南水北調(diào)中線一期穿黃工程盾構(gòu)選型

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1、前言

　　南水北調(diào)中線工程屬特大型跨流域調(diào)水工程，從長(zhǎng)江支流漢江上的丹江口水庫(kù)引水，跨江、淮、黃、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。主體工程由水源區(qū)工程和輸水工程兩大部分組成，輸水工程包括總干渠、天津干渠工程以及穿黃河工程。

　　穿黃工程是南水北調(diào)中線總干渠與黃河的交叉建筑物，是總干渠上規(guī)模最大、技術(shù)最復(fù)雜并控制工期的關(guān)鍵性工程，一期設(shè)計(jì)輸水流量265m³/s、加大設(shè)計(jì)流量320m³/s.為確保穿黃工程萬(wàn)無一失，水利部指派黃河水利委員會(huì)勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院和長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院兩 大全國(guó)最權(quán)威的水利部門分別獨(dú)立設(shè)計(jì)渡槽、隧洞兩個(gè)方案。

　　隧洞方案與渡槽方案相比，可免受溫度、冰凍、大風(fēng)、意外災(zāi)害等不利因素影響，耐久性好，檢修維護(hù)相對(duì)簡(jiǎn)單；采用渡槽方案則增加了世界治水史上最為宏偉的人文景觀，而且還可以成為具有較高開發(fā)價(jià)值的旅游資源。從技術(shù)上看，無論是渡槽還是隧洞方案都是可行的，并且工程造價(jià)相當(dāng)。經(jīng)過水利部及國(guó)家計(jì)委組織的專家多次審查，考慮到隧洞方案可避免與黃河河勢(shì)、黃河規(guī)劃的矛盾，且盾構(gòu)法施工技術(shù)國(guó)內(nèi)外都有成功經(jīng)驗(yàn)，因此最終選擇了隧洞方案。

　　2、工程概況

　　穿黃工程位于河南省鄭州市上游約30km處，線路總長(zhǎng)19.30km，南起滎陽(yáng)市李村村西，北至河南焦作市溫縣陳溝村西。主體工程由南北岸渠道、南岸退水洞、進(jìn)口建筑物、穿黃隧洞、出口建筑物、北岸防護(hù)堤、北岸新老蟒河交叉工程以及孤柏嘴控導(dǎo)工程等組成。

　　穿黃隧洞總長(zhǎng)4250m，包括過河隧洞段和邙山隧洞段，雙洞布置，隧洞軸線間距為28m，兩洞各采用一臺(tái)盾構(gòu)自北向南推進(jìn)。穿黃隧洞最大埋深35m，最小埋深23m；最高水壓為0.45MPa；最小曲線半徑為800m；過河隧洞段坡度為1‰和2‰，邙山隧洞段坡度為49.107‰；穿黃隧洞為圓斷面，內(nèi)徑？7.0m，外徑8.7m，隧洞外層為7等分裝配式普通鋼筋混凝土管片結(jié)構(gòu)，管片內(nèi)徑為7.9m，外徑為8.7m，管片寬度1.6m；內(nèi)層為現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土整體結(jié)構(gòu)，厚45cm，標(biāo)準(zhǔn)分段長(zhǎng)度為9.6m，隧洞內(nèi)襯在與北岸和南岸施工豎井銜接的洞段以及地層變化洞段將局部加密；內(nèi)外層襯砌由彈性防、排水墊層相隔。

　　3、工程地質(zhì)

　　過河隧洞樁號(hào)5＋658.57～9+108.57，全長(zhǎng)3450m.北岸始發(fā)豎井中心高程67m，樁號(hào)9＋108.57；南岸到達(dá)豎井中心高程72.45m，樁號(hào)5＋658.57.過河隧洞穿越的主要地層為Q2粉質(zhì)壤土、Q41砂層和砂礫（泥礫）石層。根據(jù)隧洞圍土的組成可劃分為三種類型：

　　1）單一粘土結(jié)構(gòu)隧洞圍土為Q2粉質(zhì)壤土層，分布在樁號(hào)5+658～6+033和7+109～7+919，總長(zhǎng)1185m.

　　2）上砂下土結(jié)構(gòu)隧洞圍土上部為Q41砂層，下部為Q2粉質(zhì)壤土層，分布在樁號(hào)6+033～7+109和7+919～8+233，總長(zhǎng)1390m.

　　3）單一砂土結(jié)構(gòu)隧洞圍土主要為Q41中砂層，局部為粗砂層，砂層中零星分布砂礫石透鏡體，該類結(jié)構(gòu)分布在樁號(hào)8+233以北，長(zhǎng)875m.

