穿黄河隧洞泥水盾构施工技术研究

——————————————————城市交通隧道１一程最新技术————————————～—————————————————一～穿黄河隧洞泥水盾构施工技术研究倪锦初魏新柱赵峰苏利军（Ｋ江水利委员会长江勘测规划设计研究院湖北武汉４３００１０）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。开挖面稳定通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：ＩｎｔｈｅｍｉｄｄｌｅｒｏｕｔｅｏｆＳ～ｔｏ—ＮＷａｔｅｒＴｒａｎｓｆｅｒＰｒｏｊｅｃｔ。ｔｈｅｃｒｏｓｓＹｅｌｌｏｗ—Ｒｉｖｅｒｔｕｎｎｅｌｔｏｏｋｏｎｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｇｒｅａｔｔｒａｎｓｅｃｔ，ｐｏｏｒｓｔｒａｔｕｍｃｏｎｄｉｔｉｏｎａｎｄｌｏｎｇｌｕｎｎｅｌｌｉｎｇｄｉｓｔａｎｃｅ．Ｓｌｕｒｒｙｓｈｉｅｌｄｍａｃｈｉｎｅｗａｓｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄｆｒｏｍｓｏｍｅｓｃｈｅｍｅｓ．Ｉｎｏｒｄｅｒ１０ｋｅｅｐｔｈｅｓｔａｂｉＩｉｚａｔｉｏｎｏｆｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅ．ａｕｔｏ—ｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｗａｓｕｓｅｄｔｏａｄＪｕＳｔｔｈｅｐｅｒｆｏｒｎｌａｎｃｅｏｆｓｌｕｒｒｙ。ａｎｄｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｗａｓｎｅｃｅｓｓａｒｙｄｕｒｉｎｇｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｎｇ．ＴｈｅｌｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｇｒｏｕｔｉｎｇｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｌｙｗｉｔｈｔＷＯｋｉｎｄｓｏｆｌｉｑｕｉｄＷａＳａｐｐｌｉｅｄｉｎｂａｃｋｆｉｌｌｇｒｏｕｒｉｎｇ．ＴｈｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｏｆＪｅｔｇｒｏｕｔｉｎｇａｎｄｃｈｅｍｉｃａｌｍａｔｅｒｉａｌｇｒｏｕｔｉｎｇｗｅｒｅａｐｐｌｉｅｄｉｎｒｅｉｎｆｏｒｃｉｎｇｔｈｅｉｎｌｅｔａｎｄｅｘｉｔｏｆｔｈｅｔｕｎｎｅｌ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｈｅｃｒｏｓｓ—Ｙｅｌｌｏｗ—Ｒｉｖｅｒｔｕｎｎｅｌ，ｓｌｕｒｒｙｓｈｉｅｌｄｍａｃｈｉｎｅ，ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｇｒｏｕｒｉｎｇ，ｔｈｅｍｉｄｄｌｅｒｏｕｔｅｏｆＳ—ｔｏＮＷａｔｅｒＴｒａｎｓｆｅｒＰｒｏｊｅｃｔ．１穿黄隧洞概况

南水北调中线穿黄Ｔ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Ｔ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３．５ｋｉｎ，经反复论证比选，确定采用加压式泥水盾构施工，其穿越地层主要为Ｑ．砂层、Ｑ。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１００ｅｍ，外层为装配式钢筋混凝土管片结构，厚４５ｅｍ，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。２穿黄隧洞盾构施工法的选择

从国内外ｒ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丁程，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。２１８

————————————————————————————————————————————————一盾构隧道工程

图ｌ穿黄隧洞结构市置示意图

从目前情况来看，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Ｔ程施Ｔ经验，依靠国内技术施丁是可行可靠的。经过ｌ｛∈时间论证和多方面比较，推荐穿黄隧洞采用盾构法施『：。

