南水北調(diào)中線穿黃盾構(gòu)隧洞工程地質(zhì)研究

　　摘要: 穿黃隧洞是南水北調(diào)中線總干渠上規(guī)模最大的特大型河渠交叉建筑物，全長4.25km。隧洞穿越的地層為第四系上更新統(tǒng)硬塑粘性土和全新統(tǒng)中密飽水砂層以及卵石層、泥礫石層等，地質(zhì)條件復(fù)雜，施工難度和風險較大。闡述了穿黃隧洞工程地質(zhì)條件，對盾構(gòu)施工隧洞的埋深、盾構(gòu)機選型、設(shè)計與制造需要考慮的障礙物和不良地層等問題進行了研究，對保證盾構(gòu)隧洞順利施工具有重要意義。

　　關(guān) 鍵 詞: 穿黃隧洞;工程地質(zhì);盾構(gòu)機;南水北調(diào)中線工程

　　在20世紀90年代初期南水北調(diào)中線工程可行性研究階段，根據(jù)總干渠布置、渠道控制水位和黃河兩岸地形、水文和地質(zhì)等條件，在汜水河口至邙山頭30km河段內(nèi)選擇了4條線路（邙山頭線、桃花峪線、牛口峪線和孤柏嘴線）進行比較。由于邙山頭和桃花峪線黃河南岸地勢較高、沖溝發(fā)育，存在深挖方及高邊坡穩(wěn)定問題;北岸地勢較低，需要較長距離的高填方工程，渠道布置困難，因此重點對?？谟€和孤柏嘴線進行了比較。無論是在穿黃工程與黃河河勢的相互影響方面，還是在工程量與投資方面，孤柏嘴線明顯優(yōu)于?？谟€，因此在隨后的工作中將穿黃工程鎖定在孤柏嘴河段。

　　在隧洞和渡槽方案比較過程中，隧洞方案具有的抗震性能好、工程造價低、施工工期短、與黃河河勢相互影響小等優(yōu)點而備受專家親睞。

　　穿黃隧洞是南水北調(diào)中線總干渠特大型河渠交叉建筑物，位于鄭州市西約30km處，隧洞全長4250m，分為過黃河段和邙山段，長度分別為3450m和800m。隧洞采用雙線設(shè)計，平行布置，軸線間距28m，隧洞內(nèi)徑7.0m，隧洞外襯厚0.40m，采用裝配式普通鋼筋混凝土管片結(jié)構(gòu);內(nèi)襯厚0.45m，采用現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土整體結(jié)構(gòu)，內(nèi)、外襯之間設(shè)彈性防水墊層。過黃河段洞頂埋深23～31m，縱向坡比1‰～2‰;邙山段洞頂埋深58～102m，縱向坡比4.9%。

　　穿黃隧洞由北岸豎井出發(fā)由北向南掘進。為縮短工期，南岸黃河邊設(shè)施工豎井。

1 穿黃隧洞工程地質(zhì)條件與隧洞埋深

　　1.1 穿黃隧洞工程地質(zhì)條件

　　穿黃工程河段工程地質(zhì)條件復(fù)雜:南岸邙山由上更新黃土組成;河床及北岸灘地沉積有深厚的第四系砂層，由南往北逐漸增厚，黃土和砂土之下為中更新統(tǒng)粉質(zhì)壤土。為研究砂土層的工程性質(zhì)，布置了3個群孔進行鉆孔標準貫入試驗、旁壓試驗、靜力觸探試驗，并取原狀砂土樣進行室內(nèi)試驗，分析各種試驗成果后提出了盾構(gòu)隧洞所需的各砂層物理力學(xué)參數(shù)。

　　穿黃隧洞穿越的地層主要為Q2 粉質(zhì)壤土、古土壤、Q14 砂層和砂礫（泥礫）石層。根據(jù)隧洞圍土組成的不同可劃分為以下3種地質(zhì)結(jié)構(gòu)類型，見圖1（略）。

　　（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4+858～6+033和7+109～7+919，總長1985m。

　　（2）上砂下土結(jié)構(gòu)。隧洞圍土上部為Q14 砂層，下部為Q2 粉質(zhì)壤土層，分布在樁號6+033～7+109和7+919～8+233，總長1390m。

　　（3）單一砂土結(jié)構(gòu)。隧洞圍土主要為Q14 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8+233以北，長875m。

