城市地铁水上钻探技术
[摘 要] 南京地铁四号线一期工程穿越玄武湖，线路穿越段处于断层破碎带中，下覆碎裂角砾岩、钙质泥岩等，局部分布粗粒混合土，地质勘察难度较大。文章结合城市地铁勘察要求和施工经验，分析了水上勘察的控制点要素，就如何提高水上勘察质量提出了几点建议。
[关键词] 城市地铁；玄武湖；水上钻探
1工程概况
南京地铁四号线一期工程由河西中保村通往仙林东流，全长 33.2 km，自玄武湖东南角湖底穿过，是第一条穿越玄武湖的城市地铁。 玄武湖位于南京市区东北城墙外侧，是南京水域最宽阔的市区湖泊,融汇了山水城林和绚丽花卉的独特风光。 跨湖段轨道位于湖面下约 25 m，跨度约 400 m。地铁施工拟采用盾构法。
2地质构造
玄武湖地区在区域大地构造上属于扬子断块区的下扬子断块构造单元区，地处宁镇弧和宁芜盆地交接部位，区域地质构造复杂，褶皱、断裂发育。
线路经过区地貌单位为构造剥蚀低山丘陵。
依据本次钻探揭露情况，按地层空间分布的连续性及工程地质性能的相似性共划分为 6 大层， 其中第 1-3 层主要为淤泥质填土和淤泥、软塑状粉质粘土，局部杂薄层粉土粉砂。 第 4 层为粉质粘土夹砾石，黄褐色，可塑，砾石含量10%-15%。 第 5 层为混合土 ，砾石成分较杂 ，以角砾 、砾砂等混粉质粘土为主，砾石含量 30%-60%，次棱角状。该层层顶埋深 14.1 m～25.9 m，层厚 0.8 m～7.6 m。 第 6 层为岩石，靠九华山段为碎裂角砾岩，角砾以花岗闪长岩和角岩为主；靠龙蟠路段局部见钙质泥岩和变质石英粉砂岩。
地下水类型主要为潜水、微承压水及基岩裂隙水。 潜水主要分布于地层浅部填土、新近沉积土中；微承压水主要赋存于混合土中；基岩裂隙水主要储存在基岩风化带、断层破碎带和节理裂隙中，富水程度差异较大。
勘探期间湖面标高在 10.04 m 左右。
3勘察要求
3.1 勘察孔布置
根据场地岩土层分布特征、 水文地质条件和结构形式、施工方法、底板埋深等，按相关规范并结合地铁施工特点和线路的地质条件，合理布置勘察工作量，具体如下 ：勘探孔在隧道结构两侧呈“Z”形交叉布置，孔间距 25 m 左右。左右线地质纵断面上地质条件差异较大处或地层复杂地段进行横断面勘探。控制性孔数量为勘探孔总布置数量的 1/3左右。
考虑到水上施工难度较大， 将初勘与详勘合并进行，共布置水上勘察孔 47 个， 其中控制性孔 16 个， 一般性孔31 个。
3.2 孔深控制原则
对控制性孔，在松散地层中，勘探孔深度应至隧道底板下不少于 20 m，并应穿透软土、砂土层，若提前遇基岩，应进入中风化带不少于 5 m； 在微风化及中等风化岩石地层中孔深应进入底板以下 3 m～5 m，在强风化带、全风化带中钻探深度依据地质条件、设计和施工的要求而定。 一般性孔可适当减少钻探孔深。
玄武湖线路穿越段基岩埋深约为 14 m-19 m，隧道底板处于基岩中，故钻探时以进入底板下 5 m 来控制孔深。
3.3 原位测试布置
现场试验包括标贯、重型动探、扁铲、十字板、波速试验以及简易抽水试验、大地导电率测试、土温测试等。
3.4 室内试验工作量布置
室内土工试验除常规物理、力学性质试验外，还要考虑安排一些特殊项目试验，如：无侧限抗压强度、静止侧压力系数、基床系数、热物理指标（导温系数、导热系数、比热容）、电阻率、岩石天然抗剪强度、抗拉强度、岩块超声波、弹性模量等。
4水上钻探技术
4.1 定位
施工前搜集了玄武湖隧道和九华山隧道的方位和深度，其中九华山隧道与线路穿越段斜交，在布孔时适当作了避让。
