長(zhǎng)距離盾構(gòu)法輸水隧道設(shè)計(jì)要點(diǎn)及改進(jìn)建議

杜 峰

(中國(guó)市政工程西北設(shè)計(jì)研究院有限公司，蘭州 730000)

0 引言

輸水隧道是城市供水工程設(shè)施的重要組成部分，由于城市的高速發(fā)展和范圍的不斷擴(kuò)大，原水輸送隧道工程建設(shè)有愈來(lái)愈長(zhǎng)的趨勢(shì)，往往數(shù)十km，傳統(tǒng)的挖槽埋管施工技術(shù)因環(huán)境及交通等因素而無(wú)法鋪設(shè)。近年來(lái)，采用盾構(gòu)法隧道在長(zhǎng)距離取排水工程的設(shè)計(jì)施工實(shí)例越來(lái)越多。在國(guó)外最早使用輸水隧道單層襯砌的國(guó)家是挪威，此后，世界上許多國(guó)家對(duì)輸水隧道單層襯砌都有了不同程度的應(yīng)用，如德國(guó)、瑞士、法國(guó)、加拿大、日本、比利時(shí)和西班牙等，而且一些國(guó)家還制定了相應(yīng)的設(shè)計(jì)和施工規(guī)范。

我國(guó)對(duì)于相應(yīng)研究起步較晚。2006年西南交通大學(xué)對(duì)采用鋼纖維混凝土材料作單襯砌隧道的支護(hù)形式、耐水性能等設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了相應(yīng)分析和研究，給出了極限狀態(tài)下鋼纖維混凝土材料隧道單層襯砌的設(shè)計(jì)流程。2008年中鐵西南科學(xué)研究院在遼寧省大伙房長(zhǎng)大輸水隧洞工程設(shè)計(jì)施工過(guò)程中對(duì)隧道作單層襯砌進(jìn)行研究，通過(guò)試驗(yàn)，在混凝土中摻入了CSA抗裂劑，并取得了一定的研究成果。目前的這些研究成果僅限于緩流速、非滿管狀態(tài)下水工隧道或其他形式隧道的單層襯砌設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和參數(shù)［1-2］，而對(duì)于具有高內(nèi)水壓、高流速、水錘效應(yīng)等特點(diǎn)的長(zhǎng)距離盾構(gòu)法單層襯砌輸水隧道，國(guó)內(nèi)目前還沒(méi)有現(xiàn)成的規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)。本文就這些設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題，結(jié)合上海青草沙水源地原水隧道工程進(jìn)行分析探討，并給出相關(guān)改進(jìn)建議，從而為長(zhǎng)距離輸水隧道的設(shè)計(jì)提供一些更為合理和可行的措施。

1 工程概況

上海青草沙水源地原水工程由3大主體工程組成，即青草沙水庫(kù)及取輸水泵閘工程(含中央沙圈圍工程)、長(zhǎng)江原水過(guò)江管隧道工程、島陸域輸水隧道及增壓泵站工程。設(shè)計(jì)供水規(guī)模為2020年達(dá)719萬(wàn)m3/d，直接受益人口超過(guò)1 000萬(wàn)人。

其中，長(zhǎng)江過(guò)江管采用2根外徑為6．8 m(內(nèi)徑為5．84 m)的盾構(gòu)法隧道，從長(zhǎng)江底倒虹過(guò)江，東西過(guò)江管單線全長(zhǎng)7．2 km，單向掘進(jìn)。長(zhǎng)興島域輸水隧道由外徑為6．4 m(內(nèi)徑為5．84 m)的雙線盾構(gòu)法隧道組成，東西線單管總長(zhǎng)5．27 km。

青草沙水源地原水工程的建設(shè)具有涉及范圍廣、設(shè)計(jì)施工難度高、施工工期緊等特點(diǎn)，在長(zhǎng)江口這樣大型復(fù)雜河口建設(shè)超長(zhǎng)距離的有壓輸水過(guò)江隧道在國(guó)內(nèi)也是首次，迄今為止在國(guó)際上也未見(jiàn)相關(guān)的報(bào)道。

2 上海青草沙原水隧道工程設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2．1 高內(nèi)水壓隧道單層襯砌結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)

上海青草沙原水過(guò)江管及島域隧道工程，不同于交通隧道襯砌環(huán)向接頭的小偏心受壓狀態(tài)，高內(nèi)水壓輸水隧道的環(huán)向接頭的軸壓力會(huì)偏小，甚至出現(xiàn)拉力。長(zhǎng)江原水過(guò)江管的高內(nèi)水壓、長(zhǎng)距離、大深度的特點(diǎn)，使得隧道襯砌結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)成為制約整個(gè)隧道工程安全、施工質(zhì)量保證和工程造價(jià)合理的關(guān)鍵因素。