盾构法是在地面下暗挖隧道的～种先进的施工方法，盾构是开挖土砂围岩的主要施Ｔ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／Ｊ１以上、国内引黄入晋南干线双护盾施丁最高月进尺达１３１６ｍ／Ｎ）。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Ｆ１～２ｍ，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Ｔ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１：，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Ｉ地下调节池隧道、日本隅田ＪＩ【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Ｔ。

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，并参照国外类似丁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通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Ｔ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２】９

城市交通隧道Ｔ程最新技术

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１．１５～１．２９／ｅｍ３，粘度２５～３５ｓ，脱

水量不大于２００ｍＩ。。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

滤测斌、粘度测试和ｐＨ值测试。泥浆制备与输送通过泥浆系统来完成。

在盾构掘进过程中，通过泥浆检查与测试、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，填人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Ｔ程选用同步注浆，通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～ｏ．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通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Ｉ临空面时，土体将产生大量

的坍塌、涌水，使施Ｔ无法进行，所以在施工前必须进行预处理，以保证地层的稳定，防止机

外的地下水流人。

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２２０

盾构隧道１：程

学注浆、井点降水、冷冻法等。经比较分析研究，本Ｔ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Ｉ～２

ｍ／ｈ的限制，还要进行冻胀防护，费用也较贵。

高压喷射注浆法通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通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，且可以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。通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１×１０１Ｐａ。

两种施Ｔ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。这两种方法是目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．Ｏｍ。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ｏ．８～１．ｏｍ。

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］＿技术，其施Ｔ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．２００３．７

［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Ｔ技术研究所科技情报室

２００１．１２

［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

［５３倪锦初，赵峰穿黄隧洞盾构法施工关键技术．人民长江，２００１１０２２１

穿黄河隧洞泥水盾构施工技术研究

作者：

作者单位：倪锦初， 魏新柱， 赵峰， 苏利军长江水利委员会长江勘测规划设计研究院(湖北武汉)

1.期刊论文 史海龙. 金鹏. SHI Hai-long. JIN Peng 注浆技术在盾构施工中的应用分析 -山西建筑2008,34(24)

针对注浆系统的分类、注浆材料的分类和各种材料类型的性能特点以及所适应的工程情况进行了全面的概括和总结,对影响注浆施工的注浆参数进行了理论方面的介绍,并对这些参数的选取因素进行了深入分析.

2.期刊论文 杨江朋. YANG Jiangpeng 海瑞克土压平衡盾构机施工的二次注浆技术 -新型建筑材料2008,35(5)

在盾构施工中,由于刀盘开挖直径与盾构管片外径间存在空隙,同时受地质条件、地下水、隧道埋深、掘进模式等因素的影响,易造成地层变形、管片错台、隧道漏水等不良现象,必须对管片背后的空隙选择合理的注浆技术进行充填.总结并分析广州地铁三号线客村-大唐盾构区间的二次注浆技术.

3.会议论文 周秀普. 孟学文. 李志强 注浆技术在盾构施工中的应用 2005

结合工程实例,对盾构双液注浆技术进行讨论。论述了盾构施工壁后注浆工作原理;同步注浆、二次补注浆施工过程中注浆材料的选用、浆液的制备、注浆工艺要求、注浆标准及效果检查等,供业内人士参考。

4.期刊论文 叶均良. 张良辉. 杨晓平. YE Jun-liang. ZHANG Liang-hui. YANG Xiao-ping 盾构施工新技术在广州地铁二号线【赤～鹭区间隧道】盾构工程中的应用 -隧道建设2006,26(z2)

在施工难度大,质量目标要求高的情况下,本工程吸收、引进国际先进的盾构施工设备与技术,研究开发出配套的关键适用技术,有效地解决了以往盾构隧道施工遇到的技术难题,建造了广州地铁二号线中结构质量、防水效果和表观质量最好的隧道.着重介绍本工程的新技术(包括:采用1.5m环宽的管片;用EPPM弹性止水条技术;开发应用SLS-T同步激光自动导向技术;盾尾同步注浆技术;盾构机选型与关键技术)的内容及其应用情况,并分析了由于新技术在本工程的应用而产生的经济效益和社会效益.

