上海地下工程建设中的经验和教训
摘要: 近年来, 随着上海的以及 2010 年上海世界博览会的迫切需求, 上海市掀起了基础设施建设 ( 特别是地下工程建设) 的新高潮。本文着重介绍了上海近几年来地下工程建设的现状和所取得的成就, 这其中包括轨道工程、越江隧道工程、地下道路工程、地下市政工程以及地下空间规划利用等多方面的进展情况。同时结合笔者多年来的地下工程建设经验, 对上海地下工程建设过程中存在的规划、建设以及管理等方面的问题和所得到的教训进行了。在此基础上笔者对上海地下工程今后的发展趋势进行了展望, 认为今后地下工程将向深层次化、信息化、以及节能化等方向发展, 并对今后地下工程的建设提出一些建议, 希望加强今后地下空间的立法管理以及地下工程建设过程中的风险管理。
关键词: 上海; 地下工程; 地下空间; 隧道; 基坑
引 言
城市地下空间资源作为城市的资源在经济建设、环境建设及城市可持续发展方面具有重要意义。上海作为我国最大的经济中心, 肩负着重要的使命, 但是, 上海城市用地的严重不足, 在很大程度上制约着上海的进一步发展, 因而要有效地开发、利用地下空间, 以缓解上海城市发展中的多种矛盾, 使地上、地下协调发展, 把上海建设成为立体化的城市,就具有特别重要的意义。目前, 上海地下空间已开发面积约 440 万平方米, 是全市总面积的 7‰。由于上海经济飞速发展以及 2010 年上海世界博览会的迫切需求, 使得上海地下空间的开发规模和速度不断增大, 上海地下工程建设随之进入了一个新的高潮。
1 上海地下工程建设的现状和成就
上海地下工程建设近几年在轨道交通、公路越江隧道、地下立交和道路以及地下市政工程设施等方面都有较多的建设项目, 并在地下工程建设技术方面有了较大的突破。由于文章篇幅有限, 这里将着重介绍一下上海市地下工程建设中的几个重大项目。
1.1 轨道交通
根据上海市地下空间规划, 到 2010 年上海市轨道交通数目将达到 13 条, 里程数约 510 公里。目前已经建成投入运营的线路为 1 号线～5 号线, 正在建设的线路为 6 号线～11 号线, 待建线路为 12 号线～13号线[1]。
上海市轨道交通采用了多种施工技术。
( 1) 车站和风井施工主要以明挖基坑为主, 根据车站周边建( 构) 筑物和管线情况, 选用顺做法或逆做法, 明挖法或盖挖法, 最小限度影响基坑周边的环境。日前, 在建的轨道交通 7 号线将在越江区间采用气压沉箱工法来施工中间风井, 这将是全自动无人化气压沉箱工法在国内的首次应用, 这可能为今后避免在承压水地层降水提供了一种新的有效施工方法。而且目前轨道交通 4 号线修复工程的基坑开挖深度将达到创纪录的 41m, 为软土地区开挖深度最大的基坑, 工程将面临许多诸如超深地连墙施工、超深承压水降水、超深基坑开挖、周边建筑物保护等一系列难题, 这将为上海市深层次地下空间开发提供一定的技术储备。
( 2) 轨道交通区间施工主要采用Ф6.34 m 土压平衡盾构 ( 图 1) , 并在轨道交通杨浦 ( M8) 线首次采用了双圆盾构法 ( DOT) 施工 (见图 2), 在施工参数控制方面取得了较大成功。由于双圆盾构法具有节省地下空间、避免修建旁通道的优势, 在建的轨道交通10 号线也有两段区间将采用双圆盾构法施工。估计,双圆盾构法在今后的上海轨道交通建设中将被更广泛的接受和采用。
( 3) 上海市轨道交通联络通道与泵站的施工采用以下三种方法: 冻结法加固+类矿山法水平暗挖、地面三轴搅拌桩加固+类矿山法水平暗挖、顶管法施工。其中以冻结法加固+类矿山法水平暗挖最为普遍。
( 4) 经过 5 条轨道交通工程的实践, 上海的隧道工程师们已经掌握了盾构穿越桩基群、穿越防汛墙,新老隧道间穿越, 隧道走向由平行转向垂直叠交以及车站枢纽工程施工等一系列完整的施工工艺, 不仅保证了隧道的按时完工, 也确保了隧道施工时周边建筑物的安全。
1.2 轨道交通沿线地下空间开发
