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盾构技术与南水北调中线穿黄隧洞-(新闻)

2022-08-05 来源:天津机械信息网

盾构技术与南水北调中线穿黄隧洞

盾构技术与南水北调中线穿黄隧洞

摘 要 本文简要介绍了盾构机技术和国内外发展概况,

以及南水北调中线穿黄隧洞工程及其地质情况。对泥水式盾

构机应用于穿黄隧洞的施工进行了探讨。针对盾构法穿黄隧

洞施工应开展的前期工作提出了建议。

关键词 盾构机 隧洞工程 南水北调

一、前言

盾构技术是目前国际上发达国家较为广泛采用的地下隧

洞全机械化开挖的施工技术。其技术本身的先进性、复杂性

以及对其可靠性的高要求,使得必须有一定投资规模和施工

难度的水工隧洞工程才考虑实际应用该项施工技术。我国水

利工程中的隧洞工程很多,已完成的水工隧洞基本上为硬岩

隧洞。引大入秦及引黄人晋工程中的隧洞段,由于地质基本

上为软岩,选用双护盾掘进机进行施工。而用大型盾构机在

软弱地质特别是高水压软弱土层中进行隧洞施工,在我国水

利工程中还无先例。南水北调中线穿黄隧洞经研究拟采用盾

构法施工,这将为地下工程盾构技术提供一次很好的实际应

用机会,同时也是一次技术上的挑战。工程施工之前,针对

穿黄隧洞工程的实际情况,在已做的大量前期准备工作基础

上,对一些实际问题仍需进一步研究,以确保盾构技术在穿

黄隧洞工程应用的成功。

二、盾构机

盾构机是盾构法施工中的主要施工机械。盾构施工法是

在地面下暗挖隧洞的一种施工方法,它使用盾构机在地下掘

进,在防止软基开挖面崩塌或保持开挖面稳定的同时,在机

内安全地进行隧洞的开挖和衬砌作业。其施工过程需先在隧

洞某段的一端开挖竖井或基坑,将盾构机吊入安装,盾构机

从竖井或基坑的墙壁开孔处开始掘进并沿设计洞线推进直至

到达洞线中的另一竖井或隧洞的端点。

用盾构机进行隧洞施工具有自动化程度高、节省人力、

施工速度快、一次成洞、不受气候影响、开挖时可控制地面

沉降、减少对地面建筑物的影响和在水下开挖时不影响水面

交通等特点,在隧洞洞线较长、埋深较大的情况下,用盾构

机施工更为经济合理。

盾构机的基本工作原理就是一个圆柱体的钢组件沿隧洞

轴线边向前推进边对土壤进行挖掘。该圆柱体组件的壳体即

护盾,它对挖掘出的还未衬砌的隧洞段起着临时文撑的作

用,承受周围土层的压力,有时还承受地下水压以及将地下

水挡在外面。挖掘、排土、衬砌等作业在护盾的掩护下进

行。

盾构机施工主要由稳定开挖面、挖掘及排土、衬砌包括

壁后灌浆三大要素组成。其中开挖面的稳定方法是其工作原

理的主要方面,也是区别于硬岩掘进机或比硬岩掘进机复杂

的主要方面。大多数硬岩岩体稳定性较好,不存在开挖面稳

定问题。

盾构机根据其适用的土质及工作方式的不同主要分为压

缩空气式、泥水式,土压平衡式盾构机等不同类型。泥水式

盾构机是通过加压泥水或泥浆(通常为膨润土悬浮液)来稳定

开挖面,其刀盘后面有一个密封隔板,与开挖面之间形成泥

水室,里面充满了泥浆,开挖土料与泥浆混合由泥浆泵输送

到洞外分离厂,经分离后泥浆重复使用。土压平衡式盾构机

是把土料(必要时添加泡沫等对土壤进行改良)作为稳定开挖

面的介质,刀盘后隔板与开挖面之间形成泥土室,刀盘旋转

开挖使泥土料增加,再由螺旋输料器旋转将土料运出,泥土

室内土压可由刀盘旋转开挖速度和螺旋输出料器出土量(旋转

速度)进行调节。

盾构机问世至今已有近180年的历史,其始于英国,发展

于日本、德国。近30年来,通过对土压平衡式、泥水式盾构

机中的关键技术,如盾构机的有效密封,确保开挖面的稳

定、控制地表隆起及塌陷在规定范围之内,刀具的使用寿命

以及在密封条件下的刀具更换,对一些恶劣地质如高水压条

件的处理技术等方面的探索和研究解决,使盾构机有了很快

的发展。国外主要生产厂家有日本三菱重工人川崎重工、日

