上海市轨道交通4号线修复工程综述

余暄平  朱卫杰

（上海隧道工程股份有限公司  上海  200082）

摘  要  本文介绍了上海市轨道交通4号线修复工程方案论证、方案确定以及最终采用的实施方案，分析了修复工程主要的难点和风险，介绍了4号线修复工程的施工过程和一些主要的工艺实施情况。修复工程在软土地下工程领域创造了很多的第一，攻克了工程中众多的技术难点和风险点。

关键词  轨道交通；事故；方案论证；原位修复；施工；超深基坑；风险控制

Abstract  This paper presents proposal verification for restoration work of Shanghai Metro Line 4, determination of the proposal and final implementation scheme to analyse main difficulty and risk from restoration work, to introduce the restoration process and key technology to be implemented. This restoration creates many China’s first for soft soil tunnelling, in overcoming many technical hard nuts and risky spots.

Keywords  rail transit；accident；proposal verification；on the spot restoration；construction；hyper deep foundation pit；risk control

1  概述

上海市轨道交通4号线浦东南路站－南浦大桥站区间隧道工程是一个过江区间段。工程起始于浦东南路站，终止于南浦大桥站，全长约2 000m，其中，江中段约440m。该段区间在浦西岸边设中间风井，位于中山南路和黄浦江防汛墙之间，其北侧为董家渡路，主要建筑物为谷泰饭店等三座5层砖混结构民用建筑；南侧依次为23层的临江花苑大厦、地方税务局和土产公司大楼、光大银行大楼等，如图1所示。

图 1  事故段平面图

2003年7月1日，进行中间风井下部联络通道施工时，发生了流砂事故，导致隧道塌陷，隧道附近的土体流失，进而使得地面建筑物发生倾斜等问题。为平衡隧道内外压力，采用了向隧道内注水的方法，对地面发生较大沉降的建筑全部拆除。

事故发生后，有关单位即成立了4号线修复方案组，进行了大量现场调研、试验。并根据多次专家会论证的意见，进行了方案的反复深化。在综合比选多方面因素后，确定了修复方案。工程于2004年8月开工，先后攻克了多项技术难点，开创了软土地下工程施工领域的众多第一，修复工程于2007年6月底顺利实现了结构贯通。

2  修复方案的确定

在修复方案的编制和论证过程中，邀请了很多国际、国内知名专家和专业单位，对修复工程的总体方案、关键技术问题、关键设备开展了多次研讨。通过这些研讨，我们逐步明确了修复方案的总体思路和关键的技术方案。

2.1  前期调研和试验

为验证隧道修复方案的可行性，找出并解决各类技术难点，同时获取相关技术参数资料，为修复工作的展开奠定基础。在现场进行了水下地形、工程地质补充详细勘察、隧道破损情况钻探。同时进行了关键技术和工艺试验：超深地下连续墙成槽试验、承压水抽水试验、超深地基加固试验、障碍物地层成孔试验、各种土体冻结物理力学试验等。与国内外专业施工单位、先进设备供应商交流和洽谈，引进世界先进施工技术和设备提高隧道修复的可行性。

2.2 总体技术路线的确定

为了确定修复方案技术路线，对原位修复和搭桥修复两大技术路线进行比选。主要针对施工难度和风险、环境影响、主要工作量以及工期等因素展开。综合比选结论如下：

1）从施工难度和风险来看，两个方案都有很多共同的创记录突破，总体的难度和风险大致相当。原位方案牵涉的不确定因素较搭桥方案多一些，难度和风险略高；

2）从环境影响来看，原位方案集中在隧道塌陷区域施工，对临江花苑和江中有一定影响，但搭桥方案浦西段的影响比原位大，而且牵涉浦东段大量房屋拆迁、道路翻交、管线改道和批租地块征用等工作，总体社会影响远大于原位修复方案；

3）根据初步方案及有关图纸计算，在不计征地拆迁的前提下，搭桥方案比原位方案的工程量略多。但是考虑大量动拆迁、道路翻交和管线搬迁工程量，搭桥方案的实际工作量和总体造价大大超出原位方案；

