第４０卷第４期 ２００７年８月
Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
武汉大学学报（工学版） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｗｕｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
Ｖ０１．４０ Ｎｏ．４ Ａｕｇ．２００７
文章编号：１６７１ ８８４４（２００７）０４—００８１—０４
穿黄输水隧洞盾构施工进出洞地基加固技术研究
陈悦华１，肖劲松２，赵锋３
（Ｉ．武汉大学土木建筑工程学院，湖北武汉４３００７２ ２．武汉大学后勤集团．湖北武汉４３００７２ ３．长江勘测规划设计研究院 湖北武汉４３００１０）
ｓｏｉｌ ｏｆ ｔｈｅ ｎｏｒｔｈ ｔｕｎｎｅｌ
ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ
ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｉｓ ａｌｓｏ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｅｌａｓｔｉｃｉｔｙ ｍｅｃｈａｎｉｃｓ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｒｏｃｋ ｚｏｎｅ，ｔｈｅ ｗｉｄｔｈ ｏｆ ｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｉｏｎ
ｃａｎ
的公式：
４６２．６９
ｋＮ・ｍ
式中：Ｒ为塑性体松动固半径，ｒｏ；ｙ为复合土层平 均容重，Ｎ／ｍ３；Ｃ为加固土体的粘聚力，ｋＰａ；Ｈ为 封门埋深，ｍ；。为隧道内径，１１１． 将已知参数代入式（４），求得塑性体松动圈半 径Ｒ一１０．６９ ｉｉｌ，则有
Ｈ，一１．５×（Ｒ—ｒ）一９．５１ ｍ．
ｉｎＲ＋鹅一篇＋Ｉｎａ
越地层变化大，南段为Ｑ粉质壤土层，中段为Ｑ：
粘土、泥砾石和中砂混合地层，北段主要为中砂和 细砂层．主河床最大冲刷深度为水面以下２０ ｍ．根 据临近的西气东输穿黄管道施工中遇到的具体情 况分析，黄河隧洞穿越地层还可能存在有大直径砾 石、卵石、大直径古树（强度韧性较高）的可能性“］． 基于以上情况，穿黄隧洞采用盾构机施工，与一 般盾构施工的隧洞相比，地质条件复杂，技术难度较 大，由于地层变化的多样性，还有盾构施工中可能遇 到太直径砾石、卵石和古树等情况，为满足盾构机在 机械性能上的施工要求，需要对地层实施有效的加 固处理．此外，对于如此复杂地质条件下的地下工 程，施工中还须防治其他不可预见的险情．
ｍ一８．０ ｍ＋１ ｍ一
…’。
与经验公式ｆ一盾构机长度＋１
９．０
５８６．８６ ｋＮ－ｍ
ｍ相比，取ｔ＝１１．５ ｍ， 按塑性松动圈的应力条件和破坏条件推导出
土体加固后增加的抵抗力矩为
△Ｍ—ＡＣ・日・Ｄ。一２０
Ｍｊ—Ｍｄｌ＋Ｍｄ２—２７ 代入土体平衡方程： ｆ ＫＭｄ—Ｍ，＋△Ｍ，
９４９．６９０ ｋＮ・ｍ
３加固范围的计算分析
进出洞加固土体作为一个临时支挡系统，自身强 度既要满足后部未加固部分所施加的水土压力，同时 又能防止后部土体的滑移．在此，选取软土地区典型 的进出洞土体来进行验算，取加固体为研究对象“． ３．１北岸出洞段砂性土地基加固 北岸始发洞段地层为砂性土地基，如图１． 忽略砂性土的粘结力，按水土分算法计算水土 压力．将加固土体视为厚度为ｔ、周边支撑的圆板 进行结构计算，由弹性力学理论推导出土体加固厚 度计算公式：
ｍ．
１盾构进、出洞段加固的重要性
进出洞段地基加固是指封门临时墙外一定范 围内土体的加固处理，因为不论是松散的砂土，还 是饱和含水软粘土，自身缺少自稳性和防水性，一 旦开挖后有临空面时，土体会产生大量的坍塌、涌 水，使施工无法进行，所以在施工前必须进行预处 理，以保证地层的稳定，防止机外的地下水流人＋ 根据设计，穿黄隧道盾构机施工最大外水压力 约为０．４ ＭＰａ，比一般隧洞的要大．加上土压力作 用，隧洞外侧总压力将会更大．另外，由于隧洞施工 期长，无法避开洪水季节，遭遇较大洪水的几率 较大， 由于南水北调工程的重要性，穿黄隧洞的控制标 准高，从衬砌结构的受力状态、平整度要求、裂缝控制 标准到耐久性要求，穿黄隧洞施工的控制标准要远高 于普通的隧洞．综ｒ所述，作为盾构施工的起点和终 点的进、出洞段面临着非常复杂的地质状况，为满足 有关要求，必须对一定范围内的土体进行加固．
