南京地鐵1號線軟土隧道施工

南京地鐵1號線軟土隧道施工

【提要】：南京地鐵1號線穿越地層條件非常復(fù)雜，既有低山丘陵的巖石層，也有古河道漫灘的含水土層，且局部區(qū)段位于河床之下，最淺覆土僅，地面建筑物林立。文章以南京地鐵1號線為工程背景，介紹了粉質(zhì)粘土地層的水下盾構(gòu)施工、大跨度軟流塑土層下的管棚施工等技術(shù)，希望能對同類地層條件下的隧道施工有一定的借鑒意義。

【關(guān)鍵詞】：南京地鐵隧道盾構(gòu)管棚抗浮注漿

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

南京地鐵南北線為線網(wǎng)規(guī)劃中的1號線，呈南北走向，一期工程由小行至邁皋橋，沿途經(jīng)過中華門、三山街、新街口、鼓樓、南京火車站等繁華的商業(yè)區(qū)和市內(nèi)交通樞紐，形成了貫穿南京市主城中軸線的快速軌道交通走廊。線路全長為，其中地線上，地下線，地上線占全線總長的36％。全線共設(shè)車站13座，其中地下站8座，控制中心設(shè)在市中心珠江路站東北側(cè)。線路總體分布及站點設(shè)置如圖1所示。

2工程地質(zhì)與水文地質(zhì)概況

南京市位于長江下游，其三面環(huán)山，一面涉水，地勢起伏較大。市內(nèi)丘陵、平原交錯，現(xiàn)代水系貫流，地下埋藏有一條縱貫?zāi)媳钡墓藕拥?，形成了比較復(fù)雜的地貌形態(tài)。市區(qū)及市郊的一些剝蝕殘丘大致呈北東向分布，形成三段基巖隆起，將南京市分割為南北兩個小盆地，并由古河道將這兩個盆地聯(lián)系為整體。

三段基巖隆起構(gòu)成低山丘陵地貌，主要由剝蝕殘山及侵蝕堆積階地組成，其間發(fā)育有坳溝或山間洼地，地形起伏較大。低山丘陵區(qū)覆土層厚度一般不超過20m，局部地段基巖直接出露地表。古河道沖積平原主要由河漫灘及古河床構(gòu)成，地形平坦，地勢低平，其基巖埋藏較深，一般35～40m。古河道沖積平原一般發(fā)育四級埋藏階地，土層主要為可塑狀態(tài)粉質(zhì)粘土，局部為軟、流塑狀態(tài)的粘土及粉土等。對于南京地鐵的不同區(qū)間，如圖1所示，小行-中華門、珠江路-玄武門、南京站-邁皋橋區(qū)段，地層屬低山丘陵地貌單元，而中華門-珠江路、玄武門-南京站區(qū)段則屬于河漫灘地段。

地鐵沿線的水文地質(zhì)條件與工程地質(zhì)條件一樣，都受地質(zhì)、地貌控制。其地下水主要為孔隙潛水或弱承壓水，地下水埋藏淺，一般于地面下~。由于構(gòu)成含水層的地層土質(zhì)有差異，各土層的滲透性也有較大差異。古河道深槽含水砂層厚度大，透水性好，富水性強，最大滲透系數(shù)可達5×10-3cm/s(/d)。

3淺覆地層隧道施工技術(shù)

針對南京地層的古河床、河漫灘和低山丘陵等復(fù)雜多變的地層條件，綜合考慮周圍環(huán)境特征及經(jīng)濟因素等，1號線選用了多種隧道施工方法，如高架、明挖、礦山暗挖、盾構(gòu)掘進等，如表1所示。地鐵1號施工過程中，有兩個軟土區(qū)段難度較大，一是三山街-中華門區(qū)段的淺覆土埋藏條件下，水下盾構(gòu)隧道的推進施工，二是珠江路-鼓樓區(qū)間的軟流塑粘土及粉土地層中，在建筑物下進行大跨度隧道掘進的管棚施工，再有是鼓樓-玄武門的淺覆巖層的爆破施工。

盾構(gòu)穿越淺覆土地層的水下掘進施工技術(shù)

覆土水下盾構(gòu)施工的特點和難點

地鐵1號線中華門-三山街區(qū)間隧道需穿越內(nèi)秦淮河，其河道寬，河底距盾構(gòu)頂部最淺覆土厚僅，河床底部表層土夾有大量碎石、填土及浮淤物，滲透性極不規(guī)則，給盾構(gòu)的推進帶來極大的難點和風(fēng)險，集中體現(xiàn)在兩個方面：

