南京地铁1号线软土隧道施工？

南京地铁南北线为线网规划中的1线，南北走向。一期工程从小至迈皋桥，沿途经过繁华商业区和中华门、三山街、新街口、鼓楼、南京火车站等城市交通枢纽，形成贯穿南京主城区中轴线的快速轨道交通走廊。线路全长16.92km，其中地面线路6.11km，地下线路10.81km，地面线路占线路全长的36%。全线共设车站13座，其中地下车站8座，控制中心位于市中心珠江路站东北侧。线路总体分布及站点设置见图1。

2工程地质和水文地质概况

南京地处长江下游，三面环山，一面涉水，地势起伏。市内丘陵平原交错，现代水系(主要是内秦淮河水系和金川河水系)流经，地下埋藏着一条贯穿南北的古河道，形成了较为复杂的地貌。市区和郊区的一些剥蚀残丘大致分布在东北部，形成三个基岩隆起，将南京分为南北两个小盆地，两个盆地由古河道连成一个整体。

三段基岩隆起构成低山丘陵地貌，主要由剥蚀残山和侵蚀堆积阶地组成，山间有洼地或山谷，地形起伏较大。一般丘陵地区覆盖层厚度小于20m，部分地区基岩直接出露地表。古河道冲积平原主要由河漫滩和古河床组成，地势平坦，地势较低，基岩埋藏较深，一般为35 ~ 40m。四埋藏阶地一般发育在古河道冲积平原上，土层以可塑状态的粉质粘土为主，也有部分软塑、流塑状态的粘土、粉土。对于南京地铁不同路段，如图1，小星-中华门，珠江路-玄武门，南京站-迈皋桥路段属于低山丘陵地貌，中华门-珠江路，玄武门-南京站路段属于河漫滩路段。

地铁沿线的水文地质条件和工程地质条件一样，受地质地貌的控制。其地下水主要为孔隙潜水或弱承压水，地下水较浅，一般在地面以下1.0~2.0m。由于构成含水层的地层的土质不同，各土层的渗透性也大不相同。古河道深槽含水砂层厚，透水性好，富水性强，最大渗透系数可达5×10-3cm/s(4.32m/d)。

3浅地层隧道施工技术

鉴于南京地层古河床、河漫滩、低山丘陵等复杂多变的地层条件，并考虑周边环境特点和经济因素，1线选用架空、明挖、暗挖、盾构等多种隧道施工方法，见表1。地铁1号线施工过程中，有两个软土地段，施工难度较大。一是三山街-中华门段浅埋条件下的水下盾构隧道施工；二是珠江路至鼓楼之间的软塑粘土和淤泥层中建筑物下开挖大跨度隧道的管棚施工；二是鼓楼-玄武门浅覆盖层爆破施工。

3.1盾构穿越浅覆盖层水下开挖施工技术

3.1.1覆土水下盾构施工的特点和难点

地铁1线中华门至三山街区间隧道需穿越内秦淮河，河宽16.8m，距河底最浅覆盖层厚度仅0.7m m，河床底部表土含有大量碎石、填土和浮泥，渗透性极不规则，给盾构推进带来极大的困难和风险，主要体现在两个方面:

(1)容易造成突水事故。盾构推进一般要求覆土厚度为2 ~ 2.5d (d为隧道直径)，但此处覆土极薄，在如此薄的条件下进行盾构推进容易造成表土开裂。同时又在河床水位的正下方，供水充足。一旦发生突水，后果不堪设想。

(2)浅埋隧道轴线控制困难。对于这里这种浅层土覆盖的地层，隧道的浮力远大于水土对它的压力。因此，在自然状态下，会导致隧道的上浮变形，应采取有效措施加以控制。

3.1.2浅埋水下盾构施工抗浮控制技术

浅埋盾构隧道上浮会对隧道衬砌上方土体造成被动破坏。如图2所示，假设水深为H1，隧道顶部覆盖层厚度为H2，被动区土壤的极限平衡条件如下:

这里的河深H1是2.0m内摩擦角是多少？12.3，粘聚力C为8.9kpa，土的饱和重力γ为17.7kN/m3，管片外径R1为3.2m，内径R2为2.75m，混凝土重γ混凝土为20 KN/m3。根据计算，H2最小覆盖厚度为4.306米..显然，这里的覆土厚度只有0.7m，不足以平衡隧道的浮力。在施工中，我们采用抗浮板和抗拔桩来解决这个问题。如图3所示，在隧道上方的河床底部施工700mm厚的抗浮板，并在抗浮板下方钻直径600mm、深度15m的灌注桩，桩与板锚固在一起，有效防止隧道施工中和施工后的变形。