4）从建设工期看，原位修复比搭桥修复的工期稍短。

根据上述综合比选意见，经过建委科技委专家的反复论证，最终选定了原位修复的总体技术路线。

2.3  原位修复方案

在确定了原位修复方案的总体技术路线后，根据施工条件和工况的不同，分别比选了围护明挖、加固矿山法暗挖、水平冻结暗挖、气压沉箱法以及简易盾壳支护暗挖等多种施工工艺和方法。根据多方案比选论证，在综合研究明挖和暗挖的施工难度、风险、工期、环境影响等因素，修复工程主体部分确定采用深基坑为主，连接段采用冻结加固暗挖施工。

由于隧道塌陷范围达到防汛墙外侧约45m，本修复工程涉及江中段的施工。该区域采用在水上施工钢结构平台和围堰，然后清理回填后形成陆地条件。另外两侧未破坏隧道须进行抽水清理。整个修复工程分为五个部分，修复工程总平面如图2所示。

图2  修复方案总平面图

1）东侧明挖修复段

该修复区域为临江大厦角点东侧直至黄浦江中的临界点，约174m，该区段采用超深基坑明挖修复，基坑最大开挖深度为41m，如图3所示。为了保证施工安全，基坑采用钢筋混凝土框架支撑体系，设九道支撑（江中局部加深段设十道）。坑内还设置超深旋喷加固措施，以减少基坑变形，保护周边环境。

图3  修复工程基坑平面、纵剖面图

2）西侧明挖修复段

该修复区域为临江大厦角点西侧直至中山南路上隧道损坏点，约62m，该区段采用超深基坑明挖修复。基坑开挖最大深度为36.7m，设9道钢筋混凝土支撑。该施工区域全部位于中山南路上，施工期间根据中山南路的翻交情况分两阶段实施，为了确保中山南路通行，基坑局部实施盖挖法施工。

3）中部明挖段

该修复区域为临江大厦角点区域，约27m。该区域的修复隧道已经局部侵入大厦围护结构以及大厦底板下方。原方案拟采用冻结暗挖的方式施工，在后期方案优化中考虑到冻结成孔和暗挖的难度较大，施工方案进行了调整，在确保临江结构安全的基础上，改为全盖挖基坑方式施工。基坑开挖深度36.8m，设九道钢筋混凝土支撑。

4）隧道对接段

基坑明挖修复段与外侧的完好隧道之间，必须实施对接施工。两侧对接段长度约10m，实际对接段长度根据完好隧道抽水清理情况确定，该修复段采用冻结加固后矿山法暗挖施工。

5）两侧隧道清理段

隧道清理修复段长度共约1760m。抢险期间为了控制区间隧道的塌陷，控制地面沉陷和损失，在塌陷段两侧的隧道内都已经灌满水，以平衡隧道外侧水土压力。修复工程中须将区间隧道未塌陷区段内的隧道积水、积泥、施工抢险期构筑的水泥坝等进行清理。经过方案优化，隧道清理采用常压施工，预留气压施工条件，一旦发现隧道有渗漏立即转为气压法施工。

2.4  修复工程的主要难点

修复工程为一项大型综合性市政工程。其规模大、涉及技术领域多、综合性强、工程结构复杂，特别是修复工程在很多专项工艺上都有很大的突破，修复施工技术难度极大，施工困难较多。总体上看由于采用原位修复方案，隧道破坏临界点的判断比较困难，修复工程中还涉及41m的超深基坑施工。主要难点有：超深地下连续墙施工、超深地下障碍物清理、超深地基加固、超深承压水降水、超深基坑开挖、隧道抽水清理、大断面冻结暗挖施工等。

3  修复工程的施工

在确定了总体方案后，修复工程于2004年8月29日正式开始地下连续墙的施工，2005年完成了浦东段隧道清理，2006年完成了主要的深基坑开挖，2007年上半年完成了最后的连接段并实现了结构贯通。主要工序的特点及施工情况如下：

3.1  超深地下连续墙施工

修复工程所选用地下墙厚度1.2m，深度达到创纪录的65.5m，槽段开挖进入⑨₁层近7m，而且施工场区内的土层经过了严重的扰动，满布地下浅层和深层障碍物，地下墙施工不仅仅是深度上的突破，还要面临施工设备选定、接头形式、反力箱起拔等关键施工工艺上的创新和突破。

