南水北调中线一期穿黄工程盾构选型

1、南水北调中线一期穿黄工程盾构选型    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。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

2、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

3、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

4、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1）单一粘土结构隧洞围土为Q2粉质壤土层，分布在桩号5+6586+033和7+1097+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+0337+109和7+9198+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.邙山隧洞段桩号5+658.574893.57，长800m.桩号4893.575090隧洞段

5、为黄土状壤土；桩号50905359.08段为粉质壤土，中间夹3层古土壤层；桩号5359.085658.57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k1×105cm/s，黄土渗透系数为1×1051×104cm/s.黄土状粉质壤土渗透系数k3.7×1051.0×104cm/s.过河隧洞段穿越的饱和含水砂层，其渗透系数k10-310-2cm/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

6、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

7、。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

8、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

9、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k10-310-2cm/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

10、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

11、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。7

12、、本工程对泥水盾构的设计要求7.1对砂土地层及砂卵石地层的适应性过河隧洞段穿越的主要地层为Q2粉质壤土、Q41砂层和砂砾（泥砾）石层。其中上砂下土结构的地层总长1390m，隧洞上部为Q41砂层；单一砂土结构的地层总长为875m，隧洞主要为Q41中砂层，局部为粗砂层，砂层中零星分布砂砾石透镜体。这种地层石英含量高，对刀盘、刀具、管路的磨损性强，砂土地层渗透性大，需要的泥水平衡压力更大，而需要的扭矩通常较小，在这种地层中施工通常要损失更多的泥浆。施工中应特别注意泥浆循环的速度不能低于防止泥浆沉淀所需的最小速度，因此盾构在砂土地段的施工时应重点考虑以下功能：具备平衡掌子面水土压力的能力；刀盘、刀具、

13、泥浆管路的高耐磨性；合理的刀盘及刀具设计，恰当的刀盘开口率，合理的开口位置；盾构本体在压力状态下的防水密封性能；防止流砂；人仓设计；管片壁后同步注浆系统；能够对较大的卵石进行破碎，有效防止堵管情况的发生。7.2适应卵石、孤石、古树等不良地质砂卵石地层中土体属松散体，若采用适用于硬岩的滚刀进行破岩，则在滚刀的掘进挤压下土体会产生较大的变形，滚刀将不转动，大大降低了滚刀的切削效果，有时甚至丧失切削破碎能力。穿越砂卵石地层宜采用碳化钨球齿滚刀（图2）或碳化钨撕裂刀（图3），但碳化钨球齿滚刀不能对古树等进行有效破碎，为了适应卵石、孤石、古树等不良地质，采用碳化钨撕裂刀较适应穿黄工程的不良复杂地质。在泥

14、水平衡仓的底部的排泥管前面安装一个颚板式碎石机，用来破碎漂石和钙质结核，使其破碎后能通过排浆管排出。破碎机配有栏石隔栅，用来限制进入排泥管路石块的尺寸。7.3对软硬不均地层的适应性过河隧洞段穿越的地层主要有全土层、全砂土层、复合层、钙质结核土层和砂砾石层（或泥砾层），邙山隧洞段穿越的地层主要有全土层和钙质结核土层。刀盘上布置双层碳化钨先行刀（撕裂刀）、双层碳化钨切刀和碳化钨刮刀。碳化钨刀具的高强度和高耐磨性完全适应穿黄工程的地质条件。对于地层较大的卵石，在泥水室中安装液压油缸驱动的破碎机（图4）进行破碎。刀盘上焊接的耐磨条及耐磨焊层也是刀盘在复合地层中掘进时的重要保证措施。盾构在软硬不均地段掘

15、进时，由于刀盘的受力不均而易发生姿态较难控制的现象，为此盾构的推进油缸在圆周方向进行分组，每组可以单独调整推进力和推进行程而改变盾构的掘进方向。盾构采用先进的激光导向系统，盾构的姿态可以随时反映在操作室内，从而可以对盾构的姿态随时进行灵活的调整，同时配合调整刀盘的推力和扭矩参数保证盾构在软硬不均地段保持正确的姿态。7.4对粘土地层的适应性总体而言，粘土地层的渗透性更小、自稳性更好，因此需要的泥水平衡的压力比在砂层中更小。但粘性地层掘进时刀盘需要更大的扭矩，盾构需配备较大的刀盘驱动功率；同时要防止刀盘中心粘结泥饼和防止排泥管路堵塞。刀盘中心部位线速度较低，粘土、粉土、膨润土等粘稠土体在中心部位的

