穿黄隧洞地质条件及其对盾构掘进的影响

张延仓

长江勘测规划设计研究院 长江岩土工程总公司，武汉 430010

马贵生

长江勘测规划设计研究院 长江岩土工程总公司，武汉 430010

基金项目:“十一五”国家科技支撑计划项目“复杂地质条件下穿黄隧洞工程关键技术研究”（2006BAB04A11）。

南水北调中线工程穿黄河隧洞位于孤柏嘴山湾河段，全长4250m，其中过黄河段长3450m，隧洞埋深23～31m，纵向坡比1‰～2‰；邙山段长800m，隧洞埋深58～102m，纵向坡比4.9%。穿黄河隧洞由两条平行隧洞组成，隧洞内径7.0m，双层衬砌。外衬厚0.40m，为盾构施工过程形成的装配式普通钢筋混凝土管片结构；内衬厚0.45m，为现浇预应力钢筋混凝土整体结构，内外衬之间设弹性排水垫层，两隧洞轴线间距28m。

南水北调中线穿黄河工程于2005年9月开始施工，其中下游线和上游线穿黄隧洞分别于2007年7月和2008年3月从北岸始发掘进，并分别于2010年9月27日和6月22日全线贯通。这标志着南水北调中线工程中规模最大、地质条件最复杂、施工难度最大的关键性工程第一阶段的施工——穿黄河隧洞的贯通与外衬安装已经胜利完成。

在盾构机的设计制作过程中，根据南水北调中线穿黄工程地质条件的特点，选择泥水平衡式盾构机。针对地层和各种障碍物的分布和特性，制作了适合穿黄工程地质条件的刀盘，并增加了破碎功能。根据地层分布特点，选择了安全可靠的检修和更换刀盘的位置。由于对穿黄隧洞工程地质条件认识比较深入，对所有可能影响隧洞掘进的地质问题，采取了得当的措施，保证了隧洞施工的正常进行。本文总结了穿黄隧洞工程施工过程中地质问题的应对措施与效果，并分析了施工过程中出现异常现象的原因，可供类似工程勘察、设计与施工参考。

1 基本地质条件

1.1 孤柏嘴河段基本地质条件

黄河在孤柏嘴山湾河段总体流向为北东东—北北东，河槽宽浅散乱，枯水期水位100～102m，河槽宽度一般为1～3km，河底高程98～100m。河槽以北为滩地，宽广平坦，宽度达7～8km。其中生产堤以南为低漫滩，地面高程为101.5～103.5m；生产堤以北为高漫滩，地面高程102.0～104.0m。

北岸断续分布有低缓的黄土岗地，即青风岭，东西长约70km，南北宽为2.5～5.7km，高程107～112m，为黄河残存的二级阶地。南岸邙山为黄土梁，主脊近东西向。最高点高程224m，最低点130m，高出黄河河床近100m。受黄河水流的冲刷影响，临河北坡较陡，坡度40°左右；南坡缓，坡度2°～4°。

根据各时代第四纪地层的分布特征，可把穿黄工程线路分为4个工程地质段。南岸邙山段，上部为上更新统黄土，河床与低漫滩段，上部为全新统砂层，下部为中更新统粉质壤土；高漫滩段，上部为全新统砂层，下部为上更新统砂层；北岸青风岭段，上部为上更新统黄土，下部为上更新统砂层。

1.2 隧洞围土地质结构组成

穿黄隧洞最小埋深23m，主要穿越地层为上更新统粉质壤土、全新统砂层，根据隧洞围土结构组成的不同可划分为3种类型，见图1。

（1）单一黏土结构。隧洞围土为中更新统粉质壤土层，分布在桩号4+858～6+033和7+109～7+919。总长1985m。

（2）上砂下土结构。隧洞围土上部为全新统砂层，下部为中更新统粉质壤土层，分布在桩号6+033～7+109和7+919～8+233，总长1390m。

（3）单一砂土结构。隧洞围土主要为全新统中砂层，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。

2 盾构施工可能存在的地质问题

2.1 障碍物

（1）块（漂）石。在穿黄隧洞轴线上游约2km的北岸河边，于钻孔18m深处的全新统砂层中发现2块紫红色石英砂岩块石，块径15～18cm。北岸下游竖井施工开挖至高程63.5m处发现一直径约30cm的漂石；北岸上游竖井在隧洞高程范围内发现了一个长轴直径约60cm的漂石，漂石的成分分别为砂岩和石英岩。