钻孔定位采用 GPS 和全站仪，误差小于±0.1 m。 因特殊原因需要移位时，只许沿着轨道线的纵向移动，且移动距离不应超过 2 m。 为了保证水上钻探孔孔位的准确定位，每个孔在开孔之前都进行复测。 勘察期间为雨季，湖水的涨落带来钻船的起落，造成套管口与钻台平面相对高度发生变化，从而影响实际钻孔深度。 为了消除这种影响，在每次湖水涨落和终孔前都对湖面高程进行测试，用以修正孔口标高。
4.2 套管就位
套管在钻进过程的作用是导向、 隔绝湖水并阻止塌孔，因此，确保套管垂直下入是十分关键的。 通常采用上下配合的方法， 在机台平面上将套管的上端用套管夹固定，下端用钢丝绳拉住套管脚， 通过控制钢丝绳逐渐下吊套管，控制好下吊的速度，始终保持套管的竖直度。
4.3 钻进取芯
钻场用油桶捆扎后平铺木板组装而成，通过调整配重使钻探平台保持良好的稳定性，确保钻探的准确角度。
湖面上覆松软土层，采用 108 mm 岩芯管孔底干钻及投珠的方法采取土芯。 将单管钻具下入孔内， 通泥浆冲洗液回转钻到接近孔底后，关掉泥浆泵进行干钻，稍后投入钢珠。 提钻后，将变径接头内钢珠倒出，用泥浆泵冲压，即可将管内柱状土芯顺利取出， 土芯采取率可达到 90%以上。 对于岩层，由于线路穿越段处于断层破碎带中，下覆碎裂角砾岩、钙质泥岩等，基岩裂隙水为微承压水，地质勘察难度较大，作为水上钻探，应想方设法提高钻进的平稳性。为此，本次地铁施工采用金刚石钻进，冲击力相对较小，钻进较平稳；同时保证足够的泥浆量，将磨碎的岩粉及时带出孔外。同时，在泥桨中加入陶土，以提高其润滑性能，减小钻具的振动。 破碎岩石中钻进时控制每回次进尺在 1 m 以内甚至更小，待岩芯完整时，可换用 91 mm 岩芯管，可防止卡钻，保证钻杆进出顺利。
整时，可换用 91 mm 岩芯管，可防止卡钻，保证钻杆进出顺利。
4.4 土样的采取
玄武湖东南区域水深约 1 m， 上履 7 m-10 m 厚软土。为了保证获得高质量的土样，采用薄壁取土器取样，取样管内径为 100 mm、壁厚为 2 mm。 取样操作时，用钻机施加静压, 将取土器连续地压入到预定深度。 下部可塑状粉质粘土则采用厚壁取土器按常规方法取土。 土样取出后, 为防止水分散失,用石蜡及时将其密封,迅速送往实验室进行试验。
混合土的取样难度则要大很多，由于混合土(尤其是本次施工中遇到的粗粒混合土)钻探施工困难、岩芯采取率低，难以采取原状土。 只能通过提钻前较大距离的干钻，将包含各种粒径的土体卡入钻头中带出地面，采取扰动土样。
4.5 封孔
城市地铁作为地下交通，要防止钻探孔成为各含水层水力联系的通道，致使盾构施工时，湖水或地下水通过钻孔进入隧道，给盾构施工带来严重的影响。 为此，必须在每个钻孔结束后及时进行封孔，采用砂桨封闭钻探孔。
封孔所采用的水灰比控制在 1∶ 0.6 左右， 水灰比过高，会延长初凝时间，并降低水泥桨硬化后的强度；水灰比过低，则会降低水泥桨的流动性，水泥桨无法挤入细小的基岩裂缝中。注桨时钻杆应尽量下到孔底，一次性连续注入足量的水泥砂桨，注桨完毕，缓慢提升钻杆，及时清洗泥浆泵及钻杆。
5结语
对于南京首条穿越玄武湖城市地铁的地质勘察是一次难度很大的挑战。针对水上钻探的特点，从钻探手段及施工工艺上着手，选择合适的设备、工艺，并结合城市地铁勘察的要求，重视原状样采取和进行严格认真的封孔，保质保量完成了南京地铁四号线玄武湖水上钻探的全部工作，为这项贯穿主城东西客流主干道宏伟工程的设计施工提供准确的工程地质条件及水文地质条件。
参考文献
[1] GB50021-2009岩土工程勘察规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2009.
[2]李维滔，李安军.珠江八大出海口门整治工程水上钻探技术[J].西部探矿工程，2005（11）.
京公网安备 11010202007575号