（1）设备的选定

成槽设备是施工能否成功的前提。结合在施工前现场单幅成槽试验结果，选定德国立勃海尔HS855HD型成槽机进行开挖作业，其设备极限开挖深度位70m。65m钢筋笼起吊经过分幅优化后，采用280t＋150t的双机抬吊。

（2）接头形式及防水

由于基坑开挖从30m开始进入⑦₁层承压含水层，围护结构暴露在砂性土层的深度深、范围大，对围护结构特别是接缝的抗渗要求极高，故地下墙接头形式采用十字钢板接头。并针对性地加长止水钢板的长度至50cm，提高抗渗性能。

（3）施工工艺流程

具体的施工工艺流程如图4所示。

图4  连续墙施工流程图

成槽作业中，进入⑨₁层后，成槽效率大幅下降，为此，采用施工先导孔的工艺，提高成槽效率。槽段开挖完成后，重点加强对已完成槽壁十字钢板接头的处理，采用超挖刀、冲刷器和特制的刷壁器对十字钢板内残留的劣化浆、泥皮和绕管砼进行清理，确保接缝的止水效果。反力箱放置和顶拔也是超深地下墙施工中重点关注的环节，严格按照方案的程序来执行。

4号线超深地下连续墙施工在进行了一系列的工艺优化和改进后，取得了良好的效果，经基坑开挖检验，连续墙本体和接缝质量良好，未发现明显的渗漏现象。

3.2  超深地下障碍物清理

经过国内外市场的调研和比选，最终引进了日本的全回转钻机进行清障施工。根据4号线的修复方案，需要切割清理的主要工作面如下：①基坑的横向端面对原破损隧道管片的切割清理；②地下连续墙与老防汛墙相交的部分的桩基础切割清理；③临江花苑大厦角点的底板与围护桩的切割清理；④基坑内格构柱与降水井点位置处的原隧道管片的切割与清理，清障深度最深达到43m。其中在东西两侧连接段位置的切割施工须采取措施对完好隧道进行保护。

1）完好隧道保护性切割

对完好隧道实施保护的主要措施是充填隧道后，再实施冻结确保形成刚度较大的冰塞体，可以满足切割过程中对完好隧道的保护。保护性切割措施如图5所示。

图5  对隧道实施保护性切割示意图

2）切割工艺

对障碍物切割除立柱桩和井点清障外，其余均采用打设排孔的形式，套管直径为2m，通过叠交布孔形成一个连续的切削断面。作为地下连续墙施工的前道工序，切割完成后叠交区域的最小宽度为1.7m，以适应成槽垂直度误差的需要。故切割成孔的垂直度控制是关键，施工中对所有成孔进行超声波检测，垂直度误差均小于1/500，如图6所示。

图6  切割清障孔位布置图

3.3  超深地基加固施工

修复施工将遇到超深基坑的围护变形和坑底隆起问题。为基坑和环境安全，必须对基坑底部地基土层进行有效加固，国内在40m以上的深度进行如此规模的地基加固还没有先例。在如此深度，尤其地下含有隧道结构、轨枕及冷冻机等障碍物，如何保证加固的均匀性和强度，具有很大困难。

1）加固方案选定

4号线修复须地基加固的地层为富含障碍物的地层，且加固深度坑内达到46m，坑外达到50m，目前国内常规的三重管加固工艺很难达到效果。根据国内外技术调研，国外有超级旋喷和双高压旋喷等工艺可以满足本工程需求，但是技术引进涉及国外专利的使用等问题。经过比选，最终决定立足国内设备和工艺，自行研制和开发双高压旋喷加固工艺。

2）加固施工工艺

加固工艺确定后，在现场进行了工艺试验，对比各种参数条件下的加固效果。根据现场试验实际开挖和深层加固体取芯检验，最终确定了加固参数如表1所示。

表1                        双高压（RJP）法施工工艺参数

注：注浆材料为32.5级普通硅酸盐水泥

该加固方案与常规三重管旋喷加固的主要区别有：加大了水泥浆液的喷射压力、流量，加大了压缩空气的流量，确保喷射浆液的切割搅拌效果，此外在加固施工中对喷浆管的提升速度和转速也进行了调整。

