南京地铁1号线软土隧道施工
【提 要】：南京地铁1号线穿越地层条件非常复杂，既有低山丘陵的岩石层，也有古河道漫滩的含水土层，且局部区段位于河床之下，最浅覆土仅0.7m，地面建筑物林立。文章以南京地铁1号线为工程背景，介绍了粉质粘土地层的水下盾构施工、大跨度软流塑土层下的管棚施工等技术，希望能对同类地层条件下的隧道施工有一定的借鉴意义。
【关键词】：南京地铁隧道盾构管棚抗浮注浆
Abstract: Nanjing Metro No.1 line passes through very complicated earth layers, such as shallow hills rock layers and the acient floodplains, some parts is just under the river bed (0.7m to the river bottom). Therefore, many construction methods were used in the period of the tunnel drilling. Among of them, three ones were regarded very difficult. The first is the shield drilling in the shallow embeded clay under the water; The second is the shielding canopy construction in the watery clay under the buildings; And the last is vibration-reducing controlled blasting in the excavation of the shallow rock tunnels under the biuldings. All these are introduced in this paper, hope to be useful in the tunnel construction of same geological and environmental conditions.
Keywords: Nanjing Metro, tunnel, shield, shielding canopy, float?control, grouting, vibration?reducing blasting.
1 工程概述
南京地铁南北线为线网规划中的1号线，呈南北走向，一期工程由小行至迈皋桥，沿途经过中华门、三山街、新街口、鼓楼、南京火车站等繁华的商业区和市内交通枢纽，形成了贯穿南京市主城中轴线的快速轨道交通走廊。线路全长为16.92km，其中地线上6.11km，地下线10.81km，地上线占全线总长的36％。全线共设车站13座，其中地下站8座，控制中心设在市中心珠江路站东北侧。线路总体分布及站点设置如图1所示。
2 工程地质与水文地质概况
南京市位于长江下游，其三面环山，一面涉水，地势起伏较大。市内丘陵、平原交错，现代水系（主要为内秦淮河水系和金川河水系）贯流，地下埋藏有一条纵贯南北的古河道，形成了比较复杂的地貌形态。市区及市郊的一些剥蚀残丘大致呈北东向分布，形成三段基岩隆起，将南京市分割为南北两个小盆地，并由古河道将这两个盆地联系为整体。
三段基岩隆起构成低山丘陵地貌，主要由剥蚀残山及侵蚀堆积阶地组成，其间发育有坳沟或山间洼地，地形起伏较大。低山丘陵区覆土层厚度一般不超过20m，局部地段基岩直接出露地表。古河道冲积平原主要由河漫滩及古河床构成，地形平坦，地势低平，其基岩埋藏较深，一般35～40m。古河道冲积平原一般发育四级埋藏阶地，土层主要为可塑状态粉质粘土，局部为软、流塑状态的粘土及粉土等。对于南京地铁的不同区间，如图1所示，小行-中华门、珠江路-玄武门、南京站-迈皋桥区段，地层属低山丘陵地貌单元，而中华门-珠江路、玄武门-南京站区段则属于河漫滩地段。