3.1.3盾构推进防突水控制

对于盾构水下推进过程中的突水控制，主要采用控制开挖、压膨润土浆、及时同步注浆、加强预报等方法，快速、均匀穿越内秦淮河。

(1)控制开挖量。如果超挖超挖，必然导致地面大幅度下沉，反之则会导致地层过度隆起。施工中主要是调整盾构前方土仓的压力，使其略高于地层中的土压力，并根据盾构推进速度计算螺旋挖掘机的转速和开挖量，避免超挖和欠挖。

(2)水力喷射膨润土浆。本次施工采用土压平衡盾构机，因为那里的覆土很薄。施工中，我们通过盾构机的加泥系统，在工作面前方注入适量的膨润土浆液，以减少刀盘的切削阻力和盾构与周围地层的摩擦阻力，从而减少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，在盾构移动时及时注入水泥浆，填补盾尾分离后衬砌与周围地层的间隙，堵塞水力通道。

(4)加强预测。借助盾构推进仿真系统，通过对行进参数的实时仿真分析，寻求地面变形、土仓压力变化等参数的规律，预测盾构后期可能出现的姿态变化。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建筑物下软粘土层管棚施工技术

在软岩或无水条件下，管棚支护技术的应用已经成熟，但对于高含水量的软粘土地层，管棚支护的应用还不多见。地铁1号线珠江路-鼓楼区间隧道靠近珠江路站。隧道位于长约200米的粉质粘土地区，局部有薄层粉砂，土壤含水量为29.7% ~ 31%。隧道断面呈马蹄形(图4)，仰拱，净高5.30m，净宽5.18m，上方建有一栋六层住宅楼。隧道施工选用长短管棚相结合的技术。

3.2.1软土地层管棚施工的特点和难点

在高含水量软粘土和薄淤泥层的复杂地层中，长管棚的钻设、止水帷幕的形成和隧道的开挖是一个难点。

(1)长距离水平钻井难度大。受钻杆挠度和刚度以及土层非均质性的影响，在此类地层中进行管棚钻孔容易造成钻孔偏斜和坍塌，从而影响终端管棚的成孔质量。

(2)难以一次形成有效的防水帷幕。由于隧道开挖主要在粘土层中进行，粘土层渗透性差，注浆效果难以控制。

(3)开挖过程中容易引起地层大变形。这里的隧道埋深大，上面还有超载的房子，地压大。更何况这里土质松软，含水量高，施工时容易因管棚质量和支撑不及时导致地层坍塌，危及上面的房屋。

3.2.2高含水量软粘土地层管棚施工技术

管棚加固是在待开挖隧道周围埋设一定数量的钢管，并对管道周围的土体进行注浆，形成具有一定强度的防水帷幕。有两种作用机制。一个是梁拱效应。由于管棚前端埋入周围土体中，裸露端架设在隧道支架上，在隧道周围形成一组纵向支撑梁，承受土体压力，抑制土体过度变形。二是强化土体效应，从管棚花管注入的浆液通过孔壁挤入土粒之间的空隙，使土体固化，从而提高孔周围土体的弹性模量和强度。为了在如此复杂的地层条件下形成有效的管棚结构，在施工过程中，通过优化

(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，支架一般比较靠近，可以与管棚核心材料紧密接触，假设管棚钢管为等跨连续梁，支架间距为L，则管棚钢管的最大弯曲距离为Mmax:

假设钢管的内径和外径分别为R1和R2，其弯曲模量w为:

以此为基础，可以得到管道的最大拉应力:σ max = mmax/w。

一般认为，在软土地层中，地层的压力完全由钢管承担，管棚的注浆和固支只起到帷幕止水的作用。假设帷幕和实体的有效厚度为D，帷幕的抗剪强度为[τ]，管道中心之间的距离为B，管棚的灌浆和实体厚度必须满足以下条件:

其中k为安全系数，可取1.5 ~ 2.0。

基于此，可以有效地确定管棚施工的主要参数，包括管芯间距、管径、帷幕厚度、支架间的排距等。注浆压力可根据帷幕厚度和地层情况进一步确定。在这种结构中，用于长管棚的管子是？108，钢管壁厚6mm，管棚间距250mm，洞内支撑间距500mm。同时，根据目前的水平钻井技术，在土层中一次钻进40m时，终点偏差可控制在0.5 ~ 1.0m以内。因此，主外壳的长度也确定为40m。施工过程中，每隔35m设置一个扩大的钻孔车间，其长度为6m，外径比隧道断面超出700mm，以便于后续隧道的管棚钻孔施工，如图5所示。

