穿黄工程范文1

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。

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、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部加密；内外层衬砌由弹性防、排水垫层相隔。

3、工程地质

过河隧洞桩号5＋658.57～9+108.57，全长3450m.北岸始发竖井中心高程67m，桩号9＋108.57；南岸到达竖井中心高程72.45m，桩号5＋658.57.过河隧洞穿越的主要地层为Q2粉质壤土、Q41砂层和砂砾（泥砾）石层。根据隧洞围土的组成可划分为三种类型：

1）单一粘土结构隧洞围土为Q2粉质壤土层，分布在桩号5+658～6+033和7+109～7+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+033～7+109和7+919～8+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.

过河隧洞开挖范围内，砾卵石粒径2～10cm；Q2粉质壤土中夹有钙质结核层；Q41砂层中石英颗粒含量较高，达40％～70％，且分布有泥砾层和砂砾石透镜体，局部有淤泥质粉质壤土透镜体；在桩号8+670～8+940之间，隧洞底板分布有Q3粉质粘土，应考虑其变形特性。根据目前地质勘察资料，不排除在隧洞掘进过程中偶遇粒径大于15cm的块石、枯树及上第三系粘土岩、砂岩、粉砂岩和砂质粘土岩的可能性。上第三系的粘土岩、砂岩、粉砂岩和砂质粘土岩成岩作用差。粘土岩强度较Q2粘土略高，抗压强度为0.53 MPa；砂岩一般为泥质胶结，强度低，抗压强度为0.62MPa.局部分布有薄层钙质胶结的砂岩，呈坚硬状，强度较高，抗压强度为16.5MPa.

邙山隧洞段桩号5+658.57～4＋893.57，长800m.桩号4＋893.57～5＋090隧洞段为黄土状壤土；桩号5＋090～5＋359.08段为粉质壤土，中间夹3层古土壤层；桩号5＋359.08～5＋658.57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k＝1×10－5cm/s，黄土渗透系数为1×10－5～1×10－4cm/s.黄土状粉质壤土渗透系数k＝3.7×10－5～1.0×10－4cm/s.过河隧洞段穿越的饱和含水砂层，其渗透系数k＝10-3～10-2cm/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。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k＝10-3～10-2cm/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**。

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：①具备平衡掌子面水土压力的能力；②刀盘、刀具、泥浆管路的高耐磨性；④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；⑤盾构本体在压力状态下的防水密封性能；⑥防止流砂；⑦人仓设计；⑧管片壁后同步注浆系统；⑨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。设计盾构时采用如下措施：

①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；

②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；

③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2～3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。

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74μm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74μm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：①有效地分离排泥浆中的泥土和水分；②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，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74μm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74μm以上砂质清除，并同时清除掉45μm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30μm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25～35s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1.15～1.2g/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1.3～1.5倍。

2）刀盘扭矩的计算盾构在软土中推进时的扭矩包括切削扭矩（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1.5～1.8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。

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。

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、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部加密；内外层衬砌由弹性防、排水垫层相隔。

3、工程地质

过河隧洞桩号5＋658.57～9+108.57，全长3450m.北岸始发竖井中心高程67m，桩号9＋108.57；南岸到达竖井中心高程72.45m，桩号5＋658.57.过河隧洞穿越的主要地层为Q2粉质壤土、Q41砂层和砂砾（泥砾）石层。根据隧洞围土的组成可划分为三种类型：

1）单一粘土结构隧洞围土为Q2粉质壤土层，分布在桩号5+658～6+033和7+109～7+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+033～7+109和7+919～8+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.

过河隧洞开挖范围内，砾卵石粒径2～10cm；Q2粉质壤土中夹有钙质结核层；Q41砂层中石英颗粒含量较高，达40％～70％，且分布有泥砾层和砂砾石透镜体，局部有淤泥质粉质壤土透镜体；在桩号8+670～8+940之间，隧洞底板分布有Q3粉质粘土，应考虑其变形特性。根据目前地质勘察资料，不排除在隧洞掘进过程中偶遇粒径大于15cm的块石、枯树及上第三系粘土岩、砂岩、粉砂岩和砂质粘土岩的可能性。上第三系的粘土岩、砂岩、粉砂岩和砂质粘土岩成岩作用差。粘土岩强度较Q2粘土略高，抗压强度为0.53 MPa；砂岩一般为泥质胶结，强度低，抗压强度为0.62MPa.局部分布有薄层钙质胶结的砂岩，呈坚硬状，强度较高，抗压强度为16.5MPa.

