穿黃河隧洞泥水盾構(gòu)施工技術(shù)研究

1、穿黃河隧洞泥水盾構(gòu)施工技術(shù)研究提 要：南水北調(diào)中線工程穿黃河輸水隧洞具有斷面大、地層條件差、一次推進(jìn)距離長等特點。經(jīng)多方案比選論證，推薦采用泥水加壓式盾構(gòu)施工。開挖面穩(wěn)定通過采用自動控制系統(tǒng)動態(tài)調(diào)整泥漿性能和輸送等各項指標(biāo)、并加強施工監(jiān)測來實現(xiàn)；壁后注漿采用雙液同步注漿技術(shù)；進(jìn)出洞段加固采用高噴和化學(xué)注漿技術(shù)。關(guān)鍵詞：穿黃河隧洞泥水盾構(gòu)注漿技術(shù)南水北調(diào)中線 Abstract：In the middle route of S-to-N Water Transfer Project，the cross-Yellow-River tunnel took on the characteris

2、tics of great transect，poor stratum condition and long tunnelling distance.Slurry shield machine was recommended from some schemes.In order to keep the stabilization of working face，auto-control system was used to adjust the performance of slurry，and corresponding monitoring was necessary during con

3、structing. The technology of grouting synchronously with two kinds of liquid was applied in backfill grouting. The technologies of jet grouting and chemical material grouting were applied in reinforcing the inlet and exit of the tunnel.Keywords： the cross-Yellow-River tunnel, slurry shield machine,

4、technology of grouting, the middle route of S-to-N Water Transfer Project. 1  穿黃隧洞概況南水北調(diào)中線穿黃工程包括穿黃隧洞、邙山隧洞及其進(jìn)出口建筑物、退水建筑物、銜接渠道等，全長19.3km，為大(1)型工程，前期設(shè)計加大流量320m3/s，地震設(shè)計基本烈度為7度。穿黃隧洞長3.5km，經(jīng)反復(fù)論證比選，確定采用加壓式泥水盾構(gòu)施工，其穿越地層主要為Q4砂層、Q2粉質(zhì)壤土及互層，主河床最大沖刷深度為水面以下20m。穿黃隧洞內(nèi)徑8.8m，采用雙層襯砌，襯砌總厚度100cm，外層為裝配式鋼筋混凝土管片結(jié)構(gòu)

5、，厚45cm，內(nèi)層為現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土整體結(jié)構(gòu)，厚55cm，內(nèi)、外層襯砌由彈性防水墊層相隔。經(jīng)設(shè)計優(yōu)化研究有調(diào)整隧洞直徑的可能。圖1為穿黃隧洞結(jié)構(gòu)布置示意圖。圖1  穿黃隧洞結(jié)構(gòu)布置示意圖 2  穿黃隧洞盾構(gòu)施工法的選擇從國內(nèi)外工程實踐來看，大多埋深較大、穿越松散含水地層、河床沖刷深度大、地質(zhì)條件復(fù)雜的河底隧洞工程，采用明挖埋管法、礦山洞挖法、頂管法和沉管法建造隧洞很難實現(xiàn)。采用盾構(gòu)法施工，與其它施工方法相比，施工進(jìn)度快、安全。從目前情況來看，日本、德國、法國等國的盾構(gòu)機制造水平及盾構(gòu)施工技術(shù)比較先進(jìn)，而國內(nèi)盾構(gòu)機制造水平最近幾年也有了很大的提高，上海、南京、北

6、京、廣州、深圳等城市已成功地利用盾構(gòu)技術(shù)完成了多條城市地鐵、過江(河)隧道的施工，積累了大量的工程施工經(jīng)驗，依靠國內(nèi)技術(shù)施工是可行可靠的。經(jīng)過長時間論證和多方面比較，推薦穿黃隧洞采用盾構(gòu)法施工。盾構(gòu)法是在地面下暗挖隧道的一種先進(jìn)的施工方法，盾構(gòu)是開挖土砂圍巖的主要施工機械。盾構(gòu)在土體中推進(jìn)，一邊防止土砂的崩塌，一邊在其內(nèi)部進(jìn)行開挖、襯砌循環(huán)作業(yè)，其優(yōu)點是洞外作業(yè)面小，施工進(jìn)度快(英吉利海峽隧道月進(jìn)尺最高達(dá)1000m/月以上、國內(nèi)引黃入晉南干線雙護盾施工最高月進(jìn)尺達(dá)1316m/月)，施工造價不受隧洞埋深、覆土量多少影響，不影響河道行洪。穿黃隧洞穿越地層的地下水位一般位于地表以下12m，地下水由黃