5.期刊论文 陈悦华. 肖劲松. 赵锋. CHEN Yuehua. XIAO Jinsong. ZHAO Feng 穿黄输水隧洞盾构施工进出洞地基加固技术研究 -武汉大学学报（工学版）2007,40(4)

针对南水北调中线工程穿黄河输水隧洞泥水加压式盾构施工中进出洞地基的加固问题展开研究.穿黄河输水隧洞的盾构进出洞段埋深大,水位高,地质条件复杂,经多方案比选论证,拟采用高喷和化学注浆技术对进出洞地基进行加固.对该工程的进出洞地基加固范围进行了计算分析,分别计算了北洞的水土压力,由弹性力学理论计算其土体加固厚度.根据塑性松动圈的应力条件和破坏条件计算出加固土体的宽度.对南洞按土体整体滑移失稳可能形成的圆弧滑动面来确定加固范围.

6.期刊论文 汪挺 砂粘土层盾构施工几项技术的探讨 -市政技术2002(2)

本文总结深讨了北京地区砂粘土层中浅埋隧道应用加泥式土压平衡盾构施工时的几项关键技术,包括盾构选型、开挖面稳定控制技术、背后充填注浆技术、地面沉降控制技术和纠偏技术等.文章详述了盾构施工引发的地面沉降发展变化规律、可塑型背后充填浆液及目标土压力的设定.

7.会议论文 戴润军 浅谈盾构法施工对地层的影响及防治 2007

盾构法施工会引起地层移动而导致不同程度的沉降和位移，即使采用先进的土压平衡或泥水平衡盾构，并辅以盾尾注浆技术，也难以完全防止地面沉降和位移。从而危及地面周边建筑物或地下管线。通过对盾构施工时地层沉降机理分析及引起地层沉降因素的说明，总结出防治地层沉降的相应措施，为盾构法施工防地层沉降供以借鉴。

8.会议论文 汪挺 砂黏土层盾构施工几项技术的探讨 2001

本文总结探讨了北京地区砂黏土层中浅埋隧道应用加泥式土压平衡循构施工时的几项关键技术,包括盾构选型、开挖面稳定控制技术、背后充填注浆技术、地面沉降技术和纠偏技术.文章详述了盾构施工引发的地面沉降发展变化规律、可逆型背后充填浆液及目标土压力的设定.笔者自1996年以来,先后参与了亮马河、坝河及清河污水干管盾构工程实践.参加了这些工程盾构选型,承担了同步注浆浆液研制,土体塑流化改良和土体测试监控任务.本文旨在依笔者所做所见就砂黏土层盾构施工技术予以探讨.

9.期刊论文 崔天麟. 赵运臣 盾构隧道掘进过程中同步注浆技术的应用 -探矿工程-岩土钻掘工程2003(4)

根据广州地铁二号线(越-三)盾构区间盾构隧道管片衬砌背后注浆施工情况,重点介绍了盾构施工过程中同步注浆技术的设计与施工.

10.会议论文 田建华. 孟学文 劈裂注浆在盾构穿越既有构筑物沉降控制中的应用 2007

本文提出的隧道内劈裂注浆沉降控制技术,是指盾构穿越既有结构时在洞内采用多次深孔注浆,通过注浆压力、注浆量控制,结合地面监测等措施,控制地面(结构)沉降在允许的范围以内,以保证既有建(构)筑物结构安全。通过在北京市轨道交通首都国际机场线东直门～三元桥区间盾构隧道施工中的实际应用,创造了盾构施工沉降控制记录,保证了公共环境的安全,取得了较大的社会效益。

本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Conference_5501455.aspx

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