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穿黄河隧洞泥水盾构施工技术研究

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穿黄河隧洞泥水盾构施工技术研究
提 要: 南水北调中线工程穿黄河输水隧洞具有断面大、 地层条件差、 一次推进距离长等特点。经多方案比选论证, 推荐采用泥水加压式盾构施工。开挖面稳定经过采用自动控制系统动态调整泥浆性能和输送等各项指标、 并加强施工监测来实现; 壁后注浆采用双液同步注浆技术; 进出洞段加固采用高喷和化学注浆技术。
　　关键词: 穿黄河隧洞泥水盾构注浆技术南水北调中线

Abstract: In the middle route of S-to-N Water Transfer Project, the cross-Yellow-River tunnel took on the characteristics 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 constructing. 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, technology of grouting, the middle route of S-to-N Water Transfer Project.

　　1  穿黄隧洞概况
南水北调中线穿黄工程包括穿黄隧洞、 邙山隧洞及其进出口建筑物、 退水建筑物、 衔接渠道等, 全长19.3km, 为大(1)型工程, 前期设计加大流量320m3/s, 地震设计基本烈度为7度。穿黄隧洞长3.5km, 经重复论证比选, 确定采用加压式泥水盾构施工, 其穿越地层主要为Q4砂层、 Q2粉质壤土及互层, 主河床最大冲刷深度为水面以下20m。
　　穿黄隧洞内径8.8m, 采用双层衬砌, 衬砌总厚度100cm, 外层为装配式钢筋混凝土管片结构, 厚45cm, 内层为现浇预应力钢筋混凝土整体结构, 厚55cm, 内、 外层衬砌由弹性防水垫层相隔。经设计优化研究有调整隧洞直径的可能。图1为穿黄隧洞结构布置示意图。

图1  穿黄隧洞结构布置示意图

　　2  穿黄隧洞盾构施工法的选择
　　从国内外工程实践来看, 大多埋深较大、 穿越松散含水地层、 河床冲刷深度大、 地质条件复杂的河底隧洞工程, 采用明挖埋管法、 矿山洞挖法、 顶管法和沉管法建造隧洞很难实现。采用盾构法施工, 与其它施工方法相比, 施工进度快、 安全。
　　从当前情况来看, 日本、 德国、 法国等国的盾构机制造水平及盾构施工技术比较先进, 而国内盾构机制造水平最近几年也有了很大的提高, 上海、 南京、 北京、 广州、 深圳等城市已成功地利用盾构技术完成了多条城市地铁、 过江(河)隧道的施工, 积累了大量的工程施工经验, 依靠国内技术施工是可行可靠的。经过长时间论证和多方面比较, 推荐穿黄隧洞采用盾构法施工。
　　盾构法是在地面下暗挖隧道的一种先进的施工方法, 盾构是开挖土砂围岩的主要施工机械。盾构在土体中推进, 一边防止土砂的崩塌, 一边在其内部进行开挖、 衬砌循环作业, 其优点是洞外作业面小, 施工进度快(英吉利海峡隧道月进尺最高达1000m/月以上、 国内引黄入晋南干线双护盾施工最高月进尺达1316m/月), 施工造价不受隧洞埋深、 覆土量多少影响, 不影响河道行洪。
　　穿黄隧洞穿越地层的地下水位一般位于地表以下1~2m, 地下水由黄河与降水补给, 非常丰富, 因此保证开挖面稳定是保证施工安全的重要因素。
　　国内外多大数位于透水地层(如砂、 砾砾地层)中且处于河(海)底下的隧道均采用泥水加压式盾构施工, 其施工经验丰富, 技术成熟。泥水加压式盾构对地层适应范围广, 对于软弱的淤泥质土层、 松动的砂土层、 砂砾层、 卵石砂砾互层、 砂砾和坚硬土的互层等均适用。如上海延安东路复线隧道、 日本神田川地下调节池隧道、 日本隅田川复线、 日本东京都污泥处理厂连接隧道等均是采用较大直径泥水加压盾构施工。
　　根据穿黄输水隧洞断面大、 地层条件差, 一次推进距离长的特点, 并参照国外类似工程的经验和国内外有关单位和专家的咨询意见, 采用泥水加压式盾构机施工在技术上可靠经济上合理。