（2）地下古木。在桩号6+560.84的钻孔中，高程75.40～75.20m处钻出一截古木芯样，长23cm，顺黄河水流方向横卧于砂层中，树干直径不小于23cm，位于隧洞开挖面上部（该处隧洞顶板高程75.90m）。

在下游孤柏嘴处过黄河的西气东输工程的竖井施工过程中，地下10～14m深的全新统砂层中也挖到古木。北岸竖井开挖中，在隧洞高程范围内发现5棵古树，直径15～50cm，树干长2～3m，多数木质坚实。从以上资料分析来看，黄河河床、滩地下有较多的古木分布，在地下缺氧的环境中，多数未腐朽。

（3）坚硬砂岩薄层。桩号6+420～7+200段隧洞底板距上第三系基岩面较近，最近处仅0.963m。由于基岩面为古剥蚀面，起伏差较大，因此不能排除盾构隧洞施工中遇到基岩的可能性。

隧洞下方基岩为上第三系的黏土岩、砂岩等，成岩性能差。黏土岩、砂岩一般为泥质胶结，强度较低，抗压强度分别为0.53MPa和0.62MPa。但局部分布有薄层钙质胶结的砂岩（见图2），呈坚硬状，强度较高，抗压强度为16.5MPa。钻孔揭露出分布最高的一层钙质胶结砂岩厚0.5m，低于隧洞底板1.60m。

2.2 不良地层

不良地层是指对盾构正常掘进有一定影响，可能增大盾构掘进技术难度或加剧盾构设备的磨损、老化的地层。

（1）钙质结核富集层。在中更新统粉质壤土层中有多层钙质结核富集层分布。钙质结核为淋滤-淀积作用的产物，呈层状分布于Q2古土壤层和粉质壤土之间，厚度一般为0.2～1.0m，最厚1.7m。在水平方向上钙质结核呈网络状排列，一般情况下相互之间的连接较弱或无连接，但不排除局部钙质结核联结成块的可能性，粒径一般5～8cm，个别较大，单个粒径最大超过15cm。钙质结核单轴抗压强度为8.5～15.7MPa，硬度约3度。

（2）泥砾层和砂砾石层。泥砾层和砂砾石层主要分布在上砂下土结构段，土层与砂层分界面处，位于隧洞开挖面的中上部和顶部。泥砾层有5段，累计长606m，厚0.5～6.6m；砂砾石层有3段，累计长729m，厚0.6～4.2m。砾卵石含量45%～60%，砾石成分主要为长石石英砂岩，少量灰岩、安山岩、流纹岩，粒径一般不超过10cm。

由于砂砾石层和泥砾石层具有颗粒粗、孔隙大、透水性强等特点，盾构掘进过程中易产生逸泥现象，开挖舱水土压力平衡难以维持，容易产生削切面不稳等问题。故要求盾构设备具有瞬时调节、维持开挖舱压力平衡的性能。

此外，卵石强度较高，硬度大，对刀具的磨损较大，盾构设计中应予以考虑。

（3）黏性土层。隧洞段更新统粉质壤土长3375m，占隧洞总长的79.4%。粉质壤土中夹有古土壤层，黏粒含量较高，为22%～35%。盾构掘进时，黏土容易在刀盘表面、开挖舱及出渣管口黏结，糊裹刀盘或堵塞进泥口。泥饼问题是穿黄隧洞盾构掘进过程中一个关键性的技术问题，对此，必须在盾构机上配置相应设施或增加解决泥饼问题的性能。

（4）砂层。过黄河隧洞段全新统砂层中的石英颗粒含量高达40%～70%，可能会加剧刀具、刀盘的磨损。穿黄隧洞通过单一砂性土结构段和上砂下土结构段累计长2265m，要求盾构机刀具具有高耐磨性，刀盘表面具有耐磨防护措施。

