上海外環(huán)隧道工程技術(shù)綜述
2008-07-30 00:00
提要：上海外環(huán)隧道為建設(shè)規(guī)模為亞洲第一、世界第二，位于地層復(fù)雜的黃浦江吳淞口水域。本文介紹外環(huán)隧道工程及實(shí)施簡(jiǎn)況，重點(diǎn)論述干塢與鋼筋砼管段制作、兩岸暗埋段和引道段結(jié)構(gòu)施工以及江中段大型管節(jié)沉放作業(yè)。
關(guān)鍵詞：沉管隧道 干塢施工 管段制作 裂縫控制 沉放 基底處理
1 概述
上海外環(huán)隧道是整個(gè)外環(huán)線道路北端的越江點(diǎn)，與已建成通車(chē)的外環(huán)線浦西段、南側(cè)徐浦大橋越江點(diǎn)和在建的外環(huán)線浦東段形成總長(zhǎng)99km的上海外環(huán)線（見(jiàn)圖1）。外環(huán)隧道附近集中了張華浜、軍工路和外高橋三個(gè)上海最大集裝箱港區(qū)，隧道建成后，對(duì)集裝箱的運(yùn)輸與江浙等腹地的聯(lián)系和開(kāi)發(fā)開(kāi)放浦東，將起關(guān)鍵性的作用。由于本越江工程點(diǎn)的地理環(huán)境，運(yùn)行功能并綜合經(jīng)濟(jì)技術(shù)的合理性，經(jīng)橋隧和盾構(gòu)、沉埋工法比較和本工程項(xiàng)目專(zhuān)家評(píng)審意見(jiàn)，工程以地面八車(chē)道沉埋隧道規(guī)模修建，使它成為亞洲第一，世界第二的世界頂級(jí)沉埋隧道之一。
外環(huán)隧道西起浦西同濟(jì)路立交，越過(guò)江后，東至浦東三叉港與浦東處環(huán)北環(huán)線路相接，工程總長(zhǎng)為2882.8m，其中主隧道浦西段739.7m，浦東段384m，江中沉管為7節(jié)736m接線道路1023.1m，附屬工程有二座主變電站，二座雨水泵房，二座消防泵房，二座江中泵房，浦西側(cè)設(shè)排風(fēng)塔，浦東設(shè)隧道管理中心大樓，隧道與整個(gè)外環(huán)線一致為全封閉、全立交快速干道，設(shè)計(jì)車(chē)速80km/h，主隧道橫斷面為三孔二管廊八車(chē)道布置，二邊孔三車(chē)道為3.75m×2+3.5m，凈高5m，中孔二車(chē)道為2×3.75m，凈高為5.5m，設(shè)計(jì)車(chē)行荷載等級(jí)為汽超-20，掛-120，特300，高于上海其他已建越江隧道工程的等級(jí)或流量（見(jiàn)圖2）。
隧道工程地處黃浦江吳淞口內(nèi)側(cè)，浦東為一片灘地，主航道偏浦西，呈彎道，浦西自北向南沿岸有軍港設(shè)施，吳淞水廠進(jìn)水口，三島車(chē)擺渡碼頭，吳淞公園駁岸，吳淞客運(yùn)碼頭，蘊(yùn)藻浜及張華浜集裝箱碼頭，是萬(wàn)噸輪和內(nèi)河船舶進(jìn)出黃浦江的咽喉通道，高峰時(shí)萬(wàn)噸輪平均可達(dá)40余條/月，內(nèi)河船舶可達(dá)千條以上。因此，在這里進(jìn)行沉管隧道施工，必需組織好水上交通航運(yùn)。
根據(jù)工程地質(zhì)勘察資料，隧道浦西地質(zhì)主要穿越填土層，褐黃色粉質(zhì)粘土，灰色砂質(zhì)粉土，灰色淤泥粉質(zhì)粘土、灰色砂質(zhì)粉土等土層。江中段主要穿越灰色淤泥質(zhì)粘土，灰色砂質(zhì)粉土，灰綠-褐色粉質(zhì)粘土，褐黃色砂質(zhì)粉土層。浦東段主要位于填土層，灰色砂質(zhì)粉土，灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，灰色砂質(zhì)粉土中，地下水位高，土層飽和含水并受黃浦江潮位變化控制。在岸邊段結(jié)構(gòu)基地施工，圍護(hù)結(jié)構(gòu)，加固施工，江中基槽開(kāi)挖施工，干塢和管段制作，江中沉管施工和基礎(chǔ)處理等以及岸壁保護(hù)，環(huán)境及地下管線保護(hù)，增加不少技術(shù)難題。
2 外環(huán)隧道工程及實(shí)施簡(jiǎn)況
上海外環(huán)線工程按市政府的總體規(guī)劃實(shí)施要求，外環(huán)隧道工程的總工期僅為三年左右，就此規(guī)模的大型沉管隧道就建設(shè)周期而言，是創(chuàng)紀(jì)錄的工程。