極易引發(fā)突水事故。盾構(gòu)推進一般要求覆土厚度在2～(d為隧道直徑)之間，而本處覆土極薄，在如此薄層條件下進行盾構(gòu)推進，極易引起表層土開裂；同時，該處直接位于河床水位之下，水源補給充分，一旦突水，后果不堪設(shè)想。

淺覆土隧道軸線控制難。對于本處如此淺覆土的地層，隧道所承受的浮力要遠(yuǎn)大于其上水土的壓力，因此，自然狀態(tài)下，即會導(dǎo)致隧道的上浮變形，需采取有效措施加以控制。

淺覆土水下盾構(gòu)施工抗浮控制技術(shù)

淺覆土盾構(gòu)隧道上浮，會造成隧道襯砌上方土體被動破壞。如圖2所示，假設(shè)水深為H1，隧道頂部覆土厚度為H2，則被動區(qū)域土體的極限平衡條件為

本處河水深度H1為，內(nèi)摩擦角為°，內(nèi)聚力C為，土的飽和重度γ為/m3，管片外徑R1為，內(nèi)徑R2為，混凝土重度γ混凝土為20KN/m3。由此計算，得最小覆土厚度H2為。顯然，本處覆土厚度僅，不足以平衡隧道所受浮力。施工中，我們采用抗浮板和抗拔樁來解決這一問題。如圖3所示，在隧道的上方河床的底部，構(gòu)筑厚度為700mm的抗浮板，并在抗浮板的下方鉆設(shè)直徑為600mm深度為15m的灌注樁，樁與板錨固在一起，有效防止隧道在施工中及施工后的變形。

盾構(gòu)推進防突水控制

對于盾構(gòu)水下推進過程中的防突水控制，我們主要采取控制出土、壓注膨潤土漿液、及時同步注漿以及加強預(yù)測預(yù)報等方法，快速均勻地穿過內(nèi)秦淮河。

出土量控制。若過量出土即超挖，必然會引起大的地面沉降，反之，會引起地層的過量隆起。施工中，我們主要通過調(diào)節(jié)盾構(gòu)前方土倉壓力，使得倉壓微大于該處地層土壓力，根據(jù)盾構(gòu)推進速度計算螺旋出土機的轉(zhuǎn)速和出土量，避免超欠挖。

膨潤土漿液壓注。本次施工采用的是土壓平衡盾構(gòu)機，因該處的覆土非常薄，施工中，我們通過盾構(gòu)機的加泥系統(tǒng)，在工作面前方壓注適量膨潤土漿液，以減小刀盤切削阻力和盾構(gòu)與周圍地層的摩擦阻力，從而減小盾構(gòu)施工對周圍地層的擾動。

同步注漿技術(shù)的應(yīng)用。通過盾構(gòu)的注漿系統(tǒng)，在盾構(gòu)行進中，及時注入水泥漿液，填充盾尾脫離后，襯砌與周圍地層的空隙，封堵水力通路。

加強預(yù)測預(yù)報。借助盾構(gòu)推進的仿真系統(tǒng)，通過對行進參數(shù)的實時模擬分析，尋求地層變形量、土倉壓力變化等參數(shù)的規(guī)律，預(yù)測預(yù)報盾構(gòu)后期可能的姿態(tài)變化，結(jié)合固化到系統(tǒng)中的人工智能經(jīng)驗，及時調(diào)整施工參數(shù)。

建筑物下軟粘土地層的管棚施工技術(shù)

軟巖或無水條件下，應(yīng)用管棚支護技術(shù)已較為成熟，但對于高含水的軟粘土地層，應(yīng)用管棚圍護仍然較少。地鐵1號線珠江路—鼓樓的區(qū)間隧道，在近珠江路站一側(cè)，隧道布置在長約200m的粉質(zhì)粘區(qū)，局部夾薄層粉砂，土層含水量在%～31％。隧道斷面呈馬蹄形，下設(shè)反拱，其凈高，凈寬，在上方建有6層樓高的民房。隧道在此施工，選用了組合長短管棚技術(shù)。

