南京地铁过江隧道总体设计与施工

佘才高

(南京地铁集团有限公司， 江苏 南京　210008)



南京地铁过江隧道总体设计与施工

佘才高

(南京地铁集团有限公司， 江苏 南京210008)

摘要：以南京地铁3、10号线过长江隧道为背景，针对其距离长、风险高、施工难度大等特点，在国内地铁行业首次提出采用单洞双线大直径盾构隧道的断面形式。分别从设计与施工难点及采取的措施出发，通过工程类比、仿真计算、现场试验等研究手段，确立了11.2 m外径的单管双线三层内部结构的地铁过江大直径盾构隧道横断面，解决了地铁大直径盾构隧道衬砌环分块形式，提出了利用隧道顶部富裕空间的纵向通风模式。实践证明，在直径为10～12 m类大直径盾构隧道的常压换刀的应用中是可行的、安全的。研究成果可为城市大断面越江地铁盾构隧道工程提供借鉴。

关键词：南京地铁； 过江隧道； 大直径盾构隧道； 盾构换刀

0引言

自20世纪60年代以来，为满足城市交通迅猛发展的需要，我国已建设了多条越江隧道。由于盾构法隧道具有目标工期及工程造价可控性好、风险相对较小、施工期间不影响江河通航及不易受河床变迁影响等优点而在国内外越江(河)工程中被广为采用。

国内已建成的上海延安东路隧道[1]、翔殷路越江隧道[2]、大连路隧道[3]、打浦路隧道[4]及南京纬七路长江隧道[5]等工程均为盾构法隧道工程。目前国内越江隧道大多采用大直径盾构隧道过江形式，断面一般在10～15 m，且此类隧道工程多，施工技术成熟。但是，这些越江隧道多数为公路隧道，目前，单洞双线的大直径过江盾构隧道在地铁领域还未出现，而两者在限界、行车、防灾、排水、运营等方面均存在较大差异，大量专业问题需要重新进行研究。

本文以南京地铁3、10号线越江隧道为背景，针对其距离长、风险高、设计、施工难度大的特点，在国内地铁行业首次提出采用单洞双线三层大直径盾构隧道的断面形式[6-7]；针对高水压特点，研究得出采用双道防水密封垫设计形式；提出采用纵向通风方式且以道床疏散为主、疏散平台为辅的疏散方式。

1工程概况

南京地铁3号线采用A型车，其过江通道起于江北浦珠路与柳州路路口布置的浦珠路站，沿京沪高铁预留上元门通道走设，下穿威尼斯水城、引水河泵站、长江后到达江南燕江路与中山北路路口布置的滨江路站。通道全长3 321.6 m，穿越地层主要为粉细砂、淤泥质粉质黏土、含砾中粗砂地层；穿越江段江面宽约2 km，百年一遇洪水位10.53 m(吴淞高程，下同)，三百年一遇最大冲刷线最深点高程-34.43 m、深泓摆幅100 m。

南京地铁10号线采用B型车，其过江通道起于江心洲岛内纬七路过江隧道以西布置的江心洲站，下穿长江、江北水厂后到达江北纬七路过江隧道以西、纬七路收费站以南布置的滨江大道站。通道全长3 583 m，隧道区间穿越地层以粉细砂、中粗砂、卵砾石及粉质黏土地层为主，穿越江面宽约2.1 km，百年一遇洪水位10.68 m，三百年一遇最大冲刷线最深点高程-32.40 m、深泓摆幅100 m。

隧道平面布置见图1，3号线地质纵断面见图2，10号线地质纵断面见图3。

图1　隧道平面示意图

Fig. 1Plane sketch of Line No. 3 and Line No. 10 of Nanjing Metro

图2　南京地铁3号线地质纵断面图

Fig. 2Schematic diagram of the geological conditions of Line No. 3 of Nanjing Metro

图3　南京地铁10号线地质纵断面图

Fig. 3Schematic diagram of the geological conditions of Line No. 10 of Nanjing Metro

2工程特征

工程主要的特征及技术难点如下。

1)盾构区间线路长且地质条件极其复杂。隧道区间线路长3.3～3.6 km，主要穿越的地层为粉细砂、中粗砂、卵砾石及粉质黏土地层。粉细砂层透水性强，易发生涌水、涌砂现象，且盾构在该层掘进时易发生沉陷；全断面穿越中粗砂、卵砾石层长度较长，其所含砾石强度较高，对刀具磨损严重，地层自稳能力低、透水性好，易发生开挖面不稳、突泥涌水事故。