立造船、德国海伦克内希特(Herrenknecht AG)公司等。盾

构机尤其是土压平衡式和泥水式盾构机在日本由于经济的快

速发展及实际工程的需要发展很快。德国的盾构机技术也有

独到之处,尤其是在地下施工过程中,保证密封的前提以及

高达0.3MPa气压的情况下更换刀盘上的刀具,从而提高盾构

机的一次掘进长度。德国还开发了在密封条件下,从大直径

刀盘内侧常压空间内更换被磨损的刀具。

我国从50年代中期开始研制盾构机。国产盾构机以土压

平衡式为主,泥水式盾构机尚缺乏经验。土压平衡式盾构机

设计水平与国外差异不大,但一些国产部件、元器件的质

量、寿命、可靠性较差,有些还需从国外进口。盾构机在我

国的应用主要用于地铁和水下交通隧道的施工,如上海地铁

修建中使用了引进的土压平衡式盾构机,上海延安路复线隧

道上使用了引进的泥水加压式盾构机。北京地铁也准备引进

土压平衡式盾构机进行地铁隧道施工。这些工程将为盾构机

用于水利工程提供很好的借鉴。

三、南水北调中线穿黄工程

南水北调中线工程规划从长江支流汉江上的丹江口水库

引水,沿唐白河和黄淮海平原西部边缘,跨江、淮、黄、海

四大流域,自流输水到北京、天津。主要任务是城市生活和

工业供水,兼顾农业及其他用水,供水范围分属京、津、

冀、豫、鄂五省市。中线主体工程由水源区工程和输水工程

两大部分组成。穿黄隧洞工程为输水工程的一部分。穿黄隧

洞规划设计为两条平行隧洞,外径约9m,拟采用泥水加压式

大型盾构机进行盾构法施工。穿黄隧洞为中线的关键工程,

因此盾构机便成为工程施工的关键设备。

穿黄隧洞的施工要穿越黄河饱和砂层,其地质条件可描

述为:大地构造处于华北断块与东秦岭断裙带的交接过渡带

上。为华北断块南部边缘的相对稳定区。地震基本烈度为VII

度。区域内为第四条系冲积层覆盖,下部为新第三系碎屑

岩。隧洞围土主要为中、细砂。砂土比重为2.63~2.67,级

配较均匀,密实状况随深度增加而增大。孔隙比为0.612~

0.664,标贯击数为12~28,判定呈中密状态。砂层中含有少

量砾石,砾石粒径一般为2~9cm、含量2%,局部夹砂砾石透

镜体。砂层中地下水位受黄河水位的影响。根据单孔抽水试

验,砂土渗透系数一般为A×l0-2~10-3cm/s。土体湿容重

为19.5~21kN/cm3.含水量为21.5%~23.5%。开挖面土体稳

定性差,流动性较大,对整个开挖面来说,可以说没有自稳

时间。所以,根据穿黄地质条件以及确保开挖面稳定的要

求,经过对各种盾构机的比较,拟选定采用泥水加压式盾构

机进行施工。砂性土的粉粒和粘粒均小于10%,2~9cm砾石含

量仅为2%,砂占85%~98%。也适合于采用水力出土。

穿越黄河饱和砂层的盾构隧洞尚无先例,故施工前期准

备工作非常重要。

四、泥水式盾构机用于穿黄隧洞工程施工应进一步开展

的前期工作

1.开挖面稳定。需建立合适的能真实反映实际物理现象

的模型,选择合理的比例和量纲进行实验研究,研究结果将

用于盾构机的设计及施工运行指导。

2.泥水的配比及分离装置。对泥水的比重、透水性及粘

性等要调整在一个合理的范围内;分离装置的效率会影响掘

进进尺,分离程度又影响效率及弃渣成份,对弃渣的处理要

考虑环保因素。

3.竖井施工。竖井要求做到不透水层,其深度达70~

80m或以上,还要考虑与两岸进出口建筑物配合,接口部分的

应力、防渗等问题要解决好。

4.刀具的磨损与更换。在砂层中掘进时盾构机刀具的寿

命及更换被磨损刀具的方法和时间将直接影响总的掘进速度

和设备的一次性投入。

5.隧洞穿越地层的组成和参数是盾构机选型设计及盾构

机施工需要考虑的重要因素。有条件时,需超前深入研究,

并选择合适地层进行试验性掘进。

(作者单位:胡胜利、乔世珊为水利部机械局,乔世珊为副局

长;倪锦初为水利部长江水利委员会设计院)

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