共有8车道,车道数是该市现有隧道的一倍以上;外环隧道的净空高度达5.5m,比国内现有隧道普遍的3-4m的高度高出1m多,成为国内唯一可通行集装箱卡车的隧道。外环隧道的科技攻关力度之大在同类工程中也前所未有,以上海城建集团为主的联合体投入巨资,进行了10多项专题研究,取得了大量第一手资料,并采用GPS定位及三维测深技术、大型绞吸船吹吸并举作业法、管底气升成槽法等先进技术,解决了当今沉管施工中最难克服的管段水下位移问题,为管段的沉放施工创造了条件。

4大型浅埋暗挖隧道施工技术
        尽管软土地层的浅埋暗挖技术的应用较硬土地层困难得多,但近些年还是获得了工程界的高度重视和发展。相对深埋的盾构技术而言,这一技术为短距离地下通道穿越城市干道、高速公路及其他重要建、构筑物提供了一种对地面干扰最小且方便快捷的方法。
        上海市中环线虹许路-北虹路下立交地道将采用管幕法箱涵推进工法[11],如图5所示,箱涵截面高度7.85m,宽34.2m,长125m,是目前世界上第一大断面、第二长的管幕法工程,也是我国大陆首例采用管幕法的地下工程。箱涵所处地层为高含水量、低强度的饱和软土,为降低工程造价和缩短工期,将首次采用对管幕内土体不加固的箱涵推进施工方案,开挖面的稳定性将通过特殊设计的网格工具管来保证,主要研究解决软粘土地层中超长大断面管幕-箱涵顶进施工隧道的设计和施工中的关键技术问题,并为管幕结合箱涵顶进施工实现工艺标准化、工作项目程序化提供科学依据,从而推动管幕法施工技术在类似工程中应用。这我国第一次引进管幕法工艺施工,也是世界上在饱和含水软土地层中施工的横截面最大的管幕法工程。

其解决的技术关键如下:
        (1)带锁口超长钢管幕顶进方向的高精度控制技术;
        (2)大断面箱涵出洞(密封、破洞)技术;
        (3)大断面箱涵推进泥浆套压注、控制技术;
        (4)工具管网格设计及箱涵推进阻力计算方法;
        (5)管幕内大断面箱涵同步顶进控制技术。
5大型地下交通枢纽改扩建及深大基坑工程
        北京、上海、天津、深圳等地,在建或已建多个多条线路、多种交通集聚的大规模地上地下综合交通枢纽;尤其是上海已经建成或将要建成三线甚至四线交会的大型地下轨道交通枢纽。其设计的关键技术如下:
(1)         (1)已有地下设施扩展能力评估技术;
(2)         (2)新旧地下交通设施结构与功能整合设计技术;
(3)         (3)改扩建过程中的相关影响的预测与控制技术;
(4)         (4)地下交通设施改扩建微扰动施工新技术;
(5)         (5)多种地下交通设施叠交施工技术;
(6)         (6)改扩建引起的结构损伤分析及耐久性评估等。
        在已经实施的工程中,上海轨道交通东方路张扬路四线换乘枢纽车站为国内首例最大规模的地下交通枢纽改扩建工程(图6),其中轨道交通2,4,9号三条线车站平行,且2号线已经建成运营,6号线车站与前三者垂直交叉,最终形成“卅”字形地下三层结构,总建筑面积超过42000m2,其中四线换乘共用部位的建筑面积就已达到14800多平方米。

