南水北调中线一期穿黄工程盾构选型.docx

南水北调中线一期穿黄工程盾构选型南水北调中线一期穿黄工程盾构选型 1、前言 南水北调中线工程属特大型跨流域调水工程，从长江支流汉江上 的丹江口水库引水，跨江、淮、黄、海四大流域，主要向唐 白河流域、淮河中上游和海河流域的湖北、河南、河北、北 京及天津供水主体工程由水源区工程和输水工程两大部分组成，输水 工程包括总干渠、天津干渠工程以及穿黄河工程穿黄工程是南水北调中线总干渠与黄河的交叉建筑 物，是总干渠上规模最大、技术最复杂并控制工期的关键性 工程，一期设计输水流量 265m3/s、加大设计流量 320m3/s. 为确保穿黄工程万无一失，水利部指派黄河水利委员会勘测 规划设计研究院和长江水利委员会长江勘测规划设计研究 院两 大全国最权威的水利部门分别独立设计渡槽、隧洞两 个方案隧洞方案与渡槽方案相比，可免受温度、冰冻、大风、 意外灾害等不利因素影响，耐久性好，检修维护相对简单； 采用渡槽方案则增加了世界治水史上最为宏伟的人文景观， 而且还可以成为具有较高开发价值的旅游资源从技术上看，无论是渡槽还是隧洞方案都是可行的，并 且工程造价相当经过水利部及国家计委组织的专家多次审查，考虑到隧洞方案可避免与黄河河势、黄河规划的矛盾，且盾构法施工 技术国内外都有成功经验，因此最终选择了隧洞方案。

2、工程概况 穿黄工程位于河南省郑州市上游约30km处，线路总长19.30km,南起荥阳市李村村西， 北至河 南焦作市温县陈沟村西主体工程由南北岸渠道、南岸退水洞、进口建筑物、穿 黄隧洞、由口建筑物、北岸防护堤、北岸新老蟒河交叉工程 以及孤柏嘴控导工程等组成穿黄隧洞总长4250m,包括过河隧洞段和邙山隧洞段， 双洞布置，隧洞轴线间距为 28m,两洞各采用一台盾构自北 向南推进穿黄隧洞最大埋深 35m,最小埋深 23m；最高水压为0.45MPa；最小曲线半径为 800m；过河隧洞段坡度为 1%和 2%邙山隧洞段坡度为 49.107 穿黄隧洞为圆断面，内径7.0m,外径8.7m,隧洞外层为7等分装配式普通钢筋混 凝土管片结构，管片内径为 7.9m,外径为8.7m,管片宽度1.6m；内层为现浇预应力钢筋混凝土整体结构，厚 45cm, 标准分段长度为9.6m,隧洞内衬在与北岸和南岸施工竖井衔 接的洞段以及地层变化洞段将局部加密；内外层衬砌由弹性 防、排水垫层相隔3、工程地质 过河隧洞桩号 5+658.57〜9108.57,全长3450m.北岸始发竖井中心高程 67m,桩号9+ 108.57;南岸到达竖井中心高程 72.45m,桩号5+658.57.过河隧洞穿越的主要地层为 Q2粉质壤土、Q41砂层和砂砾（泥砾）石根据隧洞围土的组成可划分为三种类型 1）单一粘土结构隧洞围土为 Q2粉质壤土层，分布在桩号5658〜6033和 7109〜7919,总长1185m. 2）上砂下土结构隧洞围土上部为Q41砂层，下部为Q2粉质壤土层，分布在桩号6033〜7109 和7919〜8233,总长1390m. 3）单一砂土结构隧洞围土主要为Q41中砂层，局部为粗砂层，砂层中零星分布砂砾石 透镜体，该类结构分布在桩号 8233以北，长875m. 过河隧洞开挖范围内，砾卵石粒径2〜10cm； Q2粉质壤土中夹有 钙质结核层；Q41砂层中石英颗粒含量较高， 达40%〜70%, 且分布有泥砾层和砂砾石透镜体，局部有淤泥质粉质壤土透 镜体；在桩号8670〜8940之间，隧洞底板分布有 Q3粉质粘 土，应考虑其变形特性。