邙山隧洞段桩号5+658.57～4＋893.57，长800m.桩号4＋893.57～5＋090隧洞段为黄土状壤土；桩号5＋090～5＋359.08段为粉质壤土，中间夹3层古土壤层；桩号5＋359.08～5＋658.57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k＝1×10－5cm/s，黄土渗透系数为1×10－5～1×10－4cm/s.黄土状粉质壤土渗透系数k＝3.7×10－5～1.0×10－4cm/s.过河隧洞段穿越的饱和含水砂层，其渗透系数k＝10-3～10-2cm/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。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k＝10-3～10-2cm/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**。

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：①具备平衡掌子面水土压力的能力；②刀盘、刀具、泥浆管路的高耐磨性；④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；⑤盾构本体在压力状态下的防水密封性能；⑥防止流砂；⑦人仓设计；⑧管片壁后同步注浆系统；⑨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。设计盾构时采用如下措施：

①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；

②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；

③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2～3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。

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74μm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74μm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：①有效地分离排泥浆中的泥土和水分；②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，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74μm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74μm以上砂质清除，并同时清除掉45μm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30μm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25～35s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1.15～1.2g/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1.3～1.5倍。

2）刀盘扭矩的计算盾构在软土中推进时的扭矩包括切削扭矩（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1.5～1.8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

穿黄工程范文2

关键词：人工挖孔 护壁 钢筋笼 混凝土

一、概述

人工挖孔灌注桩是一种通过人工开挖而形成井筒的灌注桩成孔工艺，适用于旱地或少水且较密实的土质或岩石地层，因其占用工作面小、成本较低、工艺简单、易于控制质量且施工时不易产生污染等优点而广泛应用于桥梁桩基等工程的施工中。

南水北调穿朔黄铁路暗渠工程位于河北省新乐市，为南水北调中线京石段S14标段内的重要施工项目。朔黄铁路暗渠为穿越既有朔黄铁路而设，暗渠中线与铁路交叉角度为38°36′。朔黄暗渠从框架桥内穿过，使穿越铁路和输水为两个独立结构。朔黄铁路框架桥为顶进施工工艺，为了保持朔黄铁路的稳定性，在铁路两侧共设置20根防护桩，13根支撑桩，13根抗推桩，共计46根灌注桩。其中防护桩长16m，支撑桩、抗推桩为14m,灌注桩直径均为1.25m。在灌注桩的施工中全部采用了人工挖孔灌注桩的施工工艺，取得了理想的效果，现结合本工程对人工挖孔灌注桩施工工艺进行详细介绍，希望能对其他类似工程的施工提供借鉴。

二、挖孔及护壁

人工挖孔灌注桩需要进行人工开挖、扩壁、土方外运和护壁，是与其他灌注桩类型最大的区别之处。

（一）挖孔

挖孔前应按施工图纸准确放线，确定桩位中心位置，并向桩心位置四周引出四个控制点，以控制桩心。开挖应自上而下分层进行，每一层土方开挖区的形状呈上小下大圆台体形状，厚度为100cm，上底和下底的口径分别大于设计桩径20cm和40cm。自上而下分步进行开挖，开挖区的侧壁要求做到光滑平整，底面要水平，挖出的土方要及时运送到地面并外运，不得堆放在孔边。

在挖孔过程中施工人员必须熟悉所挖孔的地质情况，井上和井下之间应保持良好的联络信号。要勤检查，注意土层的变化，当遇到流沙、大量地下水等影响挖土安全时，要立即采取有效防护措施后，才能继续施工。

人工挖孔比较容易组织，一般以三到四名工人为一组，井下工人使用短把铁锹、羊镐等工具开挖，井上工人使用辘轳将井下工人装到料斗中的土方绞上来，并用手推车推到指定的位置。就单个井筒而言，人工挖孔的速度不如钻孔，但人工挖孔可以几个甚至十几个工作面同时开展施工作业，从而大大加快了施工进度。

（二）护壁

为防止塌孔，每一层土方开挖后应进行护壁。

1．护壁钢筋笼。护壁钢筋笼的形状为一个圆台体的侧表面，由φ12mm@250环形钢筋及6道φ12母线钢筋焊接而成。

第一层开挖位于地表，可将其开口适当加大，以使护壁钢筋笼在场地上制作好后直接放入其中，对于第二层及以下各层而言由于护壁钢筋笼底部直径大于顶部钢筋直径，所以护壁钢筋笼不能直接放入，只能在井下制作完成。

2．护壁模板。浇铸护壁的模板相应也呈圆台体形状，其上口的直径等于设计桩径，下口的直径大于设计桩径20cm，高100cm，由3块呈曲面扇形的薄钢板制作而成，背后焊接三角铁作为骨架起支撑作用，相邻两块模板拼缝要预留2cm间隙。拼接时用螺栓将相邻模板从拼缝处固定，并用木条填塞预留缝隙，以方便拆卸。拆模的方法是：卸掉拼缝处固定的螺栓，向内侧敲打填塞的木条，使各块模板松动、分离后逐一取下。

3．浇铸护壁混凝土。护壁混凝土按C20设计，在混凝土内应掺一定数量速凝剂，以尽快达到强度要求。浇铸护壁时，为了防止模板产生偏移，应对称下料，用敲击模板或木棒插实的方法振捣，由于护壁混凝土在地面以下，湿度、温度对护壁混凝土强度的形成和增长非常有利，一般1天强度就能达到10Mpa左右，半天就可以拆模。如拆模后发现护壁有蜂窝、漏水现象，要及时加以堵塞和导流，保证护壁混凝土强度及安全。