3 盾构施工中出现的问题与对策

3.1 障碍物的处置措施

如前所述，影响盾构机掘进的障碍物主要有块（漂）石、埋藏的古木、钙质结核等。在盾构机刀具的设计制造中，在刀盘外边缘布置了4把双刃滚刀，用以开挖坚硬的钙质结核富集层。施工过程中，盾构机在掘进钙质结核富集层时进展较顺利，但掘进速度受影响。据不完全统计，钙质结核富集地段，每环推进耗时在5h以上，如上游线隧洞991环、992环、994环，每环推进耗时分别为610min、465min和409min，远远小于在其他地层中的掘进速度。

为了应对盾构掘进中可能出现的块（漂）石，在盾构机设计制造中采取了两项措施：①在吸入格栅的前方分隔舱板处安装了液压颚式破碎机，用以破碎直径不大于50cm的块（漂）石；②设置人舱，遇到直径较大的不能通过前舱门的块（漂）石时，人工带压进舱进行破碎处理。在上砂下土结构段和单一砂土结构段的盾构出渣中，偶尔有块（漂）石出现，破碎后碎石直径15～27cm，从碎块断口及形状推测，漂石直径在50cm以下。

盾构掘进遇到不能破碎的埋藏古木时，需人工带压进舱清除。穿黄盾构的人舱分紧急舱和主舱，主舱通过密封门可与泥水舱和常压工作区相通；紧急舱与常压工作区和主舱相通，紧急舱的作用是在需要时，操作人员通过它进入主舱，而使主舱内压力不变，进行快捷的轮班进舱操作。穿黄隧洞盾构掘进中，在单一砂土段、上砂下土段含古木的频次较高。因古木大多已经腐朽，均被刀具破碎成古木碎块（屑）随出渣排出。

3.2 防刀具磨损措施

隧洞穿越的砂层石英含量高达70%，中更新统土层中含有大量的钙质结核，再加上块（漂）石等的存在，刀具磨损问题十分突出。在盾构设计制造中主要采取了以下措施：

（1）刀具采用高度耐磨的钢材制作。

（2）刀具钢体表面覆耐磨硬金属层；刀刃采用高质量碳化钢，多刃口布置；刀具的前、后部有耐磨钉防止刀身磨损。

（3）刀座用耐磨堆焊保护。

（4）在刀具的配置和布置方面，为适应穿黄隧洞的地质条件，配置有先行刮刀、刮刀、铲刀、滚刀、齿刀、仿形刀等。在正面区域，在刮刀前安装先行刮刀，其作用是松动刮刀前的土壤从而降低对刮刀的直接磨损；在刀盘周边区域，刮刀前面安装齿刀，齿刀的作用是松动刮刀前面的土壤从而降低对刮刀的直接磨损；刀具数量随刀盘直径的增大而增加，使刀盘上刀具磨损均匀。

（5）采用了一套特殊的磨损检测系统来监测刮刀的磨损情况，如图3所示。在刮刀的前端预埋了线圈，刀具磨损到一定程度时，预制线圈受到磨损，呈断开状态。刮刀后部有一套信号收集与发射装置，通过线路传输到主控室的显示装置。

3.3 泥饼问题处置措施

图 3 刀具磨损监测结构

盾构机在黏性土中掘进可能会遇到泥饼问题，影响正常施工，在盾构的设计制造中主要采取了浆液冲刷和特殊的刀盘、刀具等措施。

盾构机上的膨润土冲刷系统可以优化开挖舱里的新鲜膨润土，形成质量好的混合泥浆以及防止结块。在开挖舱下部泥浆管的左右两端设置两个摆动的膨润土喷嘴，在开挖舱底部设置两个旋转喷嘴和3个碎石机冲刷喷嘴；在刀盘中心，有冲刷管路以防止物料在中心结块，堵塞刀盘中心的开口，同时还可以与其他冲刷点一起增强物料流动，有利于形成均匀的混合泥浆，减少堵管；在开挖舱上部和中部分别设置有2个和4个喷嘴，冲刷管路用于优化新鲜膨润土的重新分配（膨润土液位），利于物料流动，防止物料在开挖舱结块；在盾体区域集成的一个旁通装置对盾构机上的泥浆管进行冲刷（反向冲刷模式）以除去可能的堵塞。

