1 前 言
城市水下交通隧道，既在城市，又于水下，是一种技术难度大、风险性高的典型的地质工程.到目前为止，我国已在上海、广州、宁波建成数条越江隧道.玄武湖位于南京市快速内环线以内的市中心地区,南北长3 km，东西宽2。6 km，是南京市著名的风景旅游景点。但它同时也严重阻碍了城区中部的道路交通。通过交通规划的初步论证,建设一条穿越湖底的东西向水下隧道很有必要。该隧道不同于以往的越江隧道，其工程地质水文地质条件、城市环境约束因素以及工程的环境影响问题更具复杂性.
玄武湖位于南京市快速内环线以内的市中心地区，湖面宽阔，风景秀丽，是南京市著名的风景旅游点,但同时也严重阻碍了城区的道路交通,使城市路网中出现了一大片“空白”。为缓解市区交通，减少车辆绕行距离，加强地区间的联系，市有关部门开始着手筹建玄武湖水底交通隧道。受南京市地铁筹建处的委托，南京大学参加了该工程的可行性论证工作。拟建的玄武湖水底交通隧道,西与新模范马路相接，东与新庄相接（见下图）,双向四车道。
玄武湖水底交通隧道平面示意图
2 系统优化设计的原则与目标
城市水底交通隧道,既在城市,又在水下，工程建设中涉及到交通规划、市政环境保护、地面变形、工程地质条件、经济条件等多种因素,是一种典型的系统工程(Systematic Engineering），其施工方案的选择应遵循一定的原则进行，结合玄武湖水底交通隧道工程，提出以下原则：
(1)目标原则
玄武湖水底交通隧道的关键是要解决交通问题。隧道的建成，要尽最大限度地缓解玄武湖周围的交通拥挤状况,这个目标是绝对不能偏离的.
(2)地质原则
水底交通隧道建在地质体之中,涉及到区域稳定性、地面变形、砂土液化、软土震陷、涌砂涌水、突水、开挖面失稳、有害气体等多种工程地质问题,是一个典型地质工程。隧道施工，要尽可能避开复杂的工程地质问题,对可能发生的工程地质问题要有备无患.
(3)效益原则
建设玄武湖水底交通隧道，投资巨额,不能很快产生经济效益，然而其社会效益相当可观。在规划中应尽最大限度地降低工程造价。社会效益与经济效益并重。
(4)技术原则
选取的施工方法不仅要有可行性，而且要有可靠性，应选用成熟的施工方法。
(5)环境原则
工程施工过程中,要尽可能地减少对环境的扰动。施工不能影响玄武湖周围人民的正常生产及生活,也不能影响到隧道沿线高层建筑、地下管线及文物景观等的安全。
(6)整体最优原则
玄武湖水底交通隧道是一个系统工程，由若干子系统构成.施工方案即为一子系统。分析问题时要从系统的整体效益着眼,局部可以不最优,但整体必须最优。在上述思想的指导下，进行工程施工方法的比选与优化。
3 工程地质概况
3.1 地形地貌
玄武湖位于南京市区的东北面，呈纺锤状,其长轴走向为NW向。玄武湖三面环山(北、南、东）,湖底平坦,水深平均为1。45m，湖区水域基本发育在三叠系、侏罗系地层和火成岩剥蚀洼地之上，基岩埋藏较深,一般35～40m。
3。2 地层
隧道位于第四系河流冲积沉积层中（古河道相及漫滩相）,主要地层有（图2）：
(1)填土层
人工填土层分布较为普遍，厚度一般变化于2～5m之间,成分复杂，结构疏松，并含有砖
瓦碎片等人工废弃物。
(2)古秦淮河沉积层（Q2-34)
a。淤泥质粉质粘土层
为古秦淮河漫滩相及湖沼相沉积物,有机质成分较高，颜色为灰黑色,含水量较高，呈软塑至流塑状态,分布范围较广，有较稳定的层位,也有的呈透镜状.
b。粉质粘土层
主要为古秦淮河漫滩相沉积的粘性土层,颜色为灰黄色,呈软塑状态，含水量较高,分布范围较广。
c。粉砂层
是古秦淮河河床相沉积物，夹有细砂颗粒或夹有少量细砂薄层，偶而也夹有粉质粘土透镜体薄层,颜色为灰色,饱水,分布范围广,厚度大。
3。3 水文地质条件
地下工程开挖，形成新的集水廊道,水害是屡见不鲜的,水下隧道及水底工程尤甚,直接关系到工程的成败.在水底交通隧道施工中,水是一个很棘手的问题。玄武湖水底交通隧道施工中，面临3类水体：地表水、古河道水及下伏基岩水。
(1)地表水（湖水）
玄武湖湖水与长江水沟通,整个玄武湖面积约4km2,按平均水深1.45m计算，水量达5.8×106m3.