地铁沿线的水文地质条件与工程地质条件一样，都受地质、地貌控制。其地下水主要为孔隙潜水或弱承压水，地下水埋藏浅，一般于地面下1.0~2.0m。由于构成含水层的地层土质有差异，各土层的渗透性也有较大差异。古河道深槽含水砂层厚度大，透水性好，富水性强，最大渗透系数可达5×10-3cm/s(4.32m/d)。
3 浅覆地层隧道施工技术
针对南京地层的古河床、河漫滩和低山丘陵等复杂多变的地层条件，综合考虑周围环境特征及经济因素等，1号线选用了多种隧道施工方法，如高架、明挖、矿山暗挖、盾构掘进等，如表1所示。地铁1号施工过程中，有两个软土区段难度较大，一是三山街-中华门区段的浅覆土埋藏条件下，水下盾构隧道的推进施工，二是珠江路-鼓楼区间的软流塑粘土及粉土地层中，在建筑物下进行大跨度隧道掘进的管棚施工，再有是鼓楼-玄武门的浅覆岩层的爆破施工。
3.1 盾构穿越浅覆土地层的水下掘进施工技术
3.1.1 覆土水下盾构施工的特点和难点
地铁1号线中华门-三山街区间隧道需穿越内秦淮河，其河道宽16.8m，河底距盾构顶部最浅覆土厚仅0.7m，河床底部表层土夹有大量碎石、填土及浮淤物，渗透性极不规则，给盾构的推进带来极大的难点和风险，集中体现在两个方面：
（1） 极易引发突水事故。盾构推进一般要求覆土厚度在2～2.5d(d为隧道直径)之间，而本处覆土极薄，在如此薄层条件下进行盾构推进，极易引起表层土开裂；同时，该处直接位于河床水位之下，水源补给充分，一旦突水，后果不堪设想。
（2） 浅覆土隧道轴线控制难。对于本处如此浅覆土的地层，隧道所承受的浮力要远大于其上水土的压力，因此，自然状态下，即会导致隧道的上浮变形，需采取有效措施加以控制。
3.1.2 浅覆土水下盾构施工抗浮控制技术
浅覆土盾构隧道上浮，会造成隧道衬砌上方土体被动破坏。如图2所示，假设水深为H1，隧道顶部覆土厚度为H2，则被动区域土体的极限平衡条件为：
的外径和内径。
由此计算可得最小覆土厚度为：
本处河水深度H1为2.0m，内摩擦角?为12.3° ，内聚力C为8.9kpa，土的饱和重度γ为17.7kN/m3，管片外径R1为3.2m，内径R2为2.75m，混凝土重度γ混凝土为20 KN/m3。由此计算，得最小覆土厚度H2为4.306m。显然，本处覆土厚度仅0.7m，不足以平衡隧道所受浮力。施工中，我们采用抗浮板和抗拔桩来解决这一问题。如图3所示，在隧道的上方河床的底部，构筑厚度为700mm的抗浮板，并在抗浮板的下方钻设直径为600mm深度为15m的灌注桩，桩与板锚固在一起，有效防止隧道在施工中及施工后的变形。
3.1.3 盾构推进防突水控制
对于盾构水下推进过程中的防突水控制，我们主要采取控制出土、压注膨润土浆液、及时同步注浆以及加强预测预报等方法，快速均匀地穿过内秦淮河。
（1） 出土量控制。若过量出土即超挖，必然会引起大的地面沉降，反之，会引起地层的过量隆起。施工中，我们主要通过调节盾构前方土仓压力，使得仓压微大于该处地层土压力，根据盾构推进速度计算螺旋出土机的转速和出土量，避免超欠挖。
（2） 膨润土浆液压注。本次施工采用的是土压平衡盾构机，因该处的覆土非常薄，施工中，我们通过盾构机的加泥系统，在工作面前方压注适量膨润土浆液，以减小刀盘切削阻力和盾构与周围地层的摩擦阻力，从而减小盾构施工对周围地层的扰动。
（3）同步注浆技术的应用。通过盾构的注浆系统，在盾构行进中，及时注入水泥浆液，填充盾尾脱离后，衬砌与周围地层的空隙，封堵水力通路。
（4） 加强预测预报。借助盾构推进的仿真系统，通过对行进参数的实时模拟分析，寻求地层变形量、土仓压力变化等参数的规律，预测预报盾构后期可能的姿态变化，结合固化到系统中的人工智能经验，及时调整施工参数。
3.2 建筑物下软粘土地层的管棚施工技术
