南水北调中线穿黄盾构隧洞工程地质研究

　　摘要: 穿黄隧洞是南水北调中线总干渠上规模最大的特大型河渠交叉建筑物，全长4.25km。隧洞穿越的地层为第四系上更新统硬塑粘性土和全新统中密饱水砂层以及卵石层、泥砾石层等，地质条件复杂，施工难度和风险较大。阐述了穿黄隧洞工程地质条件，对盾构施工隧洞的埋深、盾构机选型、设计与制造需要考虑的障碍物和不良地层等问题进行了研究，对保证盾构隧洞顺利施工具有重要意义。

　　关 键 词: 穿黄隧洞;工程地质;盾构机;南水北调中线工程

　　在20世纪90年代初期南水北调中线工程可行性研究阶段，根据总干渠布置、渠道控制水位和黄河两岸地形、水文和地质等条件，在汜水河口至邙山头30km河段内选择了4条线路（邙山头线、桃花峪线、牛口峪线和孤柏嘴线）进行比较。由于邙山头和桃花峪线黄河南岸地势较高、冲沟发育，存在深挖方及高边坡稳定问题;北岸地势较低，需要较长距离的高填方工程，渠道布置困难，因此重点对牛口峪线和孤柏嘴线进行了比较。无论是在穿黄工程与黄河河势的相互影响方面，还是在工程量与投资方面，孤柏嘴线明显优于牛口峪线，因此在随后的工作中将穿黄工程锁定在孤柏嘴河段。

　　在隧洞和渡槽方案比较过程中，隧洞方案具有的抗震性能好、工程造价低、施工工期短、与黄河河势相互影响小等优点而备受专家亲睐。

　　穿黄隧洞是南水北调中线总干渠特大型河渠交叉建筑物，位于郑州市西约30km处，隧洞全长4250m，分为过黄河段和邙山段，长度分别为3450m和800m。隧洞采用双线设计，平行布置，轴线间距28m，隧洞内径7.0m，隧洞外衬厚0.40m，采用装配式普通钢筋混凝土管片结构;内衬厚0.45m，采用现浇预应力钢筋混凝土整体结构，内、外衬之间设弹性防水垫层。过黄河段洞顶埋深23～31m，纵向坡比1‰～2‰;邙山段洞顶埋深58～102m，纵向坡比4.9%。

　　穿黄隧洞由北岸竖井出发由北向南掘进。为缩短工期，南岸黄河边设施工竖井。

1 穿黄隧洞工程地质条件与隧洞埋深

　　1.1 穿黄隧洞工程地质条件

　　穿黄工程河段工程地质条件复杂:南岸邙山由上更新黄土组成;河床及北岸滩地沉积有深厚的第四系砂层，由南往北逐渐增厚，黄土和砂土之下为中更新统粉质壤土。为研究砂土层的工程性质，布置了3个群孔进行钻孔标准贯入试验、旁压试验、静力触探试验，并取原状砂土样进行室内试验，分析各种试验成果后提出了盾构隧洞所需的各砂层物理力学参数。

　　穿黄隧洞穿越的地层主要为Q2 粉质壤土、古土壤、Q14 砂层和砂砾（泥砾）石层。根据隧洞围土组成的不同可划分为以下3种地质结构类型，见图1（略）。

　　（1）单一粘土结构。隧洞围土为Q2 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Q14 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Q14 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。

　　1.2 穿黄隧洞水文地质条件

　　穿黄河段，黄河河床、漫滩普遍分布Q4 砂层，厚度10～58m，南薄北厚。砂层中含孔隙潜水，北岸漫滩地下水位92.6～101.7m，近河边高，远河边低。地下水由大气降水与黄河水补给。