刀盘的总开口率达35%，分为16个渣土开口，中间部分专门设计的大渣土开口，易于黏性土壤中渣土的流动；刀盘上还专门设计了溜槽以有利于渣土的流动，有效地减少磨损和疲劳，溜槽大体上是逐步向刀盘后部倾斜以减轻槽上渣土附着量，以利于渣土流入开挖舱；刀盘的开口几何形状采用90°圆角渐变，以防止渣土堆积。刀具采用大尺寸的刮刀，减少开挖时粉末状渣土的产生，减少堵塞的危险。

3.4 刀具检查和更换

尽管采取了一定的措施减轻了刀具的磨损，但是由于穿黄隧洞线路较长，盾构机在掘进一段时间后，仍需检查和更换刀具。为保证检查和更换刀具时隧洞掌子面的稳定，选择检查和更换刀具的位置十分重要。一般来说，单一黏土结构段开挖舱洞壁稳定性较好，基本没有遗泥、漏气的情况发生，舱压容易保持稳定，带压进舱安全性较高；上砂下土结构和单一砂土结构段则相反。

据不完全统计，上、下游线隧洞分别进行了5次和6次刀具检查和更换，每次刀具检查和更换历时在几天或十几天。刀具检查和更换多选择在单一黏土结构段和上砂下土结构段进行，当开挖面暴露一段时间后，有开挖舱气压降低、局部小范围土体失稳和开挖舱液面升高的现象。当出现这些现象时，要停止更换，向前掘进一小段再继续进行。

3.5 隧洞围土可掘性分析

不同结构的隧洞围土，盾构机掘进的速度差异较大。图4是穿黄河隧洞不同围土结构和每环掘进耗时统计曲线，从中可以看出单一黏土结构段盾构机掘进速度最慢，单一砂土结构段盾构机掘进速度最快，上砂下土段盾构机掘进速度介于二者之间。

（1）单一砂土结构段。盾构机掘进主要需稳定好开挖舱洞壁即可。砂土较均匀，容易切削，每环掘进用时40～90min，每天推进8～10环，最大达到14环。

（2）单一黏土结构段。影响盾构机掘进的主要因素有钙质结核和黏性土产生的泥饼问题，据统计，除含钙质结核富集层段，单环掘进最长耗时达610min外，一般每环掘进140～465min，平均238min，约是单一砂土段的3～6倍。掘进断面内，以古土壤（古土壤黏粒含量较高，其下往往有钙质结核层）为主的地段，每环耗时较长，以粉质壤土为主的地段，每环耗时较短。

（3）上砂下土结构段。影响盾构机掘进的主要因素有钙质结核层、黏性土泥饼问题、泥砾石层和砂砾石层。由于砂层和黏性土层混合，减轻了因黏性土而产生的泥饼问题，因此盾构机掘进速度较单一黏土结构段快。在上砂下土段内，盾构掘进速度与隧洞断面内黏性土所占的比例有关，黏性土所占比例越大，每环推进的时间就越长。据初步统计，当黏性土所占断面面积达到70%～95%时，每环掘进耗时100～212min，平均140min；当黏性土所占断面面积达到95%以上时，每环掘进耗时120～306min，平均183min。

4 结语

在南水北调中线工程穿黄隧洞施工前的盾构采购招标文件中，根据设计提供的资料做了充分说明；在盾构机设计制造时，通过分析研究，亦采取了切实可行的防范措施，有针对性地提出了可能遇到的地质问题的方案。因此，在施工过程中，所预见到的地质问题都得到了很好的处理，保证了工程的安全施工。

盾构机的掘进速度受地质结构的影响比较明显。单一砂土段，掘进速度较快；单一黏土段，由于钙质结核以及泥饼问题的影响，掘进速度较慢，其中含钙质结核富集层段，掘进速度最慢；半砂半土段，由于砂与土的混合减轻了泥饼问题的影响，掘进速度介于单一砂土段和单一黏土段之间。