中国城轨口述历史乔宗昭访谈录：上海地铁“豆腐”里也能“打洞”的结构设计

【人物小传】

乔宗昭，上海市隧道工程轨道交通设计研究院原副总工程师。她是我国盾构法施工第一代开拓者和实践者，她曾主持了上海多项国家级重大工程项目的设计和研究，为上海软土隧道事业立下了赫赫战功，是我国隧道领域最具知名度的专家之一。

采访时间：2021年4月1日

采访地点：上海·上海市隧道工程轨道交通设计研究院

主持人：1983年我来设计院的时候，您是我们室的主任工程师，在我的印象里，您是我国第一代搞软土地基盾构法施工的工程师，您是怎么进入到这个领域的？

乔宗昭：“失之东隅，收之桑榆”。我小时候读到杜甫的《茅屋为秋风所破歌》中“安得广厦千万间，大庇天下寒士俱欢颜”时，特别感动，感触非常深，那时候我就想将来一定要做房屋建筑师，造很多美丽的大房子。

1957年高考，我如愿以偿进入同济大学的工业与民用建筑专业。不巧的是，1959年院系调整，就把平均成绩最好的小班“一锅端”，端到了新成立的地下系，土力学与地基基础教研室。因为当时基础设施建设的配置需要，我们还提前半年毕业。1962年2月毕业后，我被分配到上海隧道局，造房子的梦就破灭了，从想做的地上设计师，变成了专做地下结构设计的“地下工作者”了。

好在那时上海地铁的筹建全面展开了。规模宏大，事业引人，一转眼我就在隧道系统工作了半个多世纪，并且越来越感到，隧道和轨道交通确实是天堑变通途了，活跃了人们的出行，繁荣了城市的经济，拓展了城市的地上和地下空间，我很热爱我所引以为自豪的这个专业。

我是老同志中稍微年轻的后来者，经历了前期在前辈带领下的与隧道共成长的所有的研究过程，今天能回顾的历史都是比较局限和琐碎的，就作为上海地铁建设史里面的“朵朵小浪花”。

主持人：这个行业里女同志不是很多，女同志从事这项工作还是受一些限制的。您在从业过程中有没有碰到过这样的尴尬呢？

乔宗昭：当然有。在国内我常常就会碰到，我要下工地去看，得先打个电话到工作面，告诉他们我得下来了，请他们把该穿的衣服穿好，然后我才能下去。

还有一次去日本，是代表大阪的友好城市——上海去的，到了那儿以后我们提出去参观地铁，他们就说女同志不能下去。我就问为什么？我在国内做了那么多年的地铁，为什么不能下？他质疑我做地铁的真实性，于是我们聊了聊地铁相关专业问题，聊完后，他说，您确实是做地铁的，我们是同行。所以我也就下去了。

还有一次到美国，跟ES公司搞合作设计，正好我有一个亲戚是在联合国里做办事员，我也提出要去看看地铁，他说你行程里没有，我说我是做这行的，不看就等于白来了。他说有困难，哪有女同志做这个工作的。我说我们当然做，除了在房间搞室内设计以外，也会参加试验研究，还要到现场去查看。几番沟通后，他同意帮我争取，所以我在美国也下了地铁工地参观。

主持人：这算是小插曲了。如果要讲到上海地铁早期的盾构试验，那就不能不谈谈塘桥了。

乔宗昭：我想先说一说，为什么上海要搞一个塘桥试验基地进行试验。上海地处长江三角洲的前沿，西临东海，北依长江，南濒杭州湾，浅层土大部分都是典型的三角洲冲击沉积物，上海统称“软土”，它的含水量高，孔隙比大，压缩系数高，强度也低。这层土给地铁施工带来困难。

例如，在50米以浅的工程设计比较多的土层里面，含有一层淤泥质黏土，这个土是呈流塑状态的，在外界的开挖等干扰作用下很容易产生流动，这层土的厚度一般是3米至10米，最厚的也可达到20米。这层土也就是上海地面、地下建筑物产生大量沉降或者沉降长期不稳定的主要原因之一。还有，就是粉性土和粉砂，在有一定动水压力下就会产生流砂。正是因为无法很好地处理这些土层，才让上海地铁的建设裹足不前。