　　含水层颗粒组成随深度逐渐变粗，上部以粉细砂为主，下部为中粗砂，根据钻孔抽水试验，粉细砂具中等渗透性，中粗砂具强渗透性。

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　　为了解隧洞范围内砂层中的孔隙水压力，分别在深度约25、40m左右埋设探头，进行孔隙水压力观测。观测结果表明:不同深度处的孔隙水压力与探头没入地下水中的深度有关（约等于水柱压力），孔隙水压力季节变化为0.01～0.02MPa，近黄河变幅大，远离黄河变幅小。

　　1.3 穿黄隧洞埋深需考虑的地质因素

　　隧洞埋深是隧洞设计中首要考虑的问题，从经济的角度考虑隧洞埋深越浅越经济，但是必需考虑如下几个问题:

　　（1）黄河冲刷深度。近代黄河沉积物以粉细砂为主。黄河水流量变化大，非汛期最小960m3/s，汛期最大17530m3/s。黄河属游荡性河流，主槽冲淤变化频繁，根据物理模型试验确定的设计洪水条件，设计水位下最大水深为20m。有一个钻孔，在深度18m处的Q24 砂层中夹有石英砂岩块石，直径15～18cm，分析认为是历史治河人工抛石。

　　（2）砂土地震液化。穿黄工程区内地震基本烈度为Ⅶ度，过黄河隧洞段普遍分布粉细砂，存在砂土液化问题。根据地质条件判别，穿黄隧洞段砂土液化深度最大，为16m，液化等级为严重。

　　盾构施工时，隧洞顶上应有一定厚度覆土（一般取1～1.5倍洞径），综合考虑以上方面的因素确定穿黄隧洞的埋深为23～31m。

2 盾构机选型需考虑的地质问题

　　过黄河隧洞设计洪水位高程104m，高出洞顶27～33m。洞底埋深42m左右，低于地下水位约39m，施工时隧洞外地下水压力较高，约为0.4MPa。因此在施工与运行期，要求隧洞有较好的密封性。

　　由于工程地质条件的限制，穿黄隧洞不宜采用气压式或开敞式盾构施工，而宜采用封闭式盾构施工。

　　土压平衡式盾构机适用于开挖面自稳性较好、土体渗透系数较小、水压力较低的地层，过黄河隧洞不宜采用。泥水加压式盾构适用于开挖面自稳性差、土体渗透系数较大、水压力较高的地层，并有利于长距离掘进。过黄河隧洞围土主要由Q4 砂层和Q2 粘性土组成，选择泥水加压式盾构是适宜的。

　　在盾构机选型与设计制造中，还应考虑障碍物、不良地层等地质问题。

　　2.1 障碍物

　　（1）漂石、块石。在穿黄隧洞轴线上游约2km的北岸河边钻孔18m深处的Q24 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，漂石的岩石成分分别为砂岩和石英岩。

　　一般盾构机排泥系统能输送最大块体粒径为15～18cm，为了处理掘进过程中的较大块石、漂石，要求在盾构机的吸入格栅设置有相应的破碎装置，破碎处理较大粒径的漂石、块石（40～50cm）。对于超大粒径的漂石、块石（>50cm），要求盾构机有气压舱和能进入到开挖面的人工通道，工作人员进舱进行人工清除。

　　（2）地下古木。在桩号6+560.84的钻孔中，高程75.40～75.20m处取出一截古木芯样，长23cm。根据树干的年轮分析，此树干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）。

　　西气东输工程，在下游孤柏嘴处过黄河竖井施工过程中，地下10～14m深的砂层中挖到古木。穿黄工程北岸竖井开挖，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。

　　盾构掘进过程中如果遇到盾构机刀盘不能破碎的地下古木，和处理超大块石、漂石一样，同样要求盾构机有气压舱和能进入到开挖面的人工通道，工作人员带压进舱到开挖面进行人工清除。