三、钢筋笼的制作与安装

钢筋笼骨架在加工场地分段制作，分段长度视起吊设备的高度和钢筋主筋规格而定，一般为8m左右，灌注桩钢筋笼均分为两段。为使钢筋笼骨架有足够的刚度，每隔2.5m应在主筋外侧设置一道Φ18加强箍筋，以保证在运输和吊放过程中不产生变形。将钢筋笼运至现场后，用吊车起吊，第一段放入孔内后用钢管或型钢临时搁支在护壁上，再起吊第二节钢筋笼，对正位置焊接，焊接应采用搭接焊法，要注意搭接应满足规范的要求，焊接后逐段放入孔内至设计标高。安放前需再检查孔内的情况，以确定孔内无塌方和沉渣，安放要对准孔位，扶稳、缓慢、顺直，避免碰撞孔壁，严禁墩笼、扭笼。放入后应反复校正设计标高并用工艺筋固定，防止钢筋笼下沉或上浮。

四、灌注混凝土

当钢筋笼在井筒中就位以后，便可灌注混凝土，混凝土坍落度宜控制在7～9cm，拌和时间不得少于90秒。在井口的上方搭起支架，将溜槽和串筒接上，串筒宜距混凝土面2m以内为宜，随着混凝土表面不断上升逐步减少串筒数量。严禁在井口向井下抛铲或倾倒混凝土料，以免产生离析现象，影响混凝土整体强度。每次灌注高度不得大于60cm，由井下工人用插入式振动器捣振，插入形式为垂直式，插点间距约40～50cm，应做到“快插满拔”，以保证混凝土的密实度。孔内的混凝土必须一次连续灌注完成，不留施工缝。挖孔灌注桩的混凝土质量容易保证，在制作承台时，无需打掉桩头，只需将其顶面凿毛即可。

通过对本工程完成的挖孔灌注桩进行试块强度试验和桩身动检证明，46根灌注桩均满足设计要求，取得了预期的效果。

五、注意事项

第一，挖孔达到设计深度后，应及时进行孔底处理，必须做到无松渣、淤泥等扰动软土层，使孔底情况满足设计要求；

穿黄工程范文3

2002年12月27日国务院在人民大会堂举行了南水北调开工典礼,朱基总理庄严宣布南水北调工程开工,至此这项世界瞩目的宏伟工程历经五十多年的风雨苍桑巨变终于转入了历史性的实施阶段。2003年12月30日滹沱河倒虹吸工程和永定河倒虹吸工程正式开工建设,这标志着南水北调工程进入建设性阶段。南水北调工程分为长江下游、中游、上游三部分,也就是东线工程、中线工程、西线工程,从而形成了南水北调工程的总体格局。

一、东线工程是从长江下游扬州附近的江都泵站抽引长江水,利用京杭大运河及其平行的河道为输水主干线、分干线、逐级提水北送,并且贯通作为蓄水库的洪泽湖、骆马湖、南四湖、东平湖,在位山附近贯通隧洞穿过黄河。到临清穿卫运河进入河北省,利用清凉江南运河送水到天津。东线工程全线最高处东平湖蓄水位高于长江水位约四十米,黄河以南需经十三级扬水站抽水,扬程六十五米,这样,黄河以北可自流到天津。从长江到大港水库全长1156公里,其中,黄河以南646公里,以北493公里,穿黄河17公里,胶东输干线从东平湖至威海市米山水库全长701公里。主要解决黄淮海平原东部和山东半岛及江苏、山东、安徽、河南北东部和天津市城市用水,兼有航运、防涝等综合利用。

二、中线工程是从长江支流丹江口水库引水,输水总干渠穿过长江与淮河流域的分水岭方城垭口、沿唐白河流域和黄淮海平原西部边缘开挖渠道,在郑州以西三十公里的孤柏咀处用隧洞穿黄河,沿京广铁路西侧北上输水到北京、天津。输水总干渠从陶岔闸渠道至北京的团结湖全长1267公里,其中穿黄河10公里,黄河以北780公里,黄河以南477公里。天津干渠从河北的徐水县分水到天津外环,全长154公里。中线工程主要解决湖北、河南、河北、北京、天津五省市的城市供水,重点是北京、天津、石家庄、郑州等沿线大中城市及县城的缺水和农业用水。

三、西线工程是从长江上游大渡河、雅砻江、通天河上筑坝建水库,采用隧洞穿过巴颜喀拉山向黄河上游补水,调水工程主要解决上游西部地区青海、甘肃、内蒙古、陕西、山西六省区的城市生活用水和工业用水及补充农牧业用水及黄河的综合治理。

