南京地铁1号线软土隧道施工

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，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:NanjingMetrolinepassesthroughverycomplicatedearthlayers,suchasshallowhillsrocklayersandtheacientfloodplains,somepartsisjustundertheriverbed(totheriverbottom).Therefore,manyconstructionmethodswereusedintheperiodofthetunneldrilling.Amongofthem,threeoneswereregardedverydifficult.Thefirstistheshielddrillingintheshallowembededclayunderthewater;Thesecondistheshieldingcanopyconstructioninthewateryclayunderthebuildings;Andthelastisvibration-reducingcontrolledblastingintheexcavationoftheshallowrocktunnelsunderthebiuldings.Alltheseareintroducedinthispaper,hopetobeusefulinthetunnelconstructionofsamegeologicalandenvironmentalconditions.

Keywords:NanjingMetro,tunnel,shield,shieldingcanopy,floatcontrol,grouting,vibrationreducingblasting.

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，其中地线上，地下线，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~。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(/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。

盾构穿越浅覆土地层的水下掘进施工技术

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，河底距盾构顶部最浅覆土厚仅，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：

极易引发突水事故。盾构推进一般要求覆土厚度在2～(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。

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。

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

本处河水深度H1为，内摩擦角为°，内聚力C为，土的饱和重度γ为/m3，管片外径R1为，内径R2为，混凝土重度γ混凝土为20KN/m3。由此计算，得最小覆土厚度H2为。显然，本处覆土厚度仅，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。

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。

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。

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。

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。

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。

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%～31％。隧道断面呈马蹄形，下设反拱，其净高，净宽，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。

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。

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～。

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～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。

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，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，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°～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，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；另一方面，增加注浆压力，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∶，以及时封堵水力通道。

隧道挖掘控制

开挖分两台阶进行，上台阶开挖每次，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。

浅覆土建筑物下岩石隧道施工技术

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。

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。

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=Ka

式中V——为质点振动速度；

Q——为单位齐爆药量或单孔药量；

R——为炮孔至建筑物的距离；

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~。

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，公式表明，隧道的埋深直接影响着单段齐爆装药量。根据公式，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。

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，底宽，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。

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=。光爆的最小抵抗线距W光=~光，取W光=。两个相邻光爆孔的间距为。

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。

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