ａｃｃｅｓｓ
ｓｈａｆｔ ｓｅｃｔｉｏｎ ｉｓ ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｅｅｐ ｏｖｅｒｂｕｒｄｅｎ ｏｆ ｓｈｉｅｌｄ
ｔｏ ｕｓｅ
ｓｈａｆｔ ｓｅｃｔｉｏｎ，ｈｉｇｈ
ｗａｔｅｒ ｌｅｖｅｌ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｉｔ ｉｓ ｉｎｔｅｎｄｅｄ ｃａｌ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ
万 方数据
第４期
陈悦华，等：穿黄输水隧洞盾构施工进出洞地基加固技术研究
８３
３—２００ ｋＰａ；Ｋ为安全系数，一般取１．５．其中：
虑，加固厚度Ｈ。按经验取２．０
１１１．
土压力：
北岸出洞段砂性土地基加固范围见图１．
ｋＰａ （２）
Ｅｋ一了×ｈｋ×ｔａｎ２（４５。一罢）一１１３．２３
水压力：
Ｅ。＝ｙ。×ｈ，一３６１．９１ ｋＰａ Ｅ—Ｅｋ＋Ｅ。一４７５．１４ ｋＰａ
摘要：针对南水北调中线工程穿黄河输水隧洞泥水加压式盾构施工中进出洞地基的加固｜Ｉ；ｌｊ题展开研究．穿黄河
输水隧洞的盾构进出洞段埋深大，水位高，地质条件复杂，经多方案比选论证，拟采用高喷和化学注浆技术对进 出洞地基进行加固．对该工程的进出洞地基加固范围进行ｒ计算分析，分别计算了北洞的水土压力，由弹性力学 理论计算其七体加固厚度．根据塑性松动圈的应力条件和破坏条件计算出加固土体的宽度．对南洞按土体整体 精移失稳可能形成的圆弧滑动丽来确定加固范围．
（１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ ａｎｄ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌ ２．Ｌｏｇｉｓｔｉｃｓ
Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｗｕｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｕｈａｎ
４３００７２．Ｃｈｉｎａ；
Ｇｒｏｕｐ，Ｗｕｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｕｈａｎ
４３００７２，Ｃｈｉｎａ；
３．Ｃｈａｎｇｊｉａｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｓｕｒｖｅｙ，Ｐｌａｎｎｉｎｇ，Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，Ｗｕｈａｎ ４３００１０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｌｕｒｒｙ ｓｈｉｅｌｄ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ｗａｓ ｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄ
（４）
ｌ口一（ＫＭｄ—Ｍｒ）／（ＡＣ・Ｄ２）一９７。６８ 得改良区间厚度：ｔ—Ｄ・ｓｉｎ０＝８．８４ ｍ 与经验公式￡一９ １３３相比，取￡一９．５
ｍ．
ｏ
将已知参数代人公式ｌｎＲ－＋一景麓一参等＋
ｌｎａ，求得塑性体松动圈半径Ｒ一９．７５ Ｉｉｌ，有
ｆ Ｈ，一１．５×（Ｒ—ｒ）一８，１ ｍ
ｃｏｓ击一（４５。导）一４１ ｐ一８。３赢一。亏’一
ｔｏ
ｂｏｒｅ ｔｈｒｏｕｇｈ ｗａｔｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｔｕｎｎｅｌ
ａｃｒｏｓｓ
ｔｈｅ
