提要：上海外环隧道为建设规模为亚洲第一、世界第二，位于地层复杂的黄浦江吴淞口水域。本文介绍外环隧道工程及实施简况，重点论述干坞与钢筋砼管段制作、两岸暗埋段和引道段结构施工以及江中段大型管节沉放作业。
关键词：沉管隧道 干坞施工 管段制作 裂缝控制 沉放 基底处理
1 概述
上海外环隧道是整个外环线道路北端的越江点，与已建成通车的外环线浦西段、南侧徐浦大桥越江点和在建的外环线浦东段形成总长99km的上海外环线（见图1）。外环隧道附近集中了张华浜、军工路和外高桥三个上海最大集装箱港区，隧道建成后，对集装箱的运输与江浙等腹地的联系和开发开放浦东，将起关键性的作用。由于本越江工程点的地理环境，运行功能并综合经济技术的合理性，经桥隧和盾构、沉埋工法比较和本工程项目专家评审意见，工程以地面八车道沉埋隧道规模修建，使它成为亚洲第一，世界第二的世界顶级沉埋隧道之一。
外环隧道西起浦西同济路立交，越过江后，东至浦东三叉港与浦东处环北环线路相接，工程总长为2882.8m，其中主隧道浦西段739.7m，浦东段384m，江中沉管为7节736m接线道路1023.1m，附属工程有二座主变电站，二座雨水泵房，二座消防泵房，二座江中泵房，浦西侧设排风塔，浦东设隧道管理中心大楼，隧道与整个外环线一致为全封闭、全立交快速干道，设计车速80km/h，主隧道横断面为三孔二管廊八车道布置，二边孔三车道为3.75m×2+3.5m，净高5m，中孔二车道为2×3.75m，净高为5.5m，设计车行荷载等级为汽超-20，挂-120，特300，高于上海其他已建越江隧道工程的等级或流量（见图2）。
隧道工程地处黄浦江吴淞口内侧，浦东为一片滩地，主航道偏浦西，呈弯道，浦西自北向南沿岸有军港设施，吴淞水厂进水口，三岛车摆渡码头，吴淞公园驳岸，吴淞客运码头，蕴藻浜及张华浜集装箱码头，是万吨轮和内河船舶进出黄浦江的咽喉通道，高峰时万吨轮平均可达40余条/月，内河船舶可达千条以上。因此，在这里进行沉管隧道施工，必需组织好水上交通航运。
根据工程地质勘察资料，隧道浦西地质主要穿越填土层，褐黄色粉质粘土，灰色砂质粉土，灰色淤泥粉质粘土、灰色砂质粉土等土层。江中段主要穿越灰色淤泥质粘土，灰色砂质粉土，灰绿-褐色粉质粘土，褐黄色砂质粉土层。浦东段主要位于填土层，灰色砂质粉土，灰色淤泥质粉质粘土，灰色砂质粉土中，地下水位高，土层饱和含水并受黄浦江潮位变化控制。在岸边段结构基地施工，围护结构，加固施工，江中基槽开挖施工，干坞和管段制作，江中沉管施工和基础处理等以及岸壁保护，环境及地下管线保护，增加不少技术难题。
2 外环隧道工程及实施简况
上海外环线工程按市政府的总体规划实施要求，外环隧道工程的总工期仅为三年左右，就此规模的大型沉管隧道就建设周期而言，是创纪录的工程。
沉管法隧道自1901年以来国内外已有百余条隧道相继建成，上海外环隧道是除香港、台湾以外大陆内地的第四条越江交通、规模最大的沉管隧道，对于每座沉埋隧道工程建造中均可分为陆上连接井结构及暗埋段结构；大型管段（节）的预制；江中沉放的水上、水下作业施工等三大部分的设计、施工技术问题，都必须根据每座隧道的工程所处环境的不同，而具体妥善研究解决，才能修建高质量、符合规划设计、运营管理要求的越江隧道，由于外环隧道概述中已阐述的所处上海软土地基和周围工程环境特点，就此三大工程部位的工程情况，接施工进展顺序作一简要介绍：
2.1 干坞与钢筋砼管段制作
