1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。22 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 3540m。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 1.02.0m。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 510-3cm/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3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 22.5d(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：4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 为 17.7kN/m3，管片外径 R1 为 3.2m，内径 R2 为 2.75m，混凝土重度 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。5（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6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：max=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，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：7式中 k 为安全系数，可取 1.52.0。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 0.51.0m 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，