穿黄工程范文4

关键词：黄土隧道 下穿铁路 施工技术

中图分类号：U44 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）02（b）-0052-02

高桥隧道位于陕西潼关，全程1450 m，开挖断面172 m2，为双线黄土隧道，隧道进口处与南同蒲线相隔，出口处位于磨沟右岸陡坡，下穿南同蒲线和磨沟大桥连接，交通十分不便。在高桥隧道下穿南同蒲既有铁路的施工中，施工人员将双层支护形式的双侧逼到洞开挖法优化为双侧支护形式的弧形导洞三台阶七步开挖法，并结合仰拱与二次衬砌紧跟法，科学的解决了施工进度与安全间的矛盾。本文以该工程为例，分析了浅埋大断面黄土隧道下既有穿铁路的施工技术，希望能对广大同行提供借鉴。

1 确定下穿方案

高桥隧道下穿段埋深较浅，和南通莆铁路的相交角度较小，施工长度较长，且该段位于小半径曲线与傍山深路堑内，左侧为五级高边坡，偏压严重，设计方案一直在优化。

1.1 原设计方案

高桥隧道出口DK349+410～+500为V级围岩，下穿同蒲铁路段，采用弹孔跨度64 m的八七铁路应急抢修钢梁架空铁路，将梁置于隧道开挖轮廓外的群桩基础上，在架空线路的情况下以双侧壁导洞法暗挖通过，既有铁路以15 km/h的最大速度维持运行。初期以0.35 m厚度喷混凝土层支护，以1榀/0.6 m的间距全面铺设I25 a钢架；二次衬砌采用0.8 m厚的钢筋混凝土结构。

1.2 最终优化方案

超前支护：采用Φ159管棚进行洞内超前支护，并往钢管内压注水泥浆。于管棚拱部120°范围内铺设Φ159钢管，每根钢管长100 m，壁厚6 mm，环向间距20 cm。自DK349+407处做至DK349+507段。

初期支护：采用双层支护，初期支护采用全断面喷射0.35 m厚的混凝土，在拱墙上挂Φ8钢筋网，网格间距为20 cm×20 cm，于全断面设I25a钢架，间距2榀/米，于边墙设常4 m的Φ22砂浆锚杆，间距1 m，梅花形分布；初期支护，于么分布隧道两侧钢架的分节处设置4根4 m长Φ2锁脚锚管，并在上台级二次支护钢架拱角处埋设两根3.5 m长的Φ42锁脚锚管；二次支护为0.25 m厚度C25喷混凝土，于全断面设I20a型钢，间距0.6 m/榀，以Φ42钢管连接钢架，环向间距为1 m，并设双层Φ8钢筋网片，间距20×20 cm。

二次衬砌：使用0.5 m厚的钢筋混凝土，并于内外侧每处布置两根2Φ25@200 mm主筋。

管幕工作室地段的施工：于DK349+399～407段作管幕工作室，长8 m，工作室比隧道扩大0.8 m，在施工前先对120 m内的铁轨进行每侧以7扣P50轨加固。管幕工作室的原设计为双侧壁导洞法开挖，但由于双侧壁导洞法有初期支护，支撑处难以进行施工，且双侧壁导洞中部接近7 m的开挖高度远大于管幕工作室所需的5 m。因此，为保证施工安全和施工进度，在DK349+395～415段做长20 m，间距0.35 m的Φ108管棚进行与加固，以弧形导洞法开挖管幕工作室地段。

下穿段的施工。

（1）Φ159长管棚的施工：由于高桥隧道下穿段的围岩为新黄土，无法采用水钻钻孔，因此，在下穿段采用了风动导向跟管钻进施工技术，将Φ159钢管加工为若干节钻杆，每节长6 m，用水平导向钻机将钻杆钻入，以空气压缩机将钻渣吹出，有线导向仪控制打设精度。

（2）双层支护弧形导洞法的施工。

①上台阶弧形导洞的开挖和支护：上台阶每循环开挖0.5 m，核心土与两侧拱角采用挖掘机挖掘，拱部采用人工挖掘。上台阶开挖高度约4 m，长度约4 m，核心土距离拱顶1.5 m左右，核心土两侧局开挖约2 m。开挖后，喷射0.04 m厚混凝土，架设I25a钢架，并在钢架拱脚30 cm高度上设置四根4 m常的锁脚锚管，将锁脚锚管牢固的焊接在钢架上，并在预设位置埋设2根二次支护拱角的锁脚锚管。挂设钢筋网片，喷射初期支护混凝土，二次支护可依据初期支护的长度跟进。

②阶左侧与下台阶右侧边墙的开挖与支护：上台阶超出前阶约4 m厚，交错开挖下台阶右侧与阶左侧边墙，每次1～2榀，使拱部初期支护不会同时悬空，并及时安装拱架、挂网，喷射混凝土，阶的长度设置在3 m左右。阶右侧、下台阶左侧边墙的开挖同上。

③仰拱的开挖与支护：下台阶开挖长度约5 m时，停止挖掘，并封闭掌子面，开挖仰拱。分两次开挖，每次开挖2.5 m，及时进行初期和二次支护，然后进行二次衬砌，填充混凝土。下台阶长度再有5 m时，重复以上施工。

④二次衬砌的施工：当仰拱填充长度至8.9 m时，架设钢管架工作平台，安装防水板和二次衬砌钢筋。检查合格后查处钢管件，并用台车浇筑二次衬砌混凝土，段长度8.9 m。