隧道江中段沉管段总长736m，分七节管段预制，最长管节为108m，最短为100m，每个管段外形为宽43m，高9.55m。经过分析、论证，在浦东陆上连接段隧道结构两侧设A、B两个干坞进行分批制作，A坞制作二个管段用于浦东侧，B坞安排制作五个管段用于浦西侧和江中段主隧道沉放，以满足总工期安排的时间节点要求。
两个干坞除大小规模外，其底板深度根据管段起浮，拖运出坞潮位（水深），管段制作要求，确定底板标高及干坞开挖深度，因上海是软土地基，管段制作时的自重荷载达9-11t/m2，坞底结构自上而下主要分别为起浮层、钢筋砼底板、基底土置换和抛石层。干坞开挖深度达11.2m，坞壁结构为放坡（1：3.5）加砼护坡结构。虽然土坞属临时结构，考虑到庞大管段结构预制和汛期安全，故对此采取十分慎重的降水及加固边坡措施。除设计计算外，专门立项研究，并进行了离心模型试验，确保实际工程的基坑和边坡稳定，对坞底结构还进行了实地荷载试验及大量现场监测监控以及预报变形量手段，从而保证干坞安全稳定和大型管节制作的质量控制，两坞是目前上海最大规模的基坑，总土方量达120万立方米。已立“干坞基坑边坡稳定分析”课题，已通过专家鉴定，总体水平达国际先进（2002年1月16日）。
大型管节预制是属现浇大体积砼预制的水下结构物，其顶、底板分别为1.45m和1.5m，外侧墙为1m，如此超大的现浇砼结构，又需在水中浮运沉放，运营阶段可谓全泡水中使用，其砼自身重度和裂缝控制是每座沉管隧道都必须研究相应的技术措施，为此，采取砼集料级配设计，并需经历秋、夏季节施工的裂缝控制和相应的防水技术，也专题立项分析研究，采取了预制过程的基底变形监控，砼入模温度、并用水管冷却控制，砼内部温度变化计算机实时监控等一系列现场技术监控手段，针对裂缝成因机理分析，并采取有效的浇捣工艺，养护参数控制措施，确保了管段制作的设计要求，本“大型管段砼施工裂缝控制”课题也通过专家鉴定，达国际先进水平（2002年1月16日），同时对最长108米的管段，进行了分段和后浇带设置的技术措施，以适应软基的变形，对于后浇带及施工缝采取局部外防水；对于管节砼重度，高精度管段沉放时接头部位质量要求，施工单位配合监理等都采取十分细致、认真的施工手段，使预制管段符合设计、管段砼结构自防水和沉放施工的严格要求，满足了大型管段起浮、拖运、沉放工艺时管节自身的质量标准，也附合管节沉放一次舾装中的各种安装要求，为江中段隧道主体结构和沉放创造了最根本的重要条件。
每个干坞内管段预制结束后，坞内可进行放水，具体时间根据舾装、沉放进度确定，对管段可进行分阶段扦漏，每节管段在沉放施工前一周左右时间起浮，进入下道工序（起浮、系泊、拖运乃至沉放等），每个坞在管段出坞前进行出坞航道开挖和坞口水下破堤开挖，使管段顺利拖运出坞至沉放位置，每个干坞的使命就告完成。
2.2 两岸结构段施工
沉管隧道的两岸结构，包括两岸与沉管相接的连接井部分，一般是陆上段结构最深处，其后部即为陆上隧道的暗埋段隧道和引道段（敞开段和进隧道的峒口等）部分，考虑技术上的经济合理性，两岸连接段结构和隧道两侧的岸壁保护结构以适应水中沉管沉放施工时的水中基槽开挖要求，它也是每座沉管隧道施工中的关键技术之一。
外环隧道的两岸取地处吴淞长江口第四纪冲积河口地，除上海软弱饱和含水软基特征外，土层中的砂量高于市区其它地区，对两岸结构施工围护和岸壁保护围护的超深地下墙（46-50m），超宽（43m）超深基坑（最深在浦西连接井达30m）的施工和环境保护带来很大的难度。在上海市建委科技委专家评审的基础上，设计采用厚0.8-1.2m的地下墙围护、钢筋砼、钢支撑相结合的基坑支撑体系，基坑底降水和地基加固相结合的方案。连接井头部需与管段沉放对接，采用可割除的φ1.2m止水咬口特殊钢管桩结构。超深基坑开挖与同济大学地下系成立联合攻关小组，对超深基坑和环境保护控制进行专题研究，通过现场大量监测数据的信息反馈，及时调整基坑开挖支撑参数，使基坑围护位移控制在3‰-5‰开挖深度的范围内，连接井结构，通过工程实际考验证实亦很成功，攻关科研课题亦将进行鉴定。