16、流动性较差，粘性土容易在中心部位沉积，同时在泥水仓的后部也容易粘结泥饼。设计盾构时采用如下措施：采用膨润土泥浆冲洗系统，在刀盘的中心设计膨润土注入口，用于对刀盘中心部位进行冲洗和清理；加大中心部位开口率，使粘性土没有粘结的位置，直接从刀盘开口顺利进入到泥水室；刀盘开口部位采用特殊结构设计，开口设计成楔形梯形结构，使开口逐渐变大，利于碴土的流动。在粘土地层中特别容易发生排泥管堵塞，为防止堵管、对泥浆系统需进行针对性设计，安装电磁控制球阀和相应管路，可以实现在进排浆管中进行反循环，反循环的目的是清理堵塞的排泥管。此外，在气仓的底部安装电磁球阀，在开挖模式下盾构司机可以在切削仓的上面实现反向循环，以

17、便清理在破碎机和仓室底部的沉积物，在粘土地层中掘进时这种沉积物更是经常发生。反循环和底部注入可以在需要的基础上周期性使用，同时需采用重型的排泥泵，设计较大的排泥通道，能够泵送的最大粒径不小于180mm.泥浆泵的关键部件进行耐磨设计，以便适应泵送的磨损性介质。7.5对高水压的适应性过河隧洞穿越地层主要为富含地下水的砂土层，地下水压力高达0.45MPa，在高水压下施工，施工安全和工程防水是第一重点，隧洞防水是盾构法施工的关键。盾构在高水压地段推进，重点是保证主轴承密封、盾尾密封在高承压状态下的正常工作。1）主轴承密封主轴承内外密封应具有自动润滑功能、自动密封功能、自动检测密封的工作状况功能和密封磨

18、损后的继续使用功能，可采用唇形密封（图5）或指形密封（图6）。2）盾尾密封盾尾密封（图7）是集弹簧钢、钢丝刷及不锈钢金属网于一体的结构，在弹簧钢和钢丝刷上涂氟树脂进行防锈处理。盾尾密封可采用4道钢丝刷密封或3道钢丝刷密封加1道钢板束，在各盾尾密封之间注入油脂来提高止水性能。在盾尾设计1道膨胀应急密封，当钢丝刷密封正常时该密封弯曲在盾尾的沟槽里不起密封作用。当钢丝刷密封失效时通过注水或充气使该密封膨胀，将管片外侧与盾尾内侧之间的间隙完全密封以防止涌水从盾尾漏入隧洞内，并可在隧洞内安全更换前23道钢丝刷密封。7.6对深竖井及长距离泥水输送的适应性过河隧洞掘进时从北岸始发，北岸竖井深达50.5m，且

19、隧洞线路长，长距离水平输送和高扬程的垂直输送要求送排泥泵具有大功率和大扬程。送排泥泵均采用变频驱动。送泥泵采用1台大功率、大扬程、大流量的重型泥浆泵；排泥泵采用3台大功率、大扬程、大流量的重型泥浆泵。具体是在盾构后配套拖车上安装1台主排泥泵，在竖井底部安装1台接力泵，当盾构掘进到过河隧洞的中间时在隧道内安装1台中继排泥泵。邙山隧洞段施工时分离站从北岸搬至南岸，南岸竖井深达39.95m，受竖井周围场地（约2000m2）的限制，泥水分离站宜建在山上。盾构施工时仍使用1台送泥泵、3台排泥台，主排泥泵安装在盾构上，中继泵安装在南岸竖井底部，接力泵安装在竖井平台上。7.7地表沉降控制要求盾构需穿越不同埋