轨道交通的建设, 将带动沿线商业以及地下空间的开发, 本文将简单介绍上海 3 处比较典型的地下空间开发实例: 人民广场地区、世博园区以及上海南站地区的地下空间开发[2]。
( 1) 人民广场地区: 人民广场是上海市的中心,也是最大的客流集散地, 轨道交通在此形成 1 号线、2 号线和 8 号线的换乘枢纽, 三线通过站厅和换乘通道实现付费区直接换乘, 并在南京路西藏路口设置了大型下沉式集散广场, 以方便客流的集散以及与地面公交的衔接。广场地下开发至四层, 分别是地下商业街、馆、游泳池、厅、地下车库, 均与地铁车站连通。
( 2) 上海南站:上海铁路南站是上海西南方向进出市区的门户, 是一个多功能的大型综合交通枢纽,汇集有 R1、M3 和 L1 三条轨道交通线、长途汽车站、近郊汽车站和公交枢纽站、出租车停车场等交通枢纽设施。上海南站广场地下空间除满足各种交通换乘功能, 还结合地下空间进行商业开发以提高整个广场的综合效益。由于乘客在地下换乘、购物、停车及通行, 吸引了大量人流至地下活动, 使得地面人车混杂的问题得以解决, 从而改善了地面环境。同时兼具解决了火车客流、城市交通客流、商业、环境及城市防灾减灾等功能。
( 3) 世博园区: 2010 年上海将举办举世瞩目的世博会。为更好地体现“城市让生活更美好”的主题,该地区进行了统一规划, 做到功能呼应。区域外围有良好的道路交通条件, 经周边道路可以快捷的进入城市高架快速路系统, 联系机场、铁路车站、港口码头、公路等对外交通设施。据分析, 公共交通承担的客流量均超过 70%, 其中轨道交通则达到 50%。将有四条地铁联系世博会园区内、外交通, 在以轨道交通为核心, 公共交通为主体的世博会交通中, 地下交通枢纽将成为整个交通网络的锚固点, 园区内大型展览馆将轨道交通作为其地下部分的延伸, 成为展馆的一部分, 乘客去乘座交通工具的过程, 和游客从出站口进入大型展馆的过程也是参观展览的过程。
1.3 公路越江隧道[3￣7]
根据上海城市总体规划, 到 2020 年黄浦江上越江设施的总体规模将达到 99 个车道。其中外环线以内的越江设施中, 隧道车道数将占到 70%左右。上海是拥有盾构法越江隧道最多的城市, 也是中国最大沉管法隧道所在的城市。上海已经建成的越江隧道共有 6 条, 分别是打浦路隧道、延安东路隧道北线和南线隧道、外环隧道、大连路隧道、复兴东路隧道、翔殷路隧道; 已经启动的越江隧道有 3 条: 上中路隧道、崇明越江通道南港隧道、西藏南路越江隧道;规划待建的越江隧道共有 5 条: 军工路隧道、长江西路隧道、新建路隧道、人民路隧道、龙耀路隧道。
( 1) 盾构法隧道 ( 见表 1, 表 2)
( 2) 外环沉管隧道[8]
这条大型沉管隧道—上海外环越江隧道是上海市外环线节点工程, 1999 年 12 月 28 日开工, 工程总投资近 17.48 亿元人民币。上海外环越江隧道是上海外环线两个过江段之一, 是亚洲目前最大的沉管隧道, 全长 2880 米, 隧道设 8 条机动车道, 共有 3 个孔, 中孔 2 车道, 车道宽 7.5 m, 两边孔各宽 11 m,设 3 车道, 设计车速为 80 km/h。外环隧道的建设是上海首次采用沉管法施工的越江隧道, 沉管段长736 m, 最大埋深 33 m, 共设 7 节管段。
( 3) 磁悬浮隧道工程
磁悬浮越江隧道工程东起浦东耀华支路上钢三厂附近、穿越黄浦江、到浦西新日铁路支线、龙吴路箱涵以东, 总长为 3.344 km, 其中隧道段为 2.58 km。线路设计为单洞双向, 列车运行速度为 200 km/h、列车运行试验速度为 300 km/h, 隧道一般仅 48s 就能够通过, 最快只要 31 s。高速磁浮列车系统是一个安全系数相当高的系统, 列车有 1000 个蓄电池, 当只有一半电池工作的时候列车还能维持 10 mm 的浮距。另外, 每一节列车的耐火时间能够维持 30 min。磁悬浮越江隧道具有以下一些特点:
( a) 磁浮铁路隧道是世界首创;
( b) 磁浮隧道工程对绝对沉降和相对沉降都有特别高的要求;