(2)古河道水
湖内有一条埋藏不深的古河道，分布有厚度不等的粉细砂层及粉质粘土层，粉砂中地下水含量较大，为地下水富集带，单井涌水量最大可达2000～5000m3/d。
(3)下伏基岩水
幕府山—九华山断裂（F2断裂）沿南北向穿越玄武湖，与隧道轴线斜交。据现有资料，F2断裂为张扭性断裂（见下图）,在下伏闪长岩中切割深达20km,沿走向延伸较长,规模较大,且伴生羽状小断裂。F2富水，具有承压性,涌水量150～250m3/d。
中央路——新庄地质剖面图
1—闪长岩；2-粉砂;3—粉质粘土；4—淤泥质粉质粘土；5—安山岩；6—粘土；7—粘质粉土；8—人工填土
4 方案比选
4.1 出口方案
A1方案，隧道暗埋于中央路下，在模范马路口与新模范马路平接;A2方案，从地铁区间隧道上越过，在中央路西侧与新模范马路平接；A3方案，挖去部分古城墙，在中央路东侧约20 m处与东进的新模范路平接。
从城市环境约束因素看，在新模范马路与中央路交叉口，地上有三栋高层建筑，地下有纵横分布的城市管线，再下面是已经规划的地铁隧道，这三重约束排除了出口方案A2的可能性。
A1方案同A3方案比较，有诸多不利因素：(1)引道及出口段受灰岩岩溶裂隙水的危胁;（2)穿过古城墙、主干道及高层建筑密集区，城市扰动范围大，环境影响对象多；（3）只能分流新模范马路，不能分流中央路;(4)线路长，造价高. 从技术经济分析的角度，A3方案具有很多优势.不利的地方在于，要拆迁几栋4～6层住宅楼，并挖去部分古城墙。古城墙的保护一直是人们关注和争论的焦点之一。作者通过多方调查，认为挖去部分古城墙的方案是可取的，这是基于如下几点认识：①环境影响的评价作为限制发展的一种手段，目的在于使经济增长与环境保护协调起来,但限制过严则会影响经济发展和社会需要〔3〕.②方案3的硐口及引道低于两侧地坪的高度，从内侧看不到挖掘墙体的景象。③隧址附近的已有的人防隧道则高于两侧地坪高度，挖去了部分墙体。④从湖的外侧看，如果设计得好，隧道从空中插入水中,也可增添几分跨越时空的情趣。当然，对于国家一级文物保护单位，可否挖尚需权威部门决定。
4.2 施工方案
玄武湖水底交通隧道的施工方案，涉及到工程造价、工程进度、工程质量、工程对环境的影响等关键问题,因而施工方案的比选优化显得尤为重要。据目标原则，隧道的建成,要最大限度地缓解玄武湖周围的交通拥挤。按照这个原则,就必须把隧道西端的出入口限制在中央路以东，使其能够同时分流新模范马路和中央路的车流。中央路东侧距新庄1590m。按照隧道公路设计规范，隧道最长坡度不能超过3.5%。
方案一:盾构法方案
隧道全线共设引道段、矩形段、圆形段。圆形段用盾构法施工，盾构直径为11。3m.盾构法施工比明挖法相比,具有以下优越性［3]：(1）在盾构的掩护下进行开挖和衬砌作业,有足够的施工安全性;（2）施工作业不受气候条件的影响；(3)产生的振动、噪声等环境危害较小,环境效益好;（4）对地面建筑物及地下管线的影响小;(5)施工期间,不影响玄武湖的风景,可正常开放。但用盾构法施工，存在隧道埋深大，穿越城墙难等问题。无论是用气压式盾构、泥水加压盾构，还是用土压平衡式盾构，都存在一个盾构内压与周围土体压力平衡的问题。若内压大于外压，则会造成“冒顶涌水"的工程事故。在盾构施工中,为确保内外压力平衡，国际上一般要求隧道上覆土厚度为1～1.5倍盾构直径。按上覆土为10m(0.88D)设计的盾构法隧道方案如图3(水深按1。45m计算).隧道最大埋深为水面下21。3m,盾构施工的水平距离仅为640m,曲线路径约为670m.