2)沿线水头压力高、覆土变化大。越江段长江多年平均水位5 m左右(吴淞高程)，隧道顶板最高水压力为0.6 MPa，盾构及成型隧道承受极高的水头。隧道覆土变化大，最大及最小埋深分别为41 m和12 m，其中江中段覆土最浅处约1D，施工风险大。

3)江底隧道线路近穿深槽段。隧道区间的深水漕在勘察期间水深达27～30 m，三百年冲刷线深泓摆幅范围约100 m，且深槽区段盾构隧道全断面穿越②-4d1-2粉细砂层，该土层为中密-密实，颗粒级配不良，矿物成分以石英、长石为主，含云母碎片，偶含石英质砾石，局部夹粉质黏土薄层，渗透系数较高。

4)近穿建(构)筑物多。线路周边环境较复杂，盾构区段穿越建构(筑)物有浦口区自来水厂建筑物及管线、长江大堤等。浦口区自来水厂为浦口区人民提供日常生活用水，对浦口区人民正常生活有着重要作用；而长江大堤作为江防大堤，对保护浦口和江心洲两地人民生命财产安全有着不可估量的作用。盾构区间线路在建筑物下穿行的区段施工风险大，对施工引起的变形控制要求高。

3隧道横断面设计

由于盾构法隧道造价高、工程技术难度大，有效地优化其横断面设置，在满足设计功能的前提下减小横断面，可以有效地降低工程投资和技术难度[8-9]。

通过工程类比，综合考虑盾构管片设计各类因素(如表1所示)，最终确定采用单洞双线盾构方案。隧道建筑限界内径为9 800 mm，根据建筑限界、施工误差、测量误差及不均匀沉降等因素，确定双线盾构隧道的内径为10 200 mm，管片厚度采用500 mm，管片外径为11 200 mm(如图4所示)。

根据功能需要，大盾构断面布置将隧道分为3个部分。上部为纵向排烟道，中间部分为上下行地铁车行道，下部为集水泵房。上部风道的面积和尺寸主要取决于排烟能力要求；轨道结构下部空间因结构分成3部分，中间部分主要考虑作为排水沟槽和江中泵房，保证必要的检修空间，风道板及泵房采用预制件进行施工，确保施工工期。

在中隔墙两侧设置纵向疏散平台，直线段宽度700 mm，曲线段宽度600 mm，供隧道维修和防灾疏散使用。

表1　长距离过江地铁盾构隧道方案比较表

图4　单洞双线大盾构隧道断面(单位： mm)

Fig. 4Scheme of cross-section of large-diameter single-tube double-line shield tunnel (mm)

4隧道纵断面设计

4.1纵断面设计原则

水下隧道纵断面主要从以下几点进行控制。

1)隧道纵断面纵坡兼顾两端接线车站埋深和功能需要，接线车站布置位置服从规划和功能需要，工程经济、风险可控。

2)隧道纵断面纵坡需满足行车需要，一般条件下最小纵坡2‰、最大纵坡30‰。

3)隧道纵坡最低点的设置位置和数量应服从排水功能要求。

4)施工期间隧道的最小覆土不宜小于1D，以满足盾构施工安全。

5)水下隧道正常运营期间，隧道的最小覆土在三百年一遇冲刷深度及深泓摆幅条件下满足最小抗浮覆土需求。

4.2隧道纵断面设计

过江隧道运营期间抗浮安全系数1.1，考虑三百年一遇河床最低冲刷线和200 m深泓摆幅影响，运营阶段最小覆土厚度=(1.1×隧道浮力-管片自身重力)/上覆土浮容重=[1.1×985.2-(420.2+284.3)]/8=4.23 m。

1)南京地铁3号线过江隧道纵断面采用V字坡，受三百年一遇冲刷线深泓位于北岸影响，隧道最低点靠江北布置，隧道最大纵坡29‰、最小纵坡8‰，施工期间隧道最小覆土10.4 m、位于江北漫滩地区；正常运营期间三百年一遇冲刷线及100 m摆幅基础上最小覆土5.1 m。

2)南京地铁10号线过江隧道纵断面同样采用V字坡，隧道最大纵坡28‰、最小纵坡9‰，施工期间隧道最小覆土9.4 m、位于江南漫滩地区；正常运营期间三百年一遇冲刷线及100 m摆幅基础上最小覆土5.4 m。