当时苏联专家就曾预言，要在上海这样的软土中建地铁，犹如“豆腐里打洞”，什么意思呢？必塌无疑！这个工程的技术人员是“把脑袋拴在裤腰带上”，这是什么？就是盲目蛮干。我们能接受“上海不能造地铁”这样的判决吗？当然不能！怎么办呢？只有自力更生，用自己的试验研究的成果，来实现上海人的地铁梦。

1960年到1963年，我们在刘建航院士和王振信总工的领导下，在塘桥建立了一个试验基地，进行了直径4.2米盾构法的深浅推进试验。

什么叫浅推进？它的复土比较浅，当时的复土是用了4米，推进了25.2米长。那深推进呢？就在井的另外一个方向进行，它的复土是12米，推进距离是37.8米。推进用的是最早的国产挤压式盾构，实际上也就是网格式挤压型盾构，当时正值三年自然灾害期间，试验资金短缺，就连建造试验用的管片，都需想方设法地用胎模来代替。

胎模是什么呢？就是让木工师傅先按照我们的设计要求，精工细作一块管片，这块管片经防水处理以后，在它的四周分块留模板，浇筑钢筋混凝土的阴模，撤模以后，就用这套笨重的钢筋混凝土的阴模代替钢模，生产管片。

在塘桥试验以前，我们做了一些单双层衬砌的小比例的力学试验，同时还做了一个双层衬砌结合面，用以进行不同处理下的力学性能的测试。当时决定先用单层衬砌来推进。

塘桥试验除了推进试验以外，还有一个非常重要的关注对象，那就是地表变形的测量。为了达到这个目的，我们沿着隧道的主线，设立了多道低矮的刚性的测量支架。

这个支点当然是在影响范围之外，影响范围是我们估的，在支点上面布置了百分表和千分表进行测量。为什么布置百分表又要布置千分表呢？当时穷，买不起清一色的百分表或者千分表，借也借不到那么多的仪表，所以有多少用多少，都用上去了。

回想当年，一声令下，说要推进了，“哗”一下子，那么多人都匍匐在地，每个人都一丝不苟地在测读和记录。那个场面我今天回想起来都觉得很神圣，也很壮观。这是上海的破冰行动，是破天荒第一次由我们自己进行的地铁试验研究。

当时得出的试验结论：第一，就是用盾构法推进，用单层衬砌构造隧道，在技术上是可行的。第二，地表变形客观存在，但是我们知道了它产生的因素和规律以后，一定可以想办法控制它。

这个结论在今天看来很苍白，很无力，但毕竟是我们第一次进行的试验。万事开头难，不积跬步，无以至千里，不积小流，无以成江海，这是非常重要的一步。我认为塘桥试验基地所进行的试验，可以载入上海地铁建造史的史册。

主持人：这毕竟是一个成功的试验，我们很受鼓舞。那么实际工程应用大概在什么时候呢？

乔宗昭：我们那个试验，直径只有4.2米，跟需要的地铁是不可同日而语的。1964年到1967年之间，又在衡山路进行了地铁扩大试验，规模包括一井一站，还有600米的双线盾构法区间隧道。

这个区间隧道有600米长，我们已经把隧道的内径扩大到了5米，采用衬砌结构的环扣环，缝和缝、块和块之间都是用螺栓连接的。

它在纵缝里面是设了两道环向螺栓的，外道是弯螺栓，内道是直螺栓，为什么要这样设呢？就考虑到计算的时候，它有不同的接头，有的是正弯矩，有的是负弯矩，所以，上两道就满足了正负弯矩的不同需要。

在这个试验中，我们证实了用盾构法推进，在软土地层中建隧道是合理的，可行的。单层衬砌钢筋混凝土结构，结构是安全的，防水也是可靠的，对地面建筑的影响也是可控。因为我们已经在衡山路的民用建筑下面穿过了，在这个试验之后，上海才真正地坚定了造地铁的信心和决心。

主持人：当时地面沉降是多少？我们怎么控制的？

乔宗昭：当时衡山路的时候，地面沉降还有10公分至20公分。

主持人：那就比较大。

乔宗昭：是的。所以，我们还要进行第三阶段的试验，就是所谓的检验试验。受文化大革命的影响，在时隔十一年后，也就是前阶段试验以后的第十一年，我们再根据上海规划的地铁南北线的一期工程，来进行检验试验。这个检验试验的规模，也是包括了一站一井，913米的双线区间隧道来进行的。