2 变形控制措施

（1）拱部开挖进尺采用间距1榀钢拱架控制，中下台阶边墙的开挖进尺采用间距1～2榀钢拱架控制，左右较粗开挖，避免初期支护悬空。

（2）底部一次开挖长度为4～5榀间距，控制在2.5 m以内。

（3）上台阶长度不超过4 m，阶不超过3 m，下台阶不超过2 m。佯攻距离上台阶掌子面的最大距离不超过14 m，二次衬砌距离上台阶掌子面的最大距离不超过18 m。

（4）基础开挖和扩大拱角采用人工开挖，并保证不吵瓦，无浮渣、虚土，并在钢板底部设置混凝土垫块和纵向焊接32槽钢。

（5）初期支护钢架设置4根锁脚锚管，且安设角度不小于45°，不短于4 m，与钢架焊接。

（6）开挖后，及时设立拱架，喷射混凝土，架设横撑并封闭成环。

（7）在开挖和初期支护中，严格管理施工用水，禁制初期支护基础被浸泡，严防整体下沉。隧道洞顶的陷穴、暗管、暗沟、冲沟、人工洞穴进行及时回填，高出地表约0.3 m做防水处理。

3 结语

下穿铁路和公路的隧道工程，需要和相关部门进行多次协调，上移施工方案，从而耗时比较长，严重延长了施工工期，因此，根据现场条件设置斜井，建立作业面，保证下穿段之外工程的不间断施工，是保证工程进度和工程质量的有效途径。

参考文献

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[2] 毕俊丽，王伟锋.新建地铁车站零距离下穿既有线区间影响分析[J].现代隧道技术，2010（5）.

[3] 何永胜.三台阶七步开挖法在V级围岩隧道中的应用[J].黑龙江交通科技，2010（4）.

[4] 龚成术.浅谈大断面黄土隧道三台阶七步开挖法[J].铁道建筑技术，2009（6）.

[5] 王柱，仇玉良，黄瑞，等.浅埋地下输煤道下穿既有铁路设计与施工技术[J].地下空间与工程学报，2012（2）.

穿黄工程范文5

关键词：管道环境工程地质对策

长庆油田主产区所处的区域主要为陕甘宁黄土高原地区，该区域黄土分布面积广、厚度大,地貌形态以梁、峁和沟壑为主,其次是黄土塬和黄土平原,该区域土壤侵蚀十分严重,陷穴、冲沟、河流侵蚀、滑坡、滑塌及崩塌等不良地质现象对油田长输油气管道的安全运营构成了潜在的威胁。

一、环境工程地质问题

黄土存在大孔隙、垂直节理、立壁性强及抗冲蚀能力差的缺点,按其生成年代可划分为新黄土和老黄土,其中新黄土为晚更新世马兰黄土和全新世黄土,分布在河谷Ⅰ、Ⅱ级阶地(一般为全新世黄土)或梁、峁、塬的表层(马兰黄土),土质结构松散,强度低,变形大,具有湿陷性。老黄土为早更新世午城黄土和中更新世离石黄土,主要分布在河流Ⅱ级以上阶地表层或在梁、峁、塬部位,在马兰黄土之下,由于成岩作用时间久,其强度高,变形小,所以离石黄土

的湿陷性一般已消失,但在较大压力下才会表现出湿陷性,午城黄土的湿陷性已完全退化消失。长输管道工程在黄土地区所遇环境工程地质问题主要发生在从地面至地下约10~15 m深度范围内的表黄土中,局部为老黄土中的离石黄土。常见的环境工程地质问题有以下几种。

1．陷穴发育部位有可能发生露管陷穴由入渗水流的溶解、潜蚀以及黄土自身的湿陷作用共同形成。在坡面径流集中部位,地下水的入渗使黄土中的易溶盐逐渐溶解,失去了其胶结作用,由于渗透水流带走了胶体粘土微粒,造成了潜蚀空洞。当下渗到不透水或弱透水层时,就汇集成地下水流,随后逐渐横向发展,形成通至沟谷壁或陡坎壁的陷沟。陷穴通常发育在黄土梁、峁和塬边缘的坡肩处,或宽阔冲沟的阶梯状沟床近陡坎部位。长输管道经过陷穴发育部位时,易被雨季汇流的水流冲出,导致输油气管道暴露。

