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浅谈上海市沿江通道工程

作者:田海洋  发布:2015/9/15  浏览:
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摘 要:上海市沿江通道越江隧道(浦西牡丹江路—浦东外环线)新建工程(以下简称沿江通道越江段)是沿江通道新建工程的重要组成部分,位于上海市东北角,连接宝山区和浦东新区。该工程的建设有利于市域高速公路网的完善,改善集疏运系统,优化黄浦江下游越江交通布局,缓解S20公路越江隧道拥堵,是支持上海国际航运中心建设和地区经济社会协调发展的基础性工程。

意义

刷新隧道新纪录黄浦江底最大最长

上海市沿江通道越江隧道(浦西牡丹江路—浦东外环线)新建工程(以下简称沿江通道越江段)是沿江通道新建工程的重要组成部分,位于上海市东北角,连接宝山区和浦东新区。该工程的建设有利于市域高速公路网的完善,改善集疏运系统,优化黄浦江下游越江交通布局,缓解S20公路越江隧道拥堵,是支持上海国际航运中心建设和地区经济社会协调发展的基础性工程。

沿江通道新建工程全长约30km,越江段全长8.7km,隧道主线上行线为6521.563m,下行线为6486m,圆隧道长度分别为5264.836m 和5219.17m。全线采用双向6 车道高速公路标准设计,隧道段设计车速为80km/h。目前开工的下行线采用曾应用于上海长江隧道、钱江隧道、长江路隧道等工程的2 台直径为15.4m泥水平衡盾构机,隧道外径为15m,内径为13.7m,刷新了上海黄浦江底隧道最大、最长纪录。

工程范围从江杨北路—富锦路—浦东五号沟,分为浦西接线段、越江段和浦东接线段,共分3 期实施:

一期:沿江通道越江隧道(浦西牡丹江路—浦东外环线),主要是过江段,长度约8.7km,建成后将分担外环隧道压力,为外环隧道的大修提供条件;

二期:沿江通道越江段浦西接线段(富锦路—江杨北路),以高架为主,长度约4km,建成后集卡直接穿越G1501 越江隧道,减少对同济路立交的影响;

三期:沿江通道越江段浦东接线段(浦东外环线—五号沟),长度约17.6km,直接分离浦东侧G1501 与A20 共线的问题。

完善上海郊环线3条隧道各司其责

沿江通道工程的建设,将进一步完善《上海市骨干道路网深化规划》提出形成“一环、十二射”加“一纵、一横、多联”的布局。工程建成后,将与同三国道、东南郊环、浦东郊环等一起使“C”字状的G1501 郊环线变成“O”字状,形成全长约200km 的完整环状,也将成为申城最长的环状公路。同时,上海北部通道基本形成沿江通道、外环隧道、长江路隧道等3 线并存的局面,沿江通道主要以中长距离货运交通为主,外环隧道主要承担中距离货运交通,长江路隧道主要承担中短距离货运交通,收集宝山及蕰藻浜以南区域宝山货运交通,从而大大改善北部交通压力。

方案——工程总体方案

沿江通道越江段起点位于牡丹江路与富锦路交叉口东侧,以隧道方式穿越长江、黄浦江,在浦东滨江森林公园接地后,以高架方式与外环线相接。

1、平面设计

越江段起点位于牡丹江路与富锦路交叉口东侧,在牡丹江路东侧约为263m 入地,沿漠河路北侧绿地在小沙背处转入长江,隧道先后避让军用码头,穿越宝杨码头、长航码头、国际邮轮码头、炮台湾湿地公园、吴淞导堤和黄浦江,在浦东滨江森林公园处登陆,以高架方式与外环线相接。

本工程线路按左线、右线分别布置,分别为2 条全线贯通的主线线路。隧道段左线共布设4 处平曲线, 曲线半径分别为R=1150m、R=970m、R=1500m和R=4000m。隧道段右线共布设4 处平曲线,其曲线半径分别为R=1150m、R=950m、R=1500m 和R=4000m。