　　3  盾构开挖面稳定技术
　　盾构推进时开挖面的稳定主要经过盾构密封及泥浆的性能指标、 输送压力来控制。泥浆和砂之间的界面上形成一层保护膜, 由泥浆的压力形成一个压力面维持开挖面稳定。决定开挖面土体稳定的因素主要有泥浆压力、 泥浆性能。
　　(1) 根据穿黄隧洞穿越的地层性质, 进行工程类比和分析研究, 盾构机主轴轴承密封圈采用单唇式密封圈, 盾尾采用四环密封圈。
　　(2) 泥浆压力一般为1.2～1.4MPa, 为了适应覆盖层压力和地下水头压力, 泥浆压力需要不断变化, 施加的预压力需保持在最小范围内变化, 这一点对施工来说相当重要。泥浆压力是靠独立的循环系统来维持的, 具有一定流量的泥浆由一个大泥浆泵源源不断地输入开挖面。由于盾构的移动使开挖面上的压力产生了波动, 在盾构上设有一溢流控制阀, 从而可改变从开挖面流出泥浆的质量, 起到调整开挖面压力波动的作用。
　　(3) 泥浆性能主要包括泥浆浓度和粘度, 泥浆容重1.15~1.2g/cm3, 粘度25~35s, 脱水量不大于200mL。就稳定地层的效果而论, 低浓度高粘度泥水稳定开挖面土体的效果比较好。在隧洞掘进时泥浆要不断地检查和测试, 以确保其质量, 现场试验项目常包括低压过滤测试、 粘度测试和pH值测试。泥浆制备与输送经过泥浆系统来完成。
　　在盾构掘进过程中, 经过泥浆检查与测试、 出土量测试、 开挖面超声波探测、 大刀盘土压测试和大刀盘偏压测试来综合判断开挖面土体的稳定状态, 如发现失稳先兆、 及时对泥浆压力、 性能指标进行调整, 以保持开挖面稳定。

　　4  壁后注浆技术
　　壁后注浆就是在隧洞内将具有适当的早期和最终强度的材料, 按规定的注浆压力和注浆量, 填入在盾构推进时产生的空隙内。
　　壁后注浆以盾构掘进时由于各种原因产生的预制管片背面的所有空隙为对象, 包括盾尾空隙、 开挖掌子面时超挖或部分崩塌造成的空隙以及地应力释放引起地基松弛(扰动)而增加的土粒间的空隙。
　　壁后注浆首先是防止地基变位, 其次是依靠它提高隧洞整体止水性, 确保管片衬砌的早期稳定性。为了达到以上目的, 关键是研究选择注浆材料、 注浆时间、 注浆范围及注浆方式。
　　注浆材料分单液性和双液性。根据穿黄砂层特性, 选择双液可塑性注浆材料, 它具有可灌性好、 凝胶时间短、 在凝胶初期呈塑性凝胶体, 不受地下水稀释等优点。骨料一般采用砂类, 近来也有研究采用膨润土、 陶土、 粉煤灰、 石粉和挖掘排土。
　　注浆工法主要有同步注浆、 及时注浆和延时注浆。同步注浆即盾构边推进边注浆; 及时注浆即每当一环掘进完毕立即实施注浆; 延时注浆即从数环后方注浆孔进行壁后注浆。根据效果可实施追加注浆。本工程选用同步注浆, 经过盾尾同步注浆系统进行注浆, 同步注浆能有效控制地表沉降, 保持隧洞真圆性, 有良好的施工性能, 并可实现自动控制。
　　在本工程的粉细砂和中砂地层, 注浆率一般为150%~200%, 考虑管片强度、 土压力、 水压力、 泥水压力等, 注浆压力应为0.3~0.6MPa。如压力过大则可能损坏管片, 故现场应对管片的变形进行跟踪监测, 随时调整注浆压力。
　　注浆机械设备包括贮料设备、 计量设备、 拌和机、 旋转搅拌装置、 压送泵、 运料车、 运料管道等。由后续台车上注浆泵经过预设于管片上的注浆孔注入地层与管片之间的间隙中。