軟粘土地層管棚施工的特點和難點

在高含水軟粘土及夾有粉砂薄層的復(fù)雜地層中進行長管棚施工，在鋼管棚鉆設(shè)與安裝、止水帷幕形成、隧道的開挖等均較困難。

(1)長距離水平鉆孔難。受鉆桿撓度、剛度等的影響，加上土層的非均一性，在該類地層中進行管棚鉆進，極易引起鉆孔的偏斜、坍塌等，從而影響終端管棚的形成質(zhì)量。

(2)難以一次形成有效的止水帷幕。由于主要在粘土層中進行隧道挖掘，粘土地層的滲透性差，注漿效果難以控制。

(3)開挖過程中易引起大的地層變形。本處隧道埋深較大，同時上方有房屋超載，地壓大，更不利的是，該處土質(zhì)軟、含水量高，施工中極易由于管棚質(zhì)量、支撐的及時性而導(dǎo)致地層的坍塌，危及其上住宅。

高含水軟粘土地層的管棚施工技術(shù)

管棚加固是在欲開挖隧道的周邊，埋設(shè)一定數(shù)量的鋼管，并對管周土體進行注漿，形成一定強度的止水帷幕。其作用機理有兩類，一是梁拱效應(yīng)，管棚因前端嵌入周圍土體中，露出端架設(shè)到隧道支撐上，從而在隧道周邊形成一組縱向支撐梁，并承擔(dān)其上地壓、抑制土體的過量變形；其二是強化土體效應(yīng)，由管棚花管注入的漿液經(jīng)孔壁擠入圍土顆粒間隙而固化土體，從而提高洞周土體的彈模和強度。為在如此復(fù)雜地層條件下形成有效的管棚結(jié)構(gòu)，施工中，通過優(yōu)化設(shè)計參數(shù)、應(yīng)用長短組合管棚技術(shù)、導(dǎo)洞分臺階開挖技術(shù)等成功穿越了該類地層。

(1)管棚參數(shù)的確定

對于圖4所示的管棚，作用在頂部的壓力為：

考慮到管棚施工時，一般支撐較近，并能與管棚芯材密貼接觸，故假設(shè)管棚的鋼管為等跨連續(xù)梁，假定支撐間距為l，則管棚鋼管所受的最大彎距Mmax為

假設(shè)鋼管的內(nèi)外徑分別為R1、R2，則其抗彎模量W為

據(jù)此，可求出管材的最大拉應(yīng)力：σmax=Mmax/W

一般認(rèn)為，軟土地層的管棚加固體中，地層的壓力全由鋼管承擔(dān)，管棚的注漿加固體僅起到帷幕止水的作用，假設(shè)帷幕加固體的有效厚度為d，帷幕的抗剪強度為［τ］，管材中心距為b，則管棚的注漿加固體厚度必須符合下述條件

式中k為安全系數(shù)，可取～。

據(jù)此，可有效確定管棚施工的主要參數(shù)包括管芯距、管徑、帷幕厚度、支撐間排距等，并根據(jù)帷幕厚度和所處的地層條件，進一步確定注漿壓力。本次施工中，長管棚選用的管材為108，壁厚6mm的鋼管，管棚間距250mm，隧道內(nèi)支撐間距為500mm。同時，根據(jù)目前的水平鉆進技術(shù)，在土層中一次鉆進40m，終端偏差可控制在～內(nèi)。為此，本次一次圍護的長度亦確定為40m，施工中，每隔35m設(shè)一擴徑鉆孔工作間，工作間長度6m，外徑比隧道橫斷面范圍超出700mm，以便后繼隧道的管棚鉆進施工，如圖5所示。

長短組合管棚的應(yīng)用

由于管棚頂部所受的壓力最大，故在拱部150°范圍內(nèi)布設(shè)長管棚，以抵御隧道所受壓力引起的變形。本處隧道布置在粘土中，土層的粘性大、可塑性強，遇水極易軟化，為典型的富水軟流塑地層。因而水泥漿液的滲透性弱，一次長管棚注漿難以完全隔斷與周圍地層的水力聯(lián)系。為保證形成有效的止水帷幕，在相鄰大管棚的中央另行鉆設(shè)超前小導(dǎo)管，鋼管間距250mm，長度為，并保證有1m的搭接長度，每1m進行一次小導(dǎo)管注漿，短管棚沿周圈全斷面布置，這樣與長管棚加固體組合，共同注漿封堵后形成止水帷幕。