根据目前地质勘察资料，不排除在隧洞掘进过程中偶遇 粒径大于15cm的块石、枯树及上第三系粘土岩、砂岩、粉 砂岩和砂质粘土岩的可能性上第三系的粘土岩、砂岩、粉砂岩和砂质粘土岩成岩作 用差粘土岩强度较 Q2粘土略高，抗压强度为0.53 MPa；砂岩 一般为泥质胶结，强度低，抗压强度为 0.62MPa.局部分布有薄层钙质胶结的砂岩，呈坚硬状，强度较高，抗压强度为16.5MPa. 邙山隧洞段桩号 5658.57〜4+893.57,长 800m.桩号 4 +893.57〜5+090隧洞段为黄土状壤土；桩号 5 +090〜5+359.08段为粉质壤土，中间夹 3层古土壤层；桩号 5+359.08〜5+658.57段为粉质壤土，中间夹4层古土壤层， 其下多富积钙质结核或钙质结核层粉质壤土渗透系数 k=110—5cm/s,黄土渗透系数为 110 —5〜110— 4cm/s.黄土状粉质壤土渗透系数 k = 3.710 — 5〜1.010-4cm/s.过河隧洞段穿越的饱和含水砂层,其渗透系数 k = 10-3〜10-2cm/s. 4、盾构类型的选择 4.1盾构类型与地层的关系 盾构选型应从安全性、可靠性、经济性等方面综合考虑，所选择的机型要能尽量减少辅助施工法并确保 施工安全可靠。

不同类型的盾构适应的地质范围不同，盾构选型的主要 依据是土质条件、岩性，要确保所选择的盾构能适应地质条 件，保持开挖面稳定土压平衡盾构是依靠推进油缸的推力给土仓内的开 挖土硝加压，使土压作用于开挖面使其稳定，主要适用于粉 土、粉质粘土、淤泥质粉土和粉砂层等粘稠土壤的施工在粘性土层中掘进时，由刀盘切削下来的土体进入土仓 后由螺旋机输由，在螺旋机内形成压力梯降，保持土仓压力 稳定，使开挖面土层处于稳定盾构向前推进的同时螺旋机排土，使排土量等于开挖量, 即可使开挖面的地层始终保持稳定当含砂量超过莫一限度时泥土的塑流性明显变差，土仓 内的土体因固结作用而被压密，导致硝土难以排送，需向土 仓内注水或泡沫、泥浆等，以改善土体的塑流性泥水盾构利用循环悬浮液的体积对泥浆压力进行调 节和控制，采用膨润土悬浮液（俗称泥浆）作为支护材料开挖面的稳定是将泥浆送入泥水平衡仓内，在开挖面上 用泥浆形成不透水的泥膜，通过该泥膜保持水压力，以平衡 作用于开挖面的土压力和水压力开挖的土砂以泥浆形式输送到地面，通过泥水处理设备 进行分离，分离后的泥水进行质量调整，再输送到开挖面泥水盾构适用的地质范围较大，能适应穿黄工程的所有 地质。

从地质条件来看，本工程可使用加泥式土压平衡盾构 和泥水平衡盾构但使用加泥式土压平衡盾构在砂层和砂砾（泥砾）石层 施工时需要向开挖仓中注添加剂，以改善硝土的性能，使其 成为具有良好塑流性、低的摩擦系数及止水性的硝土，且对 于砂砾（泥砾）石层，开挖破碎后可能会有大颗粒硝土，需 要考虑螺旋输送机通过粒径的能力泥水盾构能适应粉质壤土、砂层和砂砾（泥砾）石层等各种地质，对于砂砾（泥砾）石层可在泥水平衡仓内设置破 碎机4.2盾构类型与水压及渗透性的关系 地层渗透系数是盾构选型的重要因素根据欧美和日本的施工经验，当地层的渗透系数小于10-7m/s时可以选用土压平衡盾构；当地层的渗透系数在10-7m/s和10-4m/s之间时既可选用土压平衡盾构也可选用泥水盾构；当地层的渗透系数大于 10-4m/s时，如采用土压平衡盾构开挖仓中添加剂将被稀释，水、砂、砂砾相互混合后 土硝不易形成具有良好塑性及止水性硝土，在螺旋机由硝门 处易发生喷涌，施工困难本工程过河隧洞段穿越的饱和含水砂层，其渗透系数 k=10-3〜10-2cm/s,远远超过土压平衡盾构允许的最大范围， 因此宜采用泥水盾构当水压大于0.3MPa时螺旋输送机也难以形成有效的 士塞效应，在输送机排土闸门处易发生水土喷涌现象，引起 土仓中土压力下降，导致开挖面坍塌。