2、纵剖面设计

浦西陆域线路在隧道接地点以-3% 的纵坡接入隧道。为满足隧道洞口内外5s 内纵断面线形一致以及匝道分合流点纵坡≤ 2% 的要求,在洞口内外各约200m 范围内设置一段-2%的缓坡,之后以-3%的坡度竖向避让小沙背涵闸、涵闸管理用房桩基和防汛墙后进入长江。

江中和炮台湿地公园处,盾构段采用0.6 %和-0.59%的缓坡组合,先后避让宝杨路码头撑杆墩桩、下穿长航码头桩基、炮台湾湿地公园钢渣层和吴淞导堤桩基后进入黄浦江段。由于受到黄浦江深槽最大冲深(-20.5m)下圆隧道覆土运营阶段≮ 7.1m 的控制要求,以及衔接浦东S20 立交标高的双重限制,黄浦江和浦东陆域的隧道纵断面采用3.0%+ 2.0%+ 3.0%的纵坡组合,全线采用3.0%的纵坡中,坡长最长为1060m。

隧道段纵断面设计中,竖曲线最大半径为20000m,最小半径为 7000m。隧道段采用最大纵坡3.0%,最小纵坡 0.59%。

3、标准横断面设计

盾构段横断面由0.25m(防撞侧石)+ 0.5m(路缘带及边沟)+ 3.5m( 车行道)+ 3.75m×2(车行道)+ 0.75(路缘带及边沟)+ 0.25m(防撞侧石)= 12.75m 组成。

4、建筑设计

圆隧道横断面分3 层:上部为排烟风道;中间为车道层;下部分成3 部分空间,车行方向右侧为纵向安全通道,中间为检修通道,左侧为电缆通道。浦西、浦东工作井为地下5 层,深度均约为26.5m。暗埋段下2层为车道层,每孔设置2 根3.75m 和1 根3.50m 的车道。横断面采用两孔一管廊形式,管廊内分3 层,由上至下分别是电缆通道、安全通道和集水沟。

5、通风、消防、排水等

隧道通风采用射流风机诱导型纵向通风,并在盾构段采用重点排烟方式。隧道设置泡沫—水喷雾联用灭火系统,全线贯通。圆隧道全长5219m,采用了纵、横结合的疏散、救援方式,即采用人行横向连接通道和疏散楼梯相结合的方式。圆隧道段共设置连接左、右线的人行横向连接通道6 座,疏散楼梯42 座。

与沪通铁路各行其道

沪通铁路衔接南通、上海,建成后将成为苏中、苏北地区与上海之间连接的以客运为主、兼顾货运的便捷客货运输通道,作为一条设计时速200km/h 的快速铁路,它也是沿海铁路通道和长三角城际轨道交通网的重要组成部分。

为确保沪通铁路沿线实施条件,优化上海市北部和浦东地区的通道布局,特别是减少对宝山区城市规划区的影响,对沪通铁路上海段和沿江通道方案进行了优化。自2013 年8 月开始, 在比选了沉管方案、盾构方案等多种方案后,2014 年8 月确定沪通铁路与沿江通道各自采用隧道方式穿越黄浦江。沪通铁路越江段采用盾构隧道穿越,布置在国际邮轮码头和沿江通道线位之间的水域,在国际邮轮码头引桥的桩基空档间穿越。沪通铁路盾构隧道在沿江通道越江段浦西敞开段和浦东暗埋段、敞开段处需2 次穿越沿江通道。

其中沪通铁路盾构隧道在沿江通道越江段浦西敞开段与隧道平面相交,纵向结构净距最小净距为11.8m。在浦东段与暗埋段、敞开段斜交,竖向结构净距约2.0m。考虑预留铁路盾构隧道穿越条件,盾构隧道及其两侧各3m 内不打设抗拔桩;为增加下穿隧道施工时结构稳定,及满足隧道抗浮要求,采用隧道下穿段底板适当加厚、敞开段抗拔桩局部加长加密、暗埋段底板下设钻孔桩等措施,满足铁路盾构后期掘进施工的需要。

