上海地铁4号线工程设计与施工新技术

上海地铁4号线工程设计

与施工新技术

【摘要】地铁4号线工程在上海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。2 地铁4号线工程概况

2.1 线路规模和走向

地铁4号线工程线路全长22.032KM，其中高架线1.25KM，其余均为地下线。共设17座车站，其中地下一层半站2座，地下二层站10座，地下三层站5座，平均间距为1.238KM。设停车场1座。M4工程线路走向为：M3宝山路站——溧阳路——临平路——长阳路——杨树浦路——浦东大道——张杨路——浦电路——蓝村路——浦东南路——南浦大桥——西藏南路——鲁班路——大木桥路——东安路——天钥桥路——上体场路——宜山路——M3虹桥路站。如图１所示。

图1 上海轨道交通地铁4号线工程线路示意图

2.2 建设工期及工程筹划

本工程建设年限为2000年初~2004年底，2004年底建

成试通车，2005年完成运行设备调试，建设总共期为5年。各工程项目建设进度如表1所示，盾构的工程筹划如图2 所示。表1 地铁4号线工程项目建设进度表2.3工程地质与水文地质条件

沿线地铁车站一般埋深10~20m，基坑内土性以第①层填土、第②1层褐黄色粉质粘土、第②3层灰色砂质粉土、第③层灰色淤泥质粘土、第④层灰色淤泥质粘土为主。沿线区间隧道埋深一般在14~21m，隧道主要穿越第④层灰色淤泥质粘土以及第⑤1层灰色粘土为主。

浅部土层中潜水埋深浅，一般离地面0.3~1.5m，年平均地下水位离地面05~0.7m；第②3、③2、⑤2层地下水具有微承压水特征；⑦1、⑦2层中的地下水，为承压含水层，承压水头离地面埋深5.0~18.0m。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，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，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，也积累了可贵的工程经验。以宜山路站的明珠一期保护和南浦大桥两端重叠隧道后行施工对对先行隧道保护为例进行说明。1)宜山路站施工对明珠一期高架的保护

地铁4号线宜山路车站的西侧是正在运营的明珠一期高架线路和宜山路车站，已投入使用近三年。待建车站的地下墙外边线至高架线路承台最小距离4.5m，至车站承台最小距离3.8m，至车站建筑外边线2.7m。明珠一期工程基础采用PHC 桩，桩径为0.6m，桩长为45m（与地下墙深度接近），分为三节，第一二节接头均在基坑深度范围内，必须采取严格的保护措施对明珠一期高架进行保护。为此采取一系列措施：

(1)在地下墙施工方面，采用900mm高的预制、移动式高导墙防止槽段坍方，严格控制新鲜泥浆比重为1.08以提高槽壁的稳定性，间隔施工SMW帷幕，隔断地墙施工对土体的扰动；

(2)在地基加固方面：在车站基坑内根据车站的深度及与高架的关系，采用多种加固形式，在南、北端头井及穿越段采用满堂旋喷加固，在标准段采用深层搅拌桩加固，而在

暗埋段则采用双液注浆法施工；

(3)基坑开挖方面：在标准段采用“两明一暗半逆作法”施工,并采用了被刘建肮院士称为“创举”的装配牛腿式钢支撑。严格按时空效应原则组织基坑开挖，作到单元开挖，单元整体支撑。

(4) 施工监测方面：宜山路车站采用了自动化监测技术和预报系统，能系统、连续、全面、及时地采集数据，同时监测数据在经软件处理后进入数据库，并由专门编制的工程管理软件进行智能化全过程预测分析和动态反馈分析，实现工程施工监测的自动化。图5为宜山路站现场监测布臵示意图。图4 宜山路车站施工对一期高架车站影响自动化监测点分布图（22轴横断面）