首先，我们是在新村路构筑了新村井，用土压平衡盾构，这个盾构已经较前一阶段又进一步了，向漕宝路推进。

其次，衬砌当中除了大部分单层衬砌，也有局部的双层衬砌，双层衬砌的外层衬砌比我们单层衬砌的那一层厚度要薄一点。

从我国海南省三亚市到南海的曾母暗沙距离大约为2000千米，我们海军的大型舰艇平均航速在30节（每小时55.56千米）左右，那么可以估算出从三亚到曾母暗沙，军舰需要航行将近40个小时。而“鲲龙”AG-600以最大巡航速度500千米/小时抵达曾母暗沙仅需4小时，并且还可以在该地盘旋数小时。在遇到诸如海盗劫持或者恐怖袭击时，使用“鲲龙”AG-600可以在最短时间内，直接将人员、物资等投送到事发海面。

再次，在里面的水平轴线以下，又现浇了一层20公分的整体的内衬。

最后，试验的时候，我们是以水平钢拉杆加载进行现场的整环试验，测得了结构的变形、内力以及作为土介质的水土压缩的变化，同时还进行了地铁列车的模拟振动试验。让人们彻底消除了在软土中建地铁后，地铁长期运营的振动会不会产生不良影响的担忧。

把这个疑虑消除后，上海地铁才正式、确有把握地拉开了大规模建设的帷幕。

讲到这，我就想详细介绍一下为什么要进行模拟地铁车的振动试验。

上海地区的软土层含水量高等，在地铁列车反复振动核载的作用下，黏性土会不会产生流动，会不会产生比较大范围的振陷？砂性土会不会液化？会不会使结构产生渐进性的变形和渗漏？

这是上海软土引发的，带有上海地方特色的，且不能不回答的问题。当时在刘建航院士的协调下，我们会同哈尔滨工程力学研究所和同济大学土动力学研究室的同志，通过了一条迂回曲折的试验路线，进行了地铁列车振动试验。

这可能是国内首次，国际上我也见得也不多的试验。试验过程我觉得值得一提的。

首先，我们是到北京地铁区间里，去测列车在不同工况下，所在结构上、道床上、轨道上所产生的振动反应。什么叫不同工况呢？就是车辆几节编组？运行速度怎么样？每节车厢是不是满员？

我记得当时最有趣的是，为了让车厢满员，我们不得不请一些学校来协助，请小孩子乘坐地铁，我们测一测数据。

在掌握了那么多数据后，我们就通过北京的土层和上海软土土层的特性对比，推算一下这样的列车振动在上海会产生什么样的振动效应？最终，有了这两组数据，得出了列车的核载可能产生振动反应的要求，再根据这个要求，我们就可以建造模拟地铁列车了。

当时地铁建造刚开始，还没买列车，更谈不上振动，所以只能叫做模拟列车。这个列车做完以后，就把它放到漕溪路的单双层衬砌的试验段，进行振动，定点激振。它的激振次数是多少呢？是2.3到2.5乘10的5次方次。

为什么呢？你不是长期振动影响吗？这个数据不是拍脑袋拍出来的，也是计算得来的。它的频率是4到7个赫兹。

试验的时候，地面测试的点是放在漕溪公园，激振的时候，除了测衬砌、道床和轨道的变形、周围的水土压力的变化以外，我们在地面也布下了“天罗地网”，地面和分层地下都设了测点。测速度和加速度。在地面的建筑物上也都布置了测试元件，哪怕是悬挂的电灯也都编了号，进行测量记录。看它振动的时候，到底摆幅是多大。

最终在对大规模的试验资料进行综合分析后，我们得出一结论。那就是地铁列车振动，对地面和地下的影响不大，测得的地面振幅和地下振幅只有3毫米到5毫米，衬砌结构下卧层的动水压力不超过6千帕，它的速度和加速度就更小了。更何况，我们的工程还会有土体的阻尼和压力扩散作用，绝对不会引起黏性土的软化，也不会导致砂性土的液化。

