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　　胡勝利 喬世珊 倪錦初

　　摘 要 本文簡要介紹了盾構(gòu)機(jī)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(jī)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(jī) 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(jī)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

　　上為軟巖，選用雙護(hù)盾掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行施工。而用大型盾構(gòu)機(jī)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(jī)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(jī)

　　盾構(gòu)機(jī)是盾構(gòu)法施工中的主要施工機(jī)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(jī)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(jī)

　　內(nèi)安全地進(jìn)行隧洞的開挖和襯砌作業(yè)。其施工過程需先在隧

　　洞某段的一端開挖豎井或基坑，將盾構(gòu)機(jī)吊入安裝，盾構(gòu)機(jī)

　　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(diǎn)。

　　用盾構(gòu)機(jī)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(diǎn)，在隧洞洞線較長、埋深較大的情況下，用盾構(gòu)

　　機(jī)施工更為經(jīng)濟(jì)合理。

　　盾構(gòu)機(jī)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。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(jī)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(jī)或比硬巖掘進(jìn)機(jī)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(jī)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(jī)等不同類型。泥水式

　　盾構(gòu)機(jī)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(jī)

　　是把土料(必要時添加泡沫等對土壤進(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(yùn)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(jī)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(jī)中的關(guān)鍵技術(shù)，如盾構(gòu)機(jī)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(jī)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、德國海倫克內(nèi)希特(Herrenknecht AG)公司等。盾

　　構(gòu)機(jī)尤其是土壓平衡式和泥水式盾構(gòu)機(jī)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(jī)技術(shù)也有

　　獨(dú)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(jī)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(jī)。國產(chǎn)盾構(gòu)機(jī)以土壓

　　平衡式為主，泥水式盾構(gòu)機(jī)尚缺乏經(jīng)驗。土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)

　　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(jī)在我

　　國的應(yīng)用主要用于地鐵和水下交通隧道的施工，如上海地鐵

　　修建中使用了引進(jìn)的土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)，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(jī)。北京地鐵也準(zhǔn)備引進(jìn)

　　土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行地鐵隧道施工。這些工程將為盾構(gòu)機(jī)

　　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，擬采用泥水加壓式

　　大型盾構(gòu)機(jī)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(jī)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2.63～2.67，級

　　配較均勻，密實狀況隨深度增加而增大?？紫侗葹?.612～

　　0.664，標(biāo)貫擊數(shù)為12～28，判定呈中密狀態(tài)。砂層中含有少

　　量礫石，礫石粒徑一般為2～9cm、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，砂土滲透系數(shù)一般為A×l0-2～10-3cm/s。土體濕容重

　　為19.5～21kN/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(jī)的比較，擬選定采用泥水加壓式盾構(gòu)

　　機(jī)進(jìn)行施工。砂性土的粉粒和粘粒均小于10%，2～9cm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(jī)用于穿黃隧洞工程施工應(yīng)進(jìn)一步開展

　　的前期工作

　　1.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(jī)的設(shè)計及施工運(yùn)行指導(dǎo)。

　　2.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。

　　3.豎井施工。豎井要求做到不透水層，其深度達(dá)70～

　　80m或以上，還要考慮與兩岸進(jìn)出口建筑物配合，接口部分的

　　應(yīng)力、防滲等問題要解決好。

　　4.刀具的磨損與更換。在砂層中掘進(jìn)時盾構(gòu)機(jī)刀具的壽

　　命及更換被磨損刀具的方法和時間將直接影響總的掘進(jìn)速度

　　和設(shè)備的一次性投入。

　　5.隧洞穿越地層的組成和參數(shù)是盾構(gòu)機(jī)選型設(shè)計及盾構(gòu)

　　機(jī)施工需要考慮的重要因素。有條件時，需超前深入研究，

　　并選擇合適地層進(jìn)行試驗性掘進(jìn)。

　　(作者單位：胡勝利、喬世珊為水利部機(jī)械局，喬世珊為副局

　　長;倪錦初為水利部長江水利委員會設(shè)計院)