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，且局部區段位于河床之下，最淺覆土僅0.7m，地面建筑物林立。文章以南京地鐵1號線為工程背景，介紹了粉質粘土地層的水下盾構施工、大跨度軟流塑土層下的管棚施工等技術，希望能對同類地層條件下的隧道施工有一定的借鑒意義。
【關鍵詞】：南京地鐵隧道盾構管棚抗浮注漿

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
　　南京地鐵南北線為線網規劃中的1號線，呈南北走向，一期工程由小行至邁皋橋，沿途經過中華門、三山街、新街口、鼓樓、南京火車站等繁華的商業區和市內交通樞紐，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16.92km，其中地線上6.11km，地下線10.81km，地上線占全線總長的36％。全線共設車站13座，其中地下站8座，控制中心設在市中心珠江路站東北側。線路總體分布及站點設置如圖1所示。

　　2 工程地質與水文地質概況
　　南京市位于長江下游，其三面環山，一面涉水，地勢起伏較大。市內丘陵、平原交錯，現代水系（主要為內秦淮河水系和金川河水系）貫流，地下埋藏有一條縱貫南北的古河道，形成了比較復雜的地貌形態。市區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系為整體。
　　三段基巖隆起構成低山丘陵地貌，主要由剝蝕殘山及侵蝕堆積階地組成，其間發育有坳溝或山間洼地，地形起伏較大。低山丘陵區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育四級埋藏階地，土層主要為可塑狀態粉質粘土，局部為軟、流塑狀態的粘土及粉土等。對于南京地鐵的不同區間，如圖1所示，小行-中華門、珠江路-玄武門、南京站-邁皋橋區段，地層屬低山丘陵地貌單元，而中華門-珠江路、玄武門-南京站區段則屬于河漫灘地段。
　　地鐵沿線的水文地質條件與工程地質條件一樣，都受地質、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1.0~2.0m。由于構成含水層的地層土質有差異，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，最大滲透系數可達5×10-3cm/s(4.32m/d)。

　　3 淺覆地層隧道施工技術
　　針對南京地層的古河床、河漫灘和低山丘陵等復雜多變的地層條件，綜合考慮周圍環境特征及經濟因素等，1號線選用了多種隧道施工方法，如高架、明挖、礦山暗挖、盾構掘進等，如表1所示。地鐵1號施工過程中，有兩個軟土區段難度較大，一是三山街-中華門區段的淺覆土埋藏條件下，水下盾構隧道的推進施工，二是珠江路-鼓樓區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。

　　3.1 盾構穿越淺覆土地層的水下掘進施工技術
　　3.1.1 覆土水下盾構施工的特點和難點
　　地鐵1號線中華門-三山街區間隧道需穿越內秦淮河，其河道寬16.8m，河底距盾構頂部最淺覆土厚僅0.7m，河床底部表層土夾有大量碎石、填土及浮淤物，滲透性極不規則，給盾構的推進帶來極大的難點和風險，集中體現在兩個方面：
　　（1） 極易引發突水事故。盾構推進一般要求覆土厚度在2～2.5d(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，后果不堪設想。
　　（2） 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大于其上水土的壓力，因此，自然狀態下，即會導致隧道的上浮變形，需采取有效措施加以控制。
　　3.1.2 淺覆土水下盾構施工抗浮控制技術
　　淺覆土盾構隧道上浮，會造成隧道襯砌上方土體被動破壞。如圖2所示，假設水深為H1，隧道頂部覆土厚度為H2，則被動區域土體的極限平衡條件為：

　　的外徑和內徑。
　　由此計算可得最小覆土厚度為：

　　本處河水深度H1為2.0m，內摩擦角?為12.3° ，內聚力C為8.9kpa，土的飽和重度γ為17.7kN/m3，管片外徑R1為3.2m，內徑R2為2.75m，混凝土重度γ混凝土為20 KN/m3。由此計算，得最小覆土厚度H2為4.306m。顯然，本處覆土厚度僅0.7m，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，構筑厚度為700mm的抗浮板，并在抗浮板的下方鉆設直徑為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。
　　3.1.3 盾構推進防突水控制
　　對于盾構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測預報等方法，快速均勻地穿過內秦淮河。
　　（1） 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，我們主要通過調節盾構前方土倉壓力，使得倉壓微大于該處地層土壓力，根據盾構推進速度計算螺旋出土機的轉速和出土量，避免超欠挖。
　　（2） 膨潤土漿液壓注。本次施工采用的是土壓平衡盾構機，因該處的覆土非常薄，施工中，我們通過盾構機的加泥系統，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與周圍地層的摩擦阻力，從而減小盾構施工對周圍地層的擾動。
　　（3）同步注漿技術的應用。通過盾構的注漿系統，在盾構行進中，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。
　　（4） 加強預測預報。借助盾構推進的仿真系統，通過對行進參數的實時模擬分析，尋求地層變形量、土倉壓力變化等參數的規律，預測預報盾構后期可能的姿態變化，結合固化到系統中的人工智能經驗，及時調整施工參數。
　　3.2 建筑物下軟粘土地層的管棚施工技術
　　軟巖或無水條件下，應用管棚支護技術已較為成熟，但對于高含水的軟粘土地層，應用管棚圍護仍然較少。地鐵1號線珠江路—鼓樓的區間隧道，在近珠江路站一側，隧道布置在長約200m的粉質粘區，局部夾薄層粉砂，土層含水量在29.7%～31％。隧道斷面呈馬蹄形（圖4），下設反拱，其凈高5.30m，凈寬5.18m，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。