2．2 輸水隧道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)條件及計(jì)算

根據(jù)上海青草沙原水工程工藝要求，水庫(kù)進(jìn)水最高水位為7．0m，常水位為3．0 ～4．0m，地面標(biāo)高為2．5 ～3．0m，輸水隧道最大埋深約30 m。最大內(nèi)水壓為7-2．5+30=34．5 m 水頭高度。

2．2．1 有內(nèi)壓隧道常用計(jì)算模型

國(guó)內(nèi)盾構(gòu)法單襯砌隧道主要是無(wú)內(nèi)壓隧道。在軟土地區(qū)，其常用的計(jì)算模型可分為4種:彈性勻質(zhì)圓環(huán)法、彈性鉸圓環(huán)法、梁-彈簧模型計(jì)算法和有限元法［3］。

對(duì)于有內(nèi)壓?jiǎn)我r砌隧道，國(guó)內(nèi)目前還未有相應(yīng)規(guī)范，參考日本《內(nèi)水壓作用下隧道襯砌構(gòu)造設(shè)計(jì)手冊(cè)》要求，在內(nèi)水壓力作用時(shí)(自重、外部水土荷載和內(nèi)水壓力同時(shí)作用)，采用彈性地基剛架模型法進(jìn)行計(jì)算，以反應(yīng)地層與隧道的共同作用。上述的計(jì)算方法、荷載分布、地基反力見(jiàn)表1。

2．2．2 計(jì)算結(jié)果

上海青草沙原水過(guò)江管及島域隧道工程，根據(jù)隧道結(jié)構(gòu)所處工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件、埋置深度、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、施工條件、相鄰隧道影響等因素，選用合適的計(jì)算參數(shù)，分別就不同階段可能出現(xiàn)的最不利荷載組合進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度和裂縫寬度等進(jìn)行了計(jì)算。計(jì)算工況見(jiàn)圖1和圖2，各工況內(nèi)力及配筋計(jì)算統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 各工況內(nèi)力及配筋計(jì)算統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistics of internal forces and reinforcement calculations in various cases

表1 彈性地基剛架計(jì)算模型Table 1 Calculation model of elastic foundation frame

經(jīng)計(jì)算可知，隧道在淺埋段(小土壓+內(nèi)水壓)條件下均處于偏拉狀態(tài);隧道在深埋處(大土壓+內(nèi)水壓)結(jié)構(gòu)可處于偏壓狀態(tài)［4］。

2．3 長(zhǎng)距離輸水隧道水錘分析及應(yīng)對(duì)措施

長(zhǎng)距離的原水過(guò)江及島域輸水隧道工程是連接水庫(kù)和水廠之間的關(guān)鍵和控制性工程，屬于超大口徑長(zhǎng)距離輸水隧道，生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中流量變化產(chǎn)生的水錘效應(yīng)不可避免。由于輸水管道采用了單襯砌盾構(gòu)法隧道形式，水錘對(duì)其結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的危害將高于其他耐壓管道結(jié)構(gòu)，必須對(duì)水錘產(chǎn)生的不利狀況和消除水錘措施進(jìn)行全面分析。本工程在設(shè)計(jì)過(guò)程中，利用了先進(jìn)的計(jì)算平臺(tái)建立大尺度仿真水錘數(shù)值分析(見(jiàn)圖3)，對(duì)輸水系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中可能產(chǎn)生的水錘采取有效的防護(hù)措施，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

圖1 淺覆土工況2內(nèi)力示意圖Fig．1 Internal force on tunnel with shallow cover in case 2

由以上分析可知:輸水系統(tǒng)若未采取任何水錘防護(hù)措施，水錘發(fā)生時(shí)，最大正壓水錘為3．59 MPa(359 mH2O)，最大負(fù)壓水錘為 -0．1 MPa(-10．0 mH2O)，故必須設(shè)置水錘防護(hù)措施。

在全面研究上海青草沙原水工程的設(shè)計(jì)方案后，可以采用的水錘防護(hù)措施主要有:

1)水庫(kù)輸水泵閘和五號(hào)溝泵站調(diào)節(jié)池的布置。閘門(mén)前后設(shè)敞開(kāi)水池(水庫(kù)輸水泵閘的引水渠道和出水井、五號(hào)溝泵站的調(diào)節(jié)池)。2)過(guò)江管兩岸工作井為敞開(kāi)式水池(濕井)。3)延緩閘門(mén)的啟閉時(shí)間。

對(duì)各工況分別采取上述一項(xiàng)或幾項(xiàng)防護(hù)措施后，再次對(duì)輸水系統(tǒng)進(jìn)行水錘計(jì)算。結(jié)果顯示:采取單項(xiàng)措施后，水錘可得到緩解，但某些工況仍不能完全消除;多項(xiàng)措施聯(lián)合采用后，正、負(fù)壓水錘可以消除［4］。