3）加固实施效果

通过设备改进和工艺调整，使加固桩径在常规三重管加固1.0～1.5m的基础上提高到1.8～2.3m，满足了本工程的需要。经过基坑开挖检验，实际加固的桩径和加固强度均达到了设计要求。

3.4  超深承压水降水

本工程承压水降水深度已进入⑦₂粉砂层，其难点在于水位降深大、抽水量巨大，同时在保证基坑内水位低于开挖面的同时，须严格控制基坑外的承压水位的降深，保护紧邻基坑的临江大厦、黄浦江防汛墙、南浦大桥匝道等建构筑物的安全。

1）降水设计

考虑到上述因素，采用坑内降水的实施方案，如图7所示。降水井全部打设在基坑内部，井深60m，利用围护地下墙的屏蔽作用，增长地下水补给路径，从而达到减少坑外水头降的目的。滤管设置范围为45m～60m，单井抽水量设计为50m³/h。共设抽水井20口，备用井15 口（备用井兼做坑内水位观测井）。

为严密监测坑外承压水水位的波动情况，在施工场区内基坑的南北两侧又布置了观测井群，针对不同的土层打设深度不同的观测井，分别监测②层～⑨层各土层水位变化情况。重点环境保护部位附近也适当的增设了回灌井，视监测情况可采取必要的补救措施。

图7  降水井布置及坑内外水位图

2）降水运行

基坑开挖过程中须严格执行“按需降水”的原则，依据开挖的流程和深度对降水井的开启时间、流量控制、水位标高等关键参数进行控制。所有监测数据均采用自动化采集系统，达到对坑内外降水系统的实时监控。现场同时配备大功率柴油发电机作为备用电源，并可实现自动切换。

3）实施效果

基坑开挖过程中，开挖深度达到20m开始开启部分降压井，至开挖达到41m，坑内水位降深稳定在43m以下，坑外紧邻基坑5m距离的观测井承压水位降深只有5m左右，在承压水常年水位波动的范围之内，由于降水引发的建构筑物沉降量仅有2～3mm。

3.5  超深基坑开挖

超深基坑开挖已经进入⑦₂层承压水层，深基坑附近还有需要重点保护的临江花苑大厦、防汛墙和南浦大桥匝道等重要建筑。开挖过程中必须控制围护结构变形，减少由于降水引发的地面沉降，克服开挖中可能出现的围护结构渗漏等问题。

1）开挖工艺流程

为确保基坑开挖安全，4号线修复的三个超深基坑采用先后开挖的总体流程。在单个基坑开挖中，采用了分层和分段相结合的流程。在浅层开挖中采用分层开挖，进入第六道支撑以下，为减少坑底暴露时间，采用了分段开挖工艺。

由于基坑全部采用了钢筋混凝土支撑体系，在基坑开挖施工中，充分考虑“时空效应”，每两根支撑开挖完成后，立即浇注混凝土垫层，制作钢筋混凝土支撑，每个区段施工总时间控制在72h以内。

2）开挖风险控制

超深基坑开挖中，连续墙渗漏是重大风险，在本工程施工中采用几个措施。首先是事前控制，在连续墙施工阶段对每幅连续墙的质量进行详细分析，对可能存在质量问题的区域实施坑外旋喷止水加固。其次是过程控制，在施工过程中及时对连续墙的渗漏点进行封堵。另外，结合工程处于黄浦江边的特点，在开挖中设置两根φ500mm口径的倒虹管，一旦发生较大渗漏无法及时处理时，可以在较短时间引入江水平衡坑内外水压。

3）实际开挖效果

修复工程基坑开挖自2006年2月5日开始，至2007年1月底完成，基坑开挖过程中未发生围护结构较大渗漏的情况，基坑的围护结构变形及周边环境沉降控制达到了理想的效果。具体指标如表2所示。

表2                      基坑开挖变形控制值及实测值

3.6  隧道抽水清理

隧道的损坏情况判断依据是探摸隧道顶部标高与施工时标高是否吻合。在隧道抽水清理时，必须采用气压措施作为备用，一旦发现隧道有渗漏情况，立即转入气压法抽水清理。

修复区域隧道的埋深达到30m以上，一旦需要采用高气压抽水和清理，需要采用的气压等级达到0.3MPa。根据国内外高气压施工的经验，在该等级压力状况下，施工人员每天的作业时间在2h以内，且高气压条件下作业环境恶劣，作业效率很低，施工难度极高。

