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1、地铁工程设计与施工新技术 【摘 要】地铁工程在轨道交通规划网中的地位举足轻重，本文结合该工程的建设情况，简单介绍了方案中线路设计、换乘方式和盾构穿越地下墙时所体现的新思路。详细总结了车站施工和盾构推进过程中为保护周围环境和控制地层移动，所采取的一系列科学合理的新技术和新措施。【关键词】地铁车站 “八”字形线路 换乘方式 玻璃钢纤维（GFRP） 冻结法施工 盾构上下重叠推进远程监控系统1 前言根据上海城市2050远景总体规划，最终规划轨道交通线路总长562Km，共21条轨道交通线，其中地铁11铁，轻轨10条。绝大多数成放射状，而明珠线二期（M4）与明珠线一期（M3）西部线路相结成环，是轨道交通系
2、统中唯一的城市环线。它是联系其他线路的纽带，其主要功能是将其他轨道线路联系起来，使整个上海轨道交通网成为一个有机的整体。对于现阶段来说，地铁4号线首先要与已建的1号线、2号线、明珠一期线西部线路接轨，形成“申”字形轨道交通网络的基本骨架。本文将主要介绍地铁4号线工程建设过程中的设计及施工不同于以往的一些新的技术特点，以供交流。3设计新特点地铁4号线工程作为上海地铁规划中最重要的环线，城市平面投影完全落在内环线以内的中心城区，与已建、在建、将建地铁线有众多的交叉换乘，是上海地铁交通实现辐射功能的中枢，其是一个庞大的系统工程，涉及建筑、结构、机电、车辆、通信、信号、环控等多个方面。3.1线路设计特
3、点1)成环，包括共环与独立成环。在初期运营时（2005-2015年），地铁4号线与已建好的明珠一期成环共营，远期(2030年以后)再考虑独立成环，中期阶段（2015-2030）考虑两者共存。由于前者17个车站全为地下，后者9个车站全为高架车站，针对不同时期的运营要求，既要考虑与明珠一期的设施与界限的兼容性，又要考虑今后的升级，这就意味着，地铁4号线的线路设计，是一个承前启后的设计，需要从建筑、结构、机电、信号、通信等多个方面考虑不同阶段的要求，关系是相当复杂的；2）障碍条件多，线路设计限制多。上海属于典型的软土地区，又是中国工业化、城市近代化最早的城市，也是近十年来中国发展最快、城市基本建设投
4、入最大的城市之一，地下新老构筑物众多，且存在很多不明障碍物，地面高层建筑、交通市政设施繁多，因地质条件差，大多地面建筑、构筑物都采用桩基（包括近年建造的多层和小高层），加之地铁4号线正好全部建在繁华的中心城区的地下，线路选择的一个基本原则是逢桩就让，遇到不可克服的障碍物也要让，这就决定了要最终选定一个符合功能要求的、满足车辆运行的、经济合理的路线是多么不容易的事情。3)小半径区间多。产生小半径区间，一种原因是成环本身就决定的，因为从虹桥路站转到宝山路站的环转向近270度，由于某些转角偏大，甚至形成了曲线车站，如上体场车站；另一种原因，就是由于许多障碍物的限制导致的，比如从宜山路站、上体场站到蒲
5、汇塘停车场方向去的线路，在不到1公里范围内其连续穿过明珠一期高架及内环高架的数个桥墩之间，由此产生了许多小半径区间及缓和曲线，半径最小的才150米，大的不过300米。过小的半径对盾构施工及车辆运行的要求都较高。4）桥隧结合。正是由于前述地下线路与高架线路成环的特点，形成标高上的过渡，导致线路“上天入地”，在地铁4号线工程的两个端头，形成桥梁、隧道过渡（中间还有暗埋与光栅坡段）的线路特点。5)局部线路上下变位重叠。在地铁4号线工程的浦东南路站-南浦大桥站区间及南浦大桥-西藏南路站区间，由于南浦大桥站周围存在密集的桥墩桥基（长桩），使得线路接近南浦大桥站时，水平方向空间不足，不得已改变线形，在近南