2．4 長(zhǎng)距離輸水隧道設(shè)計(jì)其他技術(shù)考慮

輸水隧道工程的規(guī)模和投資大，建設(shè)條件復(fù)雜，不但要保證隧道在建設(shè)期內(nèi)的安全，更要保證隧道在結(jié)構(gòu)100年使用年限內(nèi)始終處于安全、可靠、受控的狀態(tài)之下;因此，設(shè)計(jì)上還考慮了隧道結(jié)構(gòu)的耐久性和防水功能的有效性。

作為原水輸送工程，設(shè)計(jì)中采用的原材料符合綠色環(huán)保要求，重視開(kāi)發(fā)新型注漿材料和其他處理技術(shù)。運(yùn)營(yíng)維護(hù)是輸水設(shè)施安全高效運(yùn)轉(zhuǎn)的保障，應(yīng)采用信息技術(shù)的發(fā)展為遠(yuǎn)程、在線監(jiān)測(cè)與預(yù)警提供基本技術(shù)手段，進(jìn)一步開(kāi)發(fā)監(jiān)護(hù)與維護(hù)的實(shí)用設(shè)計(jì)技術(shù)。

圖2 深覆土工況2內(nèi)力示意圖Fig．2 Internal force on tunnel with thick cover in case 2

3 長(zhǎng)距離盾構(gòu)法輸水隧道設(shè)計(jì)中的改進(jìn)建議

經(jīng)過(guò)4年多對(duì)工程的跟蹤及實(shí)際施工的考驗(yàn)，筆者認(rèn)為在一些關(guān)鍵設(shè)計(jì)方面，有些值得在類(lèi)似輸水隧道工程進(jìn)行改進(jìn)的建議。

3．1 管片型式設(shè)計(jì)

上海青草沙過(guò)江管輸水隧道和島域段輸水隧道工程由于距離較長(zhǎng)，劃分標(biāo)段后分別由不同設(shè)計(jì)院承擔(dān)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的管片襯砌為2種型式，如表4所示。

圖3 長(zhǎng)距離的原水輸水隧道工程水錘計(jì)算示意圖Fig．3 Design model of water hammer of long-distance water-supplying tunnel

表3 各工況(不同流量及水庫(kù)水位高度)無(wú)防護(hù)措施時(shí)的水錘計(jì)算統(tǒng)計(jì)表Table 3 Statistics of water hammer calculations in the case of different water flow rates and different water levels under the condition of nonprotection measures

表4 管片襯砌設(shè)計(jì)型式統(tǒng)計(jì)表Table 4 Statistics of design of segment lining

長(zhǎng)距離輸水工程管片內(nèi)外徑的不同，不僅使單位長(zhǎng)度的混凝土、鋼模等工程量造成差異增加工程造價(jià)，而且對(duì)原水工程通水后的水流量流速產(chǎn)生影響，從而加大運(yùn)營(yíng)期管理的難度;另外還要從施工的實(shí)際效果及其施工的便捷性來(lái)考慮。

綜合上述，建議管片連接件式(縱、環(huán)向螺栓)采用同一標(biāo)準(zhǔn)和通用形式。

3．2 連接件防腐設(shè)計(jì)

青草沙輸水隧道管片連接件，防腐采用噴涂“達(dá)克羅”防腐涂層，在實(shí)際施工中，尤其是在特別潮濕位置及表面被磨損的部分，仍存在發(fā)生銹蝕的情況。

建議連接件防腐采用熱鍍鋅涂層，并達(dá)到一定厚度，其防腐效果會(huì)更好［5］。

3．3 管片壓漿孔處理

管片壓漿孔普遍采用2英寸管牙接頭預(yù)制在管片當(dāng)中，并且焊有止水環(huán)片，在施工中，壓漿孔四周滲水的情況較多，在管片生產(chǎn)廠觀察發(fā)現(xiàn)壓漿孔管上的止水片位置不合理，一般偏上(管片臥式生產(chǎn)，詳見(jiàn)圖4);再者由于管片混凝土灌筑工藝，易使振搗不足、混凝土不密實(shí)，從而產(chǎn)生管片壓漿孔四周滲水。

建議管片設(shè)計(jì)時(shí)合理安排壓漿孔止水片位置，加強(qiáng)管片生產(chǎn)中的管片混凝土振搗工藝，將手工振搗改成震動(dòng)臺(tái)振搗，進(jìn)一步提高管片混凝土的密實(shí)性，減少管片壓漿孔的滲漏情況［6-7］。

3．4 管片手孔封堵設(shè)計(jì)