为适应水中沉放基槽开挖所需，两岸尤其是浦西侧码头等构筑物较多，所采用50米深地下墙所组成的格形重力式地下墙挡土结构，在基槽开挖乃至浦西第一节沉放结束，水平位量控制在最大点5cm之内，设计计算的同时进行了较大规模离心模型结构试验，工程证明设计是成功的，对岸壁保护技术研究课题而言，因水中基槽开挖最深已达29m以上，设计、研究、监控全过程是可行的。本隧道两岸段难度在于浦西侧，浦东侧开挖深度为25米左右，环境条件不如浦西侧苛刻，故本文不再多加叙述。
2.3 江中段沉放施工段
外环隧道工程地处吴淞口黄浦江进、出船舶的航道咽喉部位，概述中已作介绍，是水上交通最为繁忙水域，车渡、吴淞轮渡站以及客运码头、高速码头船只还在此频繁调头和通行，给沉管施工的水上、水下作业带来很大影响，在此已经得到港务、航道、航运以及水上安全主管部门、海事局的大力支持，共同制订了水运临时航道方案，各节管段沉放时的水上航运翻交组织方案，保证沉放施工基本不断航的方案顺利实施。
作为设计施工总承包单位，在施工技术方案中，经过详细充分论证研究，进行大量优化工作，诸如以出坞航道兼作二次舾装系泊区，沉管基础处理采用灌砂法基础；管段沉放对尾部水下临时支承垫块改为钢管桩支承方式；管段沉放后的两侧和顶部复盖回填，根据隧道沉放以后的稳定条件作了进一步细化研究；沉放作业中的定位、监测、监视监控及基槽清淤作业等关键工序，在严格按天文、气象潮位的时间控制外，使水上、水下、沉放作业时间和对航运影响缩小到最低限度，同时也为隧道工程总工期提供了有力的保证措施，体现了设计、施工总承包形式下，充分依靠设计、施工科技人员深入工程第一线，运用科学研究指导生产施工的有效成果。
外环隧道工程的七个沉管体量特别大，自身空气中重量可达4.5万吨，在干坞中依靠抽除管段内压舱水箱（长108m管段内为18个容量为300m3的水箱），使庞大管段起浮，用绞车和施轮拖运出坞，需穿越主航道，须用4条3000匹马力以上的大型拖轮，并用1-2条同马力拖轮辅助克服江中水流阻力，到达预定沉放点。管段施运前已完成浮驳到位和吊点安装，二个测量控制塔（人孔已在内）和塔上2×3台液压卷扬机以及管段上的用于调整下沉控制方向的钢索，滑轮组等全部舾装件设备的安装，沉放时水下预设锚碇块，以两塔上卷扬机控制管段水中的平面位置，以二条浮驳的垂直滑轮组和四台卷扬机控制沉管下放标高，以管段内压舱水箱水位调节控制负浮力和管段的纵坡和横倾，用这三项互相交替控制措施，使管段在下沉过程中，水下空间三度位置附合设计原定轴线位置和偏差的调节，当然沉放过程中用陆上测量控制点，用全站仪控制管段上二个塔的测点位置也是必不可少的，针对这套沉放工艺在国际较多沉埋隧道工程中是常采用的工艺和顺序，对于本隧道已设想以测量数据为依据，从管段内水箱水位调节，10台液压绞车控制管段水中三维位置，实施自动化操纵，并将在沉放施工中试用，以加强水下沉放控制精度，缩短整个沉放施工时间，最大程度减轻潜水员作业工作量为目标，使沉放施工在国际、国内现有的水平上有一个较大的提高，这是已立课题研究的目标所在。
至于大型管段在水下对接及两管节顶面拉合千斤顶，使“吉那”止水带初步止水，两管段封墙之间空隙内排水，使管段最终压接止水。管节头部以鼻托搁置在已沉管段尾部（或陆上连接井处）上，以尾部千斤顶调节尾部标高等常规沉放方法，在这里不再详细介绍。
