摘 要：本文介绍上海地铁一、二号线地下工程结构设计及施工方法的主要技术特点。针对上海软粘土的高压缩性和流变性，车站深基坑和盾构法区间隧道施工中采用了一系列优化施工工艺和施工参数的治理方法，经济有效地控制了地层移动。
关键词：地铁、地下工程、基坑、盾构法隧道
1、工程概况
上海地铁一、二号线，总长37.7km（见图1）。其中一号线地下车站11座，单线盾构隧道18.8km；二号线地下车站12座，单线盾构隧道24.2km。工程所处地层基本为饱和和含水流塑或软塑粘土层，土抗剪强度低、含水量高、灵敏度大，大多数属中高压缩性土层，并且具有较大的流变性（见表1）。土体经扰动后强度明显降低，且在长时间内进行固结和次固结沉降。
一、二号线地铁线路十字交叉穿过市中心区，车站大多数设在街道狭窄、两侧建筑物密集的城市道路下面，街道下地下管线密布。区间隧道大多数穿过市中心城区，地面建筑年代久远、结构基础型式为浅基础，盾构在下部穿越引起地极易产生由不均匀沉降导致结构裂缝。面对这些工程技术困难，在工程实践中进行了技术攻关和科学研究。在地下墙深基坑及盾构法隧道施工、地下车站结构防水和区间隧道结构防水等方面，力求在设计和施工技术中运用安全、可靠、经济、合理的方法。
图1 上海地铁一、二号线走向示意图
在近10年来的工程实践中，通过对不同施工工序和施工参数车站深基坑施工过程中进行现场监测分析，形成了一套较完善运用时空效应原理的理论和方法，以充分利用软土自身控制变形的潜力来进行深基坑开挖施工方法。在盾构施工过程中，采用信息施工土自身控制变形的潜力来进行深基坑开挖施工方法。在盾构施工过程中，采用信息施工和以优化施工参数为主的手段来控制地层移动。在对邻近建筑物保护技术方面，逐步从常规的事先保护法，发展完善成套动态过程保护法，确保邻近建筑物的保护控制在结构允许的范围以内。区间隧道和车站纵向刚度设计中、采用有限刚度柔性结构设计理念，既满足了结构合理安全使用，又降低了地下工程的造价。
上海典型土层土性参数表 表1
2、地下工程的结构设计
2.1 地铁车站结构设计
图2考虑时空效应的基坑挡墙
计算模型
在建筑物密集的市区建造地铁车站，常采用地下连续墙围护，其侧墙有单层墙和双层墙两种结构形式。单层侧墙的地下墙既作为施工阶段的围护结构又作为使用阶段的永久结构；双层墙是将地下连续墙作为基坑开挖阶段的围护结构，内部结构施工浇筑内衬形成永久复合型侧墙。
2.1.1 车站深基坑的计算模型及参数
地下墙墙体结构分别按基坑开挖阶段、回筑内部结构施工阶段及使用阶段进行结构内力和变形等方面计算。基坑开挖时地下墙内力按“总和法”计算，内部结构施工时地下墙～内部结构组合框架内力按“分步叠加法”计算。基坑开挖阶段地下墙内力～变形计算，国内外常用的计算方法很多，有相当梁法、弹性法、塑性法、假想支点法、弹塑性法等等。
目前我们一般采用弹性杆系有限元法的计算模型，计算参数Kh采用在一定施工条件和一定地基加固条件下的经验等效水平基床系数。水平基床系数根据实测分析土体的开挖深度、土的流变特性、墙体主动区和被动区应力水平及地下墙无支撑暴露时间来选定（见图2）。
2.1.2 车站内部结构施工阶段“地墙～内部结构组合框架”内力计算
采用单层墙内部结构施工阶段内力计算：地下墙与内部结构板按绞接相连，承受水平荷载时墙体内力可按与开挖相似“总和法”模型独立计算，水平荷载输入尚需计入结构板浇筑前该墙体的“先期位移”，内部结构板承受竖向荷载时的内力计算，采用弹性地基上的框架模型，按各施工阶段进行内力叠加。
采用双层墙内部结构施工阶段的内力计算：一般根据各施工阶段的增量内力采用“分步叠加法”计算；即随着各回筑阶段地下墙逐步与内部结构结合成弹性地基上层数不同的框架体系，先分步计算各不同阶段因荷载增量所产生的框架内力，再进行内力叠加，形成内力包络图。（见图3）。
图3常用浇拆工序时的框架荷载内力示意图
