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南水北调中线一期穿黄工程盾构选型
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内容提示：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。
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。（参考《建筑中文网》）
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、出口建筑物、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+658.57～9 108.57，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）石层。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5 658～6 033和7 109～7 919，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6 033～7 109和7 919～8 233，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8 233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8 670～8 940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5 658.57～4+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＝1×10-5cm/s，黄土渗透系数为1×10-5～1×10-4cm/s.黄土状粉质壤土渗透系数k＝3.7×10-5～1.0×10-4cm/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碴加压，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出，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。当含砂量超过某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，导致碴土难以排送，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，以改善碴土的性能，使其成为具有良好塑流性、低的摩擦系数及止水性的碴土，且对于砂砾（泥砾）石层，开挖破碎后可能会有大颗粒碴土，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、砂砾相互混合后土碴不易形成具有良好塑性及止水性碴土，在螺旋机出碴门处易发生喷涌，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土塞效应，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，其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，经分离后排除土碴，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。
原文网址：http://www.pipcn.com/research/200711/8164.htm
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