通过上述一系列措施，明珠一期高架在施工期间得到了很好的保护，没有发生任何不利情况。

2)浦东南路－南浦大桥区间重叠隧道保护

浦东南路站～南浦大桥站区间隧道工程由于受南浦大桥浦西引桥的限制，在靠近南浦大桥站端头井处，隧道要上、

下重叠在一起，重叠长度约为235m,见图6。两条隧道的最小净距仅为2m。如何减少或避免两隧道间相互不利影响，以达到互相保护，在施工措施上的难度之大，在国内隧道施工中尚属首例。

为此采取如下措施，取得很理想的保护效果。

(1)施工时间、空间顺序上采取措施。两个盾构同向、分时错开从浦东向浦西推进，先下后上；(2)采用信息化反馈施工，动态调整物理、材料、空间等参数，始终合理控制推进速度，严格控制土仓压力、出土量及盾构姿态变化；(3)采取动态、全程、可控、精确的注浆加固措施，动态补偿因土层蠕变、地层损失等可能影响的两隧道间的空间关系及结构平衡。为此，a.在盾构掘进时，对盾构与衬砌间的环形空隙压注缓凝浆液；b.在下部隧道施工后，上部隧道施工前，通过压浆孔对下部隧道土体进行二次双液注浆加固；c.在上部隧道推进已成段与先行隧道间，利用隧道内注浆孔全天候、动态双液注浆，直至上部隧道地表沉降稳定；d.在上行线隧道施工时，通过对下行线隧道内的监测数据反馈，调整上行线的推进参数、隧道内注浆量、注浆压力及注浆部位；e.在后行隧道也结束后，根据实测资料，对隧道变形尚未稳定区段，打开剩余的管片注浆孔，再进行双液注浆来达到控制变

形的目的。(4)周密安排叠交盾构进洞施工。由于上行线、上部盾构后进洞，基座要腾空架设，由于车站底板的结构强度低，且叠交的上下两条隧道外缘最小净距只有2m，为此建立可靠的盾构基座的支撑体系。并观察基座的变形，为防止变形量过大而造成破坏。

4.4多种地基加固方法

地铁4号线施工中，由于地基的软弱性，为各种地基加固方法提供了广阔的舞台，有时一个车站就成为多种加固方法的聚会场所（如东安路站在不同时期采用了旋喷，搅拌，注浆，树根桩，冰冻，降水等多种方法）。地铁4号线中较常用的的方法有坑抽条加固（搅拌或旋喷），群边加固（满高），连续墙的墙址加固及钻孔桩的桩底加固，多种方法经常并用，各取所长，往往取得较好的效果。

4.5各种穿越

如前所述，地铁4号线的线路特点就决定施工方面要面临众多的穿越。在施工中常遇到的是盾构穿越房屋，根据目前的盾构保护环境的水平，控制地面沉降在2-3公分内还是比较容易的。但是对其他穿越，还是有相当风险的，主要包

括：对高架桥墩的穿越，对黄浦江的穿越。地铁4号线的正线、某些长出入口和出入场线穿越上海内环高架、1好线、2好线及高架明珠一期的桥墩桩基不下于10次，其中上体场站穿越1好线为最难；穿越黄浦江4次，其中浦东南路-南浦大桥区间为Ω大曲线（图6），为目前穿越黄浦江最长的隧道，穿越地层相当复杂，其中第⑥层暗绿色硬土层，地层强度高，为此严格控制速度，隧道下方第⑦层草黄色砂质粉土层有承压水，为此特别注意加强同步注浆管理，严格控制压浆量，充分压注盾尾油脂，防止泥水从盾尾涌入，加强盾构补压浆系统管理，确保螺旋机的密封性能，在盾构转入垂直同向推进时将穿过第②2层含砂量较高的灰色粉质粘土，为此在推进过程中每隔一定距离在盾构前方及螺旋机内压注膨润土或加注泡沫剂，进行土体改良。由于各项施工措施得当，各种穿越均安然无恙，说明地铁4号线工程穿越技术的成熟。