软岩或无水条件下，应用管棚支护技术已较为成熟，但对于高含水的软粘土地层，应用管棚围护仍然较少。地铁1号线珠江路—鼓楼的区间隧道，在近珠江路站一侧，隧道布置在长约200m的粉质粘区，局部夹薄层粉砂，土层含水量在29.7%～31％。隧道断面呈马蹄形（图4），下设反拱，其净高5.30m，净宽5.18m，在上方建有6层楼高的民房。隧道在此施工，选用了组合长短管棚技术。
3.2.1 软粘土地层管棚施工的特点和难点
在高含水软粘土及夹有粉砂薄层的复杂地层中进行长管棚施工，在钢管棚钻设与安装、止水帷幕形成、隧道的开挖等均较困难。
(1) 长距离水平钻孔难。受钻杆挠度、刚度等的影响，加上土层的非均一性，在该类地层中进行管棚钻进，极易引起钻孔的偏斜、坍塌等，从而影响终端管棚的形成质量。
(2) 难以一次形成有效的止水帷幕。由于主要在粘土层中进行隧道挖掘，粘土地层的渗透性差，注浆效果难以控制。
(3) 开挖过程中易引起大的地层变形。本处隧道埋深较大，同时上方有房屋超载，地压大，更不利的是，该处土质软、含水量高，施工中极易由于管棚质量、支撑的及时性而导致地层的坍塌，危及其上住宅。
3.2.2 高含水软粘土地层的管棚施工技术
管棚加固是在欲开挖隧道的周边，埋设一定数量的钢管，并对管周土体进行注浆，形成一定强度的止水帷幕。其作用机理有两类，一是梁拱效应，管棚因前端嵌入周围土体中，露出端架设到隧道支撑上，从而在隧道周边形成一组纵向支撑梁，并承担其上地压、抑制土体的过量变形；其二是强化土体效应，由管棚花管注入的浆液经孔壁挤入围土颗粒间隙而固化土体，从而提高洞周土体的弹模和强度。为在如此复杂地层条件下形成有效的管棚结构，施工中，通过优化设计参数、应用长短组合管棚技术、导洞分台阶开挖技术等成功穿越了该类地层。
(1) 管棚参数的确定
对于图4所示的管棚，作用在顶部的压力为：
考虑到管棚施工时，一般支撑较近，并能与管棚芯材密贴接触，故假设管棚的钢管为等跨连续梁，假定支撑间距为l，则管棚钢管所受的最大弯距Mmax为：
假设钢管的内外径分别为R1、R2，则其抗弯模量W为：
据此，可求出管材的最大拉应力：σmax=Mmax/W
一般认为，软土地层的管棚加固体中，地层的压力全由钢管承担，管棚的注浆加固体仅起到帷幕止水的作用，假设帷幕加固体的有效厚度为d，帷幕的抗剪强度为［τ］，管材中心距为b，则管棚的注浆加固体厚度必须符合下述条件：
式中k为安全系数，可取1.5～2.0。
据此，可有效确定管棚施工的主要参数包括管芯距、管径、帷幕厚度、支撑间排距等，并根据帷幕厚度和所处的地层条件，进一步确定注浆压力。本次施工中，长管棚选用的管材为?108，壁厚6mm的钢管，管棚间距250mm，隧道内支撑间距为500mm。同时，根据目前的水平钻进技术，在土层中一次钻进40m，终端偏差可控制在0.5～1.0m内。为此，本次一次围护的长度亦确定为40m，施工中，每隔35m设一扩径钻孔工作间，工作间长度6m，外径比隧道横断面范围超出700mm，以便后继隧道的管棚钻进施工，如图5所示。
（2） 长短组合管棚的应用
由于管棚顶部所受的压力最大，故在拱部150°范围内布设长管棚，以抵御隧道所受压力引起的变形。本处隧道布置在粘土中，土层的粘性大、可塑性强，遇水极易软化，为典型的富水软流塑地层。因而水泥浆液的渗透性弱，一次长管棚注浆难以完全隔断与周围地层的水力联系。为保证形成有效的止水帷幕，在相邻大管棚的中央另行钻设超前小导管，钢管间距250mm，长度为2.5m，并保证有1m的搭接长度，每1m进行一次小导管注浆，短管棚沿周圈全断面布置，这样与长管棚加固体组合（图5），共同注浆封堵后形成止水帷幕。
(3) 严格控制管棚的施工质量
管棚的施工质量直接影响隧道的防水和洞周土体的稳定性，施工中应从孔位钻设开始，对管棚的布孔、定位、安装及注浆等工序严格把关。
1） 钻进控制。管棚施工的技术关键是平行精确的安装钢管，以产生拱形效果。施工中，先用高强钢轨和标准枕木铺设好轨道，钻机就位后，将钻机以行走器夹紧，保证钻机只能按设计的路线行走。在方向固定时，要注意管棚回转钻进过程中钻杆有下扎趋势，在软粘土施工中尤为严重，故在开孔方向布设一定角度，经试验，本处在0.8°～1°之间，施钻过程中常用经纬仪和水平仪检验。布孔时，为减少钻进对原状土的扰动而影响精度，钻孔及铺管采取跳档进行的方式，间距为双孔距。