5衬砌结构与防水设计

盾构隧道是由衬砌与接头共同构成的复杂结构体。不同的结构形式，不同的拼装方式，都将导致结构横向和纵向力学性能的显著差异[10]。由于盾构隧道所处的环境含水丰富，故结构的防水问题是事关工程成败的重点和难点[11]。

5.1衬砌环结构设计

衬砌环采用双面楔形形式，同时考虑管片拼装时旋转产生的水平楔形量损失和国内管模的通用性，确定管片楔形量为55 mm，单边楔形角5′45.5″。本次设计采用环宽2 m、5+2+1分块模式(见图5)，全环由大封顶块F、2块邻接块L和5块标准块共8块管片构成[12]。

接缝上设置2道弹性密封垫，内侧预留嵌缝槽。为防止管片外侧损坏，在接缝外侧设置丁晴软木橡胶垫片。在管片接缝上设置凹凸榫槽。接缝连接采用斜直螺栓连接。在最不利工况条件下，考虑接缝弹性密封垫预加紧固力的作用，块与块之间每块设置4颗M45环向螺栓(布置于2个手孔内，每个手孔内各2颗)，螺栓机械等级8.8级。环与环之间每环均匀布置36颗M40纵向螺栓，螺栓机械等级8.8级。

图5　衬砌构造图(5+2+1)(单位： mm)

5.2防水设计

从结构、接头、接缝设计、环境保护、施工监测等方面综合考虑，减少、控制结构的沉降及不均匀沉降，防止结构开裂及渗漏。以混凝土结构自防水为根本，以衬砌接头防水为重点，多道防线，综合治理的防水设计，能保证正常运营阶段结构无渗漏、接头不渗漏，并能适应干缩应力、温度应力、地震力、水土荷载、地基荷载作用所引起的变形。

1)衬砌外注浆防水。同步注浆采用水泥砂浆，在管片拼装完成后进行；二次注浆主要采用水泥浆，但在隧道开挖对地表建筑物或管线影响较大地段，为即时回填空隙，减小地面沉降，可选择速凝型的双液浆(水泥-水玻璃浆液)。为避免浆材硬化收缩，从防水角度考虑，所有的注浆材料皆宜掺加一定量的微膨胀剂。

2)衬砌混凝土结构自防水及耐久性设计。管片混凝土采强度等级C60，抗渗等级P12，限制裂缝开展宽度≤0.2 mm。

3)管片接缝防水。管片接缝防水采用双道三元乙丙橡胶弹性密封垫(见图6)[13]。

图6　管片接缝防水构造图(单位： mm)

4)嵌缝防水。嵌缝防水是构成接缝防水的第2道防线。在密封垫寿命期满之后，虽然无法更新密封垫，但作为内道防水线的嵌缝材料是容易剔除并重新嵌填。

①嵌缝范围。洞门段30 m、防洪堤处等变形量大的衬砌环段进行整环嵌填，其余区段则在拱顶110°范围内嵌填。

②嵌缝材料。嵌缝槽密封材料内部嵌填可采用聚合物水泥(如氯丁胶乳水泥砂浆)，材料与混凝土结合面用界面处理剂进行处理。

6隧道通风防灾及疏散系统设计

地铁长隧道由于具有狭长的几何尺寸和发车密度高、客流量大等特点，当灾害来临时，易发生燃烧迅速、烟气弥漫快、疏散空间狭窄、人员疏散慢等不利情况。由于列车运行和设备运转等都会散发大量的热量，若不及时排除，隧道内部的环境会使得设备无法正常运转。

隧道采用纵向通风系统，隧道顶部设断面面积约为14 m2的土建排烟风道以连通2车站，排烟风道对应上、下行正线设置3组，共6个事故风阀，将本区间分为4段，可以通过事故风阀的启闭，对事故区段进行排烟运行[14-15]。滨江大道站以及江心洲站站端各设1台90 m3/s的区间事故专用风机。火灾时根据着火点的位置，启动离着火点较近车站的区间事故专用风机，利用轨顶的事故风阀对着火点进行排烟运行；同时，另一侧车站的车站风机以及区间事故专用风机对事故区间进行送风运行，保证区间中形成2 m/s以上的疏散气流，为乘客疏散创造有利条件。