(3)嚴(yán)格控制管棚的施工質(zhì)量

管棚的施工質(zhì)量直接影響隧道的防水和洞周土體的穩(wěn)定性，施工中應(yīng)從孔位鉆設(shè)開始，對管棚的布孔、定位、安裝及注漿等工序嚴(yán)格把關(guān)。

1）鉆進控制。管棚施工的技術(shù)關(guān)鍵是平行精確的安裝鋼管，以產(chǎn)生拱形效果。施工中，先用高強鋼軌和標(biāo)準(zhǔn)枕木鋪設(shè)好軌道，鉆機就位后，將鉆機以行走器夾緊，保證鉆機只能按設(shè)計的路線行走。在方向固定時，要注意管棚回轉(zhuǎn)鉆進過程中鉆桿有下扎趨勢，在軟粘土施工中尤為嚴(yán)重，故在開孔方向布設(shè)一定角度，經(jīng)試驗，本處在°～1°之間，施鉆過程中常用經(jīng)緯儀和水平儀檢驗。布孔時，為減少鉆進對原狀土的擾動而影響精度，鉆孔及鋪管采取跳檔進行的方式，間距為雙孔距。

2）管棚安裝控制。管棚的管材選用無縫鋼管，每節(jié)長，加工時，要保證鋼管的圓度、同心度及絲扣精度等，保證每一鋼管沿設(shè)計軸線分布。

3）注漿控制。鋼管鋪設(shè)后，及時進行壓力注漿，將鋼管周圍土體的空隙和管內(nèi)填滿漿液。本處長管棚注漿采用單液水泥漿，由于是在粘土中施注，一方面，適當(dāng)增加了材料的水灰比；另一方面，增加注漿壓力，以增強滲透能力和注漿效果。超前小導(dǎo)管注漿時，則采用雙液注漿，水泥漿與水玻璃的體積比為1∶，以及時封堵水力通道。

隧道挖掘控制

開挖分兩臺階進行，上臺階開挖每次，隨后架立隔柵鋼架，噴射25cm的混凝土進行初期支護，開挖臺階總長度控制在6～7m為宜；對于下臺階，每開挖后，應(yīng)立即進行初期支護，開挖過程中，對于上部的鋼架拱腳處，應(yīng)采用跳槽開挖，以穩(wěn)定上部的鋼架。對于掌子面部位，因其暴露面積較大，還應(yīng)及時掛網(wǎng)并噴射10cm厚的混凝土，以穩(wěn)定地層。

淺覆土建筑物下巖石隧道施工技術(shù)

施工的特點與難點

如前所述，由于南京地層的地勢起伏較大，巖性變化多，且地面建構(gòu)筑物林立，在如此淺覆土的地層中進行巖石隧道的掘進非常困難。

1）巖層復(fù)雜多變。對于1號線所穿越的巖層，在珠江路～玄武門、南京站～東井亭共有4個特征地層。在珠江路～玄武門區(qū)間，以鼓樓站為界，在其南段，巖體主要由紫紅色的礫巖、含礫砂巖及細(xì)砂巖構(gòu)成，泥質(zhì)或鈣鐵質(zhì)膠結(jié)，在其北段，主要由紫紅色安山巖，安山凝灰?guī)r；在南京站～東井亭區(qū)段，近南京站側(cè)，分布有灰黃色、灰色灰?guī)r，北段分布有灰白色細(xì)砂巖，石英、長石砂巖。

2）巖性較差。1號線隧道分布范圍內(nèi)，巖層節(jié)理裂隙發(fā)育，巖質(zhì)軟硬不均，強風(fēng)化、弱風(fēng)化及微風(fēng)化均在隧道中有所體現(xiàn)，圍巖強度等級在Ⅲ~Ⅴ類。

3）地面建構(gòu)筑物密集。在巖石隧道施工中，隧道需先后穿越中山路、中央路，地下過街通道一處，并主要在民房密集區(qū)通過，房屋多為4層以下樓房，最高為7層，基礎(chǔ)形式多為條基。交通路面下管線密集，不允許施工期間地面有大的變形。

4）隧道埋深淺。一般埋深在8~18m，局部區(qū)段如紅山公園附近幾近露出地面。

淺覆土巖隧道施工技術(shù)

為將巖石隧道施工對周圍環(huán)境的影響程度降至最低，實際隧道施工中，首先從總的裝藥量控制入手，運用多段位高精度雷管的減震控爆技術(shù)，實施分臺階爆破施工，并對裂隙特別發(fā)育巖石強度低的地層進行超前預(yù)加固，取得了良好的效果。