　　過河隧洞開挖范圍內(nèi)，礫卵石粒徑2～10cm；Q2粉質(zhì)壤土中夾有鈣質(zhì)結(jié)核層；Q41砂層中石英顆粒含量較高，達(dá)40％～70％，且分布有泥礫層和砂礫石透鏡體，局部有淤泥質(zhì)粉質(zhì)壤土透鏡體；在樁號(hào)8+670～8+940之間，隧洞底板分布有Q3粉質(zhì)粘土，應(yīng)考慮其變形特性。根據(jù)目前地質(zhì)勘察資料，不排除在隧洞掘進(jìn)過程中偶遇粒徑大于15cm的塊石、枯樹及上第三系粘土巖、砂巖、粉砂巖和砂質(zhì)粘土巖的可能性。上第三系的粘土巖、砂巖、粉砂巖和砂質(zhì)粘土巖成巖作用差。粘土巖強(qiáng)度較Q2粘土略高，抗壓強(qiáng)度為0.53 MPa；砂巖一般為泥質(zhì)膠結(jié)，強(qiáng)度低，抗壓強(qiáng)度為0.62MPa.局部分布有薄層鈣質(zhì)膠結(jié)的砂巖，呈堅(jiān)硬狀，強(qiáng)度較高，抗壓強(qiáng)度為16.5MPa.

　　邙山隧洞段樁號(hào)5+658.57～4＋893.57，長(zhǎng)800m.樁號(hào)4＋893.57～5＋090隧洞段為黃土狀壤土；樁號(hào)5＋090～5＋359.08段為粉質(zhì)壤土，中間夾3層古土壤層；樁號(hào)5＋359.08～5＋658.57段為粉質(zhì)壤土，中間夾4層古土壤層，其下多富積鈣質(zhì)結(jié)核或鈣質(zhì)結(jié)核層。粉質(zhì)壤土滲透系數(shù)k＝1×10－5cm/s，黃土滲透系數(shù)為1×10－5～1×10－4cm/s.黃土狀粉質(zhì)壤土滲透系數(shù)k＝3.7×10－5～1.0×10－4cm/s.過河隧洞段穿越的飽和含水砂層，其滲透系數(shù)k＝10-3～10-2cm/s.

　　4、盾構(gòu)類型的選擇

　　4.1盾構(gòu)類型與地層的關(guān)系

　　盾構(gòu)選型應(yīng)從安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性等方面綜合考慮，所選擇的機(jī)型要能盡量減少輔助施工法并確保施工安全可靠。不同類型的盾構(gòu)適應(yīng)的地質(zhì)范圍不同，盾構(gòu)選型的主要依據(jù)是土質(zhì)條件、巖性，要確保所選擇的盾構(gòu)能適應(yīng)地質(zhì)條件，保持開挖面穩(wěn)定。

　　土壓平衡盾構(gòu)是依靠推進(jìn)油缸的推力給土倉(cāng)內(nèi)的開挖土碴加壓，使土壓作用于開挖面使其穩(wěn)定，主要適用于粉土、粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粉土和粉砂層等粘稠土壤的施工。在粘性土層中掘進(jìn)時(shí)，由刀盤切削下來的土體進(jìn)入土倉(cāng)后由螺旋機(jī)輸出，在螺旋機(jī)內(nèi)形成壓力梯降，保持土倉(cāng)壓力穩(wěn)定，使開挖面土層處于穩(wěn)定。盾構(gòu)向前推進(jìn)的同時(shí)螺旋機(jī)排土，使排土量等于開挖量，即可使開挖面的地層始終保持穩(wěn)定。當(dāng)含砂量超過某一限度時(shí)泥土的塑流性明顯變差，土倉(cāng)內(nèi)的土體因固結(jié)作用而被壓密，導(dǎo)致碴土難以排送，需向土倉(cāng)內(nèi)注水或泡沫、泥漿等，以改善土體的塑流性。

　　泥水盾構(gòu)利用循環(huán)懸浮液的體積對(duì)泥漿壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，采用膨潤(rùn)土懸浮液（俗稱泥漿）作為支護(hù)材料。開挖面的穩(wěn)定是將泥漿送入泥水平衡倉(cāng)內(nèi)，在開挖面上用泥漿形成不透水的泥膜，通過該泥膜保持水壓力，以平衡作用于開挖面的土壓力和水壓力。開挖的土砂以泥漿形式輸送到地面，通過泥水處理設(shè)備進(jìn)行分離，分離后的泥水進(jìn)行質(zhì)量調(diào)整，再輸送到開挖面。泥水盾構(gòu)適用的地質(zhì)范圍較大，能適應(yīng)穿黃工程的所有地質(zhì)。

　　從地質(zhì)條件來看，本工程可使用加泥式土壓平衡盾構(gòu)和泥水平衡盾構(gòu)。但使用加泥式土壓平衡盾構(gòu)在砂層和砂礫（泥礫）石層施工時(shí)需要向開挖倉(cāng)中注添加劑，以改善碴土的性能，使其成為具有良好塑流性、低的摩擦系數(shù)及止水性的碴土，且對(duì)于砂礫（泥礫）石層，開挖破碎后可能會(huì)有大顆粒碴土，需要考慮螺旋輸送機(jī)通過粒徑的能力。泥水盾構(gòu)能適應(yīng)粉質(zhì)壤土、砂層和砂礫（泥礫）石層等各種地質(zhì)，對(duì)于砂礫（泥礫）石層可在泥水平衡倉(cāng)內(nèi)設(shè)置破碎機(jī)。