( c) 高速运营的磁浮列车给隧道带来的振动和通风设计与一般公路隧道的设计是不一样的;
( d) 防灾救灾条件特别。
随着上海市地下空间规划的出台, 以及为了缓解日益严重的堵塞问题, 上海市出现了越来越多地下立交和地下道路工程, 本文将着重介绍其中一个较大的项目- 虹许路管幕箱涵法工程。
中环线虹许路—北虹路下立交桥工程是我国第一次采用管幕法隧道施工, 也是世界上在饱和软土地层中施工的断面尺寸 ( 32m×8m) 最大和最长的管幕法工程 ( 图 3) , 采用了管幕结合箱涵顶进的施工工法。用 80 根环环相扣的钢管组成横截面达 273 平方米的“口”字型的阵列穿越了 126 米长的地下路段。该工法解决了高精度管幕顶进施工、不加固土体情况下的箱涵顶进、顶进时后坐力提供、箱涵及管幕间膨润土注浆来降低沉降、工具管的设计施工等一系列施工难题。
1.5 地下市政工程
地下市政工程, 特别是地下管线工程, 被称之为城市的“生命线”工程。可见地下市政工程对一个城市的重要性。在上海城市交通日益发达的今天, 地下市政工程设施建设也有了长足的进步。本文将着重介绍近几年来几项比较重大的工程。
( 1) 共同沟的建设
1993 年, 上海浦东新区建设了我国第一条共同沟- 浦东新区张扬路共同沟。张扬路共有一条干线共同沟、两条支线共同沟, 其中支线共同沟共收容了给水、电力、信息与煤气四种城市管线。为我国共同沟的提供了可供借鉴的经验。另外, 上海松江新城示范性地下共同沟工程 ( 一期) 于 2003 年 10 月建成。嘉定区安亭新镇共同沟也在 2004 年年底建成。
( 2) 500 千伏世博变电站
500 千伏世博变电站是保证世博会安全可靠供电的核心工程, 计划于 2009 年建成投运。工程占地面积 200×220 平方米。采用筒形结构, 圆筒外径达 130米, 深度达 33.5 米, 四层布置。工程总投资达 29 亿元。该站是上海市区内的首座500 千伏变电站。2 上海地下工程建设中的问题和教训这些年来, 笔者有幸亲身参与众多重大的上海市地下工程建设项目, 有幸目睹了上海这座城市在地下空间开发方面日新月异的变化, 在对这些年来取得的巨大成就感到欣慰的同时, 也看到了这座城市过去在地下工程建设方面的不足, 并一些经验教训, 以供大家。
2.1 早期规划不充分
由于早期在对上海市轨道交通网络 1、2、3 号线进行规划的时候, 规划人员未能对全市的轨道交通网络进行全面的统筹规划, 加上对未来客流量的准确估算也很难, 导致了一系列的遗憾。如 1 号线与 2 号线在人民广场站换乘以及 1 号线与 3 号线在上海火车站换乘, 都面临同样的问题, 就是换乘通道过长, 导致客流闲置地下时间较长, 对人们身心情绪会有一定的影响。由于规划不充分也导致了一部分轨道交通地下枢纽车站未对今后的路线进行结构预留, 这不仅大大增加了新线路的施工风险和难度, 同时也对正在运营的线路造成了一定影响, 在一定程度上造成了资源的浪费。
上海市陆家嘴中心高楼耸立, 有著名的东方明珠, 金茂大厦等高层建筑, 繁华程度可见一斑, 但是陆家嘴的地下空间开发相对比较落后, 仅停留在独幢建筑的单独地下空间开发, 并没有形成统一的具有规模性的地下空间。
2.2 资源不够节省
早期轨道交通建设方面的一些失误, 导致了部分资源的浪费。如: 1 号线空调系统设计是按照有屏蔽门设计的, 但遗憾的是到目前才开始安装屏蔽门, 这已造成了空调系统冷量的损失, 也是乘客感觉 1 号线温度较 2 号线高的原因。同时屏蔽门也具有一定的安全防护作用。
2.3 风险管理重视不够
地下工程的投资十分巨大, 同时地下工程与其他工程相比, 具有隐蔽性、复杂性和不确定性等特点,设计和施工难度较高。正是由于这些原因, 使得随着这几年城市地下工程项目的不断增多, 世界各地的地下工程事故也频频发生, 造成的社会影响也越来越大。其中以上海轨道交通 4 号线事故尤为严重。众多的地下工程事故中大部分都是由于人为因素引起, 从这点就可以总结出一条: 那就是工程的参建各方对风险管理的重视程度不够, 导致了灾难性事故一次次发生。同时也说明了风险管理对地下工程建设的重要性。
