山區(qū)大型鋼管倒虹吸與高速公路平交措施研究

曹勸績 司建強(qiáng) 王康三

摘 要：高原山區(qū)具有山高谷深特點(diǎn)，倒虹吸是引調(diào)水工程跨溝、河及下穿重要公路常用的重要交叉建筑物。針對如何處理大型鋼管倒虹吸與高速公路交叉干擾問題，本文結(jié)合工程實例，提出了高速橋涵保通方案、頂管下穿方案和鋼管倒虹吸調(diào)線方案。從工程布置、交叉影響、實施難度以及工程投資對各方案進(jìn)行綜合分析評價，最終采用橋涵保通方案，以供類似工程參考。

關(guān)鍵詞：交叉建筑物;倒虹吸;橋涵保通;頂管下穿

中國的水資源相對匱乏且分布不均，部分地區(qū)仍然存在水資源浪費(fèi)和污染問題，為緩解水資源短缺現(xiàn)狀，保障滇中地區(qū)水資源可持續(xù)發(fā)展[1]，專家及學(xué)者們對于水資源跨流域引水的研究也取得了豐碩的成果[2～4]。與此同時，國內(nèi)外專家及學(xué)者提出并研究了許多節(jié)水高產(chǎn)的灌溉技術(shù)，并取得了一系列成果[5]。

滇中引水是云南省一項重大的引水工程，工程的受水區(qū)包括麗江、大理、楚雄、昆明、玉溪及紅河的6個州市35個縣（市、區(qū)）、總面積3.69萬km2。輸水總干渠分為大理Ⅰ段、大理Ⅱ段、楚雄段、昆明段和玉溪、紅河段5段，線路全長661km，工程多年平均引水量34.03億m3。

輸水總干渠布置主要輸水建筑物有隧洞、倒虹吸、渡槽、暗涵、渠道消能建筑物以及分水閘。倒虹吸作為滇中引水工程中最為復(fù)雜的交叉建筑物，在穿（跨）越道路和河溝中起著不可替代的作用，因此交叉建筑物運(yùn)行過程中存在的風(fēng)險評估及識別作深入的研究[6]，以確保工程能夠安全順利的實施運(yùn)行。本文從工程布置、交叉影響、實施難度以及工程投資對高速橋涵保通、頂管下穿和觀音山倒虹吸調(diào)線各方案進(jìn)行綜合分析評價，得出最優(yōu)方案，為交叉建筑物的處理提供借鑒。

一、倒虹吸工程概況

觀音山倒虹吸線路橫穿羅茨盆地，實際長9771.31m，是滇中引水工程中規(guī)模最大的倒虹吸。管道最大設(shè)計靜水頭為184.38m。倒虹吸采用3根直徑DN4.2m的明鋼管輸水設(shè)計過流能力為Q=100m3/s，管間凈間距2m，倒虹吸開挖底寬19.8m，平均槽深2～3m。

武易高速公路是滇中城市經(jīng)濟(jì)圈高速公路網(wǎng)絡(luò)的重要路段，路線起于武定縣，接武昆高速，全長104.009公里，按雙向六車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，路基寬33.5米，設(shè)計速度100km/h， 汽車荷載等級公路-Ⅰ級。

武易高速在觀音山倒虹吸后段交叉，交叉段高速線路大體為南北走向、倒虹吸管線近東西走向，平面交角84°29′31″，武易高速路基高程1846.00m，路面高程1846.805m。觀音山倒虹吸交叉段總寬20.5m，長度約51m。倒虹吸管頂高程為1844.585m，與路基頂面垂直高差1.4m。兩工程存在交叉干擾問題。

交叉部位地層巖性從上到下依次為：①殘坡積層（Qedl）粘土，含少量碎礫石，厚1m-2m;②第三系上新統(tǒng)石灰壩組（N2s）粘土巖、砂礫巖，半成巖、土狀，厚10m～15m;③震旦系燈影組（Zbdn）白云巖，巖溶發(fā)育弱，其中上部為強(qiáng)風(fēng)化層，碎塊或碎屑狀，垂直厚度約6.0m～8.0m，以下為弱風(fēng)化層。

二、交叉影響處理方案

經(jīng)現(xiàn)場踏勘討論，擬定了倒虹吸橋涵施工保通方案、頂管下穿方案和觀音山倒虹吸調(diào)線方案，并進(jìn)行方案比選。

（一）橋涵保通方案

1、橋涵布置方案

該方案將倒虹吸高程降低3.5m，由1842.5m調(diào)整至1839.0m，鎮(zhèn)墩向西偏移40m，避開倒虹吸布置對公路的影響。武易高速相交處進(jìn)行路基開挖，然后在武易高速K18+814處設(shè)置1孔30米跨橋梁，角度正交。上部結(jié)構(gòu)采用裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁，下部橋臺采用U型橋臺，樁基礎(chǔ)。倒虹吸輸水管從橋梁下方穿越武易高速，橋跨布置方案見圖2.1-1，橋梁橫斷面布置見圖2.1-2。

2、武易高速保通方案

倒虹吸下穿方案采用半幅路基施工、半幅路基保通方案：將已成型的高速公路路基左半幅路基開挖，右半幅保通，在左半幅進(jìn)行橋梁施工，待左半幅橋梁通車后;然后通過左半幅保通，開挖右半幅路基，進(jìn)行右半幅橋梁施工。橋梁全幅通車后，倒虹吸施工時在橋跨下空間內(nèi)進(jìn)行，避免干擾高速公路通車。為保證公路路基運(yùn)營安全，半幅通車，半幅施工時，需對施工半幅的基坑進(jìn)行支擋，確保通車半幅的路基穩(wěn)定，同時施工中要注意保護(hù)好中央分隔帶中的管線。支擋擬采用樁板墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行支擋，路線平面見圖2.1-3。支擋擬采用樁板墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行支擋，見圖2.1-4。由于武易高速本段已完成施工，因此需要在后期對現(xiàn)有路基及防護(hù)進(jìn)行改造，增設(shè)橋梁，增加水管挖方防護(hù)，增設(shè)橋梁施工時的臨時防護(hù)措施。