　　4.2盾構(gòu)類型與水壓及滲透性的關(guān)系

　　地層滲透系數(shù)是盾構(gòu)選型的重要因素。根據(jù)歐美和日本的施工經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)?shù)貙拥臐B透系數(shù)小于10-7m/s時(shí)可以選用土壓平衡盾構(gòu)；當(dāng)?shù)貙拥臐B透系數(shù)在10-7m/s和10-4m/s之間時(shí)既可選用土壓平衡盾構(gòu)也可選用泥水盾構(gòu)；當(dāng)?shù)貙拥臐B透系數(shù)大于10-4m/s時(shí)，如采用土壓平衡盾構(gòu)開挖倉(cāng)中添加劑將被稀釋，水、砂、砂礫相互混合后土碴不易形成具有良好塑性及止水性碴土，在螺旋機(jī)出碴門處易發(fā)生噴涌，施工困難。本工程過河隧洞段穿越的飽和含水砂層，其滲透系數(shù)k＝10-3～10-2cm/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過土壓平衡盾構(gòu)允許的最大范圍，因此宜采用泥水盾構(gòu)。

　　當(dāng)水壓大于0.3MPa時(shí)螺旋輸送機(jī)也難以形成有效的土塞效應(yīng)，在輸送機(jī)排土閘門處易發(fā)生水土噴涌現(xiàn)象，引起土倉(cāng)中土壓力下降，導(dǎo)致開挖面坍塌。本工程水壓高達(dá)0.45MPa，采用泥水盾構(gòu)最適應(yīng)南水北調(diào)中線一期穿黃工程的地質(zhì)情況和水文情況，可以確保穿黃隧洞工程施工安全可靠。

　　5、盾構(gòu)驅(qū)動(dòng)方式的選擇

　　由于受始發(fā)豎井結(jié)構(gòu)尺寸的限制，盾構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要求結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、起動(dòng)扭矩大、設(shè)備的散熱溫度低，所以對(duì)盾構(gòu)驅(qū)動(dòng)方式的選擇非常關(guān)鍵。驅(qū)動(dòng)方式有三種，一是變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，二是液壓驅(qū)動(dòng)，三是定速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，鑒于定速電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)刀盤轉(zhuǎn)速不能調(diào)節(jié)，一般不采用?，F(xiàn)將變頻驅(qū)動(dòng)與液壓驅(qū)動(dòng)進(jìn)行比較，見表1.經(jīng)綜合評(píng)價(jià)宜采用變頻驅(qū)動(dòng)。

　　6、泥水壓力控制模式的選擇

　　泥水盾構(gòu)根據(jù)泥水平衡倉(cāng)構(gòu)造形式和對(duì)泥漿壓力的控制方式不同分為直接控制型和間接控制型。

　　直接控制型泥水盾構(gòu)采用泥水直接加壓模式，其泥水輸送系統(tǒng)的流程如下：送泥泵從地面調(diào)漿池將新鮮泥漿輸入盾構(gòu)泥水倉(cāng)，與開挖泥土進(jìn)行混合形成稠泥漿，然后由排泥泵輸送到地面泥水分離處理站，經(jīng)分離后排除土碴，而稀泥漿流向調(diào)漿池，再對(duì)泥漿密度和濃度進(jìn)行調(diào)整后，重新輸入盾構(gòu)循環(huán)使用。直接控制型泥水盾構(gòu)的泥水壓力通過調(diào)節(jié)送泥泵轉(zhuǎn)速或調(diào)節(jié)控制閥的開度來進(jìn)行，送泥泵安在地面，控制距離長(zhǎng)而產(chǎn)生延遲效應(yīng)不便于控制泥漿壓力，因此常用調(diào)節(jié)控制閥的開度來進(jìn)行泥漿壓力調(diào)節(jié)。

　　間接控制型泥水盾構(gòu)的泥水壓力控制采用氣壓模式，由泥漿和空氣雙重回路組成。在盾構(gòu)的泥水倉(cāng)內(nèi)插裝一道半隔板（沉浸墻），在半隔板前充以壓力泥漿，在半隔板后面盾構(gòu)軸心線以上部分充以壓縮空氣，形成空氣緩沖層，氣壓作用在隔板后面與泥漿的接觸面上，由于接觸面上氣、液具有相同壓力，因此只要調(diào)節(jié)空氣壓力就可以確定和保持在開挖面上相應(yīng)的泥漿支護(hù)壓力，由于空氣緩沖層的彈性作用，當(dāng)液位波動(dòng)時(shí)對(duì)支護(hù)泥漿壓力變化無明顯影響，泥水壓力的波動(dòng)小，控制精度高，對(duì)開挖面土層支護(hù)更為穩(wěn)定，對(duì)地表變形控制也更為有利，因此選擇間接控制型泥水盾構(gòu)最佳。

　　7、本工程對(duì)泥水盾構(gòu)的設(shè)計(jì)要求

　　7.1對(duì)砂土地層及砂卵石地層的適應(yīng)性

　　過河隧洞段穿越的主要地層為Q2粉質(zhì)壤土、Q41砂層和砂礫（泥礫）石層。其中上砂下土結(jié)構(gòu)的地層總長(zhǎng)1390m，隧洞上部為Q41砂層；單一砂土結(jié)構(gòu)的地層總長(zhǎng)為875m，隧洞主要為Q41中砂層，局部為粗砂層，砂層中零星分布砂礫石透鏡體。

