揭秘“四號線隧道”

李澤旭

世界地鐵建設(shè)史上也曾經(jīng)發(fā)生過類似四號線董家渡段的隧道損毀事故，但是大都采用了施工難度較小的“改線修復(fù)”。董家渡修復(fù)工程的成功，創(chuàng)造了國際地鐵隧道施工領(lǐng)域的奇跡。

12月28日，上海地鐵六、八、九號線一期，一號線北北延伸段，四號線修復(fù)段將同時開通，上海地鐵發(fā)展給人們帶來的便利將進一步擴大。許多人在欣喜之余把目光特別投向了歷時4年完成的四號線修復(fù)段。

確實，上海軌道交通四號線有點特別，它是上海軌道交通近期規(guī)劃中唯一的一條環(huán)狀線，四號線同一號線、二號線組成“申”字，構(gòu)筑起上海軌道交通的基本框架。上海地鐵四號線浦東南路站至南浦大橋站區(qū)間隧道工程是一個過江區(qū)間段，全長2000米，其中江中段約440米。2003年7月1日凌晨，“環(huán)”在這里出現(xiàn)缺口，正在施工的四號線董家渡段發(fā)生中間聯(lián)絡(luò)通道流沙事故，導(dǎo)致約270米隧道發(fā)生坍塌，一時備受關(guān)注。

事故發(fā)生后，方案組進行了大量的勘察和工藝試驗，調(diào)研了國內(nèi)外先進的施工工藝和設(shè)備，在此基礎(chǔ)上進行了反復(fù)的方案論證和比選，確定了以深基坑開挖為主的原位修復(fù)方案。

工程自2004年8月28日開始正式施工，2007年7月9日主體結(jié)構(gòu)通過有關(guān)方面驗收，成功實現(xiàn)了第一例深層大型隧道坍塌事故的原位修復(fù)，并在國內(nèi)軟土地下工程施工技術(shù)上取得了較大的突破。

被截斷的四號線終于從“Ｃ”字形變成“Ｏ”字形，這里面有著太多太多不為外人所知的秘密。在修復(fù)段即將通車之際，《新民周刊》采訪了全程親歷者、上海隧道工程股份有限公司軌道交通四號線修復(fù)項目常務(wù)副經(jīng)理朱衛(wèi)杰。

“蛋糕”里造“雞蛋”

“20層樓有多高？如果按照每層3米計算的話，就有60米。四號線修復(fù)段正式施工的第一步就是要在地下插入157幅65．5米高，總延長米近700米的地下連續(xù)墻，將施工區(qū)域保護起來。”朱衛(wèi)杰告訴記者。

破損的地鐵隧道在地下30多米深處，連續(xù)墻為什么要做這么深？朱衛(wèi)杰從上海的地質(zhì)層構(gòu)成開始娓娓道來。

上海是軟土地層，從地面到地下200米左右分13層，就像一塊多層蛋糕。⑦號土往下稱之為承壓含水層，打井到⑦號土，井內(nèi)的水位會升到離地面8米深的地方。四號線修復(fù)工程涉及到除⑥號土、⑧號土的①號到⑨號土，連續(xù)墻打入⑨號土六七米深，基坑直接挖到⑦號土，也是上海地下工程遇到的最深的土層。

連續(xù)墻深度與承壓含水砂層直接相關(guān)，往下插得不夠深，外面的土和水就會繞進來，專業(yè)上講叫蠕變效應(yīng)，這樣連續(xù)墻圍擋內(nèi)的基坑就挖不成。四號線修復(fù)段基坑最深的地方41米，按照1．57的插入比，連續(xù)墻的深度也確定在65．5米。

“在‘蛋糕里切出一個65．5米深的槽，兩側(cè)不會坍塌么？”朱衛(wèi)杰說，“以前，我也有這樣的疑問。事實上，并不會出現(xiàn)這個情況。”

