盾構(gòu)技術(shù)與南水北調(diào)中線穿黃隧洞工程

1、盾構(gòu)技術(shù)與南水北調(diào)中線穿黃隧洞工程胡勝利喬世珊倪錦初摘要本文簡要介紹了盾構(gòu)機技術(shù)和國內(nèi)外發(fā)展概況，以及南水北調(diào)中線穿黃隧洞工程及 其地質(zhì)情況。對泥水式盾構(gòu)機應(yīng)用于穿黃隧洞的施工進(jìn)行了探討。針對盾構(gòu)法穿黃隧洞施工應(yīng)開 展的前期工作提出了建議。關(guān)鍵詞 盾構(gòu)機 隧洞工程南水北調(diào)一、前言盾構(gòu)技術(shù)是目前國際上發(fā)達(dá)國家較為廣泛采用的地下隧洞全機械化開挖的 施工技術(shù)。其技術(shù)本身的先進(jìn)性、復(fù)雜性以及對其可靠性的高要求，使得必須有 一定投資規(guī)模和施工難度的水工隧洞工程才考慮實際應(yīng)用該項施工技術(shù)。我國水 利工程中的隧洞工程很多，已完成的水工隧洞基本上為硬巖隧洞。引大入秦及引 黃人晉工程中的隧洞段，由于地質(zhì)基本上為

2、軟巖，選用雙護(hù)盾掘進(jìn)機進(jìn)行施工。 而用大型盾構(gòu)機在軟弱地質(zhì)特別是高水壓軟弱土層中進(jìn)行隧洞施工，在我國水利 工程中還無先例。南水北調(diào)中線穿黃隧洞經(jīng)研究擬采用盾構(gòu)法施工，這將為地下 工程盾構(gòu)技術(shù)提供一次很好的實際應(yīng)用機會，同時也是一次技術(shù)上的挑戰(zhàn)。工程 施工之前，針對穿黃隧洞工程的實際情況，在已做的大量前期準(zhǔn)備工作基礎(chǔ)上， 對一些實際問題仍需進(jìn)一步研究，以確保盾構(gòu)技術(shù)在穿黃隧洞工程應(yīng)用的成功。二、盾構(gòu)機盾構(gòu)機是盾構(gòu)法施工中的主要施工機械。盾構(gòu)施工法是在地面下暗挖隧洞的 一種施工方法，它使用盾構(gòu)機在地下掘進(jìn)，在防止軟基開挖面崩塌或保持開挖面 穩(wěn)定的同時，在機內(nèi)安全地進(jìn)行隧洞的開挖和襯砌作業(yè)。其施工過

3、程需先在隧洞 某段的一端開挖豎井或基坑，將盾構(gòu)機吊入安裝，盾構(gòu)機從豎井或基坑的墻壁開 孔處開始掘進(jìn)并沿設(shè)計洞線推進(jìn)直至到達(dá)洞線中的另一豎井或隧洞的端點。用盾構(gòu)機進(jìn)行隧洞施工具有自動化程度高、節(jié)省人力、施工速度快、一次成 洞、不受氣候影響、開挖時可控制地面沉降、減少對地面建筑物的影響和在水下 開挖時不影響水面交通等特點，在隧洞洞線較長、埋深較大的情況下，用盾構(gòu)機 施工更為經(jīng)濟(jì)合理。盾構(gòu)機的基本工作原理就是一個圓柱體的鋼組件沿隧洞軸線邊向前推進(jìn)邊 對土壤進(jìn)行挖掘。該圓柱體組件的殼體即護(hù)盾，它對挖掘出的還未襯砌的隧洞段 起著臨時文撐的作用，承受周圍土層的壓力，有時還承受地下水壓以及將地下水 擋在外面

4、。挖掘、排土、襯砌等作業(yè)在護(hù)盾的掩護(hù)下進(jìn)行。盾構(gòu)機施工主要由穩(wěn)定開挖面、挖掘及排土、襯砌包括壁后灌漿三大要素組 成。其中開挖面的穩(wěn)定方法是其工作原理的主要方面，也是區(qū)別于硬巖掘進(jìn)機或比硬巖掘進(jìn)機復(fù)雜的主要方面。大多數(shù)硬巖巖體穩(wěn)定性較好，不存在開挖面穩(wěn)定 問題。盾構(gòu)機根據(jù)其適用的土質(zhì)及工作方式的不同主要分為壓縮空氣式、泥水式， 土壓平衡式盾構(gòu)機等不同類型。泥水式盾構(gòu)機是通過加壓泥水或泥漿（通常為膨 潤土懸浮液）來穩(wěn)定開挖面，其刀盤后面有一個密封隔板，與開挖面之間形成泥 水室，里面充滿了泥漿，開挖土料與泥漿混合由泥漿泵輸送到洞外分離廠，經(jīng)分 離后泥漿重復(fù)使用。土壓平衡式盾構(gòu)機是把土料（必要時添加泡

5、沫等對土壤進(jìn)行 改良）作為穩(wěn)定開挖面的介質(zhì)，刀盤后隔板與開挖面之間形成泥土室，刀盤旋轉(zhuǎn) 開挖使泥土料增加，再由螺旋輸料器旋轉(zhuǎn)將土料運出，泥土室內(nèi)土壓可由刀盤旋 轉(zhuǎn)開挖速度和螺旋輸出料器出土量（旋轉(zhuǎn)速度）進(jìn)行調(diào)節(jié)。盾構(gòu)機問世至今已有近180年的歷史，其始于英國，發(fā)展于日本、德國。近 30年來，通過對土壓平衡式、泥水式盾構(gòu)機中的關(guān)鍵技術(shù)，如盾構(gòu)機的有效密 封，確保開挖面的穩(wěn)定、控制地表隆起及塌陷在規(guī)定范圍之內(nèi)，刀具的使用壽命 以及在密封條件下的刀具更換，對一些惡劣地質(zhì)如高水壓條件的處理技術(shù)等方面 的探索和研究解決，使盾構(gòu)機有了很快的發(fā)展。國外主要生產(chǎn)廠家有日本三菱重 工人川崎重工、日立造船、德國海