20、深的地层，在不同位置水压力也不同，盾构应具有良好的泥水压力调整功能，满足地表沉降控制在规定范围，保证能够顺利安全穿越黄河。为了减小泥水压力的波动宜采用气压式间接控制型泥水盾构。7.8精确的方向控制要求要求盾构具有良好的方向控制能力，导向系统具有很高的精度，以保证线路方向误差控制在规定的范围内。盾构方向的控制包括两个方面：一是盾构本身能够进行纠偏、转向，二是采用先进的导向技术保证盾构掘进方向的正确。7.9环境保护的要求环境保护包括三个方面：一是盾构施工时对周围自然环境的保护，使用的辅助材料如油脂、泥浆添加剂等不对环境造成污染；二是盾构及后配套设备无大的噪声、震动等；三是盾构法施工的现场环境管理，

21、隧洞内的施工污水通过低压排污泵抽到污水箱，再通过污水箱中的高压泵泵送到泥浆回路。7.10长距离掘进不换刀技术本工程在过河隧洞掘进时一次掘进距离长达3450m，为了安全可靠必须避免刀盘磨损和中途换刀。对刀盘和刀具必须进行耐磨性设计，刀盘的面板焊接格栅状的特殊耐磨材料，刀盘的外圈焊接高强度的耐磨板，在刀盘的开口部位进行表面硬化，充分保证刀盘在掘进时的耐磨性能。长距离掘进中途不换刀一般采用图8的两种方案。方案一：设计救援刀具，在初装刀具磨损到极限后将内藏的救援刀具伸出；方案二：采用高耐磨切刀，切刀的刀刃采用双层碳化钨结构。由于内藏式救援刀结构较复杂、成本较高，穿黄隧洞宜采用双层高耐磨碳化钨切刀。为确

22、保刀具的高耐磨性所有刀具均采用碳化钨刀具，先行刀和切刀均采用双层碳化钨刀刃，并设计有耐磨齿。在不同区域的切刀上安装刀具磨损量检测装置，及时掌握刀具的磨损情况，保证刀具正常工作，除此之外还应采取以下措施。1）刀具的排列行数在刀盘面板的同一轨迹上，通过增加刀具的排列行数来增加刀具数量，以减少每把刀具的磨损。2）采用超硬重型刀具连同安装刀具用的刀座一起大型化，加大刀具的宽度，以达到增大刀刃的耐磨性3）刀具背面进行耐磨防护在超硬刀具背面进行充分的硬化堆焊，设计双排碳钨合金柱齿，防止刀具的基材磨损。4）带压换刀作为应急措施配备双气路的双室人仓，以便在压缩空气下带压进入开挖室和隧洞掌子面，确保万一需要换刀

23、时的施工安全和快速作业。7.11盾构的可靠性和安全性盾构施工时应保证人员及设备的安全。盾构的可靠性是工程施工的重要保障，盾构的关键部件必须在施工过程中万无一失，做到百分之百的可靠。盾构的可靠性表现在以下方面：对地质的适应性，整体设计的可靠性；设备本身性能、质量、使用寿命等的可靠性；在盾构设计的同时应该考虑到应用先进的技术来确保施工安全及人员和设备的安全。为了保证刀具检修更换及处理障碍物作业的特殊空间需要，刀盘可采用可伸缩型并具有足够的伸缩行程，必要时在沉浸墙上设置隔板安全门，保证在常压下进入气压调节仓进行维修破碎机和进行吸泥管的排堵，确保作业的快速和安全。8、泥水处理设备的选择8.1泥水处理概

24、述泥水盾构是通过加压泥水来稳定开挖面，开挖土碴与泥浆混合由排浆泵输送到洞外的泥水分离站，经分离后进入泥浆调整池进行泥水性状调整后，由送泥泵将泥浆送往盾构的泥水平衡仓重复使用，将泥水中的水和土分离的过程称为泥水处理。泥水处理分为三级。一级泥水处理的对象是粒径74m以上的砂和砾石，工艺比较简单，用振动筛或有旋流器的离心机等设备对其进行筛分，分离出的土颗粒用车运走。二级泥水处理的对象主要是一级处理时不能分离的74m以下的淤泥、粘土等的细小颗粒。三级处理是对需排放的剩余水作PH值调整，使泥水排放达到国家环保要求。泥水处理系统设于地面，由泥水分离系统和泥浆制备系统两部分组成。泥水分离系统主要由振动筛、旋