(2)长短组合管棚的应用

由于管棚顶压力最大，在拱部150范围内布置了一个长管棚，以抵抗压力对隧道造成的变形。这里的隧道布置在粘土中，是典型的富水软塑地层，粘性高，可塑性强，遇水易软化。因此，水泥浆的渗透性较弱，很难通过一次长管棚注浆完全隔绝与周围地层的水力联系。为保证形成有效的止水帷幕，在相邻大管棚中心钻超前小导管，钢管间距250mm，长度2.5m，保证搭接长度1m。每1m注浆一次小管，沿圆全断面布置短管棚，与长管棚结合后形成止水帷幕，并通过注浆封堵实体(图5)和* * *体。

(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隧道周围土体的稳定性。施工中应从钻孔位置严格控制管棚的布孔、定位、安装和灌浆。

1)钻孔控制。管棚施工的技术关键是平行准确地安装钢管，以产生拱形效果。施工时，先用高强度钢轨和标准轨枕铺设轨道。钻机就位后，用行走器夹紧钻机，保证钻机只能按设计路线行走。在方向固定的情况下，管棚回转钻进过程中要注意钻杆的下降趋势，特别是在软粘土施工中。因此在开孔方向布置一定的角度，经测试在0.8 ~ 1之间，钻孔时经常用经纬仪和水准仪检查。布孔时，为了减少钻孔对原状土的扰动，影响精度，钻孔和布管采用跳跃式进行，间距为双孔距。

2)管棚安装控制。管棚采用无缝钢管，每节长4.5m。加工时应保证钢管的圆度、同心度和螺纹精度，每根钢管应沿设计轴线分布。

3)灌浆控制。钢管铺设完毕后，应及时进行压力灌浆，用水泥浆将钢管周围和管内的空隙填满。本部门管棚灌浆采用单液水泥浆。由于是在粘土中注入，一方面适当增加了材料的水灰比(此处选用0.8 ~ 1 ∶ 1的水泥浆)；另一方面，提高灌浆压力(此处选用1.5 ~ 2.0 MPa)，增强渗透性和灌浆效果。超前小导管注浆，采用双液注浆，水泥浆与水玻璃的体积比为1∶0.5，及时封堵水力通道。

(4)隧道开挖控制

开挖分两步进行，上台阶每次开挖0.5m，然后架设格栅钢架，喷射25cm混凝土进行初期支护，开挖台阶总长度控制在6 ~ 7m。对于较低的台阶，每开挖0.5m后，应立即进行初期支护。开挖时，上部钢架拱脚采用跳槽开挖，以稳定上部钢架。对于隧道掌子面，由于其暴露面积较大，还需要及时挂网、喷10cm厚混凝土来稳定地层。

3.3浅埋建筑物下岩石隧道施工技术

3.3.1施工特点和难点

如上所述，由于地形起伏大，岩性变化多，地面建筑物多，在如此浅的覆土层中开挖岩石隧道非常困难。

1)岩层复杂多变。线路1穿越的岩层，珠江路-玄武门、南京站-东京亭有四个特征层。珠江路至玄武门，以鼓楼站为界，其南段岩体主要为紫红色砾岩、砾砂岩、细砂岩，泥质或钙铁胶结，其北段主要为紫红色安山岩、安山岩凝灰岩；南京站至东京亭段，南京站附近分布有灰黄色、灰色灰岩，北段分布有灰白色细砂岩、应时、长石砂岩。

2)岩性差。1线隧道分布范围内，岩层节理裂隙发育，岩石硬度不均，强风化、弱风化、轻度风化均在隧道内有所体现，围岩强度等级为ⅲ ~ ⅴ级。

3)地面建筑物、构筑物密集。在岩石隧道施工中，隧道需先后穿越中山路、中央路和某地下过街通道，且主要穿越人口密集区。房屋多为4层及以下，最高7层的建筑，基础形式多为条形基础。交通路面下有密集的管线，施工时地面不会有大的变形。

4)隧道埋深。一般埋深8~18m，红山公园等部分地段几乎裸露地面。

3.3.2浅埋岩石隧道施工技术

为最大限度地减少岩石隧道施工对周边环境的影响，在实际隧道施工中，从总量控制入手，采用多级高精度雷管减震控爆，分步爆破施工，对特殊裂隙、岩石强度低的地层进行预加固，取得了良好的效果。

(1)充电控制

由于1线沿主要交通干线和人口密集区分布，且距地表很浅，如果采用常规爆破，由于振幅和振动速度过大，地层变形较大，导致房屋破坏。通常，振动速度、装药量和爆破距离之间的关系如下:

V=K(Q1/3/R)a(10)