4.6 冰冻法及旁通道技术

上海地下水位高，在两区间间打通旁通道一般采用冰冻法施工，主要的冻结法为水平冻结法。而在浦东南路-南浦大桥的过江风井兼深旁通道施工中，采用密闭连续墙内的垂直冻结法施工，如果获得成功，是很有积极意义的。

4.7 时空效应、环境保护与远程监控系统

在上海的地铁施工中，时空效应是很多从都能耳熟能详的词。但是能将时空效应、环境保护与远程监控系统有机结合起来，在上海地铁建设中还是第一次。无论是地铁工程本身的受力变形，还是周边环境（房屋，管线，构筑物等）的沉降，其结果都通过远程监控系统得到即时、准确的反映，方便远程专家决策。

地铁4号线所有车站，都安装了由上海时空软土研究中心开发的远程监控系统。

远程监控系统是指将现场量测数据的远程采集系统与有关分析系统结合起来，形成一套集数据自动采集、远程传送、数据处理与分析、施工全过程分析、动态施工反馈和预测的集成化系统。其实施过程是：在工程施工中及时监测，及时把监测和管理信息发送到上层管理部门和有丰富经验的专家部门分析并决策，把由决策产生的措施通过管理部门及时反馈到施工现场以指导施工，从而实现现场施工的全过程控制以及工程建设的现代化管理。该系统从2001年8月15日起，在地铁4号线各车站先后安装。在一年内，该系统对施工过程共发现了险情2起，异常5起，但都得到了及时解

决，将工程事故扼杀在萌芽之中，取得了良好的经济效益和社会效益。图6为远程监控系统中监测数据测斜分析、工程挖土支撑工况两个子系统示意图。图6 远程监控系统测斜分析和工程挖土支撑工况界面图

4.8 自动化监测

地铁4号线工程穿越或影响的内环线高架、明珠一期高架及地铁一、2好线都是上海的生命线交通工程，其的安危是任何时候都必须放在第一位的。为了随时、动态把握可能受地铁4号线工程影响的那一部分的受力及变形反应，采用了自动化监测手段，即将受力和变形传感器连续或间隔地布臵在监测对象上，并与自动化数据采集、分析、报警等系统相连，从而达到全天候、精确化监控。对南浦大桥桥墩、地铁1好线、明珠一期的应用表明，自动化监测取得可观的效果，减少了人员开支和劳动，增加了监测对象的安全系数。

4.9 结构一体化施工技术

如前所述，由于早期地铁建设未为后来的地铁线路预留连接措施，导致后来线路对先建线路先“外科手术”再“缝合”的一体化施工技术的产生。其中最有代表性的就是地铁4

号线与地铁1好线上体馆站及2好线东方路站的一体化。

1)上体场车站换乘节点的一体化施工技术

地铁4号线上海体育场站为地下三层曲线车站，与地铁1好线上海体育馆站（地下二层、上有漕溪北路高架）呈“T”字相接，见图8。设计车站与1好线车站站厅共享并从上体馆车站下穿过，形成与1好线车站的站厅和站台直接换乘节点。因1好线上体馆未预留任何换乘措施，同时换乘段开挖土层中上部约2.2m为④1层淤泥质粘土，下部4m为④2层砂质粉土夹粉质砂土，施工中极易产生流砂。故为保证工程的安全，尤其是确保1好线、高架的正常运营，本换乘段采取了多种特别措施。

（1）1好线车站与高架的托换：为克服换乘段施工对1好线地墙开孔造成的影响，在换乘段两侧围护边各设臵四根Φ1000托换支承桩（长度79m，底板以上部分为450×450H型钢）；在各层楼板位臵设臵托换梁，并通过植筋形式将联系梁与上体馆车站地下墙和主体结构连接；在穿越施工前，换乘段范围上部1好线车站顶板覆土挖除，并在该范围顶板跨中设臵一根钢横梁，搁臵在两侧托换梁上，并与原车站立柱、顶板连接，以提高车站整体刚度。