沉管法隧道自1901年以來(lái)國(guó)內(nèi)外已有百余條隧道相繼建成，上海外環(huán)隧道是除香港、臺(tái)灣以外大陸內(nèi)地的第四條越江交通、規(guī)模最大的沉管隧道，對(duì)于每座沉埋隧道工程建造中均可分為陸上連接井結(jié)構(gòu)及暗埋段結(jié)構(gòu)；大型管段（節(jié)）的預(yù)制；江中沉放的水上、水下作業(yè)施工等三大部分的設(shè)計(jì)、施工技術(shù)問(wèn)題，都必須根據(jù)每座隧道的工程所處環(huán)境的不同，而具體妥善研究解決，才能修建高質(zhì)量、符合規(guī)劃設(shè)計(jì)、運(yùn)營(yíng)管理要求的越江隧道，由于外環(huán)隧道概述中已闡述的所處上海軟土地基和周?chē)こ汰h(huán)境特點(diǎn)，就此三大工程部位的工程情況，接施工進(jìn)展順序作一簡(jiǎn)要介紹：
2.1 干塢與鋼筋砼管段制作
隧道江中段沉管段總長(zhǎng)736m，分七節(jié)管段預(yù)制，最長(zhǎng)管節(jié)為108m，最短為100m，每個(gè)管段外形為寬43m，高9.55m。經(jīng)過(guò)分析、論證，在浦東陸上連接段隧道結(jié)構(gòu)兩側(cè)設(shè)A、B兩個(gè)干塢進(jìn)行分批制作，A塢制作二個(gè)管段用于浦東側(cè)，B塢安排制作五個(gè)管段用于浦西側(cè)和江中段主隧道沉放，以滿(mǎn)足總工期安排的時(shí)間節(jié)點(diǎn)要求。
兩個(gè)干塢除大小規(guī)模外，其底板深度根據(jù)管段起浮，拖運(yùn)出塢潮位（水深），管段制作要求，確定底板標(biāo)高及干塢開(kāi)挖深度，因上海是軟土地基，管段制作時(shí)的自重荷載達(dá)9-11t/m2，塢底結(jié)構(gòu)自上而下主要分別為起浮層、鋼筋砼底板、基底土置換和拋石層。干塢開(kāi)挖深度達(dá)11.2m，塢壁結(jié)構(gòu)為放坡（1：3.5）加砼護(hù)坡結(jié)構(gòu)。雖然土塢屬臨時(shí)結(jié)構(gòu)，考慮到龐大管段結(jié)構(gòu)預(yù)制和汛期安全，故對(duì)此采取十分慎重的降水及加固邊坡措施。除設(shè)計(jì)計(jì)算外，專(zhuān)門(mén)立項(xiàng)研究，并進(jìn)行了離心模型試驗(yàn)，確保實(shí)際工程的基坑和邊坡穩(wěn)定，對(duì)塢底結(jié)構(gòu)還進(jìn)行了實(shí)地荷載試驗(yàn)及大量現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)監(jiān)控以及預(yù)報(bào)變形量手段，從而保證干塢安全穩(wěn)定和大型管節(jié)制作的質(zhì)量控制，兩塢是目前上海最大規(guī)模的基坑，總土方量達(dá)120萬(wàn)立方米。已立“干塢基坑邊坡穩(wěn)定分析”課題，已通過(guò)專(zhuān)家鑒定，總體水平達(dá)國(guó)際先進(jìn)（2002年1月16日）。
大型管節(jié)預(yù)制是屬現(xiàn)澆大體積砼預(yù)制的水下結(jié)構(gòu)物，其頂、底板分別為1.45m和1.5m，外側(cè)墻為1m，如此超大的現(xiàn)澆砼結(jié)構(gòu)，又需在水中浮運(yùn)沉放，運(yùn)營(yíng)階段可謂全泡水中使用，其砼自身重度和裂縫控制是每座沉管隧道都必須研究相應(yīng)的技術(shù)措施，為此，采取砼集料級(jí)配設(shè)計(jì)，并需經(jīng)歷秋、夏季節(jié)施工的裂縫控制和相應(yīng)的防水技術(shù)，也專(zhuān)題立項(xiàng)分析研究，采取了預(yù)制過(guò)程的基底變形監(jiān)控，砼入模溫度、并用水管冷卻控制，砼內(nèi)部溫度變化計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控等一系列現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)監(jiān)控手段，針對(duì)裂縫成因機(jī)理分析，并采取有效的澆搗工藝，養(yǎng)護(hù)參數(shù)控制措施，確保了管段制作的設(shè)計(jì)要求，本“大型管段砼施工裂縫控制”課題也通過(guò)專(zhuān)家鑒定，達(dá)國(guó)際先進(jìn)水平（2002年1月16日），同時(shí)對(duì)最長(zhǎng)108米的管段，進(jìn)行了分段和后澆帶設(shè)置的技術(shù)措施，以適應(yīng)軟基的變形，對(duì)于后澆帶及施工縫采取局部外防水；對(duì)于管節(jié)砼重度，高精度管段沉放時(shí)接頭部位質(zhì)量要求，施工單位配合監(jiān)理等都采取十分細(xì)致、認(rèn)真的施工手段，使預(yù)制管段符合設(shè)計(jì)、管段砼結(jié)構(gòu)自防水和沉放施工的嚴(yán)格要求，滿(mǎn)足了大型管段起浮、拖運(yùn)、沉放工藝時(shí)管節(jié)自身的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，也附合管節(jié)沉放一次舾裝中的各種安裝要求，為江中段隧道主體結(jié)構(gòu)和沉放創(chuàng)造了最根本的重要條件。