隧道采用设置侧向疏散平台和左右线间设置联络通道的消防疏散方式。隧道内疏散平台每隔200 m设置步梯。列车发生事故无法行驶时，端头车厢内的乘客通过端头门下至道床步行至车站或通过防灾疏散门进入相邻隧道等待接驳车辆救援，中部车厢内的乘客从车厢下至疏散平台，沿疏散平台步行离开车体至步梯处，再下至更为安全的道床进行疏散。

区间疏散通道设计见图7。

(a) 平面图

(b) 立面图

7隧道排水及消防系统设计

利用隧道下部空间作为排水沟槽，在最底部时两端填充形成集水池，向就近车站抽排。在两端车站内设一座消防泵房，每座消防泵房引入1根DN150进水管，环网接通，形成安全可靠的供水系统。由每座消防泵房接出的1根DN150出水管分别在隧道内全线贯通，以形成安全可靠的消火栓总管环网。隧道内每隔50 m设置1只单头单阀消火栓，隧道共设消火栓180只。在消火栓总管上每隔5组消火栓设1只疏散闸阀，并在总管最高点设放气阀，最低点设放水阀。每座消火栓泵房的供水范围为隧道的一半长度，水压按最不利点消火栓充实水柱不小于10 m，用水量为10 L/s计。每座消防泵房内设消火栓泵机组1套，包括2台泵，互为备用。

每座车站的地面附近设1套水泵接合器，与消防泵房内的消火栓泵出水管接通，并在距水泵接合器15～40 m范围内配置室外消火栓。在过江区间隧道最低点设区间废水泵房，废水池内的废水经水泵提升后排到滨江大道站附近的雨水管网。

8施工关键技术措施

城市轨道交通地下工程因其所处的城市周边环境比较特殊，工程实施过程中存在一定程度的风险，而此类风险工程可分为环境风险工程和自身风险工程。为做到有效规避或控制工程建设风险，减少各类风险事故的发生，降低因风险事故造成的损失，进而达到工程建设安全、质量、进度、效益和环境保护等各项目标，在总体设计阶段应针对风险工程采取施工技术措施进行控制。

8.1沿线建(构)筑物保护措施

1)管片环之间增设剪力销提高隧道纵向连接刚度。

2)盾构掘进过程中加强盾构参数控制、减小了盾构掘进对地层的扰动、有效降低了掘进期间的地层变形和建筑物沉降。

3)下穿段标准块和邻接块每块管片的注浆孔由1个增加至3个；利用加密后的注浆孔通过洞内重复注浆加固补偿了地层损失，避免了工后沉降。

4)在施工期间采用高质量的泥水输送到切口，使其能很好地支护正面土体。泥水密度控制在1.2 g/cm3左右，黏度控制在22 Pa·s以上。

5)同步注浆采用注浆量与注浆压力双重控制，浆液采用早强型可硬性浆液，由此弥补开挖造成的地层损失和控制地表穿建(构)筑物变形。

6)严格控制盾构姿态，经实测数据证明控制姿态偏差在40 mm以下有利于保证穿越期建(构)筑物安全。应避免在结构下方有较长时间停机。

7)为确保建筑物安全，建筑物角点处布置沉降测点，施工过程中根据监测结果及时优化调整各类施工参数。

盾构隧道已经施工完成，盾构施工引起长江北侧建筑物及大堤的竖向变形主要经历先隆起后沉降的过程，穿越结束后10 d左右沉降稳定，建筑物与大堤最大沉降量为9 mm和10 mm(见图8)，最大倾斜率为0.043 5%和0.09%，实测与理论计算较接近，如表2所示，均在允许范围以内，总体而言穿越施工对建(构)筑物影响较小。

图8　大堤堤顶沉降随盾构掘进环数的变化(DB1—DB13)

Table 2Comparison and contrast between the measured data and calculation results

项目计算值坡顶坡脚实测值坡顶坡脚最大沉降量/mm9.046.969.917.72最大倾斜率/%0.020.020.090.05

8.2盾构换刀技术措施

盾构在粉细砂中长距离掘进，尤其需要穿越1 760 m范围的卵砾石地层，所穿越的各种地层长度百分率如图9所示。该地层具有地层胶结性差、结构松散、单个块石强度高、内摩擦角大的特点，盾构在该地层中掘进时刀具会在短时间内发生较大的磨损，且卵石圆砾地层基本位于江底位置，刀具的检查、更换风险高，且耗时长、费用高。