　　5  进出洞段加固技术
　　盾构进出洞段地基加固是指封门临时墙外一定范围内土体的加固处理, 因为不论是松散的砂土, 还是饱和含水粘土, 自身缺少自稳性和防水性, 一旦有临空面时, 土体将产生大量的坍塌、 涌水, 使施工无法进行, 因此在施工前必须进行预处理, 以保证地层的稳定, 防止机外的地下水流入。
目　　前, 国内外盾构进出洞段加固施工采用的方法主要有高压喷射注浆、 深层搅拌桩、 化学注浆、 井点降水、 冷冻法等。经比较分析研究, 本工程推荐采用高压喷射注浆法和化学注浆法。采用冷冻法加固也有较多的小规模工程实例, 但冷冻法有地下水流速不宜超过1~2 m/h的限制, 还要进行冻胀防护, 费用也较贵。
　　高压喷射注浆法经过小口径喷嘴喷出具有强大破坏力高压射流, 在极短的时间内对地基进行切削, 然后使切削部分的泥沙和注浆材料混合形成硬化物。注浆材料一般为水泥系列。
　　化学注浆法是将具有凝固性质的化学材料经过注浆管灌注到地层中的指定部位, 以提高地层的止水性能和强度。该方法由于作业性好, 且能够只对指定范围进行改良, 故应用广泛主要使用水玻璃类材料。经过化学注浆加固增大了地基的粘聚力, 按粘性土的特性和注浆参数, 粘聚力的增加一般不超过1×104Pa。
　　两种施工技术均可用于粘土及砂层, 加固效果可靠。一般情况下高压喷射注浆更适合于加固砂性土地基, 达到的多项指标满足要求, 费用比化学注浆低。化学注浆相对更适合于加固粘性土地基。这两种方法是当前盾构进出洞段加固采用较多的两种工法, 根据计算和施工经验, 加固长度取为13m, 盾构周围加固厚度底部及两侧为4.5m, 顶部为5.5m。
　　南岸终到井进洞段加固: 加固范围内土体主要为粉质粘土层, 加固范围为高程60.10~80.9m, 加固厚度为20.8m, 采用化学注浆法加固。注浆材料采用水玻璃类材料, 分两序施工。孔排距均为0.8~1.0m。采用双层钻杆复合注浆法, 它能进行双浆先后注浆, 在用钻杆注浆的方法中可靠性最高。
　　北岸始发井出洞段加固: 加固范围内土体主要为中、 细砂层, 加固范围为高程55.1~75.9m, 加固厚度20.8m, 采用高压喷射注浆法加固。注浆材料采用425号普通硅酸盐水泥, 高压喷射分两序施工, 孔排距均为0.8~1.0m。

　　6  结语
　　近几年盾构施工技术飞速发展, 盾构法施工经验不断积累, 特别是开挖面稳定技术、 壁后注浆技术、 进出洞段加固技术等不断研究和应用, 为穿黄隧洞盾构法施工奠定了坚实的基础。穿黄隧洞采用盾构施工技术, 其施工安全可靠, 可保证工期和质量。
　　参考文献
　　［1］ 长江勘测规划设计研究院.南水北调中线一期穿黄工程可行性研究报告. .7
　　［2］ 项兆池, 楼如岳, 傅德明.最新泥水盾构技术.上海隧道工程股份有限公司施工技术研究所科技情报室, .12
　　［3］ 刘建航, 侯学渊. 盾构法隧道.北京: 中国铁道出版社, 1991
　　［4］ 尹旅超, 朱振宏等. 日本隧道盾构新技术.武汉: 华中理工大学出版社, 1999
　　［5］ 倪锦初, 赵峰. 穿黄隧洞盾构法施工关键技术.人民长江, .10