6、浦大桥两端头井的二百多米范围内，两区间线路垂直重叠，用垂直空间换水平空间，形成地铁4号线一大特色。由于这个原因，其会形成南浦大桥站的上下重叠的侧式站台，并导致区间盾构施工的诸多难度。6)局部线路“八”字形地铁4号线工程停车场选址于中山西路以西蒲汇塘以北处，其出入线以“八”字形分别在上海体育场站和宜山路站与正线接轨,见图3。出入场线右线接轨于宜山路站南端上、下行正线，然后线路以R=250m曲线跨下行正线后，穿过中山西路，在中山西路南侧设盾构工作井。此后线路采用明挖法，线路以R=150m的曲线接入车场。出入场左线接轨于上海体育场站西端下行正线出入场左线，随后以R=300m曲线下穿凯花公寓桩基，下穿
7、中山西路，最后线路再以R=300m曲线折向出入场右线，与出入场右线并行接入车场。3.2多种站型地铁4号线的线路设计特点，从一定程度上决定了车站对站台的选择。多数车站为岛式站台车站，而象临平路车站，则为岛侧式站台车站，而由于前述的原因，在南浦大桥车站形成了上下重叠式侧式站台车站。从车站层数来说，由于标高的变化、地下开发及处理与其他地铁线路的关系等原因，形成以二层车站为主，兼有一层半（如溧阳路车站）及三层（如上体场车站，浦东南路车站）车站。3.3换乘点多，换乘方式多样地铁4号线线路的走向及其功能决定了其势必与规划路网中的诸多地铁、轻轨交通线相衔接，形成较多换乘点，17个车站中有11个车站与其他线路
8、形成换乘，而在宝山路及虹桥路接轨段，实现与明珠一期的共线换乘。本工程以既定的规划路网为依据，因地制宜采取了多种换乘形式，如表2所示：3.4 根据地铁现状及规划，解决连接设计正是由于地铁4号线的环状、与其他线路多个相交的特点，需要解决其与已有线路、在建的及规划线路的连接问题。1)对于已有线路，地铁4号线在1好线上体馆车站处与上体馆车站实现T型换乘连接，前者的站台层穿过后者的站层下方，形成新老一体化结构。设计上采用了托换桩梁的方法对老车站结构的荷载托换，通过设后浇带的形式解决新老结构变形协调的问题，通过冰冻矿山法对穿越段进行穿越设计，形成了地铁4号线设计问题中最难的结构设计问题；在2好线东方路站，
9、地铁4号线的张杨路站与2好线实现平行换乘，并利用东方路站的老地下连续墙结构作为围护及支撑受力结构，对既有线路的影响也是非常之大的，形成地铁4号线工程设计中又一突出的结构问题。2)对于在建线路，如地铁4号线与M8线在西藏南路站十字相交，由于两线具有同步实施的条件，则在此站采取了统一设计的方法，圆满解决二者的连接。3)对于规划线路，主要采取预留连接措施的办法。如对于宜山路车站，由于其与R4线相交，R4线盾构将在宜山路车站建成后，在车站底板下穿过，为方便以后盾构的成功穿越，在穿越处地下墙下部11.8米深度范围，采用玻璃钢纤维（GFRP）代替钢筋并采用低标号砼（C10）的设计方案；又如东安路车站，由于
10、其与规划中的M7线相交换乘，因此在设计东安站时就预先考虑了十字换乘而在换乘段采用三层结构，以方面今后新老线路的顺利连接。3.5考虑适当开发土地与地下空间资源都是宝贵的不可再生资源。地铁4号线设计根据上海市的发展阶段与水平，适当地考虑了地下空间开发及与周边的联合开发。如在浦东南路站、西藏南路站、张杨路站都有数千平方米的地下空间开发量，而在临平路站，则考虑了与周边房地产联合开发设计的可能性。对于土地开发，由于停车场需要占用大量的土地，如果象老的地铁线路一样，辟出专门土地只用于停车场之用，则非常浪费，因此，地铁4号线工程停车场考虑了相当量的物业开发，拟在地面一层建造停车场，停车场上部通过巨型框架结构
11、及大厚板转换层进行物业开发及景观设计，等于再造了相当于停车场用地的土地面积，必将获得巨大的社会经济效益。这方面的尝试与经验，完全可以用作对以前单纯停车场的物业改造。3.6 土建结构及设备方面不拘一格1)围护设计：采用多种围护结构,有地下连续墙（800与600），SMW墙；多种接头形式（预制接头桩，锁口管柔性接头，十字钢板刚性接头）；并对封堵墙加以灵活应用，一般说来，封堵墙在翻交过程中应用较广，而在张杨路车站中，其被用来切割大基坑为小基坑，通过4堵封堵墙将长条形深基坑分成5块，大大降低了基坑施工的风险；2)用时空效应指导挖土、支撑设计。由于上海的土层基本上属于第四纪海积相软土，土的蠕变效应明显，