　　3.2.1 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雜地層中進行長管棚施工，在鋼管棚鉆設與安裝、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，該處土質軟、含水量高，施工中極易由于管棚質量、支撐的及時性而導致地層的坍塌，危及其上住宅。
　　3.2.2 高含水軟粘土地層的管棚施工技術
　　管棚加固是在欲開挖隧道的周邊，埋設一定數量的鋼管，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，管棚因前端嵌入周圍土體中，露出端架設到隧道支撐上，從而在隧道周邊形成一組縱向支撐梁，并承擔其上地壓、抑制土體的過量變形；其二是強化土體效應，由管棚花管注入的漿液經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。為在如此復雜地層條件下形成有效的管棚結構，施工中，通過優化設計參數、應用長短組合管棚技術、導洞分臺階開挖技術等成功穿越了該類地層。
　　(1) 管棚參數的確定
　　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，故假設管棚的鋼管為等跨連續梁，假定支撐間距為l，則管棚鋼管所受的最大彎距Mmax為：

　　假設鋼管的內外徑分別為R1、R2，則其抗彎模量W為：

　　據此，可求出管材的最大拉應力：σmax=Mmax/W
　　一般認為，軟土地層的管棚加固體中，地層的壓力全由鋼管承擔，管棚的注漿加固體僅起到帷幕止水的作用，假設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，可取1.5～2.0。