25、流器、储浆槽、调整槽、碴浆泵等组成；泥浆制备系统由沉淀池、调浆池、制浆设备等组成。8.2泥水分离站选型选择泥水分离设备时必须考虑两个方面：有效地分离排泥浆中的泥土和水分；具有与盾构最大推进速度相适应的分离能力。8.3泥水处理工艺地质不同，泥浆处理的工艺也不同。在一般情况下砂质土只需进行一级处理，粘性土需进行二级处理，对需排放的剩余水进行三级处理，作PH值调整。1）一级除砂处理盾构在砂砾石层或细砂、中粗砂层掘进时只需进行一级除砂处理。其工艺流程如下：竖井内的排泥泵将携带土碴的污浆输送到分离站的预筛器，经振动筛选后，粒径在3mm以上的碴料分离出来，筛余的泥浆进入储浆槽，由碴浆泵从储浆槽内抽吸泥浆，

26、在泵的出口具有一定储能的泥浆沿输浆软管从旋流除砂器进浆口切向射入，经过旋流除砂器分选，粒级74um以上的泥砂由下端的沉砂嘴排除落入细筛；细筛脱水筛选后，干燥的细碴料分离出来；经过第二道筛选的泥浆循环返回储浆槽内，处理后的干净泥浆从旋流器溢流管进入中储箱，然后沿出浆软管输送到调浆池。2）二级除砂处理盾构在粉土、粉砂层掘进时，一级除砂处理不足以将泥浆密度及含砂率降至合理范围内时需进行二级除砂处理。其流程如下：盾构排出的泥浆经排泥管输送至预振筛内，预振筛将泥浆中3mm以上的砂砾筛除，经旋流除砂分离及细筛脱水后清除74m以上的砂质颗粒，经过第二道筛选的泥浆进入小直径旋流除砂器，将泥浆中剩余的74m以上

27、砂质清除，并同时清除掉45m以上的泥质颗粒。二次除砂后的泥浆由出浆口输送至沉淀池。3）一级除砂、二级除泥处理在粘土地层掘进时需进行二级除泥处理。其工艺流程与二级除砂处理相似，不同之处在于旋流除泥器组的应用。通过小直径的长锥除泥器和超细目振动筛网的组合，二级除泥处理后泥浆中30m以上的泥质颗粒及时清除，粘度得以控制，见图9.4）三级处理三级处理是将进入PH槽中的液体进行酸碱处理，以达到排放标准。采用的材料主要是稀硫酸或适量的二氧化碳气体。8.4泥水性能管理从泥水分离站排出的泥浆经沉砂池沉淀后进入调浆池，在调浆池内由制浆系统的高速制浆机对泥浆进行调配，确保输送到盾构的泥浆性能满足使用要求。在泥水循

28、环利用的过程中，泥水性能的管理主要是对泥浆质量的控制，即对泥浆最大颗粒粒径、粒径分布、泥浆密度、泥水粘度的管理。穿黄隧洞施工时泥水粘度一般控制在2535s范围内。当泥水粘度过大时排泥管易堵塞。泥水密度是一个主要控制指标，过高将影响泥水的输送，过低将破坏开挖面的稳定，一般在能满足开挖面稳定的情况下泥水密度越小越好，这样能节省泥水制作成本，减少膨润土的消耗。掘进过程中对泥浆性状进行管理时根据地质而定，送泥密度一般控制在1.151.2g/cm3之间。当泥水密度偏低时通过快速制浆机加入膨润土进入调整；当密度偏高时加入清水进行稀释。9、盾构关键参数的计算盾构关键参数的计算是盾构选型的参考依据，盾构工作过