就此，人们对列车长期运营所产生的未知后果的恐惧感，就彻底消除了。

主持人：这个试验当年是没有地铁的吧？是不是只能做模拟试验？后来地铁建成以后，有没有对比一下？

乔宗昭：那个试验毕竟是模拟，所有数据都是这样算过来那样推演去的，计算模式等因素对实际都很有影响。我们也做过对比，做完的数据和模拟是差不多的。

主持人：从1960年到1963年的塘桥试验，再到后来1978年的漕溪路试验，差不多相隔了十五六年。耗时十五六年，用作前期试验，在现在看来，都有点是不可想象的。现在，很多城市两三年就建一条轨道交通，技术成熟了，但也不能忘记前辈们所付出的艰辛努力。您还记得上海地铁1号线正式开工的时候，盾构推进过程是不是顺利吗？

乔宗昭：上海地铁区间隧道基本上都是用盾构法施工的。1980年到1995年完成了上海地铁1号线的一部分，是全国第一条用盾构法施工的线路。

我主要参与负责地铁1号线和地铁2号线区间隧道的衬砌结构的研究设计，包括最后的定型设计。地铁区间隧道的结构设计，不同于一般的地下工程设计，它的选型要根据地铁的功能、限界、周围的土质情况、对结构变形的控制、受力的控制以及施工工艺和拼装工艺而定。

前面试验，我们内径从第一次刚试水的4.2，变成5.0，再变到5.5，在逐步优化试验条件和数据，也在适应地铁建设的要求。

选型跟这么多因素有关，而且地铁结构设计也要求我们设计成具有一定刚度的柔性结构。不是全刚，也不是全柔，而是一定刚度的柔性结构。这句话怎么理解呢？就是要求在不同荷载的工况下，既能够承受应当承担的内力，又能控制它的变形（整体变形或者结构的变形）。这个变形，要能够跟防水措施的功能相匹配。

衬砌的定型分为：第一步，要通过不同模式的静动力学的分析计算，进行试验研究。不管是1∶1的比例或者更小比例，都要进行试验研究。第二步，进行实地检验，正如在前面三阶段试验中做的一样，这是最重要的。第三步，根据实地检验结果，才能正式确定我们地铁衬砌的结构。

当时我们还编制了一部分通用图纸，上海地铁衬砌结构定型的结果是怎么样呢？隧道衬砌的外径是6.2米，内径是5.5米，衬砌结构厚度是35公分。这是由高精度钢模生产的管片拼装而成，每一块里面含一块封顶，两块邻接，两块标准，一块大拱底，环和环之间采用通缝拼装，但是纵缝和环缝当中都设置了由氯丁橡胶和制膨胀防水橡胶组合而成的弹性密封垫。管片的混凝土标号是C50，抗渗等级是0.8兆帕。

隧道的设计定型以后，以后的各条线路，基本上都是在这个框架内进行的。当然，也是由于它受制于盾构机械的限制。

此外，在区间隧道设计里还有个大难题，就是联络通道的设计。联络通道设计牵涉的事情比较多，风险很大。因为它需要在已经建成的两条主隧道之间，再去施工一个横向的联络通道。当时我们是以项目为平台的，就是项目拿到手了，我们就必须要做。于是，我们就以科技创新为原则，考虑研究了微型盾构、顶管，还有箱涵等几种方法，但觉得都有点问题。后来进行多方案的比选和论证，再结合施工单位和监理单位的意见讨论，最终决定推出“类矿山法”的建造方法。

什么叫类矿山法呢？就是在两条隧道推进的时候，推进到建联络通道相当位置的地方，按设计要求拼制特殊的拼装衬砌环。这个特殊拼装衬砌环，包括开口环（联络通道动门这块）和闭口环（开口环两侧的辅助加强环）。拼装好特殊衬砌环以后，这些衬砌环的承载能力都比较大，都是由钢管片、铸铁管片或者是钢和混凝土的复合管片构成的，盾构推进到进站了，或者是离开联络通道相当位置以后，就在隧道内对联络通道的周边进行地基加固，采用地基加固含冰冻法，当加固体自立、防水有了一定的强度，形成了一个均匀的水平柱状体以后，我们就开始进行正式施工了。