每個(gè)干塢內(nèi)管段預(yù)制結(jié)束后，塢內(nèi)可進(jìn)行放水，具體時(shí)間根據(jù)舾裝、沉放進(jìn)度確定，對(duì)管段可進(jìn)行分階段扦漏，每節(jié)管段在沉放施工前一周左右時(shí)間起浮，進(jìn)入下道工序（起浮、系泊、拖運(yùn)乃至沉放等），每個(gè)塢在管段出塢前進(jìn)行出塢航道開(kāi)挖和塢口水下破堤開(kāi)挖，使管段順利拖運(yùn)出塢至沉放位置，每個(gè)干塢的使命就告完成。
2.2 兩岸結(jié)構(gòu)段施工
沉管隧道的兩岸結(jié)構(gòu)，包括兩岸與沉管相接的連接井部分，一般是陸上段結(jié)構(gòu)最深處，其后部即為陸上隧道的暗埋段隧道和引道段（敞開(kāi)段和進(jìn)隧道的峒口等）部分，考慮技術(shù)上的經(jīng)濟(jì)合理性，兩岸連接段結(jié)構(gòu)和隧道兩側(cè)的岸壁保護(hù)結(jié)構(gòu)以適應(yīng)水中沉管沉放施工時(shí)的水中基槽開(kāi)挖要求，它也是每座沉管隧道施工中的關(guān)鍵技術(shù)之一。
外環(huán)隧道的兩岸取地處吳淞長(zhǎng)江口第四紀(jì)沖積河口地，除上海軟弱飽和含水軟基特征外，土層中的砂量高于市區(qū)其它地區(qū)，對(duì)兩岸結(jié)構(gòu)施工圍護(hù)和岸壁保護(hù)圍護(hù)的超深地下墻（46-50m），超寬（43m）超深基坑（最深在浦西連接井達(dá)30m）的施工和環(huán)境保護(hù)帶來(lái)很大的難度。在上海市建委科技委專(zhuān)家評(píng)審的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)采用厚0.8-1.2m的地下墻圍護(hù)、鋼筋砼、鋼支撐相結(jié)合的基坑支撐體系，基坑底降水和地基加固相結(jié)合的方案。連接井頭部需與管段沉放對(duì)接，采用可割除的φ1.2m止水咬口特殊鋼管樁結(jié)構(gòu)。超深基坑開(kāi)挖與同濟(jì)大學(xué)地下系成立聯(lián)合攻關(guān)小組，對(duì)超深基坑和環(huán)境保護(hù)控制進(jìn)行專(zhuān)題研究，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的信息反饋，及時(shí)調(diào)整基坑開(kāi)挖支撐參數(shù)，使基坑圍護(hù)位移控制在3‰-5‰開(kāi)挖深度的范圍內(nèi)，連接井結(jié)構(gòu)，通過(guò)工程實(shí)際考驗(yàn)證實(shí)亦很成功，攻關(guān)科研課題亦將進(jìn)行鑒定。
為適應(yīng)水中沉放基槽開(kāi)挖所需，兩岸尤其是浦西側(cè)碼頭等構(gòu)筑物較多，所采用50米深地下墻所組成的格形重力式地下墻擋土結(jié)構(gòu)，在基槽開(kāi)挖乃至浦西第一節(jié)沉放結(jié)束，水平位量控制在最大點(diǎn)5cm之內(nèi)，設(shè)計(jì)計(jì)算的同時(shí)進(jìn)行了較大規(guī)模離心模型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)，工程證明設(shè)計(jì)是成功的，對(duì)岸壁保護(hù)技術(shù)研究課題而言，因水中基槽開(kāi)挖最深已達(dá)29m以上，設(shè)計(jì)、研究、監(jiān)控全過(guò)程是可行的。本隧道兩岸段難度在于浦西側(cè)，浦東側(cè)開(kāi)挖深度為25米左右，環(huán)境條件不如浦西側(cè)苛刻，故本文不再多加敘述。
2.3 江中段沉放施工段
外環(huán)隧道工程地處吳淞口黃浦江進(jìn)、出船舶的航道咽喉部位，概述中已作介紹，是水上交通最為繁忙水域，車(chē)渡、吳淞輪渡站以及客運(yùn)碼頭、高速碼頭船只還在此頻繁調(diào)頭和通行，給沉管施工的水上、水下作業(yè)帶來(lái)很大影響，在此已經(jīng)得到港務(wù)、航道、航運(yùn)以及水上安全主管部門(mén)、海事局的大力支持，共同制訂了水運(yùn)臨時(shí)航道方案，各節(jié)管段沉放時(shí)的水上航運(yùn)翻交組織方案，保證沉放施工基本不斷航的方案順利實(shí)施。