　　這種地層石英含量高，對(duì)刀盤、刀具、管路的磨損性強(qiáng)，砂土地層滲透性大，需要的泥水平衡壓力更大，而需要的扭矩通常較小，在這種地層中施工通常要損失更多的泥漿。施工中應(yīng)特別注意泥漿循環(huán)的速度不能低于防止泥漿沉淀所需的最小速度，因此盾構(gòu)在砂土地段的施工時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮以下功能：①具備平衡掌子面水土壓力的能力；②刀盤、刀具、泥漿管路的高耐磨性；④合理的刀盤及刀具設(shè)計(jì)，恰當(dāng)?shù)牡侗P開口率，合理的開口位置；⑤盾構(gòu)本體在壓力狀態(tài)下的防水密封性能；⑥防止流砂；⑦人倉(cāng)設(shè)計(jì)；⑧管片壁后同步注漿系統(tǒng)；⑨能夠?qū)^大的卵石進(jìn)行破碎，有效防止堵管情況的發(fā)生。

　　7.2適應(yīng)卵石、孤石、古樹等不良地質(zhì)

　　砂卵石地層中土體屬松散體，若采用適用于硬巖的滾刀進(jìn)行破巖，則在滾刀的掘進(jìn)擠壓下土體會(huì)產(chǎn)生較大的變形，滾刀將不轉(zhuǎn)動(dòng)，大大降低了滾刀的切削效果，有時(shí)甚至喪失切削破碎能力。穿越砂卵石地層宜采用碳化鎢球齒滾刀（圖2）或碳化鎢撕裂刀（圖3），但碳化鎢球齒滾刀不能對(duì)古樹等進(jìn)行有效破碎，為了適應(yīng)卵石、孤石、古樹等不良地質(zhì)，采用碳化鎢撕裂刀較適應(yīng)穿黃工程的不良復(fù)雜地質(zhì)。

　　在泥水平衡倉(cāng)的底部的排泥管前面安裝一個(gè)顎板式碎石機(jī)，用來破碎漂石和鈣質(zhì)結(jié)核，使其破碎后能通過排漿管排出。破碎機(jī)配有欄石隔柵，用來限制進(jìn)入排泥管路石塊的尺寸。

　　7.3對(duì)軟硬不均地層的適應(yīng)性

　　過河隧洞段穿越的地層主要有全土層、全砂土層、復(fù)合層、鈣質(zhì)結(jié)核土層和砂礫石層（或泥礫層），邙山隧洞段穿越的地層主要有全土層和鈣質(zhì)結(jié)核土層。刀盤上布置雙層碳化鎢先行刀（撕裂刀）、雙層碳化鎢切刀和碳化鎢刮刀。碳化鎢刀具的高強(qiáng)度和高耐磨性完全適應(yīng)穿黃工程的地質(zhì)條件。對(duì)于地層較大的卵石，在泥水室中安裝液壓油缸驅(qū)動(dòng)的破碎機(jī)（圖4）進(jìn)行破碎。刀盤上焊接的耐磨條及耐磨焊層也是刀盤在復(fù)合地層中掘進(jìn)時(shí)的重要保證措施。

　　盾構(gòu)在軟硬不均地段掘進(jìn)時(shí)，由于刀盤的受力不均而易發(fā)生姿態(tài)較難控制的現(xiàn)象，為此盾構(gòu)的推進(jìn)油缸在圓周方向進(jìn)行分組，每組可以單獨(dú)調(diào)整推進(jìn)力和推進(jìn)行程而改變盾構(gòu)的掘進(jìn)方向。盾構(gòu)采用先進(jìn)的激光導(dǎo)向系統(tǒng)，盾構(gòu)的姿態(tài)可以隨時(shí)反映在操作室內(nèi)，從而可以對(duì)盾構(gòu)的姿態(tài)隨時(shí)進(jìn)行靈活的調(diào)整，同時(shí)配合調(diào)整刀盤的推力和扭矩參數(shù)保證盾構(gòu)在軟硬不均地段保持正確的姿態(tài)。

　　7.4對(duì)粘土地層的適應(yīng)性

　　總體而言，粘土地層的滲透性更小、自穩(wěn)性更好，因此需要的泥水平衡的壓力比在砂層中更小。但粘性地層掘進(jìn)時(shí)刀盤需要更大的扭矩，盾構(gòu)需配備較大的刀盤驅(qū)動(dòng)功率；同時(shí)要防止刀盤中心粘結(jié)泥餅和防止排泥管路堵塞。

　　刀盤中心部位線速度較低，粘土、粉土、膨潤(rùn)土等粘稠土體在中心部位的流動(dòng)性較差，粘性土容易在中心部位沉積，同時(shí)在泥水倉(cāng)的后部也容易粘結(jié)泥餅。設(shè)計(jì)盾構(gòu)時(shí)采用如下措施：

　?、俨捎门驖?rùn)土泥漿沖洗系統(tǒng)，在刀盤的中心設(shè)計(jì)膨潤(rùn)土注入口，用于對(duì)刀盤中心部位進(jìn)行沖洗和清理；