技术——工程难点

一是穿越吴淞口导堤,导堤使用年限已经超过100 年,必须克服超大直径盾构穿越过程中对吴淞口导堤造成的影响。

二是穿越炮台湾湿地公园,公园下有厚度不等钢渣,沿隧道轴线方向约850m,距离初步设计的隧道管顶最小距离为5.3m。钢渣层平均厚度约9m,浅部整体结构较致密,下部稍松散。这些不明障碍物和钢渣可能存在于盾构机切削断面内,造成盾构设备故障,严重时可导致施工暂停。

三是近距离穿越桩基,隧道沿线需近距离穿越国际邮轮码头引桥、老长航码头和宝杨码头撑杆墩等桩基,特别是长航码头,有5 根钢筋混凝土方桩在隧道断面内,必须在掘进过程中采取措施进行保护,防止盾构机穿越过程中对桩基周边土体造成扰动。

四是软土层中连接通道施工,考虑到隧道内应急逃生及横向联系,将设置6 条江底连接通道。通道所处土层为⑤2 层,含微承压水,可能有较高的含盐量,对冻结和开挖带来一定风险。

设计关键技术

隧道设计是工程建设的灵魂,隧道工程的美观、实用、质量、耐久、安全、经济合理都基本上是设计所决定的。因此,如何进一步优化隧道设计,促进隧道功能设施集约化,并在已经进入的既有隧道常态化大修阶段如何构建建养一体的隧道建设理念,是沿江通道工程设计的核心问题。

1 、圆隧道结构计算及优化

(1)地质情况

  沿江通道越江段盾构隧道沿线场地标高-91.51m 范围内土层由第四系全新统至上更新统沉积地层组成。沿线场区受古河道切割影响,⑥层缺失,⑤层分布较厚。隧道主要穿越地层为③2,④, ⑤1, ⑤2, ⑤2t,⑤3-1

(2)衬砌结构设计

经计算分析,同时总结国内外大直径盾构隧道的设计经验,结合本工程的实际情况,以及管片预制、运输及盾构机拼装能力,衬砌圆环分为10 块,即7 块标准块、2 块邻接块和1 块封顶块,厚度65cm,环宽2m。在厚650mm 管片的环面迎千斤顶处设一高4mm 的凸面,提高管片的局部抗压能力。纵缝内双侧设一高2mm 的凸面,提高接头的抗压能力。

环与环间以38 根M30 的纵向螺栓相连,既能适应一定的纵向变形,又能将隧道纵向变形控制在防水要求的范围内。块与块间以2 根M39的环向螺栓紧密相连,能有效减少纵缝张开及结构变形。为方便管片拼装时的定位,每条纵缝内设两根长度为300mm 的橡胶定位棒。环、纵向连接件均采用锌基铬酸盐涂层作防腐蚀处理。

衬砌接缝采用压缩变形小、应力松弛小、耐老化性能佳的三元乙丙橡胶密封垫和遇水膨胀挡水条组成两道防水线。

(3)盾构进出洞最小覆土优化

盾构隧道进出洞最小覆土厚度与工程地质、周边环境有关,覆土厚度越小,对地面的影响越大。为了减少明挖段的长度及深度,节约工程投资,在工程条件允许的情况下尽量采用较小的覆土厚度,盾构的进出洞最小覆土厚度一般取在0.53~0.70D(D为隧道外径),沿江通道盾构出洞覆土按照0.5D 控制,覆土深度均7.5m,均能满足加固和抗浮安全等要求,并具有良好的施工条件。

(4)工程纵断面设计优化

纵断面设计是盾构隧道管片设计的前提,沿江通道工程纵断面设计主要考虑钢渣段及长航码头桩基,总的原则是尽可能地通过优化方案减少覆土。为此,一是对钢渣段充分调研深入勘察,明确具体埋深、厚度以及地质参数;二是由避桩方案变为拔桩长航码头等关键节点拔桩方案,减少了钢渣层覆土,减小上部荷载,钢渣段管片设计由厚度650mm的钢混复合结构优化为传统管片结构。