2．冲沟和河流侵蚀使穿越管道易被冲出或冲断降雨时,雨滴直接打击土体,土体被击碎,离散的土粒或土块随溅散的雨滴跃起散落四周,地面的薄层水流向低洼处汇集,对地面产生不均匀的侵蚀,形成了深度和宽度在几厘米或几十厘米的细沟。细沟无固定汇水面积,呈网状分布。细沟经逐渐侵蚀扩展,就变成了深度和宽度为几十厘米乃至1~2 m的浅沟;也可能形成深度为10 m,宽度为几米甚至几十米的切沟;或者深度为十几米至几十米,宽度为几十米甚至上百米的冲沟。沟床下切、谷坡扩展和沟头前进是黄土浅沟、细沟、切沟和冲沟等各类沟谷共有的侵蚀方式。沟床下切过程也是沟床纵剖面的塑造过程,水流汇集到一定量后,首先发生下切侵蚀,同时伴有侧向侵蚀,受水流最小耗能原理支配,沟床呈现出一条起伏不平的阶梯状曲线。谷坡扩展是由于沟床不断下切和侧蚀,谷坡的相对平衡受到破坏所致。滑坡、滑塌及崩塌可导致谷坡的迅速扩展。沟头前进是我国黄土地区最活跃的沟谷侵蚀方式,大暴雨径流期间常常在沟头形成瀑布,在陡崖下方冲蚀成潭穴,使陡崖迅速崩塌后退。小暴雨径流期间,水沿崖面掏蚀,使陡崖面向内凹进,并引起凹部上方土体滑塌或崩塌,沟头作弧形扩展前进,埋于沟头前方的管道,极易被雨季汇集的水流冲出,穿越黄土各类沟谷的管道易被雨季水流冲出或冲断。当洪水来临时,水流速度与紊流强度迅速增大,携带泥沙的能力急剧提高,此时洪水中的泥沙含量往往小于携沙能力,因而连续冲刷河床,补充水流含沙量,逐渐形成滞后于洪峰后的一个含沙量高峰。由于各种因素的影响,顺直河道水流的深泓线会发生摆动,出现偏向于某一边岸的侧向侵蚀和垂向侵蚀,与此同时,另一岸则接受堆积,在这种情况下,受侵蚀的一岸因被淘刷而发生崩塌,后退移动,而另一岸因接受堆积而前进,这种侧向侵蚀与垂向侵蚀常常是往复式的,使得穿越河流的管道极易在河流的侧向侵蚀与垂向侵蚀中被冲出,甚至冲断。在宽谷中,由于泥流携带泥沙,比重大,对河床碎屑颗粒搬运能力成倍增长,从而刨蚀河床与岸坡,破坏水工建筑物。在狭窄的Ⅴ形谷中,因坡降大,并受到左右空间局限,泥流的刨蚀与破坏作用很大,穿越沟、河的管道如遇到泥流时,更易被冲出甚至冲断。

3．滑坡滑塌和崩塌危及近距离埋地管道的安全滑坡是指斜坡上的黄土体在重力作用下,沿着一定的软弱面整体向下滑动,而滑动土体内部的相对位置没有发生明显的改变,造成滑坡的原因除了与地质构造因素有关外,主要是雨水的渗入,增加了土体重量,降低了软弱结构面的抗剪强度,其次是冲沟、河流或人为影响,侧蚀了坡足。滑塌的活动过程是土体在斜坡或陡坡处先向下滑,由于地形高差大,地面坡度陡,下滑土体不能在斜坡上停留而继续向下运动,出

[1] [2] [3]

现了土体破碎甚至翻转现象。崩塌是黄土地层受流水下切侵蚀,在冲沟或河流陡岸形成临空面以后,卸荷裂隙发育,土体破碎,多以垂直节理为软弱结构面,由于基部土体被流水掏蚀以及暴雨期或雨后不久剩余基部土体吸水软化,陡岸上部土体向下坡倾倒或倒塌。滑坡可使近距离埋地管道出现**,也容易使滑动土体内部埋设的管道出现**,甚至扭弯、拉断。滑塌、崩塌也可使近距离埋地管道出现暴露。当管道穿越冲沟与河流,边岸的滑塌、崩塌可使埋地

管道发生**或被冲断的危险。

．上游桥梁和水库等水工建筑物对先期穿越河流管道构成威胁河流中的桥墩可导致河道局部变窄,造成下游在有限距离内水流速度和紊流强度提高,这样水流冲刷河床形成局部冲刷坑,冲刷起来的泥沙被冲到下游一定距离便沉积下来,对先期穿越河流的管道构成一定的威胁。拦河而建的水库对流水起到调节和卸载泥沙的作用,当汛期大流量放水时,对下游较长距离内的河床可产生冲刷,增大了原河道的冲刷强度,对先期穿越河流的管道同样构成威胁。