本工程水压高达 0.45MPa ,采用泥水盾构最适应南水北调 中线一期穿黄工程的地质情况和水文情况，可以确保穿黄隧 洞工程施工安全可靠5、盾构驱动方式的选择 由于受始发竖井结构尺寸的限制，盾构设计时要求结构紧凑、效率高、起动扭矩大、设备的散热温度低，所以对盾构驱动方式的选择非常关键驱动方式有三种，一是变频电机驱动，二是液压驱动， 三是定速电机驱动，鉴于定速电机驱动时刀盘转速不能调 节，一般不采用现将变频驱动与液压驱动进行比较，见表 1,经综合评价宜采用变频驱动6、泥水压力控制模式的选择 泥水盾构根据泥水平衡仓构造形式和对泥浆压力的控制方式不同分为直接控制 型和间接控制型直接控制型泥水盾构采用泥水直接加压模式，具泥水 输送系统的流程如下送泥泵从地面调浆池将新鲜泥浆输入 盾构泥水仓，与开挖泥土进行混合形成稠泥浆，然后由排泥 泵输送到地面泥水分离处理站，经分离后排除土硝，而稀泥 浆流向调浆池，再对泥浆密度和浓度进行调整后，重新输入 盾构循环使用直接控制型泥水盾构的泥水压力通过调节送泥泵转速或 调节控制阀的开度来进行，送泥泵安在地面，控制距离长而 产生延迟效应不便于控制泥浆压力，因此常用调节控制阀的 开度来进行泥浆压力调节。

间接控制型泥水盾构的泥水压力控制采用气压模式， 由泥浆和空气双重回路组成在盾构的泥水仓内插装一道半隔板（沉浸墙） ，在半隔板 前充以压力泥浆，在半隔板后面盾构轴心线以上部分充以压 缩空气，形成空气缓冲层，气压作用在隔板后面与泥浆的接 触面上，由于接触面上气、液具有相同压力，因此只要调节 空气压力就可以确定和保持在开挖面上相应的泥浆支护压 力，由于空气缓冲层的弹性作用，当液位波动时对支护泥浆 压力变化无明显影响，泥水压力的波动小，控制精度高，对 开挖面土层支护更为稳定，对地表变形控制也更为有利，因 此选择间接控制型泥水盾构最佳7、本工程对泥水盾构的设计要求 7.1对砂土地层及砂卵石地层的适应性 过河隧洞段穿越的主要地层为 Q2粉质壤土、Q41砂层和砂砾（泥砾）石层其中上砂下土结构的地层总长 1390m,隧洞上部为 Q41 砂层；单一砂土结构的地层总长为 875m,隧洞主要为 Q41 中砂层，局部为粗砂层，砂层中零星分布砂砾石透镜体这种地层石英含量高，对刀盘、刀具、管路的磨损性 强，砂土地层渗透性大，需要的泥水平衡压力更大，而需要 的扭矩通常较小，在这种地层中施工通常要损失更多的泥 浆施工中应特别注意泥浆循环的速度不能低于防止泥浆沉 淀所需的最小速度，因此盾构在砂土地段的施工时应重点考 虑以下功能①具备平衡掌子面水土压力的能力；②刀盘、刀 具、泥浆管路的高耐磨性；④合理的刀盘及刀具设计，恰当的刀盘开口率，合理的开口位置；⑤盾构本体在压力状态下 的防水密封性能；⑥防止流砂；⑦人仓设计；⑧管片壁后同 步注浆系统；⑨能够对较大的卵石进行破碎，有效防止堵管 情况的发生。

7.2适应卵石、孤石、古树等不良地质 砂卵石地层中土体属松散体，若采用适用于硬岩的滚刀进行破岩，则在 滚刀的掘进挤压下土体会产生较大的变形，滚刀将不转动， 大大降低了滚刀的切削效果，有时甚至丧失切削破碎能力穿越砂卵石地层宜采用碳化鸨球齿滚刀 （图2）或碳化鸨撕裂刀（图3）,但碳化鸨球齿滚刀不能对古树等进行有效破 碎，为了适应卵石、孤石、古树等不良地质，采用碳化鸨撕 裂刀较适应穿黄工程的不良复杂地质在泥水平衡仓的底部的排泥管前面安装一个颗板式碎石机，用来破碎漂石和钙质结核，使其破碎后能通过排浆管排由破碎机配有栏石隔栅，用来限制进入排泥管路石块的尺寸7.3 对软硬不均地层的适应性 过河隧洞段穿越的地层主要有全土层、全砂土层、复合层、钙质结核土层和砂砾 石层（或泥砾层），邙山隧洞段穿越的地层主要有全土层和 钙质结核土层刀盘上布置双层碳化鸨先行刀（撕裂刀） 、双层碳化鸨切刀和碳化鸨刮刀碳化鸨刀具的高强度和高耐磨性完全适应穿黄工程的地质条件对于地层较大的卵石，在泥水室中安装液压油缸驱动的 破碎机（图4）进行破碎刀盘上焊接的耐磨条及耐磨焊层也是刀盘在复合地层中 掘进时的重要保证措施盾构在软硬。