盾构法方案剖面图
由上图可知,盾构法方案明显存在以下问题：（1）盾构施工距离短，因而使盾构段单位造价很高;隧道埋深过大，使隧道建成后的照明通风及营用费用较高.不符合效益原则。(2)二竖井建在湖中,深入水下约35m,施工中存在砂土液化、涌砂涌水、墙体失稳等工程地质问题,施工难度大;湖中约有400m的矩形段，只能用明挖法施工,施工中遇到与明挖法方案同样的工程地质问题；隧道埋深大,使工程地质问题复杂化,可能存在下伏基岩裂隙水及断裂水顶破隧道下伏土，造成突水的危险.不符合地质原则。(3)没有解决隧道如何穿越古城墙的问题。由上面的分析可知，按隧道上覆土10m设计的隧道方案是不理想的。
隧道上覆土厚度是否可以减小呢?南京某水底隧道上覆土厚0。6倍盾构直径，在盾构施工中几次出现险情,使工期延长，造价增加。上海地铁延安东路隧道,是继江浦路隧道之后的第二条穿越黄浦江的水底隧道，隧道施工必须穿越500余m黄浦江江底，用泥水平衡式盾构施工，盾构直径为11.3m。隧道上覆土较浅,最浅处仅为5。8m，为隧道直径的0.51倍。为确保施工安全，投入了大量的技术力量和物力。在最小覆土处还不得不预先向江中抛填2m厚的粘性土,以增加上覆土厚度①。由于运用了各种技术措施，才使盾构闯过了“冒顶涌水”的风险。可见,要减少上覆土厚度是一个很棘手的问题。按照最大坡度3.5％计算，在古城墙东侧隧道底面距地面仅5.25m,可见要用盾构施工穿越古城墙，是绝对不可能的，要穿过古城墙还得用其它方法,这就使工程造价大大提高,不符合效益原则及整体最优原则.工程风险大，也不符合技术原则。此外，考虑到玄武湖是人工湖，自唐代以来多次废湖为田,又历经战乱，可能在土层中存在废井、巨石等巨形人工障碍物及瓦斯包，对盾构施工极为不利。盾构施工其造价也很高,在国外和台北、香港等地,一般造价约为1亿美元/公里。从上面的分析可知,尽管盾构法对环境扰动小,符合环境原则，但它不符合地质原则、效益原则、整体最优原则及技术原则,在本工程中是不可选的。
方案二：明挖法方案
全线分为引道段、矩形段及古城墙段(见下图）。湖中部分采用先筑堤然后开槽埋管的方法构筑隧道。为确保隧道整体稳定性及营用安全,矩形段上覆土不少2m(清淤后，规划湖底深度下2m）.与盾构法相比,明挖法具有隧道埋深浅、线路短、照明和通风代价小,工程造价和营用费用低,使用效益好等优点。尽管明挖法对环境扰动大，不符合环境原则,但它比较符合地质原则、效益原则、技术原则和整体最优原则，是本工程的可选方案.
明挖法方案剖面图
5 明挖法的优化
在明挖法施工中存在以下两个问题:（1)地表水体的隔离，(2)古城墙基础的穿越.据玄武湖管理处的负责同志介绍，玄武湖曾在50年代进行过大规模的人工清淤(先排水,后清淤)。目前玄武湖湖底淤泥深约1m,水质污染较为严重,市有关部门有近期清淤整治的计划.如果隧道施工能和清淤工程相配合,则就很好地解决了隧道施工中的隔离地表水体难的问题，同时也相对降低了隧道施工对环境的扰动及工程造价,也使工程施工更加安全。
南京古城墙是国家重点文物保护单位，施工中必须确保其安全.明挖法方案中拟采用箱涵顶进技术穿越古城墙基础。为确保万无一失,箱涵顶进前进行超前管棚支护。具体做法是,在箱涵设计外侧顶进企口相连的直径为609mm的钢管，使之形成“冂”形管棚,在钢管外侧进行注浆加固.分析可知,玄武湖水底交通隧道施工方案为:箱涵顶进加筑堤开槽埋管方案，且隧道施工与玄武湖清淤工程同时进行。
6 结语
盾构法作为一种先进的施工技术，很适合于在大城市这种脆弱的工程地质环境中施工，在上海地铁工程中,盾构法得到了广泛应用,取得了明显的社会效益，但它不适合于玄武湖水底交通隧道这个特定条件下的工程。一般地认为，在大城市不适合用明挖法施工大型地下工程。但对玄武湖水底交通隧道这个具体的工程,明挖法是适合的。地下工程的施工方法,关系到线路的选择、工程造价、施工安全性，甚至直接关系到工程的成败，施工方案的选择，是一件很慎重的事,要具体问题具体分析,不可盲目照搬。
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