(5)圆隧道管片含钢量优化设计

沿江隧道越江段埋深起伏较大,通过优化地层关键参数、优化主筋和构造筋设计等措施,并设置浅埋(15m)、中埋(20m)、深埋(25m)、超深埋(30m)、最深埋(35m)等5 种埋深情况设计,从而实现圆隧道管片含钢量优化设计。

2、岸边段结构设计及优化

随着盾构隧道直径日益变大,隧道岸边段结构也朝着越来越大、越来越深的方向发展,岸边段结构面临的安全、质量问题也日益增大。一是开工前开展专项水文地质勘察,有效的控制降水问题;二是如何更加有效的提升岸边段结构裂缝控制水平,提升岸边段结构质量。

(1)专项水文地质勘察。工程开工前需要开展水文地质试验的系统性、区域性研究,充分掌握施工区域的水文地质情况,建立区域水文地质模型。通过专项水文地质试验,沿江通道工程对⑤2, ⑤2t等水文地质参数在勘察报告基础上有了清晰认识,优化了围护结构的设计方案。

(2)岸边段结构质量设计优化思路。为了达到岸边段叠合结构的无渗漏或减少渗漏,采取从围护、结构、施工缝入手全方面设计质量控制。一是围护结构地墙厚度优化,提升围护结构自身的抗变形能力,以减小对结构施工影响,控制裂缝产生因素。二是优化拆撑工况,尽可能加大内衬竖向施工空间,且避免钢支撑换撑工况,减少拆撑过程的围护结构变形。三是基坑配合大模板施工,为满足底板达到设计强度后可同时拆除底板上方车道层内2道支撑,适当加厚地墙厚度,减薄内衬墙厚度。四是尝试采用橡胶止水接头等新工艺优化地墙接缝防水设计,并优化结构预埋钢筋连接器,减少钢筋连接器数量,确保连接器位置地墙施工质量。五是裂缝控制措施。顶板与侧墙交角处各自3m范围内为加强区,加大纵向钢筋配筋率;顶板后浇部分混凝土在角部设置放射状细钢筋网片。

3、圆隧道重要节点的分析

圆隧道先后穿越的重要节点主要有小沙背涵闸、宝钢雨水泵站、国际邮轮码头、苗圃大堤(黄浦江)、老长航码头、宝杨路码头、恺源景江苑。

4、隧道建筑功能设施优化

随着打浦路隧道90 年代、世博前的两次大修、2015 年即将开始的延安路隧道大修以及沿江通道完工后外环隧道大修,上海的隧道进入了一个既有隧道大修常态化时代。通过对上海市现有隧道运营情况的调研分析,发现存在隧道建筑与设施设计有待优化、交通安全与救援设施有待完善、设备系统设计与运营需求脱节、土建施工和设备安装遗留问题多等四方面的问题。为此,对于沿江通道工程,如何最大限度地满足公众对行车安全、高效和舒适的需要,如何最大限度地提供设施管理者运营和养护的需要,就是新阶段隧道建筑功能设施优化的重点问题。例如沿江通道在雨水泵房设计上,突破常规,由传统的单边设计,优化成中间设置,利于隧道排水及养护;隧道空间集约化利用,利用盾构车架段落深设置盾构隧道检修通道;管理中心合建集约化;沿江通道越江段隧道浦西风塔与上港十四区地块建筑合建。

5、道路隧道交通安全设施

城市地下道路具有交通流量大、车辆类型多、出入口多,发生火灾等事故的机率大,危险性高。为此,需要优化交通安全设施标识、疏散救援标志、隧道设备标识,构建基于功能型、服务型的完善的地下道路交通安全设施标准体系,以提升隧道服务性能,确保隧道车行安全、人员疏散及救援的可靠性。