作為設(shè)計(jì)施工總承包單位，在施工技術(shù)方案中，經(jīng)過(guò)詳細(xì)充分論證研究，進(jìn)行大量?jī)?yōu)化工作，諸如以出塢航道兼作二次舾裝系泊區(qū)，沉管基礎(chǔ)處理采用灌砂法基礎(chǔ)；管段沉放對(duì)尾部水下臨時(shí)支承墊塊改為鋼管樁支承方式；管段沉放后的兩側(cè)和頂部復(fù)蓋回填，根據(jù)隧道沉放以后的穩(wěn)定條件作了進(jìn)一步細(xì)化研究；沉放作業(yè)中的定位、監(jiān)測(cè)、監(jiān)視監(jiān)控及基槽清淤作業(yè)等關(guān)鍵工序，在嚴(yán)格按天文、氣象潮位的時(shí)間控制外，使水上、水下、沉放作業(yè)時(shí)間和對(duì)航運(yùn)影響縮小到最低限度，同時(shí)也為隧道工程總工期提供了有力的保證措施，體現(xiàn)了設(shè)計(jì)、施工總承包形式下，充分依靠設(shè)計(jì)、施工科技人員深入工程第一線，運(yùn)用科學(xué)研究指導(dǎo)生產(chǎn)施工的有效成果。
外環(huán)隧道工程的七個(gè)沉管體量特別大，自身空氣中重量可達(dá)4.5萬(wàn)噸，在干塢中依靠抽除管段內(nèi)壓艙水箱（長(zhǎng)108m管段內(nèi)為18個(gè)容量為300m3的水箱），使龐大管段起浮，用絞車(chē)和施輪拖運(yùn)出塢，需穿越主航道，須用4條3000匹馬力以上的大型拖輪，并用1-2條同馬力拖輪輔助克服江中水流阻力，到達(dá)預(yù)定沉放點(diǎn)。管段施運(yùn)前已完成浮駁到位和吊點(diǎn)安裝，二個(gè)測(cè)量控制塔（人孔已在內(nèi)）和塔上2×3臺(tái)液壓卷?yè)P(yáng)機(jī)以及管段上的用于調(diào)整下沉控制方向的鋼索，滑輪組等全部舾裝件設(shè)備的安裝，沉放時(shí)水下預(yù)設(shè)錨碇塊，以?xún)伤暇頁(yè)P(yáng)機(jī)控制管段水中的平面位置，以二條浮駁的垂直滑輪組和四臺(tái)卷?yè)P(yáng)機(jī)控制沉管下放標(biāo)高，以管段內(nèi)壓艙水箱水位調(diào)節(jié)控制負(fù)浮力和管段的縱坡和橫傾，用這三項(xiàng)互相交替控制措施，使管段在下沉過(guò)程中，水下空間三度位置附合設(shè)計(jì)原定軸線位置和偏差的調(diào)節(jié)，當(dāng)然沉放過(guò)程中用陸上測(cè)量控制點(diǎn)，用全站儀控制管段上二個(gè)塔的測(cè)點(diǎn)位置也是必不可少的，針對(duì)這套沉放工藝在國(guó)際較多沉埋隧道工程中是常采用的工藝和順序，對(duì)于本隧道已設(shè)想以測(cè)量數(shù)據(jù)為依據(jù)，從管段內(nèi)水箱水位調(diào)節(jié)，10臺(tái)液壓絞車(chē)控制管段水中三維位置，實(shí)施自動(dòng)化操縱，并將在沉放施工中試用，以加強(qiáng)水下沉放控制精度，縮短整個(gè)沉放施工時(shí)間，最大程度減輕潛水員作業(yè)工作量為目標(biāo)，使沉放施工在國(guó)際、國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的水平上有一個(gè)較大的提高，這是已立課題研究的目標(biāo)所在。
至于大型管段在水下對(duì)接及兩管節(jié)頂面拉合千斤頂，使“吉那”止水帶初步止水，兩管段封墻之間空隙內(nèi)排水，使管段最終壓接止水。管節(jié)頭部以鼻托擱置在已沉管段尾部（或陸上連接井處）上，以尾部千斤頂調(diào)節(jié)尾部標(biāo)高等常規(guī)沉放方法，在這里不再詳細(xì)介紹。
每個(gè)管段按上述順序沉放到位后，在水箱內(nèi)適當(dāng)加水，使管段在預(yù)定位置不繼續(xù)發(fā)生浮動(dòng)，用兩側(cè)適當(dāng)拋石鎖定已沉管段的平面位置。拆除用于沉放作業(yè)的管段頂部舾裝件和設(shè)備，移至下一管段的沉放工作，由于本隧道工程基礎(chǔ)處理采用灌沙法，在上述沉放工藝順序完成后，通過(guò)水上灌砂作業(yè)船，向管段內(nèi)已預(yù)留的Ф200管道向已沉管段底和基槽底之間實(shí)施分批灌砂，使已沉管段座落在較為密實(shí)的砂盤(pán)基礎(chǔ)之上，以取代鼻托上擱置力和底部垂直千斤頂?shù)呐R時(shí)支承力。由于上海地區(qū)需考慮七度地震設(shè)防，灌砂基礎(chǔ)內(nèi)摻加了5-6%的水泥熟料，使灌砂形成的密實(shí)砂盤(pán)保持一定強(qiáng)度和抗液?