二、解决环境工程地质问题的主要措施

、精细选线

在管道未建之前,首先要进行选线,这样可避免环境工程地质问题的出现,使管道的受损程度降到最小,选线的原则如下。

()黄土塬、梁、峁地段选线：

应选择坡体稳定、排水条件较好的地段,避免地形凌乱、沟谷深切地段,管道的上下边坡应尽量垂直坡面等高线展布或顺着梁、峁脊部展布,一般情况下不应倾斜于等高线展布。

()地表水富集地段的选线：

管道通过黄土地区拟建水库地段时,应考虑水库可能的溃坝、塌岸影响及蓄水后引起的周围工程地质条件变化等,避免管道与长大干渠近距离并行。

()新构造运动强烈地段的选线：

管道应尽量避开这一地段,必须通过时,应以较短的距离并采用简易工程(即沟埋敷设)通过,避免采用隧道、跨越等工程方案。

()冲沟和河谷地段的选线：

应利用河流宽谷阶地展布管道。管道穿跨越沟河时,选择沟、河床下切缓慢,沟、河顺直,岸坡稳定的地段通过,应避开谷坡凌乱地段。

()滑坡和滑塌地段的选线：

管道遇到滑坡、滑塌地段应考虑绕行。

()黄土隧道地段的选线：

隧道口应选择在山体稳定、地表排水条件较好的山坡;洞身应选择在塬、梁顶面平整或地形凸起地带,应避免在坡体凌乱、塬边缘或塬顶有封闭洼地地段通过。

()黄土沟梁相间地段的选线

将深挖与隧道、高填筑堤等工程方案进行比较,择优采用。

．沟头防护工程

当沟头上部集水面积大而来水比较多时,可采用排水式沟头防护工程或跌水沟头防护工程,即在沟头上部修筑引流槽,在沟头陡坡地段修筑挡土墙及泄流槽。当沟头上部来水较少时,可采用蓄水式沟头防护工程,即沿沟头边缘修筑一道或数道水平弧形沟埂,拦蓄上游坡面径流,也可采用截流沟阻断径流。截流沟适用于坡度小于°的坡地,间距一般为~ m,由水平沟、沟边土塄与沟间斜坡组成。通过分阶段滞留降雨来水,有效地减小地面径流,加强降雨入渗,从而削弱片流的冲刷强度,在水平沟汇集雨水,土壤墒情较好的情况下,可以栽植需水量较大的乔木,斜坡植被以灌木为主作用是稳定地表土体,。在沟边土楞上,草本植被比较合适,既不破坏土体完整性,又为土体加了筋。截流沟也可作为护坡工程,垂直管道布设。

．深埋、抛石和修筑淤土坝抵御沟、河垂向下切当管道穿越沟、河时,应深埋于历史最大冲刷深度以下至少 m,沟、河床与岸坡经人工挖填扰动后,其稳定性受到影响,应在沟、河床稍下游处进行抛石护底,抛石时可采用石笼或散石两种,石笼就是通过一定的骨架材料丝(如铁丝、荆巴与竹子等)编成笼子,内填石块而成,石笼稳定护管适用于水流速度较高的情况,一般在流速为~ m/s的河流中,可以有效地发挥作用,大的铁丝石笼可以抵御m/s的急流。抛石应具有连续性,避免引起局部沟、河床未抛部分的冲刷,抛石厚度不宜过大,避免引起新的沟、河床形态变化。淤土坝实际是垂直埋设于沟、河床中的潜坝,一般由砂浆砌石构成,基础埋置于历史最大冲刷深度以下至少m,顶端与沟、河床面平齐,如果增加淤土坝的高度,使其由潜伏变为突起,则“淤土坝”的概念就发生了改变,而称为“谷坊”。谷坊只用于冲沟,

既有拦蓄泥土,防止沟床下切,又兼具防止沟岸扩展与滑塌或崩塌的作用。谷坊的高度一般小于m,按其材质有土谷坊、石谷坊、混凝土谷坊及柳谷坊等。多年以来,凡是被洪水及泥流垂向冲出或冲断的输油气管道,绝大多数是由于穿越段埋深不够造成的,只有少数管道是由于后期上游修建桥梁、水库或下游人为挖沙,导致局部下切,出现变形的。

穿黄工程范文6

【关键词】高铁施工； 湿陷性黄土隧道； 施工安全管理

一、前言

隧道工程是高铁项目中的重要组成部分，隧道施工的质量和安全性关系到高铁项目的整体建设效果。在目前高铁隧道施工中，湿陷性黄土作为一种特殊的地质条件，对隧道施工的质量和安全性影响较大，如果不根据隧道施工实际制具体的安全管理措施，高铁湿陷性黄土隧道施工将难以取得积极效果。因此，我们应正确分析湿陷性黄土对高铁隧道的影响，并在施工安全管理中，加强地基施工质量控制、建立完善的内部风险管理职能部门，最后应将施工安全管理贯穿整个隧道施工过程，确保施工安全管理取得实效。

二、湿陷性黄土对高铁隧道的重要影响

在高铁隧道施工中，湿陷性黄土是一种特殊的土层，由于湿陷性黄土中含水量较大，在隧道施工中容易出现坍塌事故，给隧道施工造成严重的影响。特别是对高铁施工而言，影响更大。