在施工之前，首先要对主隧道的开口环和闭口环进行支撑和加固，特别是洞口的加固是最至关重要的。然后，我们打开洞门，采用类似矿山法的方法进行分段分布的开挖，然后进行辅助层的施工，包括设钢拱架、挂网、喷射混凝土等，之后再在里面现浇联络通道的主体结构。这个方法刚开始实施的时候，你说没有把握吧，还是有把握的；你说有把握吧，心里还真是忐忑。

第一次做的时候，我三天两头往工地跑，用脚踩，如果觉得加工的强度不够，回家晚上睡觉的时候也不安稳，真是夜难成眠。

还好在施工、设计、监理的共同努力下，还是很顺利地完成了第一个设计。这个方法由于灵活、可靠、安全，后来得到了广泛应用，哪怕到现在，还是运用得比较多的一种施工方法。

主持人：上海地铁隧道绝大部分是由盾构法施工的，已经建成一个700公里的网络了。这些隧道在地下的“基础森林”里面穿越，是采取什么措施来避免“森林”在不知情的情况下遭受破坏的呢？

乔宗昭：这个问题比较大，还有点复杂，由我一个具体的工作人员来回答有一定的难度。所以，我就根据我自己粗浅的认识，谈谈观点。

第一，要想保护好，首先必须有地铁保护管理的规定。1994年，上海的隧道工程管理局就向上海建工集团总公司、住宅总公司、各区的建设委员会和土地局、规划局等，发了《上海地铁沿线建筑施工保护地铁的管理条例》。这实际上就把保护的责任分解到位了，由于每个项目都要报上来审批，就杜绝了不知情的、盲目乱盖的不负责行为。

第二，当时我和地铁公司总工董明德，一起到香港参观学习，回来以后，觉得这个事情很重要，就抓紧草拟了一条上海地铁保护条例，借鉴了香港，也依据上海地铁的地层情况、结构特点和环保要求。在1994年上海市政工程管理局发的管理通知里，把这些内容都包含在内。第一，在隧道周围3米范围内，不得建任何工程建筑物；第二，隧道设施的绝对位移不能超过2公分，由于垂直荷载、降水、注浆等引起的隧道外围的附加压力不得超过20个千帕，打桩爆炸引起的速度不得大于2.5公分每秒。这样，要做地铁保护就有据可依了，设计、施工、监理包括监管，都可以根据这个方法来执行，地铁建设安全性也就有了保障。

第三，还得有一个严谨科学的保护方案或者是技术措施，来确保保护成功。1993年或1994年，在南京路和西藏路的交界口要建造新世界商厦。当时保护条例都有了，但上海寸金寸土，它要建的地方正好是两个交界的角落，留着那么一块空白，位置又恰好是要斜跨已经建成的地铁1号线的区间隧道。怎么办？当时在地铁公司的主导下，我们对他们的设计方案进行了咨询。这个建筑是地下1层和地面12层，于是我们当时就提出房屋的基桩布置不得侵犯到隧道的范围里，还要保证离开一定距离，两者之间还要打维护桩，形成一条保护廊道，而且在保护廊道以内，衬砌结构的上方，还要专门施工一个软夹层。

软夹层当时采用的是结皮海绵，房屋即使打桩，它的基础也会沉降，它一沉降，就会带动隧道上方的土体沉降，隧道不就沉降了。结皮海绵就是为了吸收这一部分的不均匀沉降而设置的。

除此之外，我们还对它的整个基坑的支护设计进行了咨询，针对设计方案，开挖分步的步序，建管的标准都做了一些探讨。

最后的结果是，大楼建成了，地铁1号线的区间隧道到现在也是巍然不动。

主持人：我国城轨交通经历了五十多年的发展，现在已经建成一个很大规模网络了。全社会都非常关注城轨交通建设，这五十年来几代人都为它付出了很多。上海地铁经过三十年的建设，已经建成了全世界规模最大的网络。您几乎是经历了它的建设发展全过程，那么对现在城轨交通的建设者和设计者有什么想说的？

乔宗昭：我一直对地铁建设人才有一个想法。这些人首先要热爱这个专业，有热爱才有动力，才会有追求，有理想，能够奋飞不辍，自己不断努力，不断前进。也只有这样的人，才能不断创新，不断把事业推向前进。

当然，我觉得领导层面也要给他们创造好平台，给他们好政策，让他们有所发挥，希望他们更上一层楼！