　?、诩哟笾行牟课婚_口率，使粘性土沒有粘結(jié)的位置，直接從刀盤開口順利進(jìn)入到泥水室；

　?、鄣侗P開口部位采用特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，開口設(shè)計(jì)成楔形梯形結(jié)構(gòu)，使開口逐漸變大，利于碴土的流動(dòng)。

　　在粘土地層中特別容易發(fā)生排泥管堵塞，為防止堵管、對(duì)泥漿系統(tǒng)需進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)，安裝電磁控制球閥和相應(yīng)管路，可以實(shí)現(xiàn)在進(jìn)排漿管中進(jìn)行反循環(huán)，反循環(huán)的目的是清理堵塞的排泥管。此外，在氣倉(cāng)的底部安裝電磁球閥，在開挖模式下盾構(gòu)司機(jī)可以在切削倉(cāng)的上面實(shí)現(xiàn)反向循環(huán)，以便清理在破碎機(jī)和倉(cāng)室底部的沉積物，在粘土地層中掘進(jìn)時(shí)這種沉積物更是經(jīng)常發(fā)生。反循環(huán)和底部注入可以在需要的基礎(chǔ)上周期性使用，同時(shí)需采用重型的排泥泵，設(shè)計(jì)較大的排泥通道，能夠泵送的最大粒徑不小于180mm.泥漿泵的關(guān)鍵部件進(jìn)行耐磨設(shè)計(jì)，以便適應(yīng)泵送的磨損性介質(zhì)。

　　7.5對(duì)高水壓的適應(yīng)性

　　過河隧洞穿越地層主要為富含地下水的砂土層，地下水壓力高達(dá)0.45MPa，在高水壓下施工，施工安全和工程防水是第一重點(diǎn)，隧洞防水是盾構(gòu)法施工的關(guān)鍵。盾構(gòu)在高水壓地段推進(jìn)，重點(diǎn)是保證主軸承密封、盾尾密封在高承壓狀態(tài)下的正常工作。

　　1）主軸承密封主軸承內(nèi)外密封應(yīng)具有自動(dòng)潤(rùn)滑功能、自動(dòng)密封功能、自動(dòng)檢測(cè)密封的工作狀況功能和密封磨損后的繼續(xù)使用功能，可采用唇形密封（圖5）或指形密封（圖6）。

　　2）盾尾密封盾尾密封（圖7）是集彈簧鋼、鋼絲刷及不銹鋼金屬網(wǎng)于一體的結(jié)構(gòu)，在彈簧鋼和鋼絲刷上涂氟樹脂進(jìn)行防銹處理。盾尾密封可采用4道鋼絲刷密封或3道鋼絲刷密封加1道鋼板束，在各盾尾密封之間注入油脂來提高止水性能。在盾尾設(shè)計(jì)1道膨脹應(yīng)急密封，當(dāng)鋼絲刷密封正常時(shí)該密封彎曲在盾尾的溝槽里不起密封作用。當(dāng)鋼絲刷密封失效時(shí)通過注水或充氣使該密封膨脹，將管片外側(cè)與盾尾內(nèi)側(cè)之間的間隙完全密封以防止涌水從盾尾漏入隧洞內(nèi)，并可在隧洞內(nèi)安全更換前2～3道鋼絲刷密封。

　　7.6對(duì)深豎井及長(zhǎng)距離泥水輸送的適應(yīng)性

　　過河隧洞掘進(jìn)時(shí)從北岸始發(fā)，北岸豎井深達(dá)50.5m，且隧洞線路長(zhǎng)，長(zhǎng)距離水平輸送和高揚(yáng)程的垂直輸送要求送排泥泵具有大功率和大揚(yáng)程。送排泥泵均采用變頻驅(qū)動(dòng)。送泥泵采用1臺(tái)大功率、大揚(yáng)程、大流量的重型泥漿泵；排泥泵采用3臺(tái)大功率、大揚(yáng)程、大流量的重型泥漿泵。具體是在盾構(gòu)后配套拖車上安裝1臺(tái)主排泥泵，在豎井底部安裝1臺(tái)接力泵，當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)到過河隧洞的中間時(shí)在隧道內(nèi)安裝1臺(tái)中繼排泥泵。

　　邙山隧洞段施工時(shí)分離站從北岸搬至南岸，南岸豎井深達(dá)39.95m，受豎井周圍場(chǎng)地（約2000m2）的限制，泥水分離站宜建在山上。盾構(gòu)施工時(shí)仍使用1臺(tái)送泥泵、3臺(tái)排泥臺(tái)，主排泥泵安裝在盾構(gòu)上，中繼泵安裝在南岸豎井底部，接力泵安裝在豎井平臺(tái)上。

　　7.7地表沉降控制要求

　　盾構(gòu)需穿越不同埋深的地層，在不同位置水壓力也不同，盾構(gòu)應(yīng)具有良好的泥水壓力調(diào)整功能，滿足地表沉降控制在規(guī)定范圍，保證能夠順利安全穿越黃河。為了減小泥水壓力的波動(dòng)宜采用氣壓式間接控制型泥水盾構(gòu)。