每个管段按上述顺序沉放到位后，在水箱内适当加水，使管段在预定位置不继续发生浮动，用两侧适当抛石锁定已沉管段的平面位置。拆除用于沉放作业的管段顶部舾装件和设备，移至下一管段的沉放工作，由于本隧道工程基础处理采用灌沙法，在上述沉放工艺顺序完成后，通过水上灌砂作业船，向管段内已预留的Ф200管道向已沉管段底和基槽底之间实施分批灌砂，使已沉管段座落在较为密实的砂盘基础之上，以取代鼻托上搁置力和底部垂直千斤顶的临时支承力。由于上海地区需考虑七度地震设防，灌砂基础内掺加了5-6%的水泥熟料，使灌砂形成的密实砂盘保持一定强度和抗液化能力，以对付地震发生砂基础的液化问题，灌砂完成后，接下来的是管节两侧的水下回填抛石和顶部复盖抛石工序，这样才能完善全部沉放施工阶段的全部工作水下沉放作业，管内作业包括封墙拆除，浇捣管内压舱砼，拆除管内水箱，使隧道内的通车净空达到设计要求尺寸。然后安装两管段间的钢拉索，Ω止水带，垂直水平剪切处键，均是沉放施工中陆续完成的各道工序。
为确保施工质量，本次隧道施工前曾专门立题进行研究，包括灌砂级配方法，抗液化试验，地面较大规模的二次灌砂模拟试验等，以确定砂基础级配，管段内的灌砂管位。通过灌砂砂盘扩散范围和密度检测，以确定管段沉放时各类变形控制参数和指标，是本次立题研究沉管隧道基底处理工艺的主要目的。
隧道偏浦东两管节尾尚有一个2.5米的水下最终接头，采用国外已有的先水下封模板，后抽水施工砼结构的方法。
如此规模的大型沉管隧道在国内和亚洲当属首次，除上述三大部分中所述的科研项目外，在施工前结合施工图设计，还进行了隧道选址和埋深标高中河床演变和冲刷稳定（已通过鉴定）、大型沉管隧道抗震分析研究、大型沉管隧道柔性接头及管段防水技术试验研究、沉管隧道管段局部高出河床的设计研究试验、大型沉管隧道环境保护研究、大型沉管隧道防灾、抗灾、减灾综合设防研究等大型科研项目，本隧道工程共有设计、施工技术方面的课题研究项目十二项，涉及隧道选址中总体平面、纵坡设计，基槽开挖和隧道建成后对较大范围内的驳岸、码头、河床稳定及噪音、废气的环境影响，隧道设备系统的模式和选型，隧道运营后的各类灾害事故分析和预案措施设计布置等各个学科领域研究，已得到国家科技部，上海市建委、科委等上级主管部门大力支持，在全体设计、施工、管理、科技人员的努力下，已在隧道工程中取得相应技术经济效果，以及在加快工程进度也已逐步显示出科技是第一生产力的实际效果，并要求在工程完成时进行总结和鉴定验收。
沉埋隧道有其自身的不少特点，如能一次方便的完成车道数较多，江底覆土（埋深）可减小到最底限度，接缝少，防水处理较为方便，排除受水上交通、气象、潮位、流速影响外，其施工速度较快，可用于地铁、公路、铁路（或合用）等不同用途，隧址条件合适的地区。上海黄浦江水深、流速均不太大，施工条件中除航运船舶以外，较大的难度是处于第四纪冲刷形成的软土地基问题，水下基槽开挖淤积较快。因此，上海从六十年代开始就着手研究，于六十年代初集中一批技术人员进行了部分试验工程和考察，七十年代初，以金山石化厂穿越大堤的排水工程进行了一次规模较小的输水砼管段沉放施工，九十年代初参加了广州珠江隧道和宁波甬江隧道二条沉管隧道的部分防水施工。二00二年三月与上海航道局，上海救捞局合作完成的宁波常洪隧道已建成正式通车，标志上海的沉埋隧道工程设计、施工趋于成熟，通过多条沉管隧道的设计、施工，并进行的结合工程的课题研究，其不少结论和经验参数，可作为今后沉埋隧道的设计和施工提供较新的实际经验。