2.1.3 车站结构纵向变形及内力处理的结构措施
图4 诱导缝布置示意图
在灵敏度和压缩性较高的饱和含水粘性土层中修建地铁车站，结构产生纵向变形和内力的主要影响因素有地基不均匀沉降、温度和干缩。为了使地铁车站结构的挠曲和剪切移动控制在一定的限度内，以往通常是采用加大车站侧墙和顶、楼板的厚度，通过提高车站的纵向刚度来控制车站的纵向变形。这往往又导致施工阶段混凝土温度内力及建成后若干年内干缩应力的增大，从而引起结构的开裂与渗水。国外为了解决这一问题往往是通过加大纵向配筋来控制裂缝的宽度，这又导致造价过大。通过对软土地层中车站基坑开挖回弹～再压缩规律的研究，以及在合理的工艺条件下，对混凝土施工阶段温度应力和建成后一定时间内干缩应力的控制，在考虑长期使用阶段季节性温差引起的纵向应力基础上提出诱导缝结构构造措施。
由地基不均匀沉降、温度及干缩引起的结构弯曲应力及水平应力通过设置的横向缝予以释放防止混凝土的开裂，但又不允许车站底板挠曲和剪切移动超过一定限度，通过横向缝两侧可滑移的钢筋来使整个车站结构满足一定的抗弯刚度（见图4）。既使结构具有一定纵向刚度来满足轨道的平整度，又防止结构板砼的开裂。
2.2 区间隧道结构设计
2.2.1 计算模型
盾构隧道的结构按平面问题计算，计算模式取自由变形的弹性匀质园环，并按衬砌与地层共同作用、接头影响的弹性铰园环复核。作为弹性匀质圆环，考虑到接头的影响，对衬砌的抗弯刚度EI取0.65～0.75的折减系数。弹性铰园环是将各纵缝接头按其所处的位置，可能产生的变形形态、螺栓的设置等处理成能承受一定弯矩即 的弹性铰， 为接头刚度（KN·m/rad）， 为接头转角（rad）。其设计荷载简图（见图5）。
图5设计荷载简图
2.2.2 结构形式
为了提高衬砌环缝承受隧道纵向变形引起剪力的抵抗能力、抗裂及防水等要求，将管片的端肋面设计成凹凸榫。
管片宽度为1m，既便于起吊、安装又使缝相对减少，随着管片生产拼装精度的提高和拼装设备负荷增大，管片宽度可适当增加。
管片环面大凸榫承受千斤顶力，可减少环面压损。小封顶拆装方便，亦可减少长冲程千斤顶。
2.2.3隧道衬砌防水
由于采用高精度钢模（各向误差小于0.5mm），使生产钢筋混凝土管片误差小于1mm，同时采用了弹性防水密封垫，使得拼装后的隧道管片缝达到衬砌渗漏量小于0.1L/m2d；无滴漏线流；管片抗渗要0.6Mpa以上。
弹性防水密封垫设计要求，（一号线）按环缝张开5mm和（二号线）环缝张开8mm，纵缝张开6mm，可抗水压0.6Mpa。
3、地下工程的施工技术
3.1 地铁车站深基坑施工技术
基坑开挖不可避免地要引起坑内土体的应力释放，基坑开挖土体的空间尺寸的大小直接决定了每步开挖土体释放的应力大小。同时粘性土具有明显的流变性，尤其是淤泥质粘性土，基坑围护结构的变形在同一工况下会随着时间的延长而不断增长。因此，选取合理而可靠的施工工序和施工参数，就能在设计中科学地定量地考虑时空效应为主要特征的施工因素。按此合理而规则地施工，就会使土体应力路径和土体应力状态的变化由复杂莫测变为有一定规律。使软土基坑变形的预测值与实测值变得相符，基坑变形达到可控。按上海地铁实践，地下车站深基坑施工工序及其参数可分为以下三种（图6、7）：
图6 长条形基坑施工顺序及参数示意图 图7 基坑斜支撑部分的开挖步序和参数示意图
3.2 盾构施工技术
3.2.1 盾构的选型
在近20m深的饱和含水的粘土性土层粉砂土层中采用加泥式土压平衡盾构，可以满足盾构施工对周围环境控制变形的保护要求，使得地表变形在隆起1cm、沉降3cm的范围内。
3.2.2 土压平衡盾构的施工
合理的盾构施工参数是根据盾构试验段（一般出洞100m），在结合以往盾构推进参数的基础上凭地表面变形监控数据及盾构施工记录的施工参数优化得到的。特别是采用了以单环推进引起的盾构上方地面隆沉曲线推算按同样施工参数做长距离推进所引起的纵向地面隆沉曲线的方法，据以及时调整施工参数，可使盾构在全线推进中随地质、埋深、环境条件变化而动态地加以优化，提高控制地面变形的效果。