　　7.8精確的方向控制要求

　　要求盾構(gòu)具有良好的方向控制能力，導(dǎo)向系統(tǒng)具有很高的精度，以保證線路方向誤差控制在規(guī)定的范圍內(nèi)。盾構(gòu)方向的控制包括兩個(gè)方面：一是盾構(gòu)本身能夠進(jìn)行糾偏、轉(zhuǎn)向，二是采用先進(jìn)的導(dǎo)向技術(shù)保證盾構(gòu)掘進(jìn)方向的正確。

　　7.9環(huán)境保護(hù)的要求

　　環(huán)境保護(hù)包括三個(gè)方面：一是盾構(gòu)施工時(shí)對(duì)周圍自然環(huán)境的保護(hù)，使用的輔助材料如油脂、泥漿添加劑等不對(duì)環(huán)境造成污染；二是盾構(gòu)及后配套設(shè)備無大的噪聲、震動(dòng)等；三是盾構(gòu)法施工的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境管理，隧洞內(nèi)的施工污水通過低壓排污泵抽到污水箱，再通過污水箱中的高壓泵泵送到泥漿回路。

　　7.10長(zhǎng)距離掘進(jìn)不換刀技術(shù)

　　本工程在過河隧洞掘進(jìn)時(shí)一次掘進(jìn)距離長(zhǎng)達(dá)3450m，為了安全可靠必須避免刀盤磨損和中途換刀。對(duì)刀盤和刀具必須進(jìn)行耐磨性設(shè)計(jì)，刀盤的面板焊接格柵狀的特殊耐磨材料，刀盤的外圈焊接高強(qiáng)度的耐磨板，在刀盤的開口部位進(jìn)行表面硬化，充分保證刀盤在掘進(jìn)時(shí)的耐磨性能。長(zhǎng)距離掘進(jìn)中途不換刀一般采用圖8的兩種方案。方案一：設(shè)計(jì)救援刀具，在初裝刀具磨損到極限后將內(nèi)藏的救援刀具伸出；方案二：

　　采用高耐磨切刀，切刀的刀刃采用雙層碳化鎢結(jié)構(gòu)。由于內(nèi)藏式救援刀結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、成本較高，穿黃隧洞宜采用雙層高耐磨碳化鎢切刀。

　　為確保刀具的高耐磨性所有刀具均采用碳化鎢刀具，先行刀和切刀均采用雙層碳化鎢刀刃，并設(shè)計(jì)有耐磨齒。在不同區(qū)域的切刀上安裝刀具磨損量檢測(cè)裝置，及時(shí)掌握刀具的磨損情況，保證刀具正常工作，除此之外還應(yīng)采取以下措施。

　　1）刀具的排列行數(shù)在刀盤面板的同一軌跡上，通過增加刀具的排列行數(shù)來增加刀具數(shù)量，以減少每把刀具的磨損。

　　2）采用超硬重型刀具連同安裝刀具用的刀座一起大型化，加大刀具的寬度，以達(dá)到增大刀刃的耐磨性

　　3）刀具背面進(jìn)行耐磨防護(hù)在超硬刀具背面進(jìn)行充分的硬化堆焊，設(shè)計(jì)雙排碳鎢合金柱齒，防止刀具的基材磨損。

　　4）帶壓換刀作為應(yīng)急措施配備雙氣路的雙室人倉(cāng)，以便在壓縮空氣下帶壓進(jìn)入開挖室和隧洞掌子面，確保萬(wàn)一需要換刀時(shí)的施工安全和快速作業(yè)。

　　7.11盾構(gòu)的可靠性和安全性

　　盾構(gòu)施工時(shí)應(yīng)保證人員及設(shè)備的安全。盾構(gòu)的可靠性是工程施工的重要保障，盾構(gòu)的關(guān)鍵部件必須在施工過程中萬(wàn)無一失，做到百分之百的可靠。盾構(gòu)的可靠性表現(xiàn)在以下方面：對(duì)地質(zhì)的適應(yīng)性，整體設(shè)計(jì)的可靠性；設(shè)備本身性能、質(zhì)量、使用壽命等的可靠性；在盾構(gòu)設(shè)計(jì)的同時(shí)應(yīng)該考慮到應(yīng)用先進(jìn)的技術(shù)來確保施工安全及人員和設(shè)備的安全。

　　為了保證刀具檢修更換及處理障礙物作業(yè)的特殊空間需要，刀盤可采用可伸縮型并具有足夠的伸縮行程，必要時(shí)在沉浸墻上設(shè)置隔板安全門，保證在常壓下進(jìn)入氣壓調(diào)節(jié)倉(cāng)進(jìn)行維修破碎機(jī)和進(jìn)行吸泥管的排堵，確保作業(yè)的快速和安全。

　　8、泥水處理設(shè)備的選擇

　　8.1泥水處理概述

　　泥水盾構(gòu)是通過加壓泥水來穩(wěn)定開挖面，開挖土碴與泥漿混合由排漿泵輸送到洞外的泥水分離站，經(jīng)分離后進(jìn)入泥漿調(diào)整池進(jìn)行泥水性狀調(diào)整后，由送泥泵將泥漿送往盾構(gòu)的泥水平衡倉(cāng)重復(fù)使用，將泥水中的水和土分離的過程稱為泥水處理。