29、程的力学参数计算是一个非常复杂的问题，由于受地质因素、土质改良方法和掘进参数等一系列因素的影响，在盾构参数计算的方法上存在很多的不确定因素。至今应用的盾构参数计算方法在很大程度上只是处于研究、探索阶段，甚至很大程度上是一些经验性的计算方法，盾构关键参数的计算主要包括以下内容。1）推力计算盾构推进过程中的阻力主要包括盾壳和土层的摩擦力、土压的正面阻力、水压的正面阻力、盾尾密封与管片之间的摩擦力、拖拉后配套的力。盾构施工时为满足上坡、曲线施工和纠偏的需要，无法充分利用所有的推进油缸，推进系统装备的推进力必须留有足够的余量，总推力应大于总阻力的1.31.5倍。2）刀盘扭矩的计算盾构在软土中推进时的扭

30、矩包括切削扭矩（克服泥土切削阻力所需的扭矩）、刀盘自重形成的轴承扭矩、刀盘轴向荷载形成的轴承扭矩、主轴承密封装置摩擦力矩、刀盘前面摩擦扭矩、刀盘圆周面的摩擦反力矩、刀盘背面摩擦力矩和刀盘开口槽的剪切力矩等。3）功率计算主要包括主驱动功率计算、推进系统功率计算。4）同步注浆能力的计算首先计算同步注浆应具备的理论能力，再考虑1.51.8的注入率，同时还要考虑注浆泵的效率，一般按75%的效率计算。5）泥水输送系统参数的计算主要包括送排泥流量的计算、送排泥流速的计算、送排泥扬程的计算。10、结束语盾构选型主要依据招标文件、工程勘察报告、隧洞设计和相关标准和规范，针对工程特点及难点、隧洞设计参数、盾构施

31、工工艺和进度要求等因素进行分析，对盾构类型、驱动方式、功能要求、主要技术参数和辅助设备的配置等进行研究，并邀请具有同类盾构制造经验国际著名的盾构制造商和国内外盾构设计、隧洞设计及盾构施工方面的专家共同参与。经过反复论证和研究，参照类似工程盾构的选型及施工情况，完成适应穿黄隧洞施工盾构的选型工作，确定盾构方案、主要功能、主要技术性能参数及辅助设备的配置。盾构选型是盾构法施工的关键环节，直接影响盾构隧洞的安全、质量、工艺及成本，为了保证南水北调穿黄隧洞工程的顺利完成，必须重视盾构的选型工作。穿黄隧洞施工用盾构应进行国际性招标，在建设管理单位指导下进行盾构的采购，邀请建设单位专家审核盾构国际招标文件

32、。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。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

33、。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

34、、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

35、部加密；内外层衬砌由弹性防、排水垫层相隔。3、工程地质1）单一粘土结构隧洞围土为Q2粉质壤土层，分布在桩号5+6586+033和7+1097+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+0337+109和7+9198+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.邙山隧洞段桩号5+658.574893.57，长800m.桩号4893.575090隧洞段为黄土状壤土；桩号50905359.08段为粉质壤土，中间夹3层古土壤层；桩号

36、5359.085658.57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k1×105cm/s，黄土渗透系数为1×1051×104cm/s.黄土状粉质壤土渗透系数k3.7×1051.0×104cm/s.过河隧洞段穿越的饱和含水砂层，其渗透系数k10-310-2cm/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

37、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

38、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

39、。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k10-310-2cm/

40、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

41、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

42、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。7、本工程对泥水盾构的设计要求7.1对砂土地层及砂卵石地层的适应性过河隧洞段穿越

43、的主要地层为Q2粉质壤土、Q41砂层和砂砾（泥砾）石层。其中上砂下土结构的地层总长1390m，隧洞上部为Q41砂层；单一砂土结构的地层总长为875m，隧洞主要为Q41中砂层，局部为粗砂层，砂层中零星分布砂砾石透镜体。这种地层石英含量高，对刀盘、刀具、管路的磨损性强，砂土地层渗透性大，需要的泥水平衡压力更大，而需要的扭矩通常较小，在这种地层中施工通常要损失更多的泥浆。施工中应特别注意泥浆循环的速度不能低于防止泥浆沉淀所需的最小速度，因此盾构在砂土地段的施工时应重点考虑以下功能：具备平衡掌子面水土压力的能力；刀盘、刀具、泥浆管路的高耐磨性；合理的刀盘及刀具设计，恰当的刀盘开口率，合理的开口位置；盾