6、倫克內(nèi)希特（Herrenknecht AG）公司等。盾構(gòu) 機尤其是土壓平衡式和泥水式盾構(gòu)機在日本由于經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展及實際工程的 需要發(fā)展很快。德國的盾構(gòu)機技術(shù)也有獨到之處，尤其是在地下施工過程中，保 證密封的前提以及高達(dá)0.3MPa氣壓的情況下更換刀盤上的刀具，從而提高盾構(gòu) 機的一次掘進(jìn)長度。德國還開發(fā)了在密封條件下，從大直徑刀盤內(nèi)側(cè)常壓空間內(nèi) 更換被磨損的刀具。我國從50年代中期開始研制盾構(gòu)機。國產(chǎn)盾構(gòu)機以土壓平衡式為主，泥水 式盾構(gòu)機尚缺乏經(jīng)驗。土壓平衡式盾構(gòu)機設(shè)計水平與國外差異不大，但一些國產(chǎn) 部件、元器件的質(zhì)量、壽命、可靠性較差，有些還需從國外進(jìn)口。盾構(gòu)機在我國 的應(yīng)用主要用于地鐵和水

7、下交通隧道的施工，如上海地鐵修建中使用了引進(jìn)的土 壓平衡式盾構(gòu)機，上海延安路復(fù)線隧道上使用了引進(jìn)的泥水加壓式盾構(gòu)機。北京 地鐵也準(zhǔn)備引進(jìn)土壓平衡式盾構(gòu)機進(jìn)行地鐵隧道施工。這些工程將為盾構(gòu)機用于 水利工程提供很好的借鑒。三、南水北調(diào)中線穿黃工程南水北調(diào)中線工程規(guī)劃從長江支流漢江上的丹江口水庫引水，沿唐白河和黃 淮海平原西部邊緣，跨江、淮、黃、海四大流域，自流輸水到北京、天津。主要 任務(wù)是城市生活和工業(yè)供水，兼顧農(nóng)業(yè)及其他用水，供水范圍分屬京、津、冀、 豫、鄂五省市。中線主體工程由水源區(qū)工程和輸水工程兩大部分組成。穿黃隧洞 工程為輸水工程的一部分。穿黃隧洞規(guī)劃設(shè)計為兩條平行隧洞，外徑約9m，擬 采

8、用泥水加壓式大型盾構(gòu)機進(jìn)行盾構(gòu)法施工。穿黃隧洞為中線的關(guān)鍵工程，因此 盾構(gòu)機便成為工程施工的關(guān)鍵設(shè)備。穿黃隧洞的施工要穿越黃河飽和砂層，其地質(zhì)條件可描述為：大地構(gòu)造處于 華北斷塊與東秦嶺斷裙帶的交接過渡帶上。為華北斷塊南部邊緣的相對穩(wěn)定區(qū)。 地震基本烈度為VII度。區(qū)域內(nèi)為第四條系沖積層覆蓋，下部為新第三系碎屑巖。隧洞圍土主要為中、細(xì)砂。砂土比重為2.632.67,級配較均勻，密實狀況隨 深度增加而增大。孔隙比為0.6120.664，標(biāo)貫擊數(shù)為1228，判定呈中密狀 態(tài)。砂層中含有少量礫石，礫石粒徑一般為29cm、含量2%,局部夾砂礫石透 鏡體。砂層中地下水位受黃河水位的影響。根據(jù)單孔抽水試驗

9、，砂土滲透系數(shù)一 般為AX10-210-3cm/s。土體濕容重為19.521kN/cm3.含水量為21.5% 23.5%。開挖面土體穩(wěn)定性差，流動性較大，對整個開挖面來說，可以說沒有自 穩(wěn)時間。所以，根據(jù)穿黃地質(zhì)條件以及確保開挖面穩(wěn)定的要求，經(jīng)過對各種盾構(gòu) 機的比較，擬選定采用泥水加壓式盾構(gòu)機進(jìn)行施工。砂性土的粉粒和粘粒均小于 10%，29cm礫石含量僅為2%，砂占85%98%。也適合于采用水力出土。穿越黃河飽和砂層的盾構(gòu)隧洞尚無先例，故施工前期準(zhǔn)備工作非常重要。四、泥水式盾構(gòu)機用于穿黃隧洞工程施工應(yīng)進(jìn)一步開展的前期工作開挖面穩(wěn)定。需建立合適的能真實反映實際物理現(xiàn)象的模型，選擇合理 的比例和量綱進(jìn)行實驗研究，研究結(jié)果將用于盾構(gòu)機的設(shè)計及施工運行指導(dǎo)。泥水的配比及分離裝置。對泥水的比重、透水性及粘性等要調(diào)整在一個 合理的范圍內(nèi)；分離裝置的效率會影響掘進(jìn)進(jìn)尺，分離程度又影響效率及棄渣成 份，對棄渣的處理要考慮環(huán)保因素。豎井施工。豎井要求做到不透水層，其深度達(dá)7080m或以上，還要考 慮與兩岸進(jìn)出