　　泥水處理分為三級(jí)。一級(jí)泥水處理的對(duì)象是粒徑74μm以上的砂和礫石，工藝比較簡(jiǎn)單，用振動(dòng)篩或有旋流器的離心機(jī)等設(shè)備對(duì)其進(jìn)行篩分，分離出的土顆粒用車運(yùn)走。二級(jí)泥水處理的對(duì)象主要是一級(jí)處理時(shí)不能分離的74μm以下的淤泥、粘土等的細(xì)小顆粒。三級(jí)處理是對(duì)需排放的剩余水作PH值調(diào)整，使泥水排放達(dá)到國(guó)家環(huán)保要求。

　　泥水處理系統(tǒng)設(shè)于地面，由泥水分離系統(tǒng)和泥漿制備系統(tǒng)兩部分組成。泥水分離系統(tǒng)主要由振動(dòng)篩、旋流器、儲(chǔ)漿槽、調(diào)整槽、碴漿泵等組成；泥漿制備系統(tǒng)由沉淀池、調(diào)漿池、制漿設(shè)備等組成。

　　8.2泥水分離站選型

　　選擇泥水分離設(shè)備時(shí)必須考慮兩個(gè)方面：①有效地分離排泥漿中的泥土和水分；②具有與盾構(gòu)最大推進(jìn)速度相適應(yīng)的分離能力。

　　8.3泥水處理工藝

　　地質(zhì)不同，泥漿處理的工藝也不同。在一般情況下砂質(zhì)土只需進(jìn)行一級(jí)處理，粘性土需進(jìn)行二級(jí)處理，對(duì)需排放的剩余水進(jìn)行三級(jí)處理，作PH值調(diào)整。

　　1）一級(jí)除砂處理盾構(gòu)在砂礫石層或細(xì)砂、中粗砂層掘進(jìn)時(shí)只需進(jìn)行一級(jí)除砂處理。其工藝流程如下：豎井內(nèi)的排泥泵將攜帶土碴的污漿輸送到分離站的預(yù)篩器，經(jīng)振動(dòng)篩選后，粒徑在3mm以上的碴料分離出來，篩余的泥漿進(jìn)入儲(chǔ)漿槽，由碴漿泵從儲(chǔ)漿槽內(nèi)抽吸泥漿，在泵的出口具有一定儲(chǔ)能的泥漿沿輸漿軟管從旋流除砂器進(jìn)漿口切向射入，經(jīng)過旋流除砂器分選，粒級(jí)74um以上的泥砂由下端的沉砂嘴排除落入細(xì)篩；細(xì)篩脫水篩選后，干燥的細(xì)碴料分離出來；經(jīng)過第二道篩選的泥漿循環(huán)返回儲(chǔ)漿槽內(nèi)，處理后的干凈泥漿從旋流器溢流管進(jìn)入中儲(chǔ)箱，然后沿出漿軟管輸送到調(diào)漿池。

　　2）二級(jí)除砂處理盾構(gòu)在粉土、粉砂層掘進(jìn)時(shí)，一級(jí)除砂處理不足以將泥漿密度及含砂率降至合理范圍內(nèi)時(shí)需進(jìn)行二級(jí)除砂處理。其流程如下：盾構(gòu)排出的泥漿經(jīng)排泥管輸送至預(yù)振篩內(nèi)，預(yù)振篩將泥漿中3mm以上的砂礫篩除，經(jīng)旋流除砂分離及細(xì)篩脫水后清除74μm以上的砂質(zhì)顆粒，經(jīng)過第二道篩選的泥漿進(jìn)入小直徑旋流除砂器，將泥漿中剩余的74μm以上砂質(zhì)清除，并同時(shí)清除掉45μm以上的泥質(zhì)顆粒。二次除砂后的泥漿由出漿口輸送至沉淀池。

　　3）一級(jí)除砂、二級(jí)除泥處理在粘土地層掘進(jìn)時(shí)需進(jìn)行二級(jí)除泥處理。其工藝流程與二級(jí)除砂處理相似，不同之處在于旋流除泥器組的應(yīng)用。通過小直徑的長(zhǎng)錐除泥器和超細(xì)目振動(dòng)篩網(wǎng)的組合，二級(jí)除泥處理后泥漿中30μm以上的泥質(zhì)顆粒及時(shí)清除，粘度得以控制，見圖9.

　　4）三級(jí)處理三級(jí)處理是將進(jìn)入PH槽中的液體進(jìn)行酸堿處理，以達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。采用的材料主要是稀硫酸或適量的二氧化碳?xì)怏w。

　　8.4泥水性能管理

　　從泥水分離站排出的泥漿經(jīng)沉砂池沉淀后進(jìn)入調(diào)漿池，在調(diào)漿池內(nèi)由制漿系統(tǒng)的高速制漿機(jī)對(duì)泥漿進(jìn)行調(diào)配，確保輸送到盾構(gòu)的泥漿性能滿足使用要求。