施工時先在地面做好導(dǎo)墻，形成一個大于1．2米寬、深兩三米的鋼筋混凝土溝槽，抓斗從這里向下挖。挖的同時把特制的泥漿灌下去，最后形成一個灌滿特制泥漿的65．5米深槽。特殊泥漿用膨脹性膨潤土和自來水、膠性高分子材料、純堿混合而成的特制“水”混合。膨潤土遇水后會膨脹，有懸浮性，“水”中的純堿是擴散劑，保證里面的土顆粒散開，泥漿均勻。泥漿灌注低于地面，但高于承壓水水位，所以溝槽內(nèi)泥漿的壓力要比土體中大，“水”帶著膨潤土顆粒滲入兩側(cè)土中，具有膠性的特殊土顆粒會把兩側(cè)土內(nèi)的空隙彌補住，形成泥膜，在槽內(nèi)泥漿壓力下把兩側(cè)的土頂牢。

溝槽挖好后，將相當(dāng)于20層樓高的超長鋼筋籠用吊車吊到溝槽內(nèi)設(shè)計位置，鋼筋籠內(nèi)兩個位置放置有20厘米直徑的混凝土導(dǎo)管，直插到底，混凝土通過導(dǎo)管往下打，從下向上一點一點將泥漿置換出來，最后形成一幅鋼筋混凝土墻。

當(dāng)時有專家測算，157幅連續(xù)墻中間的接縫總長度近1萬米。如果有萬分之一空隙，后果是很嚴(yán)重的。實際上最危險的地方是地下20米到50米的地方，一旦出現(xiàn)縫隙，土和砂就會由水帶進基坑，并造成連續(xù)墻外地面的塌陷。因此，四號線修復(fù)工程中每一幅連續(xù)墻的接頭都做了細心處理，接頭使用十字鋼板，十字鋼板事先澆筑在前一幅連續(xù)墻內(nèi)，前面伸出50厘米的鋼板嵌入下一幅。

“四號線修復(fù)工程形成的超深地下連續(xù)墻成套技術(shù)，達到國際先進水準(zhǔn)。對上海深度空間開發(fā)起到很大的推動作用，包括9號線宜山路、徐家匯地鐵站以及青草沙引水工程等工程都用到了這一技術(shù)?！敝煨l(wèi)杰說。

連續(xù)墻是基坑的一部分，四號線修復(fù)段超深基坑等于3個正常地鐵車站的深度，40米處連續(xù)墻受到的壓力達到每平方米70噸。這就像在具有超大壓力的“蛋糕”里造“雞蛋”，稍有不慎就可能“殼”碎“蛋”毀。朱衛(wèi)杰說，“基坑最深的地方垂直設(shè)置了10道現(xiàn)澆鋼筋混凝土支撐，總長近270米的基坑平行每8米左右設(shè)置一排支撐，一共設(shè)置31排，中間一根聯(lián)系梁，最終形成一個立體網(wǎng)狀支撐結(jié)構(gòu)?！?/p>

消除“腹腔積水”

“四號線修復(fù)工程中的排水問題是另一大難題。一個是挖開后基坑內(nèi)的水要抽掉，也就是降水。不然一直向上冒，冒到一定程度，水和土一起出來，越演越烈，破壞基坑同時還會造成周邊環(huán)境的沉降。另一個是基坑兩側(cè)需連接的地鐵隧道內(nèi)原來涌入的水要排干?！敝煨l(wèi)杰說，“這就像一個因重病腹腔積水的病人，‘水排不出去，病也不能治好?！?/p>

上海地下工程施工中的降水關(guān)鍵要解決連續(xù)墻外的水繞過連續(xù)墻向基坑內(nèi)流動的問題?；油狻暗案狻笨障逗艽螅涣⒎矫椎耐晾锩嬲嬲念w粒物大概只有40％，剩余的都是空隙，空隙里面有水和少量空氣，水沒了土層必然會沉降。如果為確?；觾?nèi)無水進行不合理排水，會造成基坑外地下承壓水位過度下降引發(fā)超過允許值的地面沉降和建筑物傾斜。