關(guān)鍵詞：沉管隧道 干塢施工 管段制作 裂縫控制 沉放 基底處理
1 概述
上海外環(huán)隧道是整個(gè)外環(huán)線道路北端的越江點(diǎn)，與已建成通車(chē)的外環(huán)線浦西段、南側(cè)徐浦大橋越江點(diǎn)和在建的外環(huán)線浦東段形成總長(zhǎng)99km的上海外環(huán)線（見(jiàn)圖1）。外環(huán)隧道附近集中了張華浜、軍工路和外高橋三個(gè)上海最大集裝箱港區(qū)，隧道建成后，對(duì)集裝箱的運(yùn)輸與江浙等腹地的聯(lián)系和開(kāi)發(fā)開(kāi)放浦東，將起關(guān)鍵性的作用。由于本越江工程點(diǎn)的地理環(huán)境，運(yùn)行功能并綜合經(jīng)濟(jì)技術(shù)的合理性，經(jīng)橋隧和盾構(gòu)、沉埋工法比較和本工程項(xiàng)目專(zhuān)家評(píng)審意見(jiàn)，工程以地面八車(chē)道沉埋隧道規(guī)模修建，使它成為亞洲第一，世界第二的世界頂級(jí)沉埋隧道之一。
外環(huán)隧道西起浦西同濟(jì)路立交，越過(guò)江后，東至浦東三叉港與浦東處環(huán)北環(huán)線路相接，工程總長(zhǎng)為2882.8m，其中主隧道浦西段739.7m，浦東段384m，江中沉管為7節(jié)736m接線道路1023.1m，附屬工程有二座主變電站，二座雨水泵房，二座消防泵房，二座江中泵房，浦西側(cè)設(shè)排風(fēng)塔，浦東設(shè)隧道管理中心大樓，隧道與整個(gè)外環(huán)線一致為全封閉、全立交快速干道，設(shè)計(jì)車(chē)速80km/h，主隧道橫斷面為三孔二管廊八車(chē)道布置，二邊孔三車(chē)道為3.75m×2+3.5m，凈高5m，中孔二車(chē)道為2×3.75m，凈高為5.5m，設(shè)計(jì)車(chē)行荷載等級(jí)為汽超-20，掛-120，特300，高于上海其他已建越江隧道工程的等級(jí)或流量（見(jiàn)圖2）。
隧道工程地處黃浦江吳淞口內(nèi)側(cè)，浦東為一片灘地，主航道偏浦西，呈彎道，浦西自北向南沿岸有軍港設(shè)施，吳淞水廠進(jìn)水口，三島車(chē)擺渡碼頭，吳淞公園駁岸，吳淞客運(yùn)碼頭，蘊(yùn)藻浜及張華浜集裝箱碼頭，是萬(wàn)噸輪和內(nèi)河船舶進(jìn)出黃浦江的咽喉通道，高峰時(shí)萬(wàn)噸輪平均可達(dá)40余條/月，內(nèi)河船舶可達(dá)千條以上。因此，在這里進(jìn)行沉管隧道施工，必需組織好水上交通航運(yùn)。
根據(jù)工程地質(zhì)勘察資料，隧道浦西地質(zhì)主要穿越填土層，褐黃色粉質(zhì)粘土，灰色砂質(zhì)粉土，灰色淤泥粉質(zhì)粘土、灰色砂質(zhì)粉土等土層。江中段主要穿越灰色淤泥質(zhì)粘土，灰色砂質(zhì)粉土，灰綠-褐色粉質(zhì)粘土，褐黃色砂質(zhì)粉土層。浦東段主要位于填土層，灰色砂質(zhì)粉土，灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，灰色砂質(zhì)粉土中，地下水位高，土層飽和含水并受黃浦江潮位變化控制。在岸邊段結(jié)構(gòu)基地施工，圍護(hù)結(jié)構(gòu)，加固施工，江中基槽開(kāi)挖施工，干塢和管段制作，江中沉管施工和基礎(chǔ)處理等以及岸壁保護(hù)，環(huán)境及地下管線保護(hù)，增加不少技術(shù)難題。
2 外環(huán)隧道工程及實(shí)施簡(jiǎn)況
上海外環(huán)線工程按市政府的總體規(guī)劃實(shí)施要求，外環(huán)隧道工程的總工期僅為三年左右，就此規(guī)模的大型沉管隧道就建設(shè)周期而言，是創(chuàng)紀(jì)錄的工程。
沉管法隧道自1901年以來(lái)國(guó)內(nèi)外已有百余條隧道相繼建成，上海外環(huán)隧道是除香港、臺(tái)灣以外大陸內(nèi)地的第四條越江交通、規(guī)模最大的沉管隧道，對(duì)于每座沉埋隧道工程建造中均可分為陸上連接井結(jié)構(gòu)及暗埋段結(jié)構(gòu)；大型管段（節(jié)）的預(yù)制；江中沉放的水上、水下作業(yè)施工等三大部分的設(shè)計(jì)、施工技術(shù)問(wèn)題，都必須根據(jù)每座隧道的工程所處環(huán)境的不同，而具體妥善研究解決，才能修建高質(zhì)量、符合規(guī)劃設(shè)計(jì)、運(yùn)營(yíng)管理要求的越江隧道，由于外環(huán)隧道概述中已闡述的所處上海軟土地基和周?chē)こ汰h(huán)境特點(diǎn)，就此三大工程部位的工程情況，接施工進(jìn)展順序作一簡(jiǎn)要介紹：
