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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)機應用于穿黃隧洞的施工進行了探討。針對盾構(gòu)法穿黃隧

　　洞施工應開展的前期工作提出了建議。

　　關(guān)鍵詞 盾構(gòu)機 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)達國家較為廣泛采用的地下隧

　　洞全機械化開挖的施工技術(shù)。其技術(shù)本身的先進性、復雜性

　　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，選用雙護盾掘進機進行施工。而用大型盾構(gòu)機在

　　軟弱地質(zhì)特別是高水壓軟弱土層中進行隧洞施工，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

　　用機會，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備工作基礎(chǔ)

　　上，對一些實際問題仍需進一步研究，以確保盾構(gòu)技術(shù)在穿

　　黃隧洞工程應用的成功。

　　二、盾構(gòu)機

　　盾構(gòu)機是盾構(gòu)法施工中的主要施工機械。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)機在地下掘

　　進，在防止軟基開挖面崩塌或保持開挖面穩(wěn)定的同時，在機

　　內(nèi)安全地進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)機吊入安裝，盾構(gòu)機

　　從豎井或基坑的墻壁開孔處開始掘進并沿設計洞線推進直至

　　到達洞線中的另一豎井或隧洞的端點。

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

　　機施工更為經(jīng)濟合理。

　　盾構(gòu)機的基本工作原理就是一個圓柱體的鋼組件沿隧洞

　　軸線邊向前推進邊對土壤進行挖掘。該圓柱體組件的殼體即

　　護盾，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)在護盾的掩護下進

　　行。

　　盾構(gòu)機施工主要由穩(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)別于硬巖掘進機或比硬巖掘進機復雜

　　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)機等不同類型。泥水式

　　盾構(gòu)機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)分離后泥漿重復使用。土壓平衡式盾構(gòu)機

　　是把土料(必要時添加泡沫等對土壤進行改良)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)進行調(diào)節(jié)。

　　盾構(gòu)機問世至今已有近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)

　　機中的關(guān)鍵技術(shù)，如盾構(gòu)機的有效密封，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)機尤其是土壓平衡式和泥水式盾構(gòu)機在日本由于經(jīng)濟的快

　　速發(fā)展及實際工程的需要發(fā)展很快。德國的盾構(gòu)機技術(shù)也有

　　獨到之處，尤其是在地下施工過程中，保證密封的前提以及

　　高達0.3MPa氣壓的情況下更換刀盤上的刀具，從而提高盾構(gòu)

　　機的一次掘進長度。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。國產(chǎn)盾構(gòu)機以土壓

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

　　設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，有些還需從國外進口。盾構(gòu)機在我

　　國的應用主要用于地鐵和水下交通隧道的施工，如上海地鐵

　　修建中使用了引進的土壓平衡式盾構(gòu)機，上海延安路復線隧

　　道上使用了引進的泥水加壓式盾構(gòu)機。北京地鐵也準備引進

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

　　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)機進行盾構(gòu)法施工。穿黃隧洞為中線的關(guān)鍵工程，

　　因此盾構(gòu)機便成為工程施工的關(guān)鍵設備。

　　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)機的比較，擬選定采用泥水加壓式盾構(gòu)

　　機進行施工。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

　　備工作非常重要。

　　四、泥水式盾構(gòu)機用于穿黃隧洞工程施工應進一步開展

　　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行實驗研究，研究結(jié)果將

　　用于盾構(gòu)機的設計及施工運行指導。

　　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

　　進進尺，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70～

　　80m或以上，還要考慮與兩岸進出口建筑物配合，接口部分的

　　應力、防滲等問題要解決好。

　　4.刀具的磨損與更換。在砂層中掘進時盾構(gòu)機刀具的壽

　　命及更換被磨損刀具的方法和時間將直接影響總的掘進速度

　　和設備的一次性投入。

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

　　機施工需要考慮的重要因素。有條件時，需超前深入研究，

　　并選擇合適地層進行試驗性掘進。

　　(作者單位：胡勝利、喬世珊為水利部機械局，喬世珊為副局

　　長;倪錦初為水利部長江水利委員會設計院)