7、河與降水補給，非常豐富，因此保證開挖面穩(wěn)定是保證施工安全的重要因素。國內(nèi)外多大數(shù)位于透水地層(如砂、礫礫地層)中且處于河(海)底下的隧道均采用泥水加壓式盾構(gòu)施工，其施工經(jīng)驗豐富，技術(shù)成熟。泥水加壓式盾構(gòu)對地層適應(yīng)范圍廣，對于軟弱的淤泥質(zhì)土層、松動的砂土層、砂礫層、卵石砂礫互層、砂礫和堅硬土的互層等均適用。如上海延安東路復(fù)線隧道、日本神田川地下調(diào)節(jié)池隧道、日本隅田川復(fù)線、日本東京都污泥處理廠連接隧道等均是采用較大直徑泥水加壓盾構(gòu)施工。根據(jù)穿黃輸水隧洞斷面大、地層條件差，一次推進(jìn)距離長的特點，并參照國外類似工程的經(jīng)驗和國內(nèi)外有關(guān)單位和專家的咨詢意見，采用泥水加壓式盾構(gòu)機施工在技術(shù)上可靠經(jīng)濟上合理。

8、 3  盾構(gòu)開挖面穩(wěn)定技術(shù)盾構(gòu)推進(jìn)時開挖面的穩(wěn)定主要通過盾構(gòu)密封及泥漿的性能指標(biāo)、輸送壓力來控制。泥漿和砂之間的界面上形成一層保護膜，由泥漿的壓力形成一個壓力面維持開挖面穩(wěn)定。決定開挖面土體穩(wěn)定的因素主要有泥漿壓力、泥漿性能。(1) 根據(jù)穿黃隧洞穿越的地層性質(zhì)，進(jìn)行工程類比和分析研究，盾構(gòu)機主軸軸承密封圈采用單唇式密封圈，盾尾采用四環(huán)密封圈。(2) 泥漿壓力一般為1.21.4MPa，為了適應(yīng)覆蓋層壓力和地下水頭壓力，泥漿壓力需要不斷變化，施加的預(yù)壓力需保持在最小范圍內(nèi)變化，這一點對施工來說相當(dāng)重要。泥漿壓力是靠獨立的循環(huán)系統(tǒng)來維持的，具有一定流量的泥漿由一個大泥漿泵源源不斷

9、地輸入開挖面。由于盾構(gòu)的移動使開挖面上的壓力產(chǎn)生了波動，在盾構(gòu)上設(shè)有一溢流控制閥，從而可改變從開挖面流出泥漿的質(zhì)量，起到調(diào)整開挖面壓力波動的作用。(3) 泥漿性能主要包括泥漿濃度和粘度，泥漿容重1.151.2g/cm3，粘度2535s，脫水量不大于200mL。就穩(wěn)定地層的效果而論，低濃度高粘度泥水穩(wěn)定開挖面土體的效果比較好。在隧洞掘進(jìn)時泥漿要不斷地檢查和測試，以確保其質(zhì)量，現(xiàn)場試驗項目常包括低壓過濾測試、粘度測試和pH值測試。泥漿制備與輸送通過泥漿系統(tǒng)來完成。在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，通過泥漿檢查與測試、出土量測試、開挖面超聲波探測、大刀盤土壓測試和大刀盤偏壓測試來綜合判斷開挖面土體的穩(wěn)定狀態(tài)，如發(fā)現(xiàn)

10、失穩(wěn)先兆、及時對泥漿壓力、性能指標(biāo)進(jìn)行調(diào)整，以保持開挖面穩(wěn)定。 4  壁后注漿技術(shù)壁后注漿就是在隧洞內(nèi)將具有適當(dāng)?shù)脑缙诤妥罱K強度的材料，按規(guī)定的注漿壓力和注漿量，填入在盾構(gòu)推進(jìn)時產(chǎn)生的空隙內(nèi)。壁后注漿以盾構(gòu)掘進(jìn)時由于各種原因產(chǎn)生的預(yù)制管片背面的所有空隙為對象，包括盾尾空隙、開挖掌子面時超挖或部分崩塌造成的空隙以及地應(yīng)力釋放引起地基松弛(擾動)而增加的土粒間的空隙。壁后注漿首先是防止地基變位，其次是依靠它提高隧洞整體止水性，確保管片襯砌的早期穩(wěn)定性。為了達(dá)到以上目的，關(guān)鍵是研究選擇注漿材料、注漿時間、注漿范圍及注漿方式。注漿材料分單液性和雙液性。根據(jù)穿黃砂層特性，選擇雙液可塑