2.1 干塢與鋼筋砼管段制作
隧道江中段沉管段總長(zhǎng)736m，分七節(jié)管段預(yù)制，最長(zhǎng)管節(jié)為108m，最短為100m，每個(gè)管段外形為寬43m，高9.55m。經(jīng)過(guò)分析、論證，在浦東陸上連接段隧道結(jié)構(gòu)兩側(cè)設(shè)A、B兩個(gè)干塢進(jìn)行分批制作，A塢制作二個(gè)管段用于浦東側(cè)，B塢安排制作五個(gè)管段用于浦西側(cè)和江中段主隧道沉放，以滿(mǎn)足總工期安排的時(shí)間節(jié)點(diǎn)要求。
兩個(gè)干塢除大小規(guī)模外，其底板深度根據(jù)管段起浮，拖運(yùn)出塢潮位（水深），管段制作要求，確定底板標(biāo)高及干塢開(kāi)挖深度，因上海是軟土地基，管段制作時(shí)的自重荷載達(dá)9-11t/m2，塢底結(jié)構(gòu)自上而下主要分別為起浮層、鋼筋砼底板、基底土置換和拋石層。干塢開(kāi)挖深度達(dá)11.2m，塢壁結(jié)構(gòu)為放坡（1：3.5）加砼護(hù)坡結(jié)構(gòu)。雖然土塢屬臨時(shí)結(jié)構(gòu)，考慮到龐大管段結(jié)構(gòu)預(yù)制和汛期安全，故對(duì)此采取十分慎重的降水及加固邊坡措施。除設(shè)計(jì)計(jì)算外，專(zhuān)門(mén)立項(xiàng)研究，并進(jìn)行了離心模型試驗(yàn)，確保實(shí)際工程的基坑和邊坡穩(wěn)定，對(duì)塢底結(jié)構(gòu)還進(jìn)行了實(shí)地荷載試驗(yàn)及大量現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)監(jiān)控以及預(yù)報(bào)變形量手段，從而保證干塢安全穩(wěn)定和大型管節(jié)制作的質(zhì)量控制，兩塢是目前上海最大規(guī)模的基坑，總土方量達(dá)120萬(wàn)立方米。已立“干塢基坑邊坡穩(wěn)定分析”課題，已通過(guò)專(zhuān)家鑒定，總體水平達(dá)國(guó)際先進(jìn)（2002年1月16日）。
大型管節(jié)預(yù)制是屬現(xiàn)澆大體積砼預(yù)制的水下結(jié)構(gòu)物，其頂、底板分別為1.45m和1.5m，外側(cè)墻為1m，如此超大的現(xiàn)澆砼結(jié)構(gòu)，又需在水中浮運(yùn)沉放，運(yùn)營(yíng)階段可謂全泡水中使用，其砼自身重度和裂縫控制是每座沉管隧道都必須研究相應(yīng)的技術(shù)措施，為此，采取砼集料級(jí)配設(shè)計(jì)，并需經(jīng)歷秋、夏季節(jié)施工的裂縫控制和相應(yīng)的防水技術(shù)，也專(zhuān)題立項(xiàng)分析研究，采取了預(yù)制過(guò)程的基底變形監(jiān)控，砼入模溫度、并用水管冷卻控制，砼內(nèi)部溫度變化計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控等一系列現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)監(jiān)控手段，針對(duì)裂縫成因機(jī)理分析，并采取有效的澆搗工藝，養(yǎng)護(hù)參數(shù)控制措施，確保了管段制作的設(shè)計(jì)要求，本“大型管段砼施工裂縫控制”課題也通過(guò)專(zhuān)家鑒定，達(dá)國(guó)際先進(jìn)水平（2002年1月16日），同時(shí)對(duì)最長(zhǎng)108米的管段，進(jìn)行了分段和后澆帶設(shè)置的技術(shù)措施，以適應(yīng)軟基的變形，對(duì)于后澆帶及施工縫采取局部外防水；對(duì)于管節(jié)砼重度，高精度管段沉放時(shí)接頭部位質(zhì)量要求，施工單位配合監(jiān)理等都采取十分細(xì)致、認(rèn)真的施工手段，使預(yù)制管段符合設(shè)計(jì)、管段砼結(jié)構(gòu)自防水和沉放施工的嚴(yán)格要求，滿(mǎn)足了大型管段起浮、拖運(yùn)、沉放工藝時(shí)管節(jié)自身的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，也附合管節(jié)沉放一次舾裝中的各種安裝要求，為江中段隧道主體結(jié)構(gòu)和沉放創(chuàng)造了最根本的重要條件。