1)深大基坑工程
        城市地下空间需求的增长,带动了城市大规模地下工程项目大量涌现,超大深基坑呈现快速增长的态势。由此而激发出来的设计创造性使得围护结构工程日益多样化,导致很多相关的地下结构与土力学问题还没有来得及认真研究。现在面临的挑战包括一些长久以来一直应用基坑围护技术面临淘汰和革新,同时一些经过革新的技术又在应用上缺乏足够的技术支撑和实践验证。尽管如此,基坑工程的实用技术还是在实践摸索中得到了明显的进展。
        近10年来,我国上海以及其它地区已在软土中建造了许多深基坑工程,如:上海外环隧道浦西基坑开挖深度达30m,连接扬州与镇江的润杨大桥的基坑深达48m,阳逻长江大桥南锚碇工程基坑采用内径70 m、外径73m、挖深4m,采用深61m,厚度1.5m的圆形地下连续墙,这些基坑工程不仅开挖深度深,而且周边环境保护要求异常苛刻。引人注目的上海地铁四号线修复工程中的超深基坑开挖深度超过40m,进入承压水层,周边有南浦大桥、滨江花园以及黄浦江的防汛墙等重要建筑需要保护,通过采取一系列新技术,克服了种种困难目前得以顺利完成。
        另外关于超深基坑的防水帷幕技术方面有了新的发展,冻结止水结构已经开始应用于超深基坑,取得了较好的效果,是一个很好而有益的尝试.
        基坑面积超过1万m2甚至高达4-5万m2的各种超大规模基坑,在上海乃至江浙一带大量涌现,给深基坑工程的设计计算理论和施工控制技术的发展又带来了新的挑战和动力,使得软土地区最近几年的基坑工程设计施工理念发生了新的变化。出现了由各种不同支护体系的灵活组合而成的新型高效支撑体系,如圆环及双圆环支撑体系,由全结构逆做演变而来的框架逆作法,中心岛边跨逆作法,土钉与挡墙内支撑体系的结合等等。这些由工程实践激发的设计创造性为古老的基坑工程及其相关的土力学与基础工程研究注入了新的活力。
6大型模拟试验
         “理论导向,实测定量,经验判断”是岩土工程的重要指导思想。根据岩土工程自身特点,工程实测一直以来作为岩土工程定量化研究最主要最可靠的手段,也是岩土工程必不可少的研究方法。物理模拟在理论研究方面仍具有不可替代的地位。最近部分大学、科研院所相应加强了土工实验设备,重点加强了大型工程模拟实验设施(如离心实验机、通用实验平台等)。同济大学“985一期”已建成国内最先进的岩土工程离心试验机,“985二期”将建成多功能岩土模拟综合试验平台,能进行桩基、基坑、边坡、盾构与顶管及其他非开挖技术等典型工程的模拟试验。2004年“国家863计划”“盾构对地层适应性研究”研制成功大型盾构机检测试验平台(图7),以研究不同地层中盾构的适应性及优化配置,为我国掌握先进盾构制造技术打下基础。上海对长江隧道Ф15m超大型管片隧道进行了原形试验。(图8)

7大型地下工程风险分析与识别技术
1)风险评估
        随着我国国民经济的快速发展和国家综合实力的提高,地下工程建设的质量要求以及对自然灾害的防治或一些重要建构筑物的使用以及长期使用后的安全与耐久性的关注越来越高。特别是近几年,对地下工程耐久性及长大隧道防灾方面要求重视的呼声越来越高,使得追求最低成本的建造理念受到冲击。现代隧道技术的重点应该逐步转向耐久性、防灾以及技术经济风险分析。
        上海崇明越江工程横跨整个长江口水域(南港水域宽度6.9km,北港水域宽度8.5km),采用桥梁(2300m悬索桥或1200m斜拉桥)或盾构法隧道(长距离、大直径15.43m)方案,全长25km左右,工程使用期100年,投资达113亿元。其规模之大,涉及面之多、难度之高属世界级超级大型工程。
        针对崇明越江工程之越江线位、越江方式采用工程调查和专家打分法、层次分析法、模糊数学法、统计和概率法、敏感性分析法、蒙特卡罗模拟法、CIM模型和影响图法并结合涉及工程专业技术的结构可靠度分析法、随机有限元分析法、失效概率分析法、结构损伤理论分析法等对越江通道工程之技术可行性、工程可造性进行全方位风险分析,分别设置了17个专题进行风险分析,并提出风险防范的对策和措施。
        从崇明越江通道各方案风险分析评价结果见图9可以看出:从越江通道技术的可行性和工程可造性的风险水平而言,规划线南隧北桥方案与全隧方案相当,均优于全桥方案;比较线全桥方案优于规划线全桥方案。再结合南隧北桥与全隧方案的投资分析,则作为推荐的规划线南隧北桥方案,风险最小。对崇明越江通道方案的决策、通道的设计、施工、运营、管理等方面均具有指导意义,并对同类重大工程项目的建设具有很好的借鉴作用。对大型越江(海)通道工程进行上述全方位风险分析在国内尚属首次。