在优化施工参数中，盾构的正面压力、推进速度、出土量和同步压浆材料、压力与数量，以及推进中纠编幅度是精心掌握的重点。
对在粉砂、砂质粉土中盾构施工，要根据测试数据提高土舱压力，以在推进过程中疏干正面一定范围的土体，防止土体液化而由出土器喷出，同时又向正面压注适量泥浆或泡沫，来提高土的塑性和减少刀盘切工阻力。
3.3 地铁区间隧道联络通道及泵站的施工技术
隧道上下行线设置联络通道是为了便于区间隧道内列车发生火灾等意外事故时，乘客能就近下车，快速安全疏散到另一条平行隧道中去。
在上海饱和含水软弱地层中，建造区间联络通道的办法不外乎有以下几种：
① 竖井法－在场地条件允许的情况下，地面做围护由上至下开挖，再和相邻两条隧道联通。
② 顶管法－在地质条件允许的情况下，用钢顶管顶进挖掘，类似箱涵顶进施工，下部泵站施工可采用类沉井工法。
③ 类矿山法－先对联络通道及其泵站部位土体进行地基加固，待加固地体达到一定强度后，采用类矿山法进行施工。
被加固的土体要求匀质、不透水（抗渗透系数小于10－9cm/s）、具有一定的强度。根据不同的地质及施工条件采用不同的加固方法，如：水泥土加固和冻结加固。
4、施工监控
环境岩土工程监控技术是通过将常规手段与高精度连续自动监测手段相结合对工程自身强度和变形以及周围环境进行监测，通过对施工过程的监控和分析研究，摸索一整套优化施工参数保护周围环境的信息化施工技术。
在车站基坑施工过程中，实践证明：按照软土基坑工程时空效应的理论和方法，所设计的基坑在施工过程中，在各层开挖阶段的挡墙水平位移及相应的墙后地层位移基本符合设计预测值，但由于地层的各向异性和不均匀性以及地层在施工扰动时发生的难以预测到的不明确因素，在施工过程的各个阶段还可能发生某些偏离预测值的现象，这就必需在施工过程进行施工监测和有效控制。该项工作是保证地下工程的实际地层位移符合预测的一个关键环节，其工作要点有四：
(1) 按照基坑周围环境保护要求，设计基坑工程并预测坑周地层位移分布，通过设计分析，确定出关键监测点。对各关键观测点均要经预测计算，提出各重要部位在各层开挖过程中各阶段的变形速率的警戒值 ，（如图8）：
图8 基坑分层开挖时的挡墙位移图
式中， ——某层开挖中的墙体变形速率（每班次的变形增量）； ——开挖第i层过程中墙体允许最大水平位移值； ——开挖第i-1层过程中墙体允许最大水平位移值； ——经验系数，取0.8~0.9；N——开挖一层的工作班次。
(2) 按照测点的监测内容选择具有相应功能与精度的测试仪器，最常用和有效的有：①挡墙内设置的测斜管，误差≤0.5mm；②测量地表及建筑物垂直位移及水平位移的精密水准仪（误差≤0.2mm）及经纬仪（误差≤0.5mm）；③支撑轴力测压传感器（误差≤10kN）；④孔隙水压计（误差≤0.01MPa）。
(3) 在关键部位施工过程中，对该部位关键监测点的监测数据，要紧跟工况发展进行数据处理与反馈分析。
(4) 当变形速率的监测数据达到警戒值时，立即采取有效控制，以事先备用的措施将施工中的风险性趋势制止在萌芽状态。使基坑工程坑周环境的安全和质量始终处于可控状态。
按一定施工参数施工中单环监测数据推算施工参数相同的
长距离推进的地面纵向变形示意图
在盾构施工过程中，施工监测是对周围环境进行积极保护的关键措施，通过施工监测和诊断各种施工因素对地表变形的影响，提供优化施工参数的依据，根据观测到的结果，预测下一步的地表沉降和对周围建造及其它设施的影响，以便采取合理可靠的保护措施。根据单环监测数据分析推算按相同施工参数长距离推进地面纵向变形曲线是盾构施工监测的精髓（见图9）。
5、邻近建造物及设施的保护技术