3 上海地下工程建设的展望和建议
3.1 对上海今后地下工程建设的展望
( 1) 信息化趋势
较之于地面空间, 地下空间的建设有其特殊性,众多高层建筑的地下基础、地下管线, 加之上海复杂的地质条件, 导致地下空间开发利用具有高度复杂性。为避免地下空间开发与城市建设脱节, 造成地下空间的浪费, 需要建立全市范围内的地下空间信息基础平台, 为掌握上海城市地质条件和地下空间资源利用现状, 合理规划、有效控制上海城市地下空间的开发步骤和开发内容创造基础性的条件。
同时由于地下工程的隐蔽性、不可确定性, 也应将信息化技术推广应用于地下工程的施工建设中来,提倡信息化施工, 用高新技术为地下工程施工的顺利进行保驾护航。
信息技术辅助地下综合体的高精度安全监控。
( 2) 新工艺的不断涌现
随着地下空间开发深度的不断增加, 周边环境保护的要求不断提高, 地下结构设计的不断复杂, 上海市地下工程建设领域将不断产生与应用一些新工艺。如全自动气压沉箱工法、双圆或者三圆盾构工法、水平旋喷加固、长距离盾构施工的管片连续运输方法等都将得到应用。
( 3) 地下空间深层次开发
随着上海市浅层地下空间利用率的不断提高, 上海市的地下空间将向更深层次发展。从上海市地下空间概念规划中可看出, 上海市已为今后深层次的地下物流管道以及特种工程需要预留了空间。
( 4) 地下工程与采能、节能
由于地下结构越做越深, 在建造地下工程结构如地下墙的同时, 埋设采取地热能的管路, 可大大减少采能的成本, 是值得我们今后关注的方面。
3.2 对上海今后地下工程建设的建议
( 1) 加强风险管理[9]
在上海市轨道交通四号线发生重大工程事故之后, 上海已把重大工程的风险管理提上议程。虽然风险管理在土木工程领域属于一门新兴学科, 仍然有待于学术界、工程界以及政府部门的共同推动, 但是它对我国的土木工程的发展, 特别是地下工程建设的发展将起到不可磨灭的作用。因此, 我们建议今后地下工程建设的各参建方都应对风险管理工作给予高度重视, 不仅要做好工程前期的静态风险管理工作,同时, 在项目进展过程当中, 还要结合项目管理做好动态的风险管理工作, 将地下工程风险降低到最低程度。
( 2) 细化地下空间的开发规划
将地上空间与地下空间开发统一进行规划是我们今后努力的方向。
( 3) 地下空间管理方面的问题
由于现行未对地下建筑物、构筑物的产权关系进行明确, 投资者建设地下建筑物、构筑物后拿不到产权证, 影响了投资者的积极性, 因而这种情况也急待改变。
4 结 语
由于土地资源的稀缺, 人口压力的不断增大, 地下工程又符合人类可持续发展的原则, 因此 21 世纪将迎来全球地下空间开发的新世纪。目前上海已经进入了地下工程建设的飞速发展阶段。地下工程建设由于其特殊性, 属于高风险的建设项目, 因此希望广大土木工程师们能从地下工程的建设高潮中冷静下来,多总结和吸取以往地下工程建设中的经验和教训, 多将高、新技术手段应用于传统的土建工程, 在工法创新方面多动脑筋, 使地下工程设施起到真正造福于民的作用。
参 考 文 献
[ 1] 上海市人民政府. 上海市地下空间概念规划 [ R] , 2005.(Shanghai Municipal Government. The Conceptional Layout of Shanghai Underground Space [ R] , 2005 (in Chinese))
[ 2] 宋敏华, 冯爱军. 依托城市轨道交通带动地下空间开发[ J] , 都市快轨交通, 2005, 18 (1): 21￣25 (Song Minhua,Feng Aijun. Promote Underground Space Development Through Urban Rail Transit [ J] . Urban Rapid Rail Transit, 2005, 18 (1): 21￣25 (in Chinese))