12、因此设计将时空效应引入为设计参数，对规范基坑施工及减少环境影响，起到很好作用；3)永久结构采用双墙与单墙形式。一般说来，上海由于地下水位高，多采用双墙车站形式。近年，由于地下连续墙施工水平的提高，为地下连续墙作为永久结构提供了技术上的保证，因此在地铁4号线的某些车站（大木桥路、东安路及天钥桥路）采用了单墙结构，效果也不错；4）连续的结构变化：由于地铁4号线的线路特点，对某些车站、区间都出现了从地下暗埋到地面甚至高架的连续的结构变化。对于车站，如宜山路车站，车站长度达600多米，包括暗埋、明挖基坑、光栅爬坡及高架桥梁等连续结构变化段；对于区间：如宜山路-虹桥接轨站的下行线，中漕井到葡萄糖厂到停车
13、场的出入场线等，出现盾构区段、明挖爬坡及高架桥梁等连续结构变化段。这些对接头过渡部分的设计有较高要求。5)设备上的突破。采用西门子的前推平开式车辆，使地铁4号线的车站的限界设计与以往平开式车辆有所区别；对于车站结构，考虑到乘客安全、分区环控及节能要求，还采用屏蔽门设计。4施工新特点4.1从顺作法到逆作法、框架逆作法及盖挖逆作法地铁4号线工程的绝大多数车站均采用顺作法施工，局部翻交段采用了逆作法，而只有东安路车站采用了全逆作法施工。采用顺作法的代价是占用道路，牺牲城市交通效率，在象上海这样繁忙的大都市，实在是不得已而为之。而通过东安路逆作法的实践，发现期费用及工工期并未增长，而对周边环境保护相当
14、有利，邻近2.5米处有一2层、天然地基的线性加速器房要保护，施工最大差异沉降不到1/1000，满足特级保护要求。费用未见增长，是因为施工水平的进步及小型挖机的合理高效利用，环境保护好得益于逆作法化深大基坑为浅小基坑的作用，而对于高温天气，顶板以下的砼施工及养护的环境也是相当有利的。当然，全盖逆作法，有一个材料运输面狭窄的问题。而在浦东南路-南浦大桥区间的过江风井，采用框架逆作法，将可克服这个缺点。对于上海，因为采用封交或翻交的方法，代价是较大的，而市政府将严格控制地铁施工对道路的影响与占用，这就极有可能将逆作法、框架逆作法甚至盖挖逆作法大量推到地铁建设的前台。4.2盾构技术的新进展上海1，2号
15、线所采用的FCB盾构仍然在地铁4号线工程中应用，还是采用通缝拼装。但是，地铁4号线工程也从日本三菱公司进口了4台新的盾构，采用1200*300mm的薄管片，错缝拼装，整体刚度较通缝拼装要高。从投入使用的效果来看，防水效果好，工作效率高，纵横沉降小，对周边环境影响不大。应当作为上海今后盾构应用的一个方向。也有遇到盾构覆土相当浅的情况（只有盾构直径的一半），对此采用压重的方法，取得较好的效果。此外，在用9号盾构开挖浦东南路-南浦大桥上行区间时，采用机械式履带运土代替轨道运土，管片与土方分道，效率大幅度提高，最高每天推进21环，有着很好的应用前景。4.3临近施工及构（建）筑物保护对于车站，由于上海房
16、屋密集，车站围护距民房过近，有的接近零距离。简单施工不可避免会对民房的结构安全和正常使用带来影响。在外围采用树根桩等隔离保护，并充分发挥时空效应，取得了较好效果。对于区间，一般上、下行线距离都较近，为了避免二区间同时施工的影响，同向推进时，采用一先一后方式，如浦东大道-张杨路区间，采用6号、7号盾构同向推进，间隔200环以上，可以保证效果；若采用掉头盾构，则基本无影响；有相当极端的情况，如杨树浦路站-浦东大道站区间与相连的大连路隧道同时施工，区间最近距离仅十几米，由于二者均采用较先进的新盾构，相互干扰相对减小，过于临近并未产生不良影响；鲁班路-西藏南路区间与卢浦大桥浦西段桥桩距离同样很近，区间施工时，卢浦大桥的桥墩钻孔桩也在施工，由于区间采用新的12号盾构施工并加强监测与协调，二者并未产生不利影响；南浦大桥两端头区间采用重叠盾构施工，采用先下后上，一先一后的方式，进展顺利。在构（建）筑物保护方面，针对保护对象的特点，因物制宜，也积累了可