在上海建筑物密集市区进行地铁车站深基坑开挖和盾构施工，环境保护问题是一个十分辣手的问题。根据上海地铁深基坑的工程经验，按环境保护的要求将基坑变形控制标制标准分三个保护等级如表2。
按表2所要求的主要参数地表最大沉降量和围护墙水平位移以及抗隆起安全系数来实施基坑工程，对环境保护问题通常采用两种做法：(1)事先保护法;(2)过程保护法。
5.1 事先保护法
事先保护法是在基坑实施前对工程地质和周围环境作深入调查，提出基坑施工时减少地层位移的施工工艺和施工参数，并针对环境允许的强度和变形，事先对周围环境采取工程保护如隔断法、基础托换、地基加固、结构补强等方法。
5.2 过程保护法
由于地下工程的不确定性，施工过程中各个阶段可能发生某些偏离预测值的情况或者在采取事先保护法时费用过大或不能完全彻底解决问题的情况，事先有所准备在施工过程中采取的动态保护方法，有跟踪注浆法、被动区注浆法、降水纠偏法等等。
基坑变形控制保护等级标准 表2
注：H为基坑开挖深度， 为抗隆起安全系数，按圆弧滑动公式算出，c、f值取固结快剪峰值的0.7倍。
· 跟踪注浆法：
进行软土深基坑开挖卸载造成围护墙两侧压力差过大引起基坑内土体回弹隆起，以及围护墙变形引起围护墙坑外主动区土体损失，对坑周边建筑物及地下管线均会造成不均匀沉降差，若不均匀沉降差超出现有设施允许值，便会导致周边设施的破坏。怎样在施工过程中减少坑外土体的损失是控制现有设施不均匀沉降差的关键。
跟踪注浆法就是在基坑施工各个阶段，在严密监测的前提下，通过紧贴坑外注浆管进行及时、适量、分层、低压速注浆，及时填充由于开挖造成坑外土体损失（如图10）。
对盾构施工土体损失引起地表建筑不均匀沉降，也经常采用及时跟踪注浆的办法来控制沉降差。
· 被动区注浆法
图10
图11
在基坑施工过程中，由于基坑较深，围护墙刚度相对较小，同时存在深层超载或运营地铁的振动荷载引起围护墙变形速率过大。提高被动区抗力在被动区采取的双液分层注浆技术。被动区注浆通常要求要和支撑预应力的更加结合在一起，及时用支撑力将围护结构 顶紧，有效控制基坑的变形（如图11）。
· 降水纠偏法
上海软粘土地下水位较高，大多夹有薄层粉砂，采用真空深井可控地降低地下水位，利用降水后土层中有效应力的增加，原来由孔隙水压承担的荷载将逐渐转嫁到土骨架上，因此随着孔隙水压力的消散，将会引起土体固结和变形，导致地表和建筑物的沉降。降水纠偏只是通过监控，将这种沉降变得可控有利。
由于上海软粘土水平渗透系数大于垂直渗透系数。采用降水纠偏要注意地下水位降低对地下管线及邻近其他建筑物的不利影响，因此对降水井所产生的水头的高低及由此引起土体固结沉降量要特别引起重视，影响方案设计及实施的时候井点布置。某工程通过控制建筑物不同点的水头高度达到了调整建筑物不均匀沉降差之目的。
6、轨道结构的设计与施工
轨道是地铁运营设备的基础，它直接承受地铁列车荷载，引导列车的运行。由于地铁列车轴重轻、行车密度大、运营时间长、维修保养时间短，轨道结构在强度、稳定性、耐久性方面具有以下特征：
1) 适应维修时间短，养护工程量少，使用寿命长的特点；
2) 扣件具有适量的弹性，使列车运行所引起的振动与噪声控制在容许的范围内；
3) 要具有绝缘性能，降低杂散电流对周围金属的电腐蚀；
4) 减少轨道结构的零部件的非标品种，尽可能选用铁道部通用件，以降低工程造价和养护费用。
6.1 轨道设计
针对上述原则，钢轨应具有足够承载能力、抗弯强度、断裂韧性及稳定性、耐磨性、耐腐蚀性等。钢轨的选型采用了国铁“年通过重量在30～60Mt时，采用60kg/m钢轨”的选型规定。
地铁扣件要求具有足够的强度、扣压力和耐久性，以及具有良好弹性和绝缘性能。根据不同减振要求分别在整体道床采用DTⅢ型扣件和轨道减振扣件，地面线碎石道床地段，采用了国铁的定型扣件，详见图12、13。