“基坑內(nèi)的水降下去不難，只要有足夠的井。重點要解決的是基坑內(nèi)的水降下去同時周邊不要發(fā)生沉降?！敝煨l(wèi)杰說，“國內(nèi)曾經(jīng)有個工程，基坑不很深，但造成周邊沉降10到20厘米，這樣的沉降是四號線修復(fù)工程不能接受的。為此，我們請來國內(nèi)巖土水文地質(zhì)方面有很強實力的上海巖土工程勘察設(shè)計研究院，他們設(shè)立了專門的研究項目，優(yōu)選出最佳方案。”

降水有兩大方法，一個是抽水井設(shè)置在連續(xù)墻外面，通過不斷抽水在基坑外形成地下降水漏斗區(qū)。同時，在更遠的范圍設(shè)置回灌井，通過回灌保持漏斗區(qū)外側(cè)的地下水穩(wěn)定，減少地面沉降，而靠近基坑一側(cè)的漏斗區(qū)范圍可以維持基坑外沒有水向基坑內(nèi)流動。這一方法需要很大的施工范圍，對于四號線修復(fù)工程來說無法使用，因為不僅四號線修復(fù)工程基坑外沒有設(shè)置抽水井的空間，更重要的是這樣做會使周邊環(huán)境發(fā)生很大的沉降，威脅到周圍的建筑設(shè)施。

四號線修復(fù)工程采用的是另外一種方法——坑內(nèi)降水。在基坑內(nèi)打了35口排水井，深度在地面下61米處，61米到46米的15米區(qū)間為取水的透水區(qū)，通過不斷抽水，在41米到45米范圍內(nèi)形成漏斗區(qū)，漏斗區(qū)內(nèi)沒有水，土比較干硬，上面可以安全施工。同時，因為連續(xù)墻外⑦號土與⑨號土之間有很薄一層透水性較差的土起到一定阻擋作用，外面的水向內(nèi)滲透比較緩慢，使得坑內(nèi)承壓水位降到45米深處，坑外水位能基本保持在地下11～12米處。最終，經(jīng)過實測發(fā)現(xiàn)基坑外面因為降水造成的建筑物沉降只有1～2毫米，原來準(zhǔn)備在外面比較重要地區(qū)使用的回灌井也沒有用上。

冰凍“外科手術(shù)”

四號線損毀段的損毀直接原因來自聯(lián)絡(luò)通道冰凍法失控，造成通道外水和泥沙突破冰凍區(qū)域進入隧道。而修復(fù)工程前期和后期的成功關(guān)鍵也集中在了冰凍法上，歷史似乎再次回到原點。

“在水里挖個‘坑，誰都辦不到。但是把水凍起來，這個‘坑就不難挖了。修復(fù)工程中的凍結(jié)法有兩個作用，一個是初期在做連續(xù)墻的時候插到隧道破損臨界點的地方，要用世界上最大的深層障礙物清除全回轉(zhuǎn)鉆機將原隧道切開，切的時候如果不做處理，就會把臨界點處好的隧道破壞。另外，后期在基坑內(nèi)修建成的新隧道與原隧道的‘血管對接過程需要先將接頭外側(cè)泥沙和地下水與隧道隔絕，防止?jié)B漏?！敝煨l(wèi)杰說，“在破損臨界點采用垂直和水平冰凍法施工的這兩次細部動作被我們稱為‘血管外科手術(shù)。”