Ｙｅｌｌｏｗ Ｒｉｖｅｒ ａｌｏｎｇ ｔｈｅ Ｍｉｄｄｌｅ Ｒｏｕｔｅ ｏｆ Ｓｏｕｔｈ－ｔｏ—Ｎｏｒｔｈ ｔｉｏｎ ｏｆ ｓｈｉｅｌｄ
ａｃｃｅｓｓ
Ｗａｔｅｒ
Ｄｉｖｅｒｓｉｏｎ Ｐｒｏｊｅｃｔ．Ｔｈｅ ｇｒｏｕｎｄ ｃｏｎｓｏｌｉｄａ
长８００ ｍ．由于盾构技术是非开挖土方施工方式中 的前沿技术，其中泥水盾构是盾构家族中最先进的 一种密闭盾构．经反复论证比选，综合考虑各种因 素，确定采用两台直径８．９２ ｍ的加压式泥水盾构 施工，输水隧洞从黄河底部由北向南穿越．
收稿日期：２００７—０Ｉ一１８ 作者简介：陈悦华（１９６８一），男，，“西北海人，副教授，博士，研究方向为土木工程施工技术与管理
关键词：穿黄河隧洞；泥水盾构；高压喷射注浆；加固 中图分类号：Ｔｕ
４７２
文献标志码：Ａ
Ｒｅｓｅａｒｃｈ
ｏｎ
ｇｒｏｕｎｄ ｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｓｈｉｅｌｄ
ａｃｒｏｓｓ
ａｃｃｅｓｓ
ｓｅｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｕｎｎｅｌ
Ｙｅｉｌｏｗ Ｒｉｖｅｒ
ＣＨＥＮ Ｙｕｅｈｕａｌ，ＸＩＡＯ Ｊｉｎｓｏｎ９２，ＺＨＡＯ Ｆｅｎ９３
ｓｔｒｅｓｓ
ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｂｒｏｋｅｎ
ｂｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ．Ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｏｕｔｈ ｔｕｎｎｅｌ，ｔｈｅ ｓｃｏｐｅ ｏｆ ｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｉｏｎ ｉｓ
ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ ｂｙ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ｃｉｒｃｕｌａｒ ｆａｉｌｕｒｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｒｅｓｕｌｔｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｉｎｔｅｇｒａｌ ｌａｎｄｓｌｉｄｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｔｕｎｎｅｌ
３．２南岸进、出洞段粉质壤土地基加固 南岸进、出洞段地层主要为粉质壤土，有一定 的粘聚力，约为３０ ｋＰａ，与北岸砂质土破坏形式不 同，其破坏形式主要为整体滑移，失去土体稳定，按
（３）
拆除临时墙时可能形成的圆弧滑动面来确定加固 范围． 上部覆土引起的下滑力矩为
式（２）～（３）中：ｙ为土层平均浮容重，Ｎ／ｍ３；ｙ。为 永的容重，Ｎ／ｍ．’；ｈｋ为封门埋深，“；ｈ。为封门中 心线处地下水测压管高程，ｎ１．
根据穿黄工程进出洞段地基条件，北岸始发洞
段采用高喷灌浆，南岸出洞段采用化学灌浆． 高压喷射注浆使用的水泥应采用新鲜无结块 的３２．５号普通水泥．一般泥浆水灰比为１：１～ １．５：１。高压旋喷加固法加固的土体无侧限抗压强 度可达ｌ～３ ＭＰａ，粘结力Ｃ为０．３～０．５ ＭＰａ，内 摩擦角３０。～４０。，弯曲抗压强度为２／３Ｃ，弹性模量 为１００～３００ ＭＰａ，渗透系数为ｌ×１０。６～１×１０１ ｃｍ／Ｓ．施工深度可达到４０～５０
化学注浆法采用双液硅化法时，其灌浆材料主 要为水玻璃和氯化钙溶液；采用压力单液硅化法 时，其灌浆材料主要为水玻璃；采用压力混合液硅 化法时，其灌浆材料主要为水玻璃和铝酸钠混合 液．根据检测，用双液（水玻璃和氯化钙）硅化的砂 土抗压强度达０．６～１．０ ＭＰａ，压力混合液（水玻璃 和铝酸钠）硅化的砂十强度达１．ｏ～１．５ ＭＰａ口］．
蝎ｌ—ｎ・Ｈ・Ｄ・等＝２２
ＭＩＪ２＝ｙｔ・Ｄ。／３—４ 土体加固前抵抗力矩为 ＭＴ—Ｃ・Ⅱ・Ｄ２／２—４
７４７．７０ ｋＮ・ｒｒｌ
将各变量值代入式（１），得