　　1.2 穿黃隧洞水文地質(zhì)條件

　　穿黃河段，黃河河床、漫灘普遍分布Q4 砂層，厚度10～58m，南薄北厚。砂層中含孔隙潛水，北岸漫灘地下水位92.6～101.7m，近河邊高，遠河邊低。地下水由大氣降水與黃河水補給。

　　含水層顆粒組成隨深度逐漸變粗，上部以粉細砂為主，下部為中粗砂，根據(jù)鉆孔抽水試驗，粉細砂具中等滲透性，中粗砂具強滲透性。

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　　為了解隧洞范圍內(nèi)砂層中的孔隙水壓力，分別在深度約25、40m左右埋設(shè)探頭，進行孔隙水壓力觀測。觀測結(jié)果表明:不同深度處的孔隙水壓力與探頭沒入地下水中的深度有關(guān)（約等于水柱壓力），孔隙水壓力季節(jié)變化為0.01～0.02MPa，近黃河變幅大，遠離黃河變幅小。

　　1.3 穿黃隧洞埋深需考慮的地質(zhì)因素

　　隧洞埋深是隧洞設(shè)計中首要考慮的問題，從經(jīng)濟的角度考慮隧洞埋深越淺越經(jīng)濟，但是必需考慮如下幾個問題:

　　（1）黃河沖刷深度。近代黃河沉積物以粉細砂為主。黃河水流量變化大，非汛期最小960m3/s，汛期最大17530m3/s。黃河屬游蕩性河流，主槽沖淤變化頻繁，根據(jù)物理模型試驗確定的設(shè)計洪水條件，設(shè)計水位下最大水深為20m。有一個鉆孔，在深度18m處的Q24 砂層中夾有石英砂巖塊石，直徑15～18cm，分析認為是歷史治河人工拋石。

　　（2）砂土地震液化。穿黃工程區(qū)內(nèi)地震基本烈度為Ⅶ度，過黃河隧洞段普遍分布粉細砂，存在砂土液化問題。根據(jù)地質(zhì)條件判別，穿黃隧洞段砂土液化深度最大，為16m，液化等級為嚴重。

　　盾構(gòu)施工時，隧洞頂上應(yīng)有一定厚度覆土（一般取1～1.5倍洞徑），綜合考慮以上方面的因素確定穿黃隧洞的埋深為23～31m。

2 盾構(gòu)機選型需考慮的地質(zhì)問題

　　過黃河隧洞設(shè)計洪水位高程104m，高出洞頂27～33m。洞底埋深42m左右，低于地下水位約39m，施工時隧洞外地下水壓力較高，約為0.4MPa。因此在施工與運行期，要求隧洞有較好的密封性。

　　由于工程地質(zhì)條件的限制，穿黃隧洞不宜采用氣壓式或開敞式盾構(gòu)施工，而宜采用封閉式盾構(gòu)施工。

　　土壓平衡式盾構(gòu)機適用于開挖面自穩(wěn)性較好、土體滲透系數(shù)較小、水壓力較低的地層，過黃河隧洞不宜采用。泥水加壓式盾構(gòu)適用于開挖面自穩(wěn)性差、土體滲透系數(shù)較大、水壓力較高的地層，并有利于長距離掘進。過黃河隧洞圍土主要由Q4 砂層和Q2 粘性土組成，選擇泥水加壓式盾構(gòu)是適宜的。

　　在盾構(gòu)機選型與設(shè)計制造中，還應(yīng)考慮障礙物、不良地層等地質(zhì)問題。

　　2.1 障礙物

　　（1）漂石、塊石。在穿黃隧洞軸線上游約2km的北岸河邊鉆孔18m深處的Q24 砂層中發(fā)現(xiàn)2塊紫紅色石英砂巖塊石，塊徑15～18cm。北岸下游豎井施工開挖至高程63.5m處發(fā)現(xiàn)一直徑約30cm的漂石;北岸上游豎井在隧洞高程范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)了一個長軸直徑約60cm的漂石，漂石的巖石成分分別為砂巖和石英巖。

　　一般盾構(gòu)機排泥系統(tǒng)能輸送最大塊體粒徑為15～18cm，為了處理掘進過程中的較大塊石、漂石，要求在盾構(gòu)機的吸入格柵設(shè)置有相應(yīng)的破碎裝置，破碎處理較大粒徑的漂石、塊石（40～50cm）。對于超大粒徑的漂石、塊石（>50cm），要求盾構(gòu)機有氣壓艙和能進入到開挖面的人工通道，工作人員進艙進行人工清除。

