吴煊鹏-南水北调中线穿越黄河盾构施工技术

南水北调中线穿越黄河隧洞盾构施工技术中铁十六局集团有限公司吴煊鹏2013.4介绍内容1、南水北调基本情况介绍2、南水北调中线穿越黄河隧洞工程概况3、穿黄盾构施工技术4、技术创新点1、南水北调基本情况介绍(1)南水北调工程的重大意义:兴建南水北调工程，将有利于改变北方地区水资源严重短缺的局面，有利于逐步改善受水区生态环境，促进地区经济社会协调发展和可持续发展。(2)根据中国大陆三个阶梯的地势，南水北调的总体布局是分别从长江上中下游调水，即南水北调西线工程、中线工程和东线工程。(3)中线工程介绍：中线工程从从长江中游及其支流汉江引水，可自流供水给黄淮海平原大部分地区。近期从丹江口水库引水，终点北京。远景考虑从长江三峡水库或以下长江干流引水增加北调水量。中线工程具有水质好，覆盖面大，自流输水等优点，是解决华北水资源危机的一项重大基础设施。(4)中线穿黄工程：穿黄隧洞工程规模宏大，黄河地质条件复杂，技术难度高，社会影响大，是总干渠上最关键的建筑物，也是南水北调中线的标志性工程。南水北调中线工程示意图2、南水北调中线穿越黄河隧洞工程概况穿越黄河隧洞工程是中线具有标志性的关键工程和“咽喉工程”，直接控制着南水北调项目能否顺利实施和按期完成。穿黄隧洞位于河南省郑州市上游约30公里处，包括邙山隧洞段和过河隧洞段，共长4250m，双洞布置,两洞各采用一台泥水平衡盾构机自北向南推进。本工程在黄河底下35m处进行穿越，地质条件复杂且掘进距离长，施工中存在着较大的风险和困难。3450米黄河穿越800米斜洞北岸始发竖井南岸竖井过黄河隧洞段长3450m，南、北两端各设一圆形工作竖井,隧洞为圆断面，二衬内径7.0m，管片内径7.9m，外径8.7m，最小埋深23m，洞底高于基岩面。隧洞外层为装配式普通钢筋混凝土管片结构，厚40cm，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；内、外层衬砌由弹性防水垫层相隔，内、外衬单独受力。邙山隧洞又称斜井段，水平投影长度800m(含南岸竖井段)，上端设有渐变段与进口闸室相接，下端与穿黄隧洞交于南岸施工竖井，隧洞断面和衬砌结构型式与过河隧洞相同。隧洞工程地质过河隧洞段地质情况，过黄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。隧洞开挖范围内，Q2粉质壤土粘粒含量8％～29％；Q41中砂、粗砂渗透系数为i×10－3～i×10－2cm/s；砂砾石层渗透系数为i×10－2～i×10－1cm/s。砾卵石粒径2～10cm，盾构穿越黄河地层示意图粘土岩Q2壤土Q41砂土Q42砂土中线穿黄工程简介北岸地层粘土岩砾质砂壤土中细砂层中细砂层中细砂层砂壤土粘土地下33m处分布两层50cm厚的砂卵石透镜体，对地下连续墙成孔有影响。下部位于粉质壤土层中，稳定性较好，但含有较多的钙质结核，对地下连续墙的造孔会有一定影响。中线穿黄工程简介南岸地层细砂层粉质壤土和古土壤层均呈硬塑状，强度较高，工程地质条件较好，但大量分布的钙质结核对连续墙施工会产生不良影响。上部6.5m为细砂和砂砾石层，粒径最大大于10cm，施工存在涌水、涌砂问题，应采取相应的处理措施；砂质壤土层壤土层3、穿黄盾构施工技术（1）工程重难点、风险点（2）主要对策与施工方案（3）77米深竖井施工（4）盾构机（5）洞门加固与破除（6）洞门密封（7）盾构始发（8）管片生产与变更（9）刀盘修复与改造（10）到达（1）、工程重难点、风险点1、超深地连墙及竖井施工安全2、盾构长距离掘进，盾构机选型与配套设备的质量、性能3、盾构进出洞风险4、高水压下盾尾密封失效5、盾构机刀具磨损和更换6、不良地层和地质风险本工程位于黄河主河槽内，工程地质条件差，一次穿越长达3450m，对机械性能要求极高；盾构机全过程均位于覆土30余米的洞内施工，穿越富含水的砂层，水土压力大，掘进前方土体易产生坍塌、密封防水要求相当高；盾构机进出洞时需凿除围护结构，极易出现涌水涌砂；黄河底下地层复杂，对盾构机刀具及刀盘磨损大。