2） 管棚安装控制。管棚的管材选用无缝钢管，每节长4.5m，加工时，要保证钢管的圆度、同心度及丝扣精度等，保证每一钢管沿设计轴线分布。
3） 注浆控制。钢管铺设后，及时进行压力注浆，将钢管周围土体的空隙和管内填满浆液。本处长管棚注浆采用单液水泥浆，由于是在粘土中施注，一方面，适当增加了材料的水灰比（本处选用0.8～1∶1的水泥浆液）；另一方面，增加注浆压力（本处选用1.5～2.0MPa），以增强渗透能力和注浆效果。超前小导管注浆时，则采用双液注浆，水泥浆与水玻璃的体积比为1∶0.5，以及时封堵水力通道。
（4） 隧道挖掘控制
开挖分两台阶进行，上台阶开挖每次0.5m，随后架立隔栅钢架，喷射25cm的混凝土进行初期支护，开挖台阶总长度控制在6～7m为宜；对于下台阶，每开挖0.5m后，应立即进行初期支护，开挖过程中，对于上部的钢架拱脚处，应采用跳槽开挖，以稳定上部的钢架。对于掌子面部位，因其暴露面积较大，还应及时挂网并喷射10cm厚的混凝土，以稳定地层。
3.3 浅覆土建筑物下岩石隧道施工技术
3.3.1 施工的特点与难点
如前所述，由于南京地层的地势起伏较大，岩性变化多，且地面建构筑物林立，在如此浅覆土的地层中进行岩石隧道的掘进非常困难。
1） 岩层复杂多变。对于1号线所穿越的岩层，在珠江路～玄武门、南京站～东井亭共有4个特征地层。在珠江路～玄武门区间，以鼓楼站为界，在其南段，岩体主要由紫红色的砾岩、含砾砂岩及细砂岩构成，泥质或钙铁质胶结，在其北段，主要由紫红色安山岩，安山凝灰岩；在南京站～东井亭区段，近南京站侧，分布有灰黄色、灰色灰岩，北段分布有灰白色细砂岩，石英、长石砂岩。
2） 岩性较差。1号线隧道分布范围内，岩层节理裂隙发育，岩质软硬不均，强风化、弱风化及微风化均在隧道中有所体现，围岩强度等级在Ⅲ~Ⅴ类。
3） 地面建构筑物密集。在岩石隧道施工中，隧道需先后穿越中山路、中央路，地下过街通道一处，并主要在民房密集区通过，房屋多为4层以下楼房，最高为7层，基础形式多为条基。交通路面下管线密集，不允许施工期间地面有大的变形。
4） 隧道埋深浅。一般埋深在8~18m，局部区段如红山公园附近几近露出地面。
3.3.2 浅覆土岩隧道施工技术
为将岩石隧道施工对周围环境的影响程度降至最低，实际隧道施工中，首先从总的装药量控制入手，运用多段位高精度雷管的减震控爆技术，实施分台阶爆破施工，并对裂隙特别发育岩石强度低的地层进行超前预加固，取得了良好的效果。
（1） 装药量控制
由于1号线沿交通主干线及居民密集区分布，加上离地表非常浅，若采用常规爆破，势必因振幅、振速过大，引起地层有较大的变形而导致房屋的破坏。一般地，振速、装药量及爆破距离之间的关系为：
V=K（Q1/3/R）a （10）
式中V——为质点振动速度（mm/s）；
Q——为单位齐爆药量或单孔药量（kg）；
R——为炮孔至建筑物的距离（m）；
K,a——爆破点地形、地质等条件有关的系数和衰减系数；
K值一般取50~350,a值一般取1.3~2.0。
本处民房多为一般砖房或非抗震型砌块建筑物，要求振速不超过2~3cm/s，公式（10）表明，隧道的埋深直接影响着单段齐爆装药量。根据公式（10），结合1号线的隧道埋深和地质、地形等条件，进行了试验后，表2是典型浅埋地层的装药参数，施工中根据爆破震动情况进行调整。
（2） 减震控制爆破
为了降低爆破振速，避免多炮孔同时起爆发生共振，应使各炮眼爆炸后振动波相互干扰、抵消。一般地，单炮孔爆破时引起的震动持续时间较短，多数情况下只有三个全振动周期（3T）的振幅大于A/2，随后的振动衰减得可以不计。因此，雷管的延时差大于3T时就不会发生共振，而多炮孔爆破振动波相互抵消。从理论上，只要改变起爆时间间隔，调整波形的相位差就能实现。但实际上，各炮孔的振动频率f是不定的，所以无法使各炮孔振动波相互削减。实际爆破中，为达到产生随机干扰波的效果，大都采用多段位高精度系列雷管，同段雷管道偏差值大于100ms，不同段位的雷管间隔时间较长。本次对于浅覆地层，掏槽中心孔选用?25mm药卷 ，分8个段别起爆，单孔单段位，雷管延时差为100ms，掏槽布置采用桶形与锥形相结合的混合掏槽方式；对于掘进孔、内侧孔及周边孔则采用非电毫秒雷管分25段别起爆，起爆顺序如表2和图6所示。