[ 3] Wang Zhenxin, Bai Yun. Urban Soft Ground Tunneling inChina-Experience from Shanghai and other Cities[ J] ,Tunneling and Underground Space Technology, 2004, 19
[ 4] 白云. 上海黄浦江越江公路隧道工程及其项目管理模式[ C] , 工程管理国际研讨会集, 2004.11: 74￣79 (BaiYun. Subaqueous Road Tunnel Projects and TheirManagement Mode in Shangha[i C] . International Seminar on Project Management, 2004.11: 74￣79 (in Chinese))
[ 5] 余暄平, 沈永东. 超大直径超长距离隧道盾构施工技术初探- 上海长江隧道工程盾构施工方案研究[ C] , 2005 上海国际隧道工程研讨会文集, 2005: 12￣24 (Yu Xuanping, Shen Yongdong. Research of Construction Technology for Large Diameter and Long Distance Shield Tunnel[ C] . Proceedings of 2005 Shanghai International Forum on Tunnelling, 2005:12￣24 (in Chinese))
[ 6] 王德中, 傅德明. 上海上中路越江隧道工程[ C] , 2005 上海国际隧道工程研讨会文集, 2005: 67￣73 (Wang Dezhong, Fu Deming. The Cross-river Shangzhong Road Tunnel Project in Shanghai [ C] . Proceedings of 2005 Shanghai International Forum on Tunnelling, 2005:67￣73 (in Chinese))
[ 7] 丁光莹, 章仁财. 上海翔殷路越江隧道工程[ C] , 2005 上海国际隧道工程研讨会文集, 2005: 80￣90 (Ding Guangyin,Zhang Rencai. The Cross-river Xiangyin Road tunnel Project in Shanghai[ C] . Proceedings of 2005 Shanghai International Forum on Tunnelling, 2005: 80￣90 (in Chinese))
[ 8] 上海市建设和管理委员会技术委员会,上海城建 (集团) 公司编, 上海大型市政工程设计与施工丛书- 外环沉管隧 道 工 程 [ M] . 上 海 科 学 技 术 出 版 社 :2005 (ShanghaiConstruction Science and Technology Committee, Shanghai Urban Construction Group. Shanghai Outer Ring Immersed Tube Tunne[l M] . Shanghai Scientific and Technical Publisher, 2005(in Chinese))
[ 9] 白云, 汤竞.软土地下工程的风险管理 [ J] ,地下空间与工程学报,2006.2:21￣28(BaiYun,Tang Jing.Risk M anagem ent for Underground Project in Soft Soils [ J] . Chinese Journalof Underground Space and Engineering . 2006.2: 21 ￣28 ( in Chinese))
