2.4 盾构施工技术难点

2.4.1 盾构施工特点

根据南水北调中线一期穿黄隧洞工程土建及设备安装施工招标文件和岩土工程勘察报告，穿黄工程具有如下特点：

（1）一次性长距离掘进。使用一台直径9m的盾构机，一次性完成由黄河北岸工作竖井至黄河南岸检修竖井的隧洞开挖，施工总长度为3450m。

（2）穿越黄河。本次施工为国内首次盾构机穿越黄河施工，没有任何先期经验可参考。黄河河道并不固定，河水流量和河床底部的沉淤厚度随季节变化而变化，给施工带来诸多不确定性的因素。

（3）地层多变。穿黄隧洞要穿越全砂层、上下砂土层、单一黏土层及局部卵石层，泥砾层等多种地层，地层分布长度不均匀，变化频繁，有时间隔十几米就会连续发生几次地层变化，给盾构掘进期间的参数控制带来困难，具体有如下5点。

1）高水压且富含水的砂层。盾构机北岸竖井始发时即遇外水压力高达37m水头的富水砂层，始发风险较大。

2）古壤土中含钙质结核。根据地质勘探结果，在隧洞断面内的黏土和古壤土中含有较大的钙质结核，钙质结核抗切削能力较强，增加了刀盘的扭矩，同时也加大了刀具的磨损，此外，钙质结核与黏土胶结在一起容易形成大的黏土球，堵塞盾构机排泥口，使循环不畅，进一步造成刀盘结泥饼。

3）上砂下土与浅覆土。上砂下土地段本身就存在易塌方、易失压的风险，穿黄隧洞断面内的砂土分布不均匀，土砂比例上下浮动大，给正常掘进带来较大困难。同时，在接近黄河边的河滩段，更由于盾构机上部覆土较浅且全为砂层，进一步加大了掌子面失压失稳的风险。

4）卵石层。勘探卵石层有直径达15cm以上的卵石，大卵石对刀盘刀具的破坏力较强，增加了刀盘刀具合理配置的难度。

5）孤石、块石、枯树和古木。黄河河道历经千年沧桑，期间治水遗留有孤石、块石及被河水冲刷掩埋的枯树、古木。

2.4.2 施工技术难点

穿黄隧洞是我国首次采用大直径隧洞穿越黄河，施工中蕴含着极大的技术难度，其施工主要技术难点如下：

（1）地质条件复杂。隧洞位于黄河河床以下23～32m，施工期承受的最大外水压力水头38m，运行期承受最大内水压力水头58m。围土为富含水的砂土层，过河段以砂层为主，邙山段以粉质壤土为主，盾构机要一次性穿越3450m的过河段，要适应软硬不均的地层，黄河河床内还有孤石、枯树等障碍物。

（2）工程结构复杂。穿黄隧洞采用双层衬砌结构，是我国采用盾构施工输水隧洞的一个创新，没有可借鉴的工程实例。盾构始发井埋深也较大，其外围支护地下连续墙是国内最深最厚的地下连续墙。

（3）施工技术先进。穿黄隧洞竖井地下连续墙施工、盾构始发加固、隧洞开挖掘进（采用泥水加压平衡盾构机）、内衬预应力混凝土浇筑等施工，都需要采用国内最先进的施工设备、运用最先进的施工技术才能完成。穿黄隧洞盾构施工中的主要技术挑战如下：

1）深地下连续墙的施工。北岸始发竖井地下连续墙厚度为1.5m，深度为76.6m，其厚度和深度在同类地层条件下均居当前国内之最。施工中要穿越大约30m深的中细砂层，地下水位仅在地面以下3m左右，施工中要保证地下连续墙的成槽稳定性及精度、达到预想的防渗效果以保证竖井的施工，难度非常大。施工重点技术有成槽技术、钢筋笼下放技术、水下混凝土浇筑技术、槽段连接技术、防渗技术等。

2）竖井内衬施工。穿黄工程北岸竖井为穿黄隧洞盾构机始发井，竖井为圆筒结构，内径16.4m，外径20.8m，井深50.5m。竖井虽然是在地下连续墙保护下进行的开挖衬砌，但结构深度48.5m、开挖深度50.5m的竖井，在施工中的安全风险很高。主要技术问题有地下连续墙槽间渗水、底部涌水、施工期竖井的整体稳定及竖井内衬浇筑技术等。

3）盾构始发到达。穿黄工程的盾构始发区域距地面将近50m，是国内最深的盾构始发工程，受始发井尺寸所限，无法一次性在井下整机始发，需采取分段始发方案。始发端头地层主要为砂层，埋深大，地下水位高，始发时易发生涌水、涌砂，对人员和设备安全造成严重威胁。始发前至少应采取如下措施：①采用高压旋喷灌注桩对始发端地层进行加固，提高土体稳定性能，减小土体渗透系数；②采用延长管线、后配套分次下井始发法，后配套置于地面，在向前掘进30m后安装同步注浆系统，在掘进70m后下放配套系统；③盾构始发时加强洞口防水密封、反力架、始发架的监控，做好始发时的泥水压力控制，保证施工安全。

4）盾构机长距离掘进中的若干技术问题。穿黄隧洞由过河隧洞和邙山隧洞组成，总长4250m。其中，过河隧洞为外径8.7m的圆形隧洞，长3450m，盾构机需一次性穿越长3450m、软硬不均的地层。Q₂粉质壤土中夹有丰富的钙质结合层，砂层中石英颗粒含量高达40.0%～69.5%，对刀具的磨损较大。施工中将存在诸多关键技术问题：①穿黄隧洞穿越不同地层，对泥浆特性要求高；②控制泥水加压式盾构机在掘进过程中对开挖面的压力，以保证开挖面的稳定；③壁后注浆材料与技术的研究；④穿黄隧洞施工过程中最高外水压力水头为38m，对管片接缝、进出口洞圈密封等部位提出了严格的防渗要求；⑤长距离掘进过程中存在刀具磨损及遇到枯树、孤石等施工风险；⑥盾构掘进姿态控制研究等。