揭秘上海地铁四号线隧道修复工程

四号线项经部技术人员在现场研究施工方案

　　揭秘上海地铁四号线隧道修复工程

　　世界地铁建设史上也曾经发生过类似四号线董家渡段的隧道损毁事故，但是大都采用了施工难度较小的“改线修复”。董家渡修复工程的成功，创造了国际地铁隧道施工领域的奇迹。

　　撰稿／李泽旭(记者)

　　12月28日，上海地铁六、八、九号线一期，一号线北北延伸段，四号线修复段将同时开通，上海地铁发展给人们带来的便利将进一步扩大。许多人在欣喜之余把目光特别投向了历时4年完成的四号线修复段。

　　确实，上海轨道交通四号线有点特别，它是上海轨道交通近期规划中唯一的一条环状线，四号线同一号线、二号线组成“申”字，构筑起上海轨道交通的基本框架。上海地铁四号线浦东南路站至南浦大桥站区间隧道工程是一个过江区间段，全长2000米，其中江中段约440米。2003年7月1日凌晨，“环”在这里出现缺口，正在施工的四号线董家渡段发生中间联络通道流沙事故，导致约270米隧道发生坍塌，一时备受关注。

　　事故发生后，方案组进行了大量的勘察和工艺试验，调研了国内外先进的施工工艺和设备，在此基础上进行了反复的方案论证和比选，确定了以深基坑开挖为主的原位修复方案。

　　工程自2004年8月28日开始正式施工，2007年7月9日主体结构通过有关方面验收，成功实现了第一例深层大型隧道坍塌事故的原位修复，并在国内软土地下工程施工技术上取得了较大的突破。

　　被截断的四号线终于从“C”字形变成“O”字形，这里面有着太多太多不为外人所知的秘密。在修复段即将通车之际，《新民周刊》采访了全程亲历者、上海隧道工程股份有限公司轨道交通四号线修复项目常务副经理朱卫杰。

　　“蛋糕”里造“鸡蛋”

　　“20层楼有多高？如果按照每层3米计算的话，就有60米。四号线修复段正式施工的第一步就是要在地下插入157幅65.5米高，总延长米近700米的地下连续墙，将施工区域保护起来。”朱卫杰告诉记者。

　　破损的地铁隧道在地下30多米深处，连续墙为什么要做这么深？朱卫杰从上海的地质层构成开始娓娓道来。

　　上海是软土地层，从地面到地下200米左右分13层，就像一块多层蛋糕。⑦号土往下称之为承压含水层，打井到⑦号土，井内的水位会升到离地面8米深的地方。四号线修复工程涉及到除⑥号土、⑧号土的①号到⑨号土，连续墙打入⑨号土六七米深，基坑直接挖到⑦号土，也是上海地下工程遇到的最深的土层。

　　连续墙深度与承压含水砂层直接相关，往下插得不够深，外面的土和水就会绕进来，专业上讲叫蠕变效应，这样连续墙围挡内的基坑就挖不成。四号线修复段基坑最深的地方41米，按照1.57的插入比，连续墙的深度也确定在65.5米。

　　“在‘蛋糕’里切出一个65.5米深的槽，两侧不会坍塌么？”朱卫杰说，“以前，我也有这样的疑问。事实上，并不会出现这个情况。”

　　施工时先在地面做好导墙，形成一个大于1.2米宽、深两三米的钢筋混凝土沟槽，抓斗从这里向下挖。挖的同时把特制的泥浆灌下去，最后形成一个灌满特制泥浆的65.5米深槽。特殊泥浆用膨胀性膨润土和自来水、胶性高分子材料、纯碱混合而成的特制“水”混合。膨润土遇水后会膨胀，有悬浮性，“水”中的纯碱是扩散剂，保证里面的土颗粒散开，泥浆均匀。泥浆灌注低于地面，但高于承压水水位，所以沟槽内泥浆的压力要比土体中大，“水”带着膨润土颗粒渗入两侧土中，具有胶性的特殊土颗粒会把两侧土内的空隙弥补住，形成泥膜，在槽内泥浆压力下把两侧的土顶牢。

　　沟槽挖好后，将相当于20层楼高的超长钢筋笼用吊车吊到沟槽内设计位置，钢筋笼内两个位置放置有20厘米直径的混凝土导管，直插到底，混凝土通过导管往下打，从下向上一点一点将泥浆置换出来，最后形成一幅钢筋混凝土墙。