　　據此，可有效確定管棚施工的主要參數包括管芯距、管徑、帷幕厚度、支撐間排距等，并根據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，隧道內支撐間距為500mm。同時，根據目前的水平鉆進技術，在土層中一次鉆進40m，終端偏差可控制在0.5～1.0m內。為此，本次一次圍護的長度亦確定為40m，施工中，每隔35m設一擴徑鉆孔工作間，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。
　　（2） 長短組合管棚的應用
　　由于管棚頂部所受的壓力最大，故在拱部150°范圍內布設長管棚，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超前小導管，鋼管間距250mm，長度為2.5m，并保證有1m的搭接長度，每1m進行一次小導管注漿，短管棚沿周圈全斷面布置，這樣與長管棚加固體組合（圖5），共同注漿封堵后形成止水帷幕。
　　(3) 嚴格控制管棚的施工質量
管棚的施工質量直接影響隧道的防水和洞周土體的穩定性，施工中應從孔位鉆設開始，對管棚的布孔、定位、安裝及注漿等工序嚴格把關。
　　1） 鉆進控制。管棚施工的技術關鍵是平行精確的安裝鋼管，以產生拱形效果。施工中，先用高強鋼軌和標準枕木鋪設好軌道，鉆機就位后，將鉆機以行走器夾緊，保證鉆機只能按設計的路線行走。在方向固定時，要注意管棚回轉鉆進過程中鉆桿有下扎趨勢，在軟粘土施工中尤為嚴重，故在開孔方向布設一定角度，經試驗，本處在0.8°～1°之間，施鉆過程中常用經緯儀和水平儀檢驗。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，每節長4.5m，加工時，要保證鋼管的圓度、同心度及絲扣精度等，保證每一鋼管沿設計軸線分布。
　　3） 注漿控制。鋼管鋪設后，及時進行壓力注漿，將鋼管周圍土體的空隙和管內填滿漿液。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，適當增加了材料的水灰比（本處選用0.8～1∶1的水泥漿液）；另一方面，增加注漿壓力（本處選用1.5～2.0MPa），以增強滲透能力和注漿效果。超前小導管注漿時，則采用雙液注漿，水泥漿與水玻璃的體積比為1∶0.5，以及時封堵水力通道。
　　（4） 隧道挖掘控制
　　開挖分兩臺階進行，上臺階開挖每次0.5m，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0.5m后，應立即進行初期支護，開挖過程中，對于上部的鋼架拱腳處，應采用跳槽開挖，以穩定上部的鋼架。對于掌子面部位，因其暴露面積較大，還應及時掛網并噴射10cm厚的混凝土，以穩定地層。
　　3.3 淺覆土建筑物下巖石隧道施工技術
　　3.3.1 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、含礫砂巖及細砂巖構成，泥質或鈣鐵質膠結，在其北段，主要由紫紅色安山巖，安山凝灰巖；在南京站～東井亭區段，近南京站側，分布有灰黃色、灰色灰巖，北段分布有灰白色細砂巖，石英、長石砂巖。
　　2） 巖性較差。1號線隧道分布范圍內，巖層節理裂隙發育，巖質軟硬不均，強風化、弱風化及微風化均在隧道中有所體現，圍巖強度等級在Ⅲ~Ⅴ類。
　　3） 地面建構筑物密集。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通過，房屋多為4層以下樓房，最高為7層，基礎形式多為條基。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，局部區段如紅山公園附近幾近露出地面。
　　3.3.2 淺覆土巖隧道施工技術
　　為將巖石隧道施工對周圍環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，實施分臺階爆破施工，并對裂隙特別發育巖石強度低的地層進行超前預加固，取得了良好的效果。
　　（1） 裝藥量控制
　　由于1號線沿交通主干線及居民密集區分布，加上離地表非常淺，若采用常規爆破，勢必因振幅、振速過大，引起地層有較大的變形而導致房屋的破壞。一般地，振速、裝藥量及爆破距離之間的關系為：
　　V=K（Q1/3/R）a （10）
　　式中V——為質點振動速度（mm/s）；
　　Q——為單位齊爆藥量或單孔藥量（kg）；
　　R——為炮孔至建筑物的距離（m）；
　　K,a——爆破點地形、地質等條件有關的系數和衰減系數；
　　K值一般取50~350,a值一般取1.3~2.0。
　　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（10）表明，隧道的埋深直接影響著單段齊爆裝藥量。根據公式（10），結合1號線的隧道埋深和地質、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，施工中根據爆破震動情況進行調整。
　　（2） 減震控制爆破
　　為了降低爆破振速，避免多炮孔同時起爆發生共振，應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時間較短，多數情況下只有三個全振動周期（3T）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，調整波形的相位差就能實現。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合的混合掏槽方式；對于掘進孔、內側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3.3m，底寬5.98m，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。
　　（4） 光爆減震控制技術
　　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=0.4m。光爆的最小抵抗線距W光=1.2~1.5a光，取W光=0.6m。兩個相鄰光爆孔的間距為0.2m。
　　（5） 采用小循環進尺
　　進尺小，則循環爆破方量小，一次爆破用藥量小，易于起爆網絡設計。
　　（6） 超前預加固
　　對于裂隙發育多、巖石強度低的地層，本次采用了超前小導管預注漿的方式，先對隧道周圍巖體進行加固，提高巖體的彈模與強度，便于巖體的穩定和隧道的掘進。
　　4盾構法與管棚法比較分析
　　對于兩類施工技術的應用，從南京地鐵1＃線的施工實際看，在安全性、經濟性存在一定的差異：
　　安全性
　　從施工安全的角度看，采用盾構技術掘進時，因其有厚的外殼，和良好密封性能，加上能快速、穩定地形成支撐體系，因此，盾構隧道的施工安全性要遠大于管棚隧道的施工。
　　經濟性
　　經濟上，隧道一次掘進距離越短，采用管棚法施工越經濟，一般地，對于大直徑隧道，長度在150m以內，若地層條件許可，采用管棚法施工較為經濟，大于這一長度，則宜采用盾構法隧道施工技術。
　　對地層的適應性
　　與管棚法相比，盾構隧道對軟土地層的適應性要遠好于管棚法施工。

　　4 結語
　　由于南京地鐵1號線地層條件及地面建構筑物分布的復雜性與區間隧道分布的特殊性，使得各類施工工藝，如盾構掘進、管棚暗挖，鉆眼爆破等均在1號線中得到具體應用，并取得成功，為今后的城市隧道軟土隧道的施工積累了寶貴的經驗。
　　在地鐵1號線隧道實踐中有以下幾點體會：
　　(1) 盾構穿越淺覆土的水下施工中，通過控制出土倉壓力與出土量，并壓注適量的膨潤土漿液，減小隧道推進對周圍環境的影響效果較為顯著，有利于隧道防突水控制；
　　(2) 若覆土淺，浮力大時，通過設置抗浮板和抗拔樁，不僅能平衡盾構隧道長期所受的浮力，亦能在施工中防止隧道產生過量的隆起變形，有利于盾構隧道軸線控制；
　　(3) 軟流塑地層的管棚施工實踐表明，對于高含水粘土地層，管棚圍護欲取得成功，首先必須確定合理的管棚支護參數；其次，管棚鋼管的安裝質量和注漿施工質量控制非常重要，是管棚成敗的關鍵；此外，在開挖過程中，還應合理選擇開挖的方式，必要時，對局部滲漏處增設短管棚，形成長短組合管棚，以減小開挖對周邊環境的影響。
　　(4) 淺覆地層巖石隧道的施工技術關鍵在于裝藥量控制和合理的起爆方式，工程實踐表明應用多段位高精度雷管實施的隨機干擾減震爆破，能有效控制地層變形，減小爆破施工對已有建構筑物的影響。
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文章來源：《城市交通隧道工程最新技術》