图9　穿越范围各地层分布百分比

采用高压水下常压进舱换刀方案，盾构在制造时，对刀具轨迹较长、可能磨损较厉害的刀具设置伸缩臂，增大刀盘后部空间，便于刀具回缩。盾构掘进过程中盾构掘进参数发生了明显变化、判断刀具磨损较厉害需要换刀时，可更换刀具回缩、封闭刀盘，人员进入人舱对回缩的刀具进行维修、更换。

配置各类刀具共210把，其中可更换先行刀30把，固定先行刀38把，可更换刮刀42把，固定刮刀88把，边缘刮刀10把，超挖刀2把。既能解决刀具磨损后更换的问题，同时避免带压换刀带来的一系列问题。在刀具检查更换过程中一般仅对常压可更换的刀具进行检查更换。常压换刀刀具具体分布情况如图10所示(盾构内方向视图)。掘进过程中换刀情况如表3所示。

图10　常压换刀刀具分布图

换刀编号单次掘进里程范围对应环号/环掘进距离/m第1次DK14+850～DK13+968441882第2次DK13+968～+78094188第3次DK13+780～+60488176第4次DK13+604～+334135270第5次DK13+334～+050142284第6次DK13+050～DK12+762144288第7次DK13+762～DK12+66051102第8次DK12+660～+446107214

为了减少换刀次数，需对刀盘进行耐磨性设计，刀盘的面板需焊接格栅状的特殊耐磨材料，充分保证刀盘在掘进时的耐磨性能；在切刀和刮刀上安装了最新的检测装置，能够及时掌握刀具的磨损情况，保证刀具的正常工作。

南京地铁10号线越江隧道掘进过程中共进行了8次换刀，目前已经顺利施工结束，验证了工程采用常压进舱换刀方案的正确性。

9结论与建议

1)南京地铁3、10号线过江虽大采用单洞双线大直径盾构方案，在满足基本运营及防灾功能前提下，能最大限度降低工程风险，减少投资，提高地铁隧道空间利用率。

2)盾构管片采用通用衬砌环，管片拼装方式为错缝拼装，分块方式为5+2+1共8块，管片厚度为500 mm，管片接缝采用双道弹性密封垫防水。

3)区间隧道采用纵向通风系统，区间中部设事故风阀，事故状态下的疏散方式采用侧门疏散与端门疏散相结合的疏散方式。

4)利用区间隧道最低点的口字件作为废水泵房，一次提升至车站后排出室外，有效地利用了隧道空间、减小了附属工程的设置，对工程造价和工程风险控制效果明显。

5)通过2条过江隧道的工程实践，所推荐的下穿建(构)筑物保护措施和换刀技术措施成功运用，有效控制了环境风险和自身风险，同时10～12 m直径复合地层盾构刀盘配置提出了新的思路和实践。

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Design and Construction of Yangtze River-crossing Tunnels:

A Case Study on Nanjing Metro

SHE Caigao

(NanjingMetroGroupCorporation,Nanjing210008,Jiangsu,China)

Abstract:The scheme of large-diameter shield tunnel, which is characterized by single-tube double-line, was proposed for the construction of Yangtze River-crossing tunnels on Line No. 3 and Line No. 10 of Nanjing Metro for the first time in China. The design, construction and related countermeasures during tunneling of Nanjing Metro are proposed. The horizontal cross-section of large-diameter river-crossing shield tunnel constitutes a single-tube with double-line, which is a triple-floor structure. The circular lining ring of large-diameter shield tunnel is accordingly proposed, and the longitudinal ventilation is set in the top margin space of tunnel cross-section. The construction practices illustrate that the drill bit replacement under the atmospheric condition is suitable for large-diameter shield tunnel (diameter 10～12 m). The experiences accumulated in this project can provide reference for similar river-crossing Metro shield tunnels with large-diameter in the future.

Keywords:Nanjing Metro; river-crossing tunnel; large-diameter shield tunnel; drill bit replacement

中图分类号：U 452.2

文献标志码：A

文章编号：1672-741X(2016)01-0058-08

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.01.009

作者简介：佘才高(1965—)，男，安徽当涂人，1988年毕业于西南交通大学，桥梁、隧道及结构工程专业，硕士，研究员级高级工程师，南京地铁集团有限公司董事长，长期从事地铁的规划、可行性研究、设计、科研等技术工作和建设管理工作。E-mail: shecg@njmetro.com.cn。

收稿日期：2015-08-21; 修回日期: 2015-11-10