2004年年末，黃浦江一側(cè)的臨界點上面開始向下打孔。通過打進隧道的四個小孔向隧道內(nèi)灌砂漿，把10米左右長的一段隧道里面灌滿?！斑@樣做是因為砂漿的冰凍封塞效果好?！敝煨l(wèi)杰解釋說。砂漿灌滿后，單個隧道的上面又打下4排每個間距在1．5米左右一共40多個的冰凍孔，安放冰凍管。凍結(jié)管最外一層為直徑12．7厘米的無縫鋼管，里面套有直徑4．5厘米的小鋼管，在需要凍結(jié)范圍處設(shè)置隔板。零下30度的氯化鈣鹽水通過小鋼管進入冰凍范圍，再通過小鋼管與大鋼管中間的引流管引回冷凍站降溫。冰凍速度以每天3厘米的范圍向外擴展，每個冰凍管外形成一個“冰棍”，40多個“冰棍”最終連在一起形成一個4．8米厚、13．2米長寬的冰凍墻體，外直徑6．2米的隧道被完全包裹固定在內(nèi)。

“這個冰凍范圍是綜合冰凍塊與隧道壁的摩擦阻力、凍結(jié)管插入后的固定力和隧道內(nèi)的壓力，經(jīng)過精確測算得出的?！敝煨l(wèi)杰說，“隧道內(nèi)的壓力主要是水壓力，每平方米范圍大約達到30噸，整個隧道內(nèi)冰凍墻受到的水壓力大約是750噸，而冰凍墻的安全承受力大約在2250噸，具有較高的安全度。”

經(jīng)過45天到60天的時間，冰凍墻整體形成，積極凍結(jié)結(jié)束，并轉(zhuǎn)入常規(guī)凍結(jié)。常規(guī)凍結(jié)將冰凍墻的平均溫度保持在零下15度左右，并維持10個月左右時間。2005年10月份，完成使命的垂直凍結(jié)停止。

怎樣才能知道冰凍墻內(nèi)的溫度是否發(fā)生變化？

“這是修復(fù)工程很重要的一部分監(jiān)控系統(tǒng)的一個環(huán)節(jié)?！敝煨l(wèi)杰說，在冰凍群管中間、外圍和冰凍墻重點部位，每50厘米深處就有一個溫度監(jiān)測點，13．2米長寬、4．8米厚的冰凍墻的垂直方向有七八個這樣的監(jiān)測孔。積極凍結(jié)期間主要監(jiān)測溫度是否持續(xù)變化，如果有相反的溫度變化，就需要采取措施；維持凍結(jié)期間在整體凍結(jié)零下15度的狀況下，重點監(jiān)測是否有溫度上升變化，正常情況下凍結(jié)體溫度是比較穩(wěn)定的，一旦土體凍結(jié)后，解凍時間是很長的。如果凍土中有流動水等異常情況，凍土溫度會快速上升，這時就要采取應(yīng)急措施了。

修復(fù)工程后期，在對新老“血管”對接之前，要進行對接頭部位的水平凍結(jié)。向基坑外側(cè)隧道的周圍穿入15．5米長的兩圈冰凍管，內(nèi)排管間距在2米左右，外排間距在1．5米左右。水平冰凍使隧道開挖面以外形成3米厚的冰套，冰套內(nèi)新隧道將老隧道包裹起來，內(nèi)側(cè)再用2厘米厚的鋼箍固定連接。

2007年6月，經(jīng)過4年的艱苦奮戰(zhàn)，突破了65．5米超深地下連續(xù)墻施工；38米超深地下障礙物清理；50米復(fù)雜地層中超深地基加固；41米超深基坑開挖；43米超深承壓水降水；7．8米大斷面凍結(jié)暗挖工程；30米深度壓力等級隧道內(nèi)抽水清理這7大科技難題，開創(chuàng)軟土地下工程施工領(lǐng)域多個第一后，四號線修復(fù)工程順利實現(xiàn)結(jié)構(gòu)貫通。2007年7月9日，主體結(jié)構(gòu)通過有關(guān)方面驗收。

隧道施工業(yè)界權(quán)威人士表示，世界地鐵建設(shè)史上也曾經(jīng)發(fā)生過類似董家渡的隧道損毀事故，但是大都采用了施工難度較小的“改線修復(fù)”。董家渡修復(fù)工程的成功，可以說是創(chuàng)造了國際地鐵隧道施工領(lǐng)域的奇跡。