上海青草沙原水輸水隧道采用單層襯砌，為減少水頭損失，降低管道內(nèi)壁的粗糙系數(shù)，須將整個(gè)隧道管片上的連接件手孔進(jìn)行封堵，工作量相當(dāng)大，另對(duì)于手孔封堵的質(zhì)量仍存有擔(dān)心。盡管在設(shè)計(jì)中已經(jīng)采取很多防脫落措施，如使用微膨脹水泥和界面劑，并經(jīng)過(guò)一些抗拔試驗(yàn)，效果不錯(cuò)，但由于管片手孔的形狀是一個(gè)斜楔形，僅靠水泥表面黏結(jié)力和螺帽頭的掛靠來(lái)固定，不利于水泥漿塊的錨固。

建議在管片生產(chǎn)鋼模模芯上進(jìn)行一些改革，使用活絡(luò)套模，將管片手孔的形狀設(shè)計(jì)成倒楔形，內(nèi)大外小，使得管片手孔封堵材料黏合永久性牢固［8］。

圖4 輸水隧道工程管片壓漿孔形式及位置示意圖Fig．4 Mode and position of grouting hole on segment of watersupplying tunnel

3．5 管片注漿孔的永久處理

本次青草沙輸水隧道的管片注漿孔最后處理，設(shè)計(jì)采用經(jīng)防銹處理的鋼悶頭，沒(méi)有采用微膨脹水泥永久封堵，這將會(huì)使今后長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)的輸水隧道因銹蝕而導(dǎo)致可靠性降低。

建議輸水隧道對(duì)管片上注漿孔做永久性水泥封堵，排除輸水運(yùn)行中的隱患［9］。

3．6 管片角部配筋的改進(jìn)

由于管片結(jié)構(gòu)比較薄，管片角部在運(yùn)輸或拼裝過(guò)程中容易被碰壞、碎裂，影響管片止水條的防水效果。

建議管片生產(chǎn)過(guò)程中控制好管片角部的混凝土保護(hù)層厚度，另外如在管片四角增加一些小鋼筋網(wǎng)片補(bǔ)強(qiáng)管片角部的鋼筋缺位，則管片四角保護(hù)層混凝土碎裂情況會(huì)有所好轉(zhuǎn)［10］。

4 結(jié)論與建議

1)城市長(zhǎng)距離輸水隧道采用盾構(gòu)法技術(shù)進(jìn)行實(shí)施是可行的，但仍然存在著如超長(zhǎng)距離、復(fù)雜地質(zhì)等特點(diǎn)，需要借鑒國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，突破設(shè)計(jì)和施工中存在的諸多技術(shù)難點(diǎn)。

2)采用單襯砌方式輸水的盾構(gòu)隧道，關(guān)鍵在于解決高內(nèi)水壓管片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)難題;其次要解決管片設(shè)計(jì)細(xì)部的優(yōu)化技術(shù);同時(shí)，還要重視長(zhǎng)距離輸水隧道水錘效應(yīng)對(duì)于結(jié)構(gòu)的影響及采取相應(yīng)的措施，確保結(jié)構(gòu)的安全可靠性。

3)長(zhǎng)距離輸水隧道需穿越較多的其他基礎(chǔ)設(shè)施，這些設(shè)施有些仍處于規(guī)劃階段，有些處于設(shè)計(jì)或施工階段。盡管設(shè)計(jì)方案對(duì)穿越設(shè)施作了全面考慮，但設(shè)計(jì)單位應(yīng)仍要密切關(guān)注相關(guān)工程項(xiàng)目的進(jìn)展情況，并與相應(yīng)的規(guī)劃、建設(shè)、設(shè)計(jì)和施工等單位保持聯(lián)系并進(jìn)行必要的協(xié)調(diào)，以確保工程的順利實(shí)施。

4)長(zhǎng)距離輸水隧道設(shè)計(jì)應(yīng)同時(shí)關(guān)注隧道結(jié)構(gòu)耐久性和防水功能有效性、運(yùn)營(yíng)監(jiān)護(hù)技術(shù)與維護(hù)方法以及環(huán)保材料等綠色建材技術(shù)等新技術(shù)和新材料的發(fā)展與應(yīng)用。

5)上述關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題的解決不僅可以保障長(zhǎng)距離輸水隧道工程的順利建設(shè)，也將促進(jìn)非開(kāi)挖施工技術(shù)與裝備的發(fā)展，更好地為城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)服務(wù)。

［1］ 朱世友．國(guó)內(nèi)地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道管片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀與發(fā)展［J］．現(xiàn)代隧道技術(shù)，2002，39(6):26-31．(ZHU Shiyou．Present status and development of segment design for the shield driven running tunnel of Metro［J］．Modern Tunnelling Technology，2002，39(6):26-31．(in Chinese))

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