施工关键技术

如何进一步提升大直径盾构隧道施工工艺水平,推进高速公路超大直径盾构隧道工程标准化建设将是沿江通道越江段面临新的挑战,从既有超大直径盾构机的功能再造、超大直径盾构小半径曲线施工等方面加强技术准备和研发,到岸边段结构全线结构采用大模板、大流态高性能混凝土。

1、既有盾构机维保关键技术

采用直径15.43m的泥水平衡盾构进行圆隧道盾构推进,属于既有大型盾构机再次利用,需要从主轴承等核心部件到车架配套设施开展一系列改造和维保。在沿江通道工程,将进一步研究盾构机多次利用的维保标准及再次使用风险标准,开展既有大盾构安全性的评估技术,进行大盾构功能再造与性能提升,并研究盾构机体非接触实时监测技术。确保城市复杂环境下盾构机推进可靠性。

2、复杂环境下盾构推进施工

在面临多次近距离穿越重要节点的情况下,长江路隧道工程提供了很好的范例,超大直径盾构机先后2次近距离穿越逸仙路高架、轨道交通3号线高架桩基影响区,凭借“1米穿越”刷新了我国盾构法隧道最近距离穿越高架的记录,并将沉降控制在25px以内,确保了城市复杂环境下城市重大交通设施运行安全。同时,克服小曲率半径大直径盾构推进难题,加强盾构轴线控制、间隙控制和同步注浆,确保了成型隧道轴线偏差、渗漏水等处于受控状态。

3、圆隧道内部结构快速施工

在内部结构施工管理方面,注重隧道内部结构施工从传统的粗放型向现代化集约型模式转变,在高精度、高质量盾构隧道管片预制拼装标准化基础上,推进盾构隧道内部结构预制构件标准化管理,并因地制宜实施烟道板结构模架标准化,深化内部结构现浇工艺标准化。

4、岸边段大模板结构的施工

采用装配式大模板施工,提高混凝土浇筑过程中质量,取消侧墙施工时的满堂式脚手架,降低模板支架搭设风险。

展望

随着新一轮建设的开展,沿江通道、北横通道工程等一批15m 级超大直径盾构隧道的施工,必将推动超大直径盾构隧道设计与施工建设管理体系将更加完善,因此还需要在以下几方面进行深化:

一是大流量重载交通状态盾构隧道设计。在类似沿江通道越江段超深埋、高交通流量、重载情况下,如何解决重载交通下盾构隧道动力响应及疲劳等结构稳定性,高水压超大直径盾构隧道结构防水,运营环境控制及盾构隧道结构耐久性等问题。

二是城市地区大直径盾构的标准化施工。随着基础建设进入新的发展阶段,标准化施工已是大势所趋,如何在既有经验基础上,深化潜力,进一步推动隧道内部结构预制拼装快速施工、隧道内部结构模架标准化及盾构隧道泥浆环保利用。

三是城市地区大直径盾构推进精细控制。超大直径盾构隧道由郊区进入城区,还需要克服大直径盾构小曲率半径推进、地面沉降微扰动控制技术、立体交叉穿越控制技术、浅覆土进出洞施工技术等问题。

四是既有隧道大修常态时代的隧道建设。在新的阶段,如何构建功能为先,开展系统功能设计标准研究,推动地下道路设施集约建设,进一步开展地下道路隧道运营、防灾及系统优化,重视设备系统可维护性、可检测性,易大修,提升隧道结构健康监测系统。

现场

上海沿江通道越江隧道工程由上海城投公路投资(集团)有限公司投资、上海市城市建设设计研究总院和上海市隧道工程轨道交通设计研究院联合体设计、上海隧道股份承建,工程总工期为60 个月,总投资约72 亿元人民币。其中上海隧道股份承建的Ⅰ标段约41.4 亿元人民币,主要包括浦西岸边段深基坑、浦东岸边段(含风塔)、圆隧道段、浦东地面辅道、浦西地面附属设施及道路等土建工程。2014 年12 月6 日,上海沿江通道越江隧道工程(简称沿江通道工程)首幅钢筋笼顺利入槽,标志着该工程已全面拉开了施工的序幕。

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