44、构本体在压力状态下的防水密封性能；防止流砂；人仓设计；管片壁后同步注浆系统；能够对较大的卵石进行破碎，有效防止堵管情况的发生。7.2适应卵石、孤石、古树等不良地质砂卵石地层中土体属松散体，若采用适用于硬岩的滚刀进行破岩，则在滚刀的掘进挤压下土体会产生较大的变形，滚刀将不转动，大大降低了滚刀的切削效果，有时甚至丧失切削破碎能力。穿越砂卵石地层宜采用碳化钨球齿滚刀（图2）或碳化钨撕裂刀（图3），但碳化钨球齿滚刀不能对古树等进行有效破碎，为了适应卵石、孤石、古树等不良地质，采用碳化钨撕裂刀较适应穿黄工程的不良复杂地质。在泥水平衡仓的底部的排泥管前面安装一个颚板式碎石机，用来破碎漂石和钙质结核，使其破

45、碎后能通过排浆管排出。破碎机配有栏石隔栅，用来限制进入排泥管路石块的尺寸。7.3对软硬不均地层的适应性过河隧洞段穿越的地层主要有全土层、全砂土层、复合层、钙质结核土层和砂砾石层（或泥砾层），邙山隧洞段穿越的地层主要有全土层和钙质结核土层。刀盘上布置双层碳化钨先行刀（撕裂刀）、双层碳化钨切刀和碳化钨刮刀。碳化钨刀具的高强度和高耐磨性完全适应穿黄工程的地质条件。对于地层较大的卵石，在泥水室中安装液压油缸驱动的破碎机（图4）进行破碎。刀盘上焊接的耐磨条及耐磨焊层也是刀盘在复合地层中掘进时的重要保证措施。盾构在软硬不均地段掘进时，由于刀盘的受力不均而易发生姿态较难控制的现象，为此盾构的推进油缸在圆周方

46、向进行分组，每组可以单独调整推进力和推进行程而改变盾构的掘进方向。盾构采用先进的激光导向系统，盾构的姿态可以随时反映在操作室内，从而可以对盾构的姿态随时进行灵活的调整，同时配合调整刀盘的推力和扭矩参数保证盾构在软硬不均地段保持正确的姿态。7.4对粘土地层的适应性总体而言，粘土地层的渗透性更小、自稳性更好，因此需要的泥水平衡的压力比在砂层中更小。但粘性地层掘进时刀盘需要更大的扭矩，盾构需配备较大的刀盘驱动功率；同时要防止刀盘中心粘结泥饼和防止排泥管路堵塞。刀盘中心部位线速度较低，粘土、粉土、膨润土等粘稠土体在中心部位的流动性较差，粘性土容易在中心部位沉积，同时在泥水仓的后部也容易粘结泥饼。设计盾

47、构时采用如下措施：采用膨润土泥浆冲洗系统，在刀盘的中心设计膨润土注入口，用于对刀盘中心部位进行冲洗和清理；加大中心部位开口率，使粘性土没有粘结的位置，直接从刀盘开口顺利进入到泥水室；刀盘开口部位采用特殊结构设计，开口设计成楔形梯形结构，使开口逐渐变大，利于碴土的流动。在粘土地层中特别容易发生排泥管堵塞，为防止堵管、对泥浆系统需进行针对性设计，安装电磁控制球阀和相应管路，可以实现在进排浆管中进行反循环，反循环的目的是清理堵塞的排泥管。此外，在气仓的底部安装电磁球阀，在开挖模式下盾构司机可以在切削仓的上面实现反向循环，以便清理在破碎机和仓室底部的沉积物，在粘土地层中掘进时这种沉积物更是经常发生。反