2)风险识别与数据挖掘         大量工程实践表明,基坑工程发生的工程事故和工程隐患与监测数据的某种波动具有很强的相关性。数据挖掘是风险分析的数据基础。

        从变形角度看,基坑的风险状态表现为以下几种具体形式:基坑坍塌、滑坡失稳,挡土墙变形过大及踢脚等。从系统角度来看,不同工程系统表现的失效模式或规律是不一样的(图10所示)。对基坑工程系统而言,失效前变形数据的加速变化被证实为风险的预兆。
        基坑实际发生的变形(浮动状态)相对于理论计算变形(理想状态)的偏移可以看作对稳定状态的偏移(如图11所示)。从大量工程实践来看,实际基坑工程对稳定状态的偏移并不是以其绝对偏移数值来判断,而是以偏移的速率(即变形加速度)来及时识别潜在风险的存在,这对于工程具有更大的实际意义。

8微小变形条件下的土的基本力学特性[12]
        土的基本力学特性的研究,过去主要偏重在整个加载区间进行宏观考察,且主要关注常规变形区域。对小变形区间内慢速多步等复杂应力路径条件下的力学特性没有予以关注。这样做的原因往往是:从实用主义出发,过分强调与一般工程相对应所引起的。但随着工程技术的发展和工程条件的变化,岩土工程中土的应力变形往往需要控制在极小范围之内,而在过去这个小变形区间又往往被传统的土力学简单地认为是弹性小变形区间而未予以重视。工程实践或国内外学者(Tatsuoka, 廖少明,2003)基本在同一时期发现了小变形条件下土的力学行为的特殊性,且这些特性对工程技术及经济具有极高的应用价值。开展微小变形条件下的土的力学特性研究,既是基础土力学研究的深入和拓展,也是工程微扰动控制的理论基础。
        为研究土的这一特性,同济大学(廖少明,2004)首先开展了相关研究及室内模拟实验(图12),包括以下内容:
(1)         (1)微扰动的室内模拟实验设备、技术及其标准化
加卸载及量测设备的精度至关重要。否则无法观测到小变形区间土的力学特性的变化;
(2)         (2)微扰动下室内加卸载条件——方式、步骤、时间;
(3)         (3)典型土的微扰动特性实验。
        试验结果在上海软土地铁盾构超近间距穿越施工控制中得到应用和验证,取得了明显的工程控制效果。

9结论与展望
        总的来看,我国地下工程技术的发展很大程度上归功于施工实践,施工实践的需求或实践过程引领或带动着地下工程技术的向前发展,而识领域往往显得较为被动或滞后,这恐怕是岩土工程这门实践性学科的特点。最近十多年来,中国大规模的土建工程令世界瞩目,国内地下工程技术已经赶上或超过国外先进水平。尽管还有很多值得进一步探讨和研究的地方,但总的来看,纯粹的土建类技术发展已经相当成熟,下一步的研究应该是土建技术与风险、土建技术与设备的交叉综合研究以及更加苛刻的实践要求带来的岩土工程控制问题研究。回顾国内外土木工程技术的发展历程,每当人们对理论及技术的探索感到迷茫的时候,一些新的工程设备或工程理念就会诞生,带领我们朝更高的技术层次进步。我们共同期待,抓住我国当前这一难得的基础工程建设大好时机,从大量工程实践中获得灵感与启迪,使得这一天早一点到来。

参考文献
[1] 刘建航,侯学渊. 盾构法隧道. 北京:中国铁道出版社,1991
[2] 侯学渊,钱达仁,杨林德. 软土隧道施工新技术.合肥:安徽科学出版社,2000
[3] 日本鐵道綜合技術研究所. 鐵道構造物等設計標準.同解說——シールドトンネル.日本:丸善株式会社,平成9年7月
[4] 小泉淳. セダメントの新技术. 日本:土木工学社. 平成12年2月
[5] 上海时空软土工程研究咨询中心. 时空效应理论与实践.1994
[6] 廖少明,侯学渊.盾构法隧道信息化施工技术.上海:同济大学学报,2002
[7] 王如路、刘建航. 上海地铁长期运营中纵向变形的检测与研究. 地下工程与隧道,2001,(4)
[8] Dr.Ningxu Han, Performance based service life design for reinforced concrete infrastructures. Science report, Civil engineering Department of Tongji University, Apr.22, 2003
[9] 崇明通道建设期风险分析与评估(总报告),同济大学,2003.6
[10] 廖少明,刘朝明,王建华.地铁深基坑变形数据的挖掘分析与风险识别.岩土工程学报增刊,2006
[11] 田政,叶志祥,卢波,郭剑.挪威船级社定量风险评估方法解析.中国海上油气(工程),2001,13(5):10.
[12] Liao.S M, Gao L Q,Zhu H H. Soft ground movement under small disturbance of shield driving. GSP No.150, ASCE,62-69