每個(gè)干塢內(nèi)管段預(yù)制結(jié)束后，塢內(nèi)可進(jìn)行放水，具體時(shí)間根據(jù)舾裝、沉放進(jìn)度確定，對(duì)管段可進(jìn)行分階段扦漏，每節(jié)管段在沉放施工前一周左右時(shí)間起浮，進(jìn)入下道工序（起浮、系泊、拖運(yùn)乃至沉放等），每個(gè)塢在管段出塢前進(jìn)行出塢航道開(kāi)挖和塢口水下破堤開(kāi)挖，使管段順利拖運(yùn)出塢至沉放位置，每個(gè)干塢的使命就告完成。
2.2 兩岸結(jié)構(gòu)段施工
沉管隧道的兩岸結(jié)構(gòu)，包括兩岸與沉管相接的連接井部分，一般是陸上段結(jié)構(gòu)最深處，其后部即為陸上隧道的暗埋段隧道和引道段（敞開(kāi)段和進(jìn)隧道的峒口等）部分，考慮技術(shù)上的經(jīng)濟(jì)合理性，兩岸連接段結(jié)構(gòu)和隧道兩側(cè)的岸壁保護(hù)結(jié)構(gòu)以適應(yīng)水中沉管沉放施工時(shí)的水中基槽開(kāi)挖要求，它也是每座沉管隧道施工中的關(guān)鍵技術(shù)之一。
外環(huán)隧道的兩岸取地處吳淞長(zhǎng)江口第四紀(jì)沖積河口地，除上海軟弱飽和含水軟基特征外，土層中的砂量高于市區(qū)其它地區(qū)，對(duì)兩岸結(jié)構(gòu)施工圍護(hù)和岸壁保護(hù)圍護(hù)的超深地下墻（46-50m），超寬（43m）超深基坑（最深在浦西連接井達(dá)30m）的施工和環(huán)境保護(hù)帶來(lái)很大的難度。在上海市建委科技委專(zhuān)家評(píng)審的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)采用厚0.8-1.2m的地下墻圍護(hù)、鋼筋砼、鋼支撐相結(jié)合的基坑支撐體系，基坑底降水和地基加固相結(jié)合的方案。連接井頭部需與管段沉放對(duì)接，采用可割除的φ1.2m止水咬口特殊鋼管樁結(jié)構(gòu)。超深基坑開(kāi)挖與同濟(jì)大學(xué)地下系成立聯(lián)合攻關(guān)小組，對(duì)超深基坑和環(huán)境保護(hù)控制進(jìn)行專(zhuān)題研究，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的信息反饋，及時(shí)調(diào)整基坑開(kāi)挖支撐參數(shù)，使基坑圍護(hù)位移控制在3‰-5‰開(kāi)挖深度的范圍內(nèi)，連接井結(jié)構(gòu)，通過(guò)工程實(shí)際考驗(yàn)證實(shí)亦很成功，攻關(guān)科研課題亦將進(jìn)行鑒定。
為適應(yīng)水中沉放基槽開(kāi)挖所需，兩岸尤其是浦西側(cè)碼頭等構(gòu)筑物較多，所采用50米深地下墻所組成的格形重力式地下墻擋土結(jié)構(gòu)，在基槽開(kāi)挖乃至浦西第一節(jié)沉放結(jié)束，水平位量控制在最大點(diǎn)5cm之內(nèi)，設(shè)計(jì)計(jì)算的同時(shí)進(jìn)行了較大規(guī)模離心模型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)，工程證明設(shè)計(jì)是成功的，對(duì)岸壁保護(hù)技術(shù)研究課題而言，因水中基槽開(kāi)挖最深已達(dá)29m以上，設(shè)計(jì)、研究、監(jiān)控全過(guò)程是可行的。本隧道兩岸段難度在于浦西側(cè)，浦東側(cè)開(kāi)挖深度為25米左右，環(huán)境條件不如浦西側(cè)苛刻，故本文不再多加敘述。
2.3 江中段沉放施工段
外環(huán)隧道工程地處吳淞口黃浦江進(jìn)、出船舶的航道咽喉部位，概述中已作介紹，是水上交通最為繁忙水域，車(chē)渡、吳淞輪渡站以及客運(yùn)碼頭、高速碼頭船只還在此頻繁調(diào)頭和通行，給沉管施工的水上、水下作業(yè)帶來(lái)很大影響，在此已經(jīng)得到港務(wù)、航道、航運(yùn)以及水上安全主管部門(mén)、海事局的大力支持，共同制訂了水運(yùn)臨時(shí)航道方案，各節(jié)管段沉放時(shí)的水上航運(yùn)翻交組織方案，保證沉放施工基本不斷航的方案順利實(shí)施。