道床在隧道内采用整体道床，考虑到上海区间隧道处于饱和软土地层中，为了减少隧道结构纵向不均匀沉降以及运营列车振动可能引起隧道下卧土层振陷和液化，将道床设计成连续支承的纵向轨枕式整体道床，道床和管片具有一定的抗剪强度粘结成一个整体，通过加大结构重量减缓振动以减少对隧道结构周边土体的影响，钢轨下的弹性垫层及钢筋混凝土基础都是顺线路方向连续的，其横断面图详见图14。
6.2 轨道结构的施工
1、 于地铁圆形区间隧道的内径较紧凑，无法提前设置轻型轨道作为施工材料的运输线路，而只能利用正式钢轨，并在道床施工地段两侧水沟设置。
2、 龙门吊轨道采用长轨枕。
3、预拼轨排然后运到施工地段，再用钢轨支撑吊挂，经调整合格后浇筑混凝土道床，使轨道施工既便捷又快速，其整体道床施工工艺流程图详见图15。
图15 整体道床施工工艺流程图
为了提高地铁线路的质量，轨道设计采用了超长无缝线路，无缝线路采用温度应力式。锁定轨温确定为1/2（当地的最高轨温＋当地的最低轨温）±5℃。无缝线路的焊接方式，采用工厂接触焊机将短轨焊成250米长的长轨条，送至现场，再采用洞内气压焊接成无缝线路，针对隧道内小半径曲线及陡坡给无缝线路铺设与锁定带来的困难，采用“分段铺设、交叉锁定、线上连焊、统一换算”的施工方案，比较合理地解决了劳力、设备及技术标准的难题。
轨道是地铁运营设备的基础，它直接承受地铁列车荷载，引导列车的运行。由于地铁列车轴重轻、行车密度大、运营时间长、维修保养时间短，轨道结构在强度、稳定性、耐久性方面具有以下特征：
1) 适应维修时间短，养护工程量少，使用寿命长的特点；
2) 扣件具有适量的弹性，使列车运行所引起的振动与噪声控制在容许的范围内；
3) 要具有绝缘性能，降低杂散电流对周围金属的电腐蚀；
4) 减少轨道结构的零部件的非标品种，尽可能选用铁道部通用件，以降低工程造价和养护费用。
7、结论
1. 在软粘土地层采用考虑时空效应的理论和方法进行深基坑设计和施工是一条被实践证明经济而可靠的技术途径，在软土基坑工程得到广泛的应用。
2. 科学的施工工艺和施工参数是设计的必要依据，也是控制基坑变形的关键。科学的监测方式及信息化施工以及根据监测信息对施工工艺及参数做必要的优化是工程成功的保障。
3. 盾构施工中根据单环推进引起上方地表沉降推算按相同施工参数做长距离推进引起地面隆沉曲线，进行施工参数的优化是施工的精髓。
4. 辅助施工技术和措施是地下工程的必不可少的关键手段之一。随着施工技术的提高，将会得到广泛地应用和发展。
5. 采用合理的轨道结构措施，可避免列车长期振动引起砂性土的液化和软粘土的振陷。
参考文献
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[2]刘建航、侯学渊编 盾构法隧道 同济大学出版社 1996
[3]刘建航 侯学渊主编 基坑工程手册 1997 中国建筑工业出版社
[4]刘建航 地下墙深基坑周围地层移动与治理 上海 地下工程与隧道1991年第二期 1993年第三期
[5]"基坑工程时空效应理论与实践"研究课题总结报告 上海市地铁总公司 同济大学
[6]Liu JianHang (1998-October 18-21)"Design and Construction of Excavation for Shanghai Metro" Proc of Sessions of GEO-CONGRESS 98. ASCE
[7]Peck Deep Excavation and Tunneling in Soft Ground Proc.7th int. Conf. Soil Mechanics and Foundation Engineering, Vol3. State of the art reports. Mexico City 1969
[8]葛世平 软土地铁车站纵向变形预测与治理研究 同济大学博士论文， 2000.8
原文作者：葛世平（上海地铁运营有限公司）