　　（2）地下古木。在樁號6+560.84的鉆孔中，高程75.40～75.20m處取出一截古木芯樣，長23cm。根據(jù)樹干的年輪分析，此樹干順黃河水流方向橫臥于砂層中，樹干直徑不小于23cm，位于隧洞開挖面上部（該處隧洞頂板高程75.90m）。

　　西氣東輸工程，在下游孤柏嘴處過黃河豎井施工過程中，地下10～14m深的砂層中挖到古木。穿黃工程北岸豎井開挖，在隧洞高程范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)5棵古樹，直徑15～50cm，樹干長2～3m，多數(shù)木質(zhì)堅實。從以上資料分析來看，黃河河床、灘地下有較多的古木分布，在地下缺氧的環(huán)境中，多數(shù)未腐朽。

　　盾構(gòu)掘進過程中如果遇到盾構(gòu)機刀盤不能破碎的地下古木，和處理超大塊石、漂石一樣，同樣要求盾構(gòu)機有氣壓艙和能進入到開挖面的人工通道，工作人員帶壓進艙到開挖面進行人工清除。

　　為保證盾構(gòu)隧洞的順利施工，應(yīng)提前作好處理障礙物的準備，在施工過程中加強施工地質(zhì)超前預(yù)報，發(fā)現(xiàn)情況及時處理。目前超前預(yù)報的方法主要是在盾構(gòu)機上設(shè)置超聲波探測儀。

　　2.2 堅硬砂巖薄層

　　樁號6+420～7+200段隧洞底板距上第三系基巖面較近，最近處僅0.963m。由于基巖面為古剝蝕面，起伏差較大，因此不能排除盾構(gòu)隧洞施工中遇到基巖的可能性。隧洞下方基巖為上第三系的粘土巖、砂巖等，成巖作用差。粘土巖、砂巖一般為泥質(zhì)膠結(jié)，強度較低，抗壓強度分別為0.53MPa和0.62MPa。但局部分布有薄層鈣質(zhì)膠結(jié)的砂巖，呈堅硬狀，強度較高，抗壓強度為16.5MPa。鉆孔揭露的分布最高的一層鈣質(zhì)膠結(jié)砂巖厚0.5m，低于隧洞底板1.60m。因此要求在盾構(gòu)刀盤、刀具的設(shè)計中，考慮處理堅硬砂巖薄層的措施，并研究當隧洞掘進過程中如果遇到鈣質(zhì)膠結(jié)的砂巖時可能出現(xiàn)的偏向問題。

　　2.3 不良地層

　　不良地層是指對盾構(gòu)正常掘進有一定影響，可能增大盾構(gòu)掘進技術(shù)難度或加劇盾構(gòu)設(shè)備的磨損、老化的地層。

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　?。?）鈣質(zhì)結(jié)核富集層。在Q2 粘土層中有多層鈣質(zhì)結(jié)核富集層分布。鈣質(zhì)結(jié)核為淋濾—淀積作用的產(chǎn)物，呈層狀分布于Q2 古土壤層和粉質(zhì)壤土之間，厚度一般為0.2～1.0m，最厚1.7m。在水平方向上鈣質(zhì)結(jié)核呈網(wǎng)絡(luò)狀排列，一般情況下相互之間的連接較弱或無連接，但不排除局部鈣質(zhì)結(jié)核聯(lián)結(jié)成塊的可能性。一般粒徑5～8cm，個別較大，單個粒徑最大超過15cm。鈣質(zhì)結(jié)核單軸抗壓強度為8.5～15.7MPa，硬度約3度。

　　鈣質(zhì)結(jié)核層增大了對盾構(gòu)機刀具的磨損和刀盤的旋轉(zhuǎn)阻力，在盾構(gòu)設(shè)計中應(yīng)予以考慮。

　　（2）泥礫層和砂礫石層。泥礫層和砂礫石層主要分布在上砂下土結(jié)構(gòu)段，土層與砂層分界面處，位于隧洞開挖面的中上部和頂部。泥礫層有5段，累計長606m，厚0.5～6.6m;砂礫石層有3段，累計長729m，厚0.6～4.2m。礫卵石含量45%～60%，礫石成分主要為長石石英砂巖，少量灰?guī)r、安山巖、流紋巖，粒徑一般不超過10cm。

　　由于砂礫石層和泥礫石層具顆粒粗、孔隙大、透水性強的特點，盾構(gòu)掘進過程中易產(chǎn)生逸泥現(xiàn)象，開挖艙水土壓力平衡難以維持，容易產(chǎn)生削切面不穩(wěn)等問題。故要求盾構(gòu)設(shè)備具有瞬時調(diào)節(jié)、維持開挖艙壓力平衡的性能。