作為設(shè)計(jì)施工總承包單位，在施工技術(shù)方案中，經(jīng)過(guò)詳細(xì)充分論證研究，進(jìn)行大量?jī)?yōu)化工作，諸如以出塢航道兼作二次舾裝系泊區(qū)，沉管基礎(chǔ)處理采用灌砂法基礎(chǔ)；管段沉放對(duì)尾部水下臨時(shí)支承墊塊改為鋼管樁支承方式；管段沉放后的兩側(cè)和頂部復(fù)蓋回填，根據(jù)隧道沉放以后的穩(wěn)定條件作了進(jìn)一步細(xì)化研究；沉放作業(yè)中的定位、監(jiān)測(cè)、監(jiān)視監(jiān)控及基槽清淤作業(yè)等關(guān)鍵工序，在嚴(yán)格按天文、氣象潮位的時(shí)間控制外，使水上、水下、沉放作業(yè)時(shí)間和對(duì)航運(yùn)影響縮小到最低限度，同時(shí)也為隧道工程總工期提供了有力的保證措施，體現(xiàn)了設(shè)計(jì)、施工總承包形式下，充分依靠設(shè)計(jì)、施工科技人員深入工程第一線，運(yùn)用科學(xué)研究指導(dǎo)生產(chǎn)施工的有效成果。
外環(huán)隧道工程的七個(gè)沉管體量特別大，自身空氣中重量可達(dá)4.5萬(wàn)噸，在干塢中依靠抽除管段內(nèi)壓艙水箱（長(zhǎng)108m管段內(nèi)為18個(gè)容量為300m3的水箱），使龐大管段起浮，用絞車(chē)和施輪拖運(yùn)出塢，需穿越主航道，須用4條3000匹馬力以上的大型拖輪，并用1-2條同馬力拖輪輔助克服江中水流阻力，到達(dá)預(yù)定沉放點(diǎn)。管段施運(yùn)前已完成浮駁到位和吊點(diǎn)安裝，二個(gè)測(cè)量控制塔（人孔已在內(nèi)）和塔上2×3臺(tái)液壓卷?yè)P(yáng)機(jī)以及管段上的用于調(diào)整下沉控制方向的鋼索，滑輪組等全部舾裝件設(shè)備的安裝，沉放時(shí)水下預(yù)設(shè)錨碇塊，以?xún)伤暇頁(yè)P(yáng)機(jī)控制管段水中的平面位置，以二條浮駁的垂直滑輪組和四臺(tái)卷?yè)P(yáng)機(jī)控制沉管下放標(biāo)高，以管段內(nèi)壓艙水箱水位調(diào)節(jié)控制負(fù)浮力和管段的縱坡和橫傾，用這三項(xiàng)互相交替控制措施，使管段在下沉過(guò)程中，水下空間三度位置附合設(shè)計(jì)原定軸線位置和偏差的調(diào)節(jié)，當(dāng)然沉放過(guò)程中用陸上測(cè)量控制點(diǎn)，用全站儀控制管段上二個(gè)塔的測(cè)點(diǎn)位置也是必不可少的，針對(duì)這套沉放工藝在國(guó)際較多沉埋隧道工程中是常采用的工藝和順序，對(duì)于本隧道已設(shè)想以測(cè)量數(shù)據(jù)為依據(jù)，從管段內(nèi)水箱水位調(diào)節(jié)，10臺(tái)液壓絞車(chē)控制管段水中三維位置，實(shí)施自動(dòng)化操縱，并將在沉放施工中試用，以加強(qiáng)水下沉放控制精度，縮短整個(gè)沉放施工時(shí)間，最大程度減輕潛水員作業(yè)工作量為目標(biāo)，使沉放施工在國(guó)際、國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的水平上有一個(gè)較大的提高，這是已立課題研究的目標(biāo)所在。
至于大型管段在水下對(duì)接及兩管節(jié)頂面拉合千斤頂，使“吉那”止水帶初步止水，兩管段封墻之間空隙內(nèi)排水，使管段最終壓接止水。管節(jié)頭部以鼻托擱置在已沉管段尾部（或陸上連接井處）上，以尾部千斤頂調(diào)節(jié)尾部標(biāo)高等常規(guī)沉放方法，在這里不再詳細(xì)介紹。
每個(gè)管段按上述順序沉放到位后，在水箱內(nèi)適當(dāng)加水，使管段在預(yù)定位置不繼續(xù)發(fā)生浮動(dòng)，用兩側(cè)適當(dāng)拋石鎖定已沉管段的平面位置。拆除用于沉放作業(yè)的管段頂部舾裝件和設(shè)備，移至下一管段的沉放工作，由于本隧道工程基礎(chǔ)處理采用灌沙法，在上述沉放工藝順序完成后，通過(guò)水上灌砂作業(yè)船，向管段內(nèi)已預(yù)留的Ф200管道向已沉管段底和基槽底之間實(shí)施分批灌砂，使已沉管段座落在較為密實(shí)的砂盤(pán)基礎(chǔ)之上，以取代鼻托上擱置力和底部垂直千斤頂?shù)呐R時(shí)支承力。由于上海地區(qū)需考慮七度地震設(shè)防，灌砂基礎(chǔ)內(nèi)摻加了5-6%的水泥熟料，使灌砂形成的密實(shí)砂盤(pán)保持一定強(qiáng)度和抗液?