通过对湿陷性黄土地段进行了解后发现，湿陷性黄土对高铁隧道的影响是比较直接的，具体表现在以下几个方面：

1、湿陷性黄土含水量较多，不利于隧道施工的开展

在湿陷性黄土地段中，由于湿陷性黄土中含水量较大，土质呈现湿滑的特点，因此在湿陷性黄土中进行隧道施工的难度相对较大，对隧道的整体质量也会产生不利影响。

2、湿陷性黄土质地松软，对隧道结构强度容易造成不良影响

在高铁隧道施工中，隧道的结构强度关系到隧道工程的整体质量。但是湿陷性黄土由于土质松软，对隧道的结构强度的影响比较大，不利于隧道工程的开展。

3、湿陷性黄土土质特殊，整体紧固性差

湿陷性黄土的特性是含水量高、土质松软、整体结构性差，这些都是影响隧道施工的主要因素。因此，整体紧固性差是湿陷性黄土的主要缺点，对隧道施工的影响也比较明显。

三、高铁湿陷性黄土隧道施工安全管理，应加强地基施工质量控制

基于高铁隧道施工的实际需要，一旦遇到湿陷性黄土地段，在隧道施工中就要对地基施工的质量进行重点控制，以此达到提高隧道施工质量的目的。为此，高铁湿陷性黄土隧道施工在安全管理中，应加强地基施工质量的控制，具体应从以下几个方面入手：

1、根据湿陷性黄土的特点，优化隧道地基施工方法

基于当前湿陷性黄土地段隧道施工的实际需要，要想保证湿陷性黄土隧道施工取得积极效果，就要做好地基施工的质量控制，具体应从优化地基施工方法入手，可以采用下表中的施工方法，有效提高湿陷性黄土地基的处理质量。

2、把握隧道施工原则，正确处理湿陷性黄土问题

在隧道施工过程中，基于隧道的重要性以及隧道施工的特点，只有正确选择施工方法并有效处理湿陷性黄土问题，才能保证隧道施工取得实效。为此，应重视湿陷性黄土问题，并从施工方法选择上入手，有效解决湿陷性黄土问题。

3、从安全角度入手，加强地基施工的质量控制

鉴于隧道在高铁工程中的重要作用，在安全管理中加强地基施工的质量控制是十分重要的。结合隧道施工实际，优化地基施工流程及工艺，加强地基施工的质量控制是解决湿陷性黄土地基问题的重要手段。

四、高铁湿陷性黄土隧道施工安全管理，应建立完善的内部风险管理职能部门

基于高铁湿陷性黄土隧道施工实际，要想提高施工安全管理效果，就要建立完善的内部风险管理职能部门，具体从以下几个方面入手：

1、各级项目部设安全总监、安全质量部，架子队设安全室，分别负责各级风险管理。

按照隧道施工流程和管理制度建立相应的安全管理机构，是保证高铁隧道施工安全管理得到有效开展的关键。基于这一认识，在湿陷性黄土隧道施工中，应做好安全机构的设置。

2、该部门由一批既懂工程技术又懂管理、经济、法律以及保险知识的复合型管理人才担任，力求实现学科的交叉、合作与交流。

为了保证施工安全管理取得实效，在安全部门建立过程中，应保证安全管理人员具备较强的专业素质，进而满足安全管理需要，为施工过程提供有力的安全指导。

3、该部门负责执行各项风险管理制度，并不断探索新方法和新机制，切实加强技术风险控制。

考虑到湿陷性黄土隧道施工的实际难度以及工程建设要求，明确各部门职责和探索新的安全管理方法，是保证安全管理取得实效的关键，对安全管理而言具有重要意义。

五、高铁湿陷性黄土隧道施工安全管理，应贯穿整个隧道施工过程

对于高铁湿陷性黄土隧道施工安全管理而言，建立风险控制理念并做好施工全过程的风险管理是十分重要的。基于这一认识，在高铁湿陷性黄土隧道施工安全管理中积极采用全过程风险管理理念是十分必要的，具体应做好以下工作：

全过程风险管理是隧道风险管理的基本准则，全过程风险管理是在施工风险因素分析的基础上，针对存在的风险因素进行科学合理的评估，为风险决策提供依据，最后达到避免、减少或者转移风险的目的。

风险贯穿于隧道工程的筹划、勘察设计、施工、运营及维修的各个阶段，因此风险管理也应该贯穿于工程实施的各个阶段，而且是一个包括风险辨识、风险分析评价、风险决策和风险监控的重复的循环过程。

在风险管理中，各参与方共同创造一个良好的合作环境是进行全过程风险管理的有力保障。为了达到这个目的，伙伴关系是有价值的工具。在合作过程中，项目各方之间应进行良好的沟通与交流，制定以降低业主成本和提高承包商的利润、减少工期延迟等的风险管理共赢原则。

结论

通过本文的分析可知，在目前高铁隧道施工中，湿陷性黄土作为一种特殊的地质条件，对隧道施工的质量和安全性影响较大，如果不根据隧道施工实际制具体的安全管理措施，高铁湿陷性黄土隧道施工将难以取得积极效果。因此，我们应正确分析湿陷性黄土对高铁隧道的影响，并在施工安全管理中，加强地基施工质量控制、建立完善的内部风险管理职能部门，最后应将施工安全管理贯穿整个隧道施工过程，确保施工安全管理取得实效。

参考文献：

[1] 周烨；刘仲仁；刘兴平；胡锁滨；；湿陷性黄土隧道三台阶法施工时间应变规律[J]；隧道建设；2010年02期