　　此外，卵石強度較高、硬度大，對刀具的磨損較大，盾構(gòu)設(shè)計中應(yīng)予以考慮。

　　（3）粘性土層。在過黃河隧洞中，通過Q2 粘性土洞段長3375m，占隧洞總長的79.4%。粘性土粘粒含量較高，為22%～35%。盾構(gòu)掘進時，粘土容易在刀盤表面、開挖艙及出渣管口粘結(jié)，糊裹刀盤或堵塞進泥口。泥餅問題是穿黃隧洞盾構(gòu)掘進過程中一個關(guān)鍵性的技術(shù)問題，盾構(gòu)機必須具備解決泥餅問題的性能、設(shè)施。

　　（4）砂層。過黃河隧洞段，砂層中的石英顆粒含量高達40%～70%，可能會加劇刀具、刀盤的磨損。在穿黃隧洞單一砂性土結(jié)構(gòu)段和上砂下土段結(jié)構(gòu)中，不對地層進行加固不可能完成刀具檢查與更換，而加固所需工期長，加固效果難以保證。所以要求盾構(gòu)機刀具具有高度的耐磨性能，刀盤表面具有耐磨防護措施;或者可以選擇單一粘性土洞段檢查與更換刀具。

　　（5）淤泥質(zhì)土。在樁號6+603～6+771和7+147～7+370段，隧洞頂板附近分布有淤泥質(zhì)土透鏡體，厚度1m左右，呈軟—流塑狀，盾構(gòu)施工時需注意開挖面的穩(wěn)定問題。

3 隧洞沉降問題

　　隧洞下臥有壓縮性較高的粘性土層或在砂、土過渡段存在沉降或差異沉降問題，在隧洞設(shè)計中需要考慮。

　　3.1 隧洞下臥粘土層沉降問題

　　在樁號8+670～8+940之間，隧洞底板以下4.60～6.40m，分布厚3.0～7.5m的Q3 粉質(zhì)粘土層，其含水量27.7%、孔隙比0.800、壓縮系數(shù)0.24～0.37MPa，具中等壓縮性，盾構(gòu)掘進過程中，隧洞底板有可能會產(chǎn)生沉降。

　　按隧洞施工和運行條件，導(dǎo)致隧洞施工過程中產(chǎn)生沉降變形的因素主要有:

　　（1）盾構(gòu)機掘進對下臥層的擾動，包括開挖面失穩(wěn)、盾尾壓漿不及時、糾偏、超挖、盾構(gòu)機對圍土的摩擦與剪切作用等均會對下臥層產(chǎn)生不同程度的擾動。

　　（2）盾構(gòu)掘進時產(chǎn)生振動力，因此，要求盾構(gòu)掘進過程中盡量減少超挖量，有效地保持開挖面的穩(wěn)定，進行同步注漿，減輕對圍土的擾動。

　　3.2 砂、土過渡段差異沉降問題

　　在樁號8+233附近，隧洞底板由Q4 砂層逐漸過渡到Q2 粘土層。砂層壓縮量較小，在壓力作用下完成固結(jié)的時間較短;粘土層壓縮量較大，在壓力作用下完成固結(jié)的時間較長。由于兩種土在壓縮性質(zhì)上的差異性，在附加壓力作用下存在差異沉降問題，在該段應(yīng)考慮加密沉降分縫，即應(yīng)減少襯砌的分段長度。

4 結(jié)語

　　穿黃工程隧洞圍土主要為硬質(zhì)粘土、中密砂層，并有礫石層、泥礫層、地下古木、大粒徑漂石等障礙物分布，圍土孔隙水壓力大，對盾構(gòu)設(shè)備性能要求較高。要求盾構(gòu)設(shè)備具有耐磨性高、防淤堵、密封好、壓力平衡系統(tǒng)穩(wěn)定和處理障礙物等方面性能。本文闡述了穿黃隧洞的工程地質(zhì)條件，說明了隧洞埋深需要考慮的地質(zhì)問題，提出了盾構(gòu)選型、刀盤設(shè)計制造、盾構(gòu)施工中應(yīng)考慮的地質(zhì)問題。

　　作者簡介: 馬貴生，男，長江水利委員會長江巖土工程總公司地質(zhì)公司常務(wù)副經(jīng)理，教授級高級工程師。