其中v是粒子振动速度(毫米/秒)；

Q——单位装药量或单孔装药量(kg)；

R——爆破孔到建筑物的距离(m)；

k，a——与爆破点的地形、地质等条件有关的系数和衰减系数；

k的值一般为50 ~ 350，a的值一般为1.3~2.0。

这里的房屋多为普通砖房或非抗震砌块建筑，要求振动速度不大于2 ~ 3 cm/s，公式(10)可知，隧道埋深直接影响单级爆破的装药量。根据公式(10)，结合1线隧道埋深、地质、地形等条件，经试验，表2为典型浅部地层的装药参数，根据施工时的爆破震动进行调整。

(2)减震控制爆破

为了降低爆破振动速度，避免多个炮孔同时起爆时产生* * *振动，每个炮孔爆炸后的振动波应相互干扰和抵消。一般单孔爆破引起的振动持续时间较短，多数情况下只有三个完整振动周期(3T)的振幅大于A/2，后续的振动衰减可以忽略不计。因此，当雷管延时差大于3T时，不会发生* *振动，但多孔爆破的振动波相互抵消。理论上可以通过改变起爆时间间隔和调整波形的相位差来实现。但实际上每个炮孔的振动频率f是不确定的，所以不可能减小每个炮孔的振动波。在实际爆破中，为了产生随机干扰波，多采用多级高精度串联雷管。同一阶段矿井管路偏差值大于100ms，不同阶段雷管间隔时间较长。本次浅覆盖层掏槽中心孔的选择是什么？25mm药卷，分8段，单孔单段，雷管延时差100ms，切割排列采用筒锥混合切割方式；掘进孔、内孔和周边孔采用非电毫秒雷管分25个阶段起爆，起爆顺序见表2和图6。

开挖方法选择半断面正台阶法施工。上半段高度3.3m，底宽5.98m，步长控制在3m左右。采用化整为零的施工方法，围岩一次暴露面积小，时间短，炸药用量也小。

(4)光面抑爆控制技术。

为了形成光滑的轮廓表面，光面爆破孔之间的距离较小。考虑到该处一般为ⅲ~ⅳ级围岩，取灯= 0.4m..光爆最小抵抗线距离为W光=1.2~1.5a光，W光= 0.6m..相邻两个光面爆破孔之间的距离为0.2m

(5)采用小循环进尺

如果进尺小，循环爆破量小，一次爆破用量小，就容易设计爆破网路。

(6)提前预加固

对于裂隙较多、岩石强度较低的地层，本次采用超前小导管预注浆方式，先对隧道周边岩体进行加固，提高岩体的弹性模量和强度，便于岩体的稳定和隧道掘进。

盾构法与管棚法的对比分析

对于这两种施工技术的应用，从南京地铁1 #线的施工实践来看，在安全性和经济性上都存在一定的差异:

安全

从施工安全的角度来看，盾构法隧道的施工安全性远大于管棚隧道，因为其壳体厚，密封性能好，支撑体系形成快且稳定。

经济

从经济上讲，隧道掘进距离越短，采用管棚法越经济。一般来说，对于大直径隧道，长度在150m以内，如果地层条件允许，采用管棚法较为经济。如果长于此长度，应采用盾构隧道施工技术。

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比管棚法好得多。

4结论

由于南京地铁1线地层条件、地面建(构)筑物分布的复杂性和区间隧道分布的特殊性，盾构掘进、管棚开挖、钻爆等各种施工技术在1线得到应用并取得成功，为今后软土地区城市隧道建设积累了宝贵经验。

在地铁1线隧道的实践中，我们有以下经验:

在(1)盾构穿越浅覆盖层的水下施工中，通过控制开挖仓的压力和开挖量，并注入适量的膨润土浆液，可以更有效地减少隧道推进对周围环境的影响，有利于隧道防治水的控制。

(2)如果覆土较浅，浮力较大，设置抗浮板和抗拔桩既能平衡盾构隧道的长期浮力，又能防止隧道在施工过程中产生过大的上抬变形，有利于盾构隧道的轴线控制；

(3)软塑地层管棚施工实践表明，对于高含水粘土地层，管棚围护要取得成功，必须首先确定合理的管棚支护参数；其次，管棚内钢管的安装质量和灌浆施工质量的控制非常重要，这是管棚成败的关键。此外，在开挖过程中，应合理选择开挖方式，必要时在局部渗漏处增设短管棚，形成长短结合的管棚，减少开挖对周围环境的影响。

(4)浅地层岩石隧道施工技术的关键在于装药控制和合理的爆破方式。工程实践表明，多级高精度雷管随机干扰减震爆破能有效控制地层变形，减少爆破施工对已有建构筑物的影响。

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