　　为保证盾构隧洞的顺利施工，应提前作好处理障碍物的准备，在施工过程中加强施工地质超前预报，发现情况及时处理。目前超前预报的方法主要是在盾构机上设置超声波探测仪。

　　2.2 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粘土岩、砂岩等，成岩作用差。粘土岩、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，呈坚硬状，强度较高，抗压强度为16.5MPa。钻孔揭露的分布最高的一层钙质胶结砂岩厚0.5m，低于隧洞底板1.60m。因此要求在盾构刀盘、刀具的设计中，考虑处理坚硬砂岩薄层的措施，并研究当隧洞掘进过程中如果遇到钙质胶结的砂岩时可能出现的偏向问题。

　　2.3 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。

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　　（1）钙质结核富集层。在Q2 粘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。一般粒径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。

　　钙质结核层增大了对盾构机刀具的磨损和刀盘的旋转阻力，在盾构设计中应予以考虑。

　　（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颗粒粗、孔隙大、透水性强的特点，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）粘性土层。在过黄河隧洞中，通过Q2 粘性土洞段长3375m，占隧洞总长的79.4%。粘性土粘粒含量较高，为22%～35%。盾构掘进时，粘土容易在刀盘表面、开挖舱及出渣管口粘结，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，盾构机必须具备解决泥饼问题的性能、设施。

　　（4）砂层。过黄河隧洞段，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。在穿黄隧洞单一砂性土结构段和上砂下土段结构中，不对地层进行加固不可能完成刀具检查与更换，而加固所需工期长，加固效果难以保证。所以要求盾构机刀具具有高度的耐磨性能，刀盘表面具有耐磨防护措施;或者可以选择单一粘性土洞段检查与更换刀具。

　　（5）淤泥质土。在桩号6+603～6+771和7+147～7+370段，隧洞顶板附近分布有淤泥质土透镜体，厚度1m左右，呈软—流塑状，盾构施工时需注意开挖面的稳定问题。

3 隧洞沉降问题

　　隧洞下卧有压缩性较高的粘性土层或在砂、土过渡段存在沉降或差异沉降问题，在隧洞设计中需要考虑。

　　3.1 隧洞下卧粘土层沉降问题

　　在桩号8+670～8+940之间，隧洞底板以下4.60～6.40m，分布厚3.0～7.5m的Q3 粉质粘土层，其含水量27.7%、孔隙比0.800、压缩系数0.24～0.37MPa，具中等压缩性，盾构掘进过程中，隧洞底板有可能会产生沉降。

　　按隧洞施工和运行条件，导致隧洞施工过程中产生沉降变形的因素主要有:

　　（1）盾构机掘进对下卧层的扰动，包括开挖面失稳、盾尾压浆不及时、纠偏、超挖、盾构机对围土的摩擦与剪切作用等均会对下卧层产生不同程度的扰动。

　　（2）盾构掘进时产生振动力，因此，要求盾构掘进过程中尽量减少超挖量，有效地保持开挖面的稳定，进行同步注浆，减轻对围土的扰动。

　　3.2 砂、土过渡段差异沉降问题

　　在桩号8+233附近，隧洞底板由Q4 砂层逐渐过渡到Q2 粘土层。砂层压缩量较小，在压力作用下完成固结的时间较短;粘土层压缩量较大，在压力作用下完成固结的时间较长。由于两种土在压缩性质上的差异性，在附加压力作用下存在差异沉降问题，在该段应考虑加密沉降分缝，即应减少衬砌的分段长度。

4 结语

　　穿黄工程隧洞围土主要为硬质粘土、中密砂层，并有砾石层、泥砾层、地下古木、大粒径漂石等障碍物分布，围土孔隙水压力大，对盾构设备性能要求较高。要求盾构设备具有耐磨性高、防淤堵、密封好、压力平衡系统稳定和处理障碍物等方面性能。本文阐述了穿黄隧洞的工程地质条件，说明了隧洞埋深需要考虑的地质问题，提出了盾构选型、刀盘设计制造、盾构施工中应考虑的地质问题。

　　作者简介: 马贵生，男，长江水利委员会长江岩土工程总公司地质公司常务副经理，教授级高级工程师。