7、水利隧洞特殊设计与要求（2）、主要对策、施工方案采用高性能的德国宝峨液压双轮铣成槽机进行竖井超深地连墙施工。选用德国海瑞克盾构机，选用耐磨刀具，配备齐全气压下换刀、检修、排障所需的各种辅助设备盾构始发采用双高压旋喷、冷冻加固，洞门采用两道止水帘布，双排钢丝刷等装置，预备双液注浆、聚氨酯密封、盾尾油脂密封等措施，预备大功率排浆泵、钢材等各种抢险设备物资，应急预案。配备刀具磨损检测装置、加装刀具、选择换刀位置和加固措施，制定应急预案。加强施工管理、技术培训、机械维修保养聘请专家顾问，制定专项施工方案，科研攻关。2006年5月顺利完成了深达76.6米的连续墙施工创造了国内最深的施工记录（3）、77米深竖井施工导墙施工成槽施工钢筋笼下设灌注导管安装水下砼浇注泥浆制作及循环钢筋笼加工(一)连续墙施工施工工艺流程双轮铣工作原理成槽精度控制技术施工时间:2006年5月~07年4月（4）泥水平衡盾构机重点关注、必须做好的相关工作：盾构机的选型与配置盾构机的井下组装与风险控制盾构机的二次始发盾构机的维修与保养盾构机在过河段、过邙山段（坡度5%）的姿态控制盾构机主要参数主机长10.97m盾构及后配套总重1166t刀盘开挖直径9,000mm（新滚刀:9,030mm）中心冲刷装置1个,200m³/h开口率35％先行刀与齿刀33把刮刀76把（多个钨质嵌刃）周边铲刀16把超挖刀1把，带软土刀具滚刀2把，双刃，17刮刀磨损检测装置3个刀盘驱动驱动型式电动变频驱动，总功率1,100kW主轴承类型3排滚柱轴承密封形式4道外密封、2道内密封外密封最大工作压力6bar最大扭矩8,876kNm额定扭矩5,547kNm脱困扭矩9,467kNm旋转速度0–2.6rpm颚式碎石机最大破碎粒径500mm功率30kW推进系统最大总推力60,344kN油缸数量2x14个，同步注浆系统单液系统双液系统盾体（包括盾尾）前盾直径、钢板厚度9,000mm/80mm中盾直径、钢板厚度8,985mm/50mm前闸门1个（液压控制）盾尾直径、钢板厚度8,970mm/60mm钢丝刷密封数量4道紧急膨胀密封数量1道盾尾间隙40mm泥水循环送、排泥管直径300mm/300mm泥浆管延伸装置型式伸缩式泥浆管延伸装置长度可延长8m的泥浆管送泥泵功率，型号，台数400kW，Warman10/8，2台扬程，排量73m，1,000m3/h允许通过的最大粒径180mm排泥泵功率，型号，台数450kW，Warman10/8，4台扬程，排量74m，1,100m3/h允许通过的最大粒径180mm盾尾密封、颚式破碎机盾尾密井下盾构机吊装示意图盾构机井下组装、布置主要难点地面距井底50米，埋深大，吊装困难始发井圆形，且空间小，布置困难。工作井净空为12.04m，仅能容纳盾构主机安装，连接桥及后配套台车摆放在地面上，采用延长管线连接。我们利用竖井连续墙做始发反力架、采用钢管片负环、负环上部开口、井中间搭建控制平台等措施解决空间狭小难题。（4）、洞门加固、破除自凝灰浆墙地连墙帷幕灌浆旋喷加固体洞门加固方案经过研究、比选，洞门加固方案采用了旋喷；冷冻工法。旋喷加固土体；前后加固，旋喷采用双高压三重管施工工艺：上道喷水压力：35～37Mpa，下道喷浆压力：31～33Mpa空压机流量及压力：21m3/1.38MPa；旋转速度（r/min）：10提升速度（m/min）：0.1。实验数据表明均能满足设计强度不低于3Mpa的要求，双高压三管的芯样强度为4.44和4.77Mpa,施工时按照392kg/m来控制水泥用量，因双高压三重管的实际桩径大于1米。