48、循环和底部注入可以在需要的基础上周期性使用，同时需采用重型的排泥泵，设计较大的排泥通道，能够泵送的最大粒径不小于180mm.泥浆泵的关键部件进行耐磨设计，以便适应泵送的磨损性介质。7.5对高水压的适应性过河隧洞穿越地层主要为富含地下水的砂土层，地下水压力高达0.45MPa，在高水压下施工，施工安全和工程防水是第一重点，隧洞防水是盾构法施工的关键。盾构在高水压地段推进，重点是保证主轴承密封、盾尾密封在高承压状态下的正常工作。1）主轴承密封主轴承内外密封应具有自动润滑功能、自动密封功能、自动检测密封的工作状况功能和密封磨损后的继续使用功能，可采用唇形密封（图5）或指形密封（图6）。2）盾尾密封盾尾

49、密封（图7）是集弹簧钢、钢丝刷及不锈钢金属网于一体的结构，在弹簧钢和钢丝刷上涂氟树脂进行防锈处理。盾尾密封可采用4道钢丝刷密封或3道钢丝刷密封加1道钢板束，在各盾尾密封之间注入油脂来提高止水性能。在盾尾设计1道膨胀应急密封，当钢丝刷密封正常时该密封弯曲在盾尾的沟槽里不起密封作用。当钢丝刷密封失效时通过注水或充气使该密封膨胀，将管片外侧与盾尾内侧之间的间隙完全密封以防止涌水从盾尾漏入隧洞内，并可在隧洞内安全更换前23道钢丝刷密封。7.6对深竖井及长距离泥水输送的适应性过河隧洞掘进时从北岸始发，北岸竖井深达50.5m，且隧洞线路长，长距离水平输送和高扬程的垂直输送要求送排泥泵具有大功率和大扬程。送

50、排泥泵均采用变频驱动。送泥泵采用1台大功率、大扬程、大流量的重型泥浆泵；排泥泵采用3台大功率、大扬程、大流量的重型泥浆泵。具体是在盾构后配套拖车上安装1台主排泥泵，在竖井底部安装1台接力泵，当盾构掘进到过河隧洞的中间时在隧道内安装1台中继排泥泵。邙山隧洞段施工时分离站从北岸搬至南岸，南岸竖井深达39.95m，受竖井周围场地（约2000m2）的限制，泥水分离站宜建在山上。盾构施工时仍使用1台送泥泵、3台排泥台，主排泥泵安装在盾构上，中继泵安装在南岸竖井底部，接力泵安装在竖井平台上。7.7地表沉降控制要求盾构需穿越不同埋深的地层，在不同位置水压力也不同，盾构应具有良好的泥水压力调整功能，满足地表沉

51、降控制在规定范围，保证能够顺利安全穿越黄河。为了减小泥水压力的波动宜采用气压式间接控制型泥水盾构。7.8精确的方向控制要求要求盾构具有良好的方向控制能力，导向系统具有很高的精度，以保证线路方向误差控制在规定的范围内。盾构方向的控制包括两个方面：一是盾构本身能够进行纠偏、转向，二是采用先进的导向技术保证盾构掘进方向的正确。7.9环境保护的要求环境保护包括三个方面：一是盾构施工时对周围自然环境的保护，使用的辅助材料如油脂、泥浆添加剂等不对环境造成污染；二是盾构及后配套设备无大的噪声、震动等；三是盾构法施工的现场环境管理，隧洞内的施工污水通过低压排污泵抽到污水箱，再通过污水箱中的高压泵泵送到泥浆回路

52、。7.10长距离掘进不换刀技术本工程在过河隧洞掘进时一次掘进距离长达3450m，为了安全可靠必须避免刀盘磨损和中途换刀。对刀盘和刀具必须进行耐磨性设计，刀盘的面板焊接格栅状的特殊耐磨材料，刀盘的外圈焊接高强度的耐磨板，在刀盘的开口部位进行表面硬化，充分保证刀盘在掘进时的耐磨性能。长距离掘进中途不换刀一般采用图8的两种方案。方案一：设计救援刀具，在初装刀具磨损到极限后将内藏的救援刀具伸出；方案二：采用高耐磨切刀，切刀的刀刃采用双层碳化钨结构。由于内藏式救援刀结构较复杂、成本较高，穿黄隧洞宜采用双层高耐磨碳化钨切刀。为确保刀具的高耐磨性所有刀具均采用碳化钨刀具，先行刀和切刀均采用双层碳化钨刀刃，并