1）隧道抽水清理方案

根据方案综合讨论，隧道的抽水清理采用常压法实施，但预留了气压法施工的接口。在抽水清理过程中，采用分步抽水的方式。每阶段清理完成后，采用各种措施严密观测隧道内水位变化情况，计算渗漏量并与隧道正常渗漏量进行比较。一旦有渗水量异常，立即利用隧道预留的气压法施工接口，转为气压法施工。

2）隧道清理效果

隧道抽水浦东段和浦西段分别在2005年和2006年顺利完成，施工中清理了隧道内的积水和由于事故涌入的泥沙，清除了抢险中设置的水泥坝。由于隧道破损临界点判断的准确，清理过程中未发生隧道大量渗漏情况，取得了良好的效果。清理完成的隧道进行了全面的测量，隧道的沉降量和直径变形量均满足设计要求。

3.7  冻结暗挖段

基坑开挖段和两侧清理后的隧道的对接采用冻结暗挖的方式，冻结范围为全断面富含承压水的粉砂层。暗挖段最大开挖断面直径达到7.8m，冻结体积和开挖断面都在市政工程中比较罕见。暗挖施工过程还需清除破损的隧道管片和隧道内残留的设施，施工过程有一定的难度和风险。

1）冻结暗挖方案

根据总体方案，两侧隧道对接采用水平冻结暗挖的方案。中山南路对接段在后续施工中进行了方案优化，全部采用垂直冻结暗挖工艺，减少了工程量，缩短了工期。在冻结方案的设计上，吸取了以往工程事故的教训，冻结设计采用了有限元分析，水平冻结采用了双排孔冻结方式，确保施工安全。江中段冻结设计方案如图8所示。

图8  江中段对接段水平冻结孔布置图

暗挖施工过程采用上下导洞分步开挖，开挖完成后安装弧形钢结构支架并浇注喷射混凝土形成一次支护，然后绑扎钢筋浇注二次永久支护。为避免后续融沉和隧道运行期间的不均匀沉降的不利影响，现浇段永久支护设置两道变形缝。

2）冻结暗挖施工

在施工中为确保工程安全，采用了设置安全门和备用液氮罐等应急措施。对接段施工中，克服了水平冻结成孔、开挖过程中管片拆除等困难，于2007年6月底顺利实现了贯通。

4  结语

上海市轨道交通4号线于2003年7月1日发生事故，经过半年多的调研、试验、论证和比选，确定了原位修复的总体技术路线，2003年8月完成了初步设计和施工大纲的编制并通过市建委科技委的评审。修复工程于2003年8月底正式开工，历经34个月，2007年6月底攻克了所有的技术难关，圆满实现了修复工程的结构贯通。回顾和总结近4年从事故发生到方案论证确定以及施工完成的过程，有以下一些体会；

1）上海市轨道交通4号线修复工程为国际工程事故修复提供了一个范例。修复工程的成功实施表明，类似的市政隧道事故，采用合理的施工方案和相应的施工技术，采用原位修复是可行的；

2）本修复工程取得成功的关键在于施工方案是在充分的调研、现场试验的基础上，经专家反复研讨后确定，关键的方案和工艺选定具有较高的科学性、可行性和合理性；

3）总结修复施工过程，对关键的隧道破损点判断、选用基坑明挖为主的修复方案等是准确和适当的，为今后类似工程提供了可借鉴的经验；

4）本工程中的一些突破性创新工艺和技术，如超深地下连续墙施工、超深地下障碍物清理、超深双高压旋喷加固、超深承压水降水、连接段冻结暗挖施工等，大大提升了国内软土地下工程的施工技术水平，为今后上海乃至全国大规模地下空间开发奠定了技术基础；

5）目前，修复工程虽然已经实现了结构贯通，并进入轨道和设备安装调试阶段，但是还需密切关注修复段长期稳定性的问题，尤其是明挖基坑和隧道连接段采用了冻结暗挖方式，其后期沉降和跟踪注浆是我们今后关注的重点。