冷冻确保始发安全止水。我们仅使用单排冷冻管冷冻土体。紧贴连续墙内侧加高示意图变更后总体施工方案蓝色部分旋喷桩排距减少为60cm，增加桩体搭接的有效性。向下加固到粘土层，向上加固到地下水位，形成封闭的小型基坑。通过降水降低水位通过降水降低水位冷冻（6）、洞门密封（1）盾构调试、验收（2）加装刀具（3）二次始发与延长管线（4）台车在地面，控制室在竖井中间平台（5）泥水处理系统（6）隧道施工（7）盾构正常施工（8）配套设备（9）应急预案与抢险（7）、盾构始发2007年7月8日，穿黄工程II-B标盾构机S-358组装、调试完成，由北岸竖井始发掘进，穿黄隧洞施工正式开始；加装刀具位置始发时盾尾刚进入密封帘布内，盾尾与管片的落差，加压泥浆动能瞬时冲击密封，一个洞门密封螺栓被拉伸破坏，洞门密封泄漏，经过12小时抢险，完全解决。1、抽水（泥浆）2、斜撑3、固定卡座4、加强钢板（8）、管片生产与变更管片为通用楔形管片，外径8.7m，内径7.9m，厚度40cm，环宽1.6m，楔形量34.8mm，搭接长度1067mm，最大管片重量:6.5吨。每环管片由等分的7块管片组成，分别为4块标准块（A1、A2、A3、A4）、2块邻接块（B1、B2）和1块封顶块K块，管片设计选取的是大封顶块、环向凸凹榫结构，纵向为平接头，同时K块的径向旋转角为16度。管片拼装采用错缝拼装方式。管片设计特点是：直螺栓；楔形块很大；楔角很小管片生产的第一个难点是：由于管片连接螺栓为直螺栓，手孔座外张，如何脱模？我们采用了多种设计方案，均不理想，最后采用座体分离，楔形固定的设计方案。使用效果较好。由于管片等分，K块面积大承受盾尾油脂的压力也很大，K块强化定位是保证不错台不碎裂的关键因素。对已经生产的管片进行定位改造。（9）、刀盘修复与改造盾构掘进施工进入粉质粘土夹钙质结核层后，掘进参数发生明显变化，扭矩明显增大，掘进速度非常缓慢。至2008年9月2日共完成849环管片（1363米）拼装施工。9月3日停止掘进，随后决定进行带压进舱检查。带压进舱检查了盾构机刀盘以及刀具的损坏情况。检查发现刀盘周边存在较大的损坏情况。分析其主要原因是：穿黄隧洞地质复杂，地层中卵石、钙质结核含量大，对刀盘外圈的刀具磨损严重，刀盘外圈结构也有一定损坏；刀具磨损检测装置的设计也存在缺陷。后续穿黄掘进施工中还会有长距离的含钙质结核的全断面粘土层和约300米的全断面砂卵石地层，这些地层对刀盘的冲击和损坏很大。因此决定对刀盘进行修复和改造。盾构常压修复刀盘作业技术方案（1）对盾构机周围土体进行加固和降水。防止地下水渗透到盾构刀盘工作区域，预防刀盘周边涌水及土体塌方。当时盾构机上方有28m的砂层，地下水位高，水量丰富，加固及降水施工难度极大。为此，我们在盾构机周边施工一道防渗墙作为止水帷幕，并对盾构刀盘前部和尾部周围土体进行加固，加固采用三轴搅拌桩施工，待加固全部完成后，在止水帷幕内外对土体进行降水。（2）刀盘换刀空间支护与开挖（3）常压下修复及改造刀盘。主要采用补焊钢板和耐磨板的方式修复刀盘外缘。保证刀盘的强度、刚性和加强刀盘边缘的耐磨性。全部24把先行刀更换为新型刀具；更换滚刀；更换边缘铲刀；增加外边缘保护刀具。喷射混凝土轮廓线（将工字钢喷埋10cm）开挖轮廓线锚杆钢拱架（10）到达2010年4月8日，盾构机S-358下穿黄河后到达南岸竖井，过河隧洞段贯通。2010年9月27日，盾构机S-358下穿邙山后到达邙山出洞口，穿黄隧洞实现全线贯通。技术攻关及创新点⑴复杂地质条件下76.6米超深地下连续墙施工；⑵复杂地质条件下50.1米深基坑开挖及内衬施工；⑶复杂地层中60.1m超深高喷地基加固；⑷高水压高透水性砂层中泥水盾构始发施工；⑸大型泥水