裝藥量控制

由于1號線沿交通主干線及居民密集區(qū)分布，加上離地表非常淺，若采用常規(guī)爆破，勢必因振幅、振速過大，引起地層有較大的變形而導(dǎo)致房屋的破壞。一般地，振速、裝藥量及爆破距離之間的關(guān)系為：

V=Ka

式中V——為質(zhì)點振動速度；

Q——為單位齊爆藥量或單孔藥量；

R——為炮孔至建筑物的距離；

K,a——爆破點地形、地質(zhì)等條件有關(guān)的系數(shù)和衰減系數(shù)；

K值一般取50~350,a值一般取~。

本處民房多為一般磚房或非抗震型砌塊建筑物，要求振速不超過2~3cm/s，公式表明，隧道的埋深直接影響著單段齊爆裝藥量。根據(jù)公式，結(jié)合1號線的隧道埋深和地質(zhì)、地形等條件，進行了試驗后，表2是典型淺埋地層的裝藥參數(shù)，施工中根據(jù)爆破震動情況進行調(diào)整。

減震控制爆破

為了降低爆破振速，避免多炮孔同時起爆發(fā)生共振，應(yīng)使各炮眼爆炸后振動波相互干擾、抵消。一般地，單炮孔爆破時引起的震動持續(xù)時間較短，多數(shù)情況下只有三個全振動周期的振幅大于A/2，隨后的振動衰減得可以不計。因此，雷管的延時差大于3T時就不會發(fā)生共振，而多炮孔爆破振動波相互抵消。從理論上，只要改變起爆時間間隔，調(diào)整波形的相位差就能實現(xiàn)。但實際上，各炮孔的振動頻率f是不定的，所以無法使各炮孔振動波相互削減。實際爆破中，為達到產(chǎn)生隨機干擾波的效果，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，不同段位的雷管間隔時間較長。本次對于淺覆地層，掏槽中心孔選用25mm藥卷，分8個段別起爆，單孔單段位，雷管延時差為100ms，掏槽布置采用桶形與錐形相結(jié)合的混合掏槽方式；對于掘進孔、內(nèi)側(cè)孔及周邊孔則采用非電毫秒雷管分25段別起爆，起爆順序如表2和圖6所示。

表2淺埋地層爆破參數(shù)表

開挖方法上，則選擇半斷面正臺階法施工，上半斷面高度為，底寬，臺階長度控制在3m左右。采用化整為零的施工方法，圍巖一次暴露的面積小，時間短，爆炸用藥量亦小。

光爆減震控制技術(shù)

為形成光滑的輪廓面，光爆孔間距a光取得較小，考慮到本處一般為Ⅲ~Ⅳ類圍巖，取a光=。光爆的最小抵抗線距W光=~光，取W光=。兩個相鄰光爆孔的間距為。

采用小循環(huán)進尺

進尺小，則循環(huán)爆破方量小，一次爆破用藥量小，易于起爆網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。

超前預(yù)加固

對于裂隙發(fā)育多、巖石強度低的地層，本次采用了超前小導(dǎo)管預(yù)注漿的方式，先對隧道周圍巖體進行加固，提高巖體的彈模與強度，便于巖體的穩(wěn)定和隧道的掘進。

4盾構(gòu)法與管棚法比較分析

對于兩類施工技術(shù)的應(yīng)用，從南京地鐵1＃線的施工實際看，在安全性、經(jīng)濟性存在一定的差異：

安全性

從施工安全的角度看，采用盾構(gòu)技術(shù)掘進時，因其有厚的外殼，和良好密封性能，加上能快速、穩(wěn)定地形成支撐體系，因此，盾構(gòu)隧道的施工安全性要遠(yuǎn)大于管棚隧道的施工。

經(jīng)濟性

經(jīng)濟上，隧道一次掘進距離越短，采用管棚法施工越經(jīng)濟，一般地，對于大直徑隧道，長度在150m以內(nèi)，若地層條件許可，采用管棚法施工較為經(jīng)濟，大于這一長度，則宜采用盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)。

對地層的適應(yīng)性

與管棚法相比，盾構(gòu)隧道對軟土地層的適應(yīng)性要遠(yuǎn)好于管棚法施工。

4結(jié)語

由于南京地鐵1號線地