11、性注漿材料，它具有可灌性好、凝膠時間短、在凝膠初期呈塑性凝膠體，不受地下水稀釋等優(yōu)點。骨料一般采用砂類，近來也有研究采用膨潤土、陶土、粉煤灰、石粉和挖掘排土。注漿工法主要有同步注漿、及時注漿和延時注漿。同步注漿即盾構(gòu)邊推進(jìn)邊注漿；及時注漿即每當(dāng)一環(huán)掘進(jìn)完畢立即實施注漿；延時注漿即從數(shù)環(huán)后方注漿孔進(jìn)行壁后注漿。根據(jù)效果可實施追加注漿。本工程選用同步注漿，通過盾尾同步注漿系統(tǒng)進(jìn)行注漿，同步注漿能有效控制地表沉降，保持隧洞真圓性，有良好的施工性能，并可實現(xiàn)自動控制。在本工程的粉細(xì)砂和中砂地層，注漿率一般為150%200%，考慮管片強度、土壓力、水壓力、泥水壓力等，注漿壓力應(yīng)為0.30.6MPa。如壓

12、力過大則可能損壞管片，故現(xiàn)場應(yīng)對管片的變形進(jìn)行跟蹤監(jiān)測，隨時調(diào)整注漿壓力。注漿機械設(shè)備包括貯料設(shè)備、計量設(shè)備、拌和機、旋轉(zhuǎn)攪拌裝置、壓送泵、運料車、運料管道等。由后續(xù)臺車上注漿泵通過預(yù)設(shè)于管片上的注漿孔注入地層與管片之間的間隙中。 5  進(jìn)出洞段加固技術(shù)盾構(gòu)進(jìn)出洞段地基加固是指封門臨時墻外一定范圍內(nèi)土體的加固處理，因為不論是松散的砂土，還是飽和含水粘土，自身缺少自穩(wěn)性和防水性，一旦有臨空面時，土體將產(chǎn)生大量的坍塌、涌水，使施工無法進(jìn)行，所以在施工前必須進(jìn)行預(yù)處理，以保證地層的穩(wěn)定，防止機外的地下水流入。目前，國內(nèi)外盾構(gòu)進(jìn)出洞段加固施工采用的方法主要有高壓噴射注漿、深層攪拌樁

13、、化學(xué)注漿、井點降水、冷凍法等。經(jīng)比較分析研究，本工程推薦采用高壓噴射注漿法和化學(xué)注漿法。采用冷凍法加固也有較多的小規(guī)模工程實例，但冷凍法有地下水流速不宜超過12 m/h的限制，還要進(jìn)行凍脹防護，費用也較貴。高壓噴射注漿法通過小口徑噴嘴噴出具有強大破壞力高壓射流，在極短的時間內(nèi)對地基進(jìn)行切削，然后使切削部分的泥沙和注漿材料混合形成硬化物。注漿材料一般為水泥系列?；瘜W(xué)注漿法是將具有凝固性質(zhì)的化學(xué)材料通過注漿管灌注到地層中的指定部位，以提高地層的止水性能和強度。該方法由于作業(yè)性好，且可以只對指定范圍進(jìn)行改良，故應(yīng)用廣泛。主要使用水玻璃類材料。通過化學(xué)注漿加固增大了地基的粘聚力，按粘性土的特性和注漿

14、參數(shù)，粘聚力的增加一般不超過1×104Pa。兩種施工技術(shù)均可用于粘土及砂層，加固效果可靠。一般情況下高壓噴射注漿更適合于加固砂性土地基，達(dá)到的多項指標(biāo)滿足要求，費用比化學(xué)注漿低?；瘜W(xué)注漿相對更適合于加固粘性土地基。這兩種方法是目前盾構(gòu)進(jìn)出洞段加固采用較多的兩種工法，根據(jù)計算和施工經(jīng)驗，加固長度取為13m，盾構(gòu)周圍加固厚度底部及兩側(cè)為4.5m，頂部為5.5m。南岸終到井進(jìn)洞段加固：加固范圍內(nèi)土體主要為粉質(zhì)粘土層，加固范圍為高程60.1080.9m，加固厚度為20.8m，采用化學(xué)注漿法加固。注漿材料采用水玻璃類材料，分兩序施工。孔排距均為0.81.0m。采用雙層鉆桿復(fù)合注漿法，它能進(jìn)行雙漿先后注漿，在用鉆桿注漿的方法中可靠性最高。北岸始發(fā)井出洞段加固：加固范圍內(nèi)土體主要為中、細(xì)砂層，加固范圍為高程55.175.9m，加固厚度20.8m，采用高壓噴射注漿法加固。注漿材料采用425號普通硅酸鹽水泥，高壓噴射分兩序施工，孔排距均為0.81.0m。 6  結(jié)語近幾年盾構(gòu)施工技術(shù)飛速發(fā)展，盾構(gòu)法施工經(jīng)驗不斷積累，特別是開挖面穩(wěn)定技術(shù)、壁后注漿技術(shù)、進(jìn)出洞段加固技術(shù)等不斷研究和應(yīng)用，為穿黃隧洞盾構(gòu)法施工奠定了堅實的基礎(chǔ)。穿黃隧