53、设计有耐磨齿。在不同区域的切刀上安装刀具磨损量检测装置，及时掌握刀具的磨损情况，保证刀具正常工作，除此之外还应采取以下措施。1）刀具的排列行数在刀盘面板的同一轨迹上，通过增加刀具的排列行数来增加刀具数量，以减少每把刀具的磨损。2）采用超硬重型刀具连同安装刀具用的刀座一起大型化，加大刀具的宽度，以达到增大刀刃的耐磨性3）刀具背面进行耐磨防护在超硬刀具背面进行充分的硬化堆焊，设计双排碳钨合金柱齿，防止刀具的基材磨损。4）带压换刀作为应急措施配备双气路的双室人仓，以便在压缩空气下带压进入开挖室和隧洞掌子面，确保万一需要换刀时的施工安全和快速作业。7.11盾构的可靠性和安全性盾构施工时应保证人员及设备

54、的安全。盾构的可靠性是工程施工的重要保障，盾构的关键部件必须在施工过程中万无一失，做到百分之百的可靠。盾构的可靠性表现在以下方面：对地质的适应性，整体设计的可靠性；设备本身性能、质量、使用寿命等的可靠性；在盾构设计的同时应该考虑到应用先进的技术来确保施工安全及人员和设备的安全。为了保证刀具检修更换及处理障碍物作业的特殊空间需要，刀盘可采用可伸缩型并具有足够的伸缩行程，必要时在沉浸墙上设置隔板安全门，保证在常压下进入气压调节仓进行维修破碎机和进行吸泥管的排堵，确保作业的快速和安全。8、泥水处理设备的选择8.1泥水处理概述泥水盾构是通过加压泥水来稳定开挖面，开挖土碴与泥浆混合由排浆泵输送到洞外的泥

55、水分离站，经分离后进入泥浆调整池进行泥水性状调整后，由送泥泵将泥浆送往盾构的泥水平衡仓重复使用，将泥水中的水和土分离的过程称为泥水处理。泥水处理分为三级。一级泥水处理的对象是粒径74m以上的砂和砾石，工艺比较简单，用振动筛或有旋流器的离心机等设备对其进行筛分，分离出的土颗粒用车运走。二级泥水处理的对象主要是一级处理时不能分离的74m以下的淤泥、粘土等的细小颗粒。三级处理是对需排放的剩余水作PH值调整，使泥水排放达到国家环保要求。泥水处理系统设于地面，由泥水分离系统和泥浆制备系统两部分组成。泥水分离系统主要由振动筛、旋流器、储浆槽、调整槽、碴浆泵等组成；泥浆制备系统由沉淀池、调浆池、制浆设备等组

56、成。8.2泥水分离站选型选择泥水分离设备时必须考虑两个方面：有效地分离排泥浆中的泥土和水分；具有与盾构最大推进速度相适应的分离能力。8.3泥水处理工艺地质不同，泥浆处理的工艺也不同。在一般情况下砂质土只需进行一级处理，粘性土需进行二级处理，对需排放的剩余水进行三级处理，作PH值调整。1）一级除砂处理盾构在砂砾石层或细砂、中粗砂层掘进时只需进行一级除砂处理。其工艺流程如下：竖井内的排泥泵将携带土碴的污浆输送到分离站的预筛器，经振动筛选后，粒径在3mm以上的碴料分离出来，筛余的泥浆进入储浆槽，由碴浆泵从储浆槽内抽吸泥浆，在泵的出口具有一定储能的泥浆沿输浆软管从旋流除砂器进浆口切向射入，经过旋流除砂器分选，粒级74um以上的泥砂由下端的沉砂嘴排除落入细筛；细筛脱水筛选后，干燥的细碴料分离出来；经过第二道筛选的泥浆循环返回储浆槽内，处理后的干净泥浆从旋流器溢流管进入中储箱，然后沿出浆软管输送到调浆池。2）二级除砂处理盾构在粉土、粉砂层掘进时