　　当时有专家测算，157幅连续墙中间的接缝总长度近1万米。如果有万分之一空隙，后果是很严重的。实际上最危险的地方是地下20米到50米的地方，一旦出现缝隙，土和砂就会由水带进基坑，并造成连续墙外地面的塌陷。因此，四号线修复工程中每一幅连续墙的接头都做了细心处理，接头使用十字钢板，十字钢板事先浇筑在前一幅连续墙内，前面伸出50厘米的钢板嵌入下一幅。

　　“四号线修复工程形成的超深地下连续墙成套技术，达到国际先进水准。对上海深度空间开发起到很大的推动作用，包括9号线宜山路、徐家汇地铁站以及青草沙引水工程等工程都用到了这一技术。”朱卫杰说。

　　连续墙是基坑的一部分，四号线修复段超深基坑等于3个正常地铁车站的深度，40米处连续墙受到的压力达到每平方米70吨。这就像在具有超大压力的“蛋糕”里造“鸡蛋”，稍有不慎就可能“壳”碎“蛋”毁。朱卫杰说，“基坑最深的地方垂直设置了10道现浇钢筋混凝土支撑，总长近270米的基坑平行每8米左右设置一排支撑，一共设置31排，中间一根联系梁，最终形成一个立体网状支撑结构。”

　　消除“腹腔积水”

　　“四号线修复工程中的排水问题是另一大难题。一个是挖开后基坑内的水要抽掉，也就是降水。不然一直向上冒，冒到一定程度，水和土一起出来，越演越烈，破坏基坑同时还会造成周边环境的沉降。另一个是基坑两侧需连接的地铁隧道内原来涌入的水要排干。”朱卫杰说，“这就像一个因重病腹腔积水的病人，‘水’排不出去，病也不能治好。”

　　上海地下工程施工中的降水关键要解决连续墙外的水绕过连续墙向基坑内流动的问题。基坑外“蛋糕”空隙很大，一立方米的土里面真正的颗粒物大概只有40%，剩余的都是空隙，空隙里面有水和少量空气，水没了土层必然会沉降。如果为确保基坑内无水进行不合理排水，会造成基坑外地下承压水位过度下降引发超过允许值的地面沉降和建筑物倾斜。

　　“基坑内的水降下去不难，只要有足够的井。重点要解决的是基坑内的水降下去同时周边不要发生沉降。”朱卫杰说，“国内曾经有个工程，基坑不很深，但造成周边沉降10到20厘米，这样的沉降是四号线修复工程不能接受的。为此，我们请来国内岩土水文地质方面有很强实力的上海岩土工程勘察设计研究院，他们设立了专门的研究项目，优选出最佳方案。”

　　降水有两大方法，一个是抽水井设置在连续墙外面，通过不断抽水在基坑外形成地下降水漏斗区。同时，在更远的范围设置回灌井，通过回灌保持漏斗区外侧的地下水稳定，减少地面沉降，而靠近基坑一侧的漏斗区范围可以维持基坑外没有水向基坑内流动。这一方法需要很大的施工范围，对于四号线修复工程来说无法使用，因为不仅四号线修复工程基坑外没有设置抽水井的空间，更重要的是这样做会使周边环境发生很大的沉降，威胁到周围的建筑设施。

　　四号线修复工程采用的是另外一种方法——坑内降水。在基坑内打了35口排水井，深度在地面下61米处，61米到46米的15米区间为取水的透水区，通过不断抽水，在41米到45米范围内形成漏斗区，漏斗区内没有水，土比较干硬，上面可以安全施工。同时，因为连续墙外⑦号土与⑨号土之间有很薄一层透水性较差的土起到一定阻挡作用，外面的水向内渗透比较缓慢，使得坑内承压水位降到45米深处，坑外水位能基本保持在地下11～12米处。最终，经过实测发现基坑外面因为降水造成的建筑物沉降只有1～2毫米，原来准备在外面比较重要地区使用的回灌井也没有用上。

　　冰冻“外科手术”

　　四号线损毁段的损毁直接原因来自联络通道冰冻法失控，造成通道外水和泥沙突破冰冻区域进入隧道。而修复工程前期和后期的成功关键也集中在了冰冻法上，历史似乎再次回到原点。