表2 浅埋地层爆破参数表
开挖方法上，则选择半断面正台阶法施工，上半断面高度为3.3m，底宽5.98m，台阶长度控制在3m左右。采用化整为零的施工方法，围岩一次暴露的面积小，时间短，爆炸用药量亦小。
（4） 光爆减震控制技术
为形成光滑的轮廓面，光爆孔间距a光取得较小，考虑到本处一般为Ⅲ~Ⅳ类围岩，取a光=0.4m。光爆的最小抵抗线距W光=1.2~1.5a光，取W光=0.6m。两个相邻光爆孔的间距为0.2m。
（5） 采用小循环进尺
进尺小，则循环爆破方量小，一次爆破用药量小，易于起爆网络设计。
（6） 超前预加固
对于裂隙发育多、岩石强度低的地层，本次采用了超前小导管预注浆的方式，先对隧道周围岩体进行加固，提高岩体的弹模与强度，便于岩体的稳定和隧道的掘进。
4盾构法与管棚法比较分析
对于两类施工技术的应用，从南京地铁1＃线的施工实际看，在安全性、经济性存在一定的差异：
安全性
从施工安全的角度看，采用盾构技术掘进时，因其有厚的外壳，和良好密封性能，加上能快速、稳定地形成支撑体系，因此，盾构隧道的施工安全性要远大于管棚隧道的施工。
经济性
经济上，隧道一次掘进距离越短，采用管棚法施工越经济，一般地，对于大直径隧道，长度在150m以内，若地层条件许可，采用管棚法施工较为经济，大于这一长度，则宜采用盾构法隧道施工技术。
对地层的适应性
与管棚法相比，盾构隧道对软土地层的适应性要远好于管棚法施工。
4 结语
由于南京地铁1号线地层条件及地面建构筑物分布的复杂性与区间隧道分布的特殊性，使得各类施工工艺，如盾构掘进、管棚暗挖，钻眼爆破等均在1号线中得到具体应用，并取得成功，为今后的城市隧道软土隧道的施工积累了宝贵的经验。
在地铁1号线隧道实践中有以下几点体会：
(1) 盾构穿越浅覆土的水下施工中，通过控制出土仓压力与出土量，并压注适量的膨润土浆液，减小隧道推进对周围环境的影响效果较为显著，有利于隧道防突水控制；
(2) 若覆土浅，浮力大时，通过设置抗浮板和抗拔桩，不仅能平衡盾构隧道长期所受的浮力，亦能在施工中防止隧道产生过量的隆起变形，有利于盾构隧道轴线控制；
(3) 软流塑地层的管棚施工实践表明，对于高含水粘土地层，管棚围护欲取得成功，首先必须确定合理的管棚支护参数；其次，管棚钢管的安装质量和注浆施工质量控制非常重要，是管棚成败的关键；此外，在开挖过程中，还应合理选择开挖的方式，必要时，对局部渗漏处增设短管棚，形成长短组合管棚，以减小开挖对周边环境的影响。
(4) 浅覆地层岩石隧道的施工技术关键在于装药量控制和合理的起爆方式，工程实践表明应用多段位高精度雷管实施的随机干扰减震爆破，能有效控制地层变形，减小爆破施工对已有建构筑物的影响。
参考文献
［1］ 北京城建设计院. 南京地铁1号线总体设计，2000.5
［2］ 周希圣，孙钧. 盾构隧道施工多媒体监控与仿真系统研究.土木工程学报，2001.5
［3］ 张志强，何川.双线盾构隧道与联络通道复杂结构受力分析.铁道学报，2002.12，Vol.24,No.6
［4］ 何英杰等.穿黄隧道内外衬砌联合受力结构模型试验研究.长江科学院院报，2002.9，Vol. 19, Supp
［5］ 赵元根等.超前小管棚定位技术.隧道建设，2000.4
［6］ 张春生等.采用长管棚法穿越公路的隧道工程.华东水电技术，1998.1
［7］ 爆破安全规程（GB6722-86）.中华人民共和国国家标准
［8］ 周春锋.城市浅埋隧道开挖减震控制爆破技术. 工程爆破,2003.3
文章来源：《城市交通隧道工程最新技术》