　　在泥水循環(huán)利用的過程中，泥水性能的管理主要是對(duì)泥漿質(zhì)量的控制，即對(duì)泥漿最大顆粒粒徑、粒徑分布、泥漿密度、泥水粘度的管理。穿黃隧洞施工時(shí)泥水粘度一般控制在25～35s范圍內(nèi)。當(dāng)泥水粘度過大時(shí)排泥管易堵塞。泥水密度是一個(gè)主要控制指標(biāo)，過高將影響泥水的輸送，過低將破壞開挖面的穩(wěn)定，一般在能滿足開挖面穩(wěn)定的情況下泥水密度越小越好，這樣能節(jié)省泥水制作成本，減少膨潤(rùn)土的消耗。掘進(jìn)過程中對(duì)泥漿性狀進(jìn)行管理時(shí)根據(jù)地質(zhì)而定，送泥密度一般控制在1.15～1.2g/cm3之間。當(dāng)泥水密度偏低時(shí)通過快速制漿機(jī)加入膨潤(rùn)土進(jìn)入調(diào)整；當(dāng)密度偏高時(shí)加入清水進(jìn)行稀釋。

　　9、盾構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)的計(jì)算

　　盾構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)的計(jì)算是盾構(gòu)選型的參考依據(jù)，盾構(gòu)工作過程的力學(xué)參數(shù)計(jì)算是一個(gè)非常復(fù)雜的問題，由于受地質(zhì)因素、土質(zhì)改良方法和掘進(jìn)參數(shù)等一系列因素的影響，在盾構(gòu)參數(shù)計(jì)算的方法上存在很多的不確定因素。至今應(yīng)用的盾構(gòu)參數(shù)計(jì)算方法在很大程度上只是處于研究、探索階段，甚至很大程度上是一些經(jīng)驗(yàn)性的計(jì)算方法，盾構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)的計(jì)算主要包括以下內(nèi)容。

　　1）推力計(jì)算盾構(gòu)推進(jìn)過程中的阻力主要包括盾殼和土層的摩擦力、土壓的正面阻力、水壓的正面阻力、盾尾密封與管片之間的摩擦力、拖拉后配套的力。盾構(gòu)施工時(shí)為滿足上坡、曲線施工和糾偏的需要，無法充分利用所有的推進(jìn)油缸，推進(jìn)系統(tǒng)裝備的推進(jìn)力必須留有足夠的余量，總推力應(yīng)大于總阻力的1.3～1.5倍。

　　2）刀盤扭矩的計(jì)算盾構(gòu)在軟土中推進(jìn)時(shí)的扭矩包括切削扭矩（克服泥土切削阻力所需的扭矩）、刀盤自重形成的軸承扭矩、刀盤軸向荷載形成的軸承扭矩、主軸承密封裝置摩擦力矩、刀盤前面摩擦扭矩、刀盤圓周面的摩擦反力矩、刀盤背面摩擦力矩和刀盤開口槽的剪切力矩等。

　　3）功率計(jì)算主要包括主驅(qū)動(dòng)功率計(jì)算、推進(jìn)系統(tǒng)功率計(jì)算。

　　4）同步注漿能力的計(jì)算首先計(jì)算同步注漿應(yīng)具備的理論能力，再考慮1.5～1.8的注入率，同時(shí)還要考慮注漿泵的效率，一般按75%的效率計(jì)算。

　　5）泥水輸送系統(tǒng)參數(shù)的計(jì)算主要包括送排泥流量的計(jì)算、送排泥流速的計(jì)算、送排泥揚(yáng)程的計(jì)算。

　　10、結(jié)束語(yǔ)

　　盾構(gòu)選型主要依據(jù)招標(biāo)文件、工程勘察報(bào)告、隧洞設(shè)計(jì)和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，針對(duì)工程特點(diǎn)及難點(diǎn)、隧洞設(shè)計(jì)參數(shù)、盾構(gòu)施工工藝和進(jìn)度要求等因素進(jìn)行分析，對(duì)盾構(gòu)類型、驅(qū)動(dòng)方式、功能要求、主要技術(shù)參數(shù)和輔助設(shè)備的配置等進(jìn)行研究，并邀請(qǐng)具有同類盾構(gòu)制造經(jīng)驗(yàn)國(guó)際著名的盾構(gòu)制造商和國(guó)內(nèi)外盾構(gòu)設(shè)計(jì)、隧洞設(shè)計(jì)及盾構(gòu)施工方面的專家共同參與。經(jīng)過反復(fù)論證和研究，參照類似工程盾構(gòu)的選型及施工情況，完成適應(yīng)穿黃隧洞施工盾構(gòu)的選型工作，確定盾構(gòu)方案、主要功能、主要技術(shù)性能參數(shù)及輔助設(shè)備的配置。盾構(gòu)選型是盾構(gòu)法施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接影響盾構(gòu)隧洞的安全、質(zhì)量、工藝及成本，為了保證南水北調(diào)穿黃隧洞工程的順利完成，必須重視盾構(gòu)的選型工作。穿黃隧洞施工用盾構(gòu)應(yīng)進(jìn)行國(guó)際性招標(biāo)，在建設(shè)管理單位指導(dǎo)下進(jìn)行盾構(gòu)的采購(gòu)，邀請(qǐng)建設(shè)單位專家審核盾構(gòu)國(guó)際招標(biāo)文件。