　　“在水里挖个‘坑’，谁都办不到。但是把水冻起来，这个‘坑’就不难挖了。修复工程中的冻结法有两个作用，一个是初期在做连续墙的时候插到隧道破损临界点的地方，要用世界上最大的深层障碍物清除全回转钻机将原隧道切开，切的时候如果不做处理，就会把临界点处好的隧道破坏。另外，后期在基坑内修建成的新隧道与原隧道的‘血管’对接过程需要先将接头外侧泥沙和地下水与隧道隔绝，防止渗漏。”朱卫杰说，“在破损临界点采用垂直和水平冰冻法施工的这两次细部动作被我们称为‘血管外科手术’。”

　　2004年年末，黄浦江一侧的临界点上面开始向下打孔。通过打进隧道的四个小孔向隧道内灌砂浆，把10米左右长的一段隧道里面灌满。“这样做是因为砂浆的冰冻封塞效果好。”朱卫杰解释说。砂浆灌满后，单个隧道的上面又打下4排每个间距在1.5米左右一共40多个的冰冻孔，安放冰冻管。冻结管最外一层为直径12.7厘米的无缝钢管，里面套有直径4.5厘米的小钢管，在需要冻结范围处设置隔板。零下30度的氯化钙盐水通过小钢管进入冰冻范围，再通过小钢管与大钢管中间的引流管引回冷冻站降温。冰冻速度以每天3厘米的范围向外扩展，每个冰冻管外形成一个“冰棍”，40多个“冰棍”最终连在一起形成一个4.8米厚、13.2米长宽的冰冻墙体，外直径6.2米的隧道被完全包裹固定在内。

　　“这个冰冻范围是综合冰冻块与隧道壁的摩擦阻力、冻结管插入后的固定力和隧道内的压力，经过精确测算得出的。”朱卫杰说，“隧道内的压力主要是水压力，每平方米范围大约达到30吨，整个隧道内冰冻墙受到的水压力大约是750吨，而冰冻墙的安全承受力大约在2250吨，具有较高的安全度。”

　　经过45天到60天的时间，冰冻墙整体形成，积极冻结结束，并转入常规冻结。常规冻结将冰冻墙的平均温度保持在零下15度左右，并维持10个月左右时间。2005年10月份，完成使命的垂直冻结停止。

　　怎样才能知道冰冻墙内的温度是否发生变化？

　　“这是修复工程很重要的一部分监控系统的一个环节。”朱卫杰说，在冰冻群管中间、外围和冰冻墙重点部位，每50厘米深处就有一个温度监测点，13.2米长宽、4.8米厚的冰冻墙的垂直方向有七八个这样的监测孔。积极冻结期间主要监测温度是否持续变化，如果有相反的温度变化，就需要采取措施；维持冻结期间在整体冻结零下15度的状况下，重点监测是否有温度上升变化，正常情况下冻结体温度是比较稳定的，一旦土体冻结后，解冻时间是很长的。如果冻土中有流动水等异常情况，冻土温度会快速上升，这时就要采取应急措施了。

　　修复工程后期，在对新老“血管”对接之前，要进行对接头部位的水平冻结。向基坑外侧隧道的周围穿入15.5米长的两圈冰冻管，内排管间距在2米左右，外排间距在1.5米左右。水平冰冻使隧道开挖面以外形成3米厚的冰套，冰套内新隧道将老隧道包裹起来，内侧再用2厘米厚的钢箍固定连接。

　　2007年6月，经过4年的艰苦奋战，突破了65.5米超深地下连续墙施工；38米超深地下障碍物清理；50米复杂地层中超深地基加固；41米超深基坑开挖；43米超深承压水降水；7.8米大断面冻结暗挖工程；30米深度压力等级隧道内抽水清理这7大科技难题，开创软土地下工程施工领域多个第一后，四号线修复工程顺利实现结构贯通。2007年7月9日，主体结构通过有关方面验收。

　　隧道施工业界权威人士表示，世界地铁建设史上也曾经发生过类似董家渡的隧道损毁事故，但是大都采用了施工难度较小的“改线修复”。董家渡修复工程的成功，可以说是创造了国际地铁隧道施工领域的奇迹。