（二）頂管方案

該方案采用城市穿管常用的頂鋼管施工技術(shù)，將倒虹吸壓力鋼管中心高程由1842.5m降低至1834.8m，高程降低7.7m，頂管埋深為9m。頂管位于第三系上新統(tǒng)石灰壩組（N2s）粘土巖、砂礫巖地層中，層厚10m～15m，圍巖成半成巖或土狀，地質(zhì)施工條件較差。

根據(jù)倒虹吸輸水要求及工程布置，頂鋼管直徑4.2m，三根管道并排布置，間距5m。根據(jù)頂管施工及管道抗外壓穩(wěn)定要求，管壁厚度由明管的16mm調(diào)整為40mm。

頂管從武易高速東側(cè)頂進(jìn)，在武易高速路基外側(cè)10m布置工作井，三根鋼管并用一個工作井，工作井內(nèi)尺寸為25.6m×12m×16.8m（長×寬×深），井頂面高程1848.6m，井底高程為1831.8m。豎井采用逆作法開挖施工，內(nèi)襯C30混凝土跟進(jìn)，壁厚1m，豎井開挖每節(jié)2m。豎井頂部設(shè)置一道2m×1.5m圈梁，施工過程中采用3道支撐;頂管施工完成后采用C20混凝土回填至管頂1.5m，同時作為管頂轉(zhuǎn)角鎮(zhèn)墩，以上采用開挖料回填。根據(jù)計算豎井基地應(yīng)力大于地基容許承載力，在底板進(jìn)行局部固結(jié)灌漿，固結(jié)深度3m。

頂管從武易高速西側(cè)頂出，在武易高速路基外側(cè)10m布置接收井，三根鋼管并用一個接收井，內(nèi)尺寸為25.6m×9m×7.8m（長×寬×深），井頂面高程1839.6m，井底高程為1831.8m。豎井采用逆作法開挖施工，內(nèi)襯C30混凝土跟進(jìn)，壁厚0.8m，豎井開挖每節(jié)2m。豎井頂部設(shè)置一道1.2m×1m圈梁，施工過程中采用2道支撐;頂管施工完成后采用C20混凝土回填至管頂1.5m，同時作為管頂轉(zhuǎn)角鎮(zhèn)墩，以上采用開挖料回填。

頂管結(jié)束后在倒虹吸壓力鋼管頂部180°范圍進(jìn)行固結(jié)灌漿，灌漿從工作井和接收井分別實施，灌漿孔間排距1.5m×1.5m，梅花型布置，保證武易高速及輸水鋼管道安全。

（三）倒虹吸繞線方案

該方案在觀音山倒虹吸樁號LQDHX6+124m處開始調(diào)線（避開轉(zhuǎn)彎鎮(zhèn)墩布置在活斷層帶），線路左轉(zhuǎn)5.26°，下穿武易高速橋梁段后右轉(zhuǎn)7.32°連接的蔡家村隧洞原線路，調(diào)線方案過武易高速段為偏移距離最遠(yuǎn)點(diǎn)，約273m，避開武易高速東側(cè)墳地范圍，倒虹吸管道從武易高速北側(cè)橋梁第7跨中間穿過，調(diào)整段原線路長度5.373km，調(diào)整后線路長5.378km。該方案線路長度增加5m，其中倒虹吸管道長度增加83.33m，倒虹吸出口段增加29.83m，蔡家村隧洞長度減少108.23m。

該方案工程布置施工臨時用地涉及調(diào)線起點(diǎn)村莊、小水庫及江龍溫泉花園度假山莊部分征占范圍，其中小水庫為地方農(nóng)田灌溉用水，溫泉花園度假山莊為個體經(jīng)營，根據(jù)初步現(xiàn)場調(diào)查情況，協(xié)調(diào)難度大，費(fèi)用高，經(jīng)初步估算征地移民靜態(tài)投資增加約1294.61萬元。

三、方案比選

從工程布置、交叉影響、實施難度以及工程投資對高速橋涵保通、頂管下穿和觀音山倒虹吸調(diào)線各方案進(jìn)行綜合對比分析評價，結(jié)果見下表3-1。根據(jù)表3-1可知，倒虹吸調(diào)線方案影響范圍大、管道壓力增加約25m、壓力管道出現(xiàn)了三個平面轉(zhuǎn)彎，對管道水力條件和受力條件均有較大影響，管道采用高支墩形式，對結(jié)構(gòu)抗震不利;同時移民征地調(diào)整范圍大、且涉及水庫及溫泉度假山莊的征占地及零星墳地遷移問題，不可控因素多，工程投資較橋涵保通方案增加1730萬元。橋涵保通方案和下穿頂管方案的外部環(huán)境簡單，施工難度小，倒虹吸水力學(xué)條件好，但穿頂管方案較橋涵保通方案增加工程投資966萬元，且該段倒虹吸運(yùn)行維護(hù)條件差;橋涵保通方案僅在橋涵施工期采用半幅保通，對武易高速交通有一定影響，運(yùn)行期無影響。綜合以上分析，推薦相互影響小，工程投資增加少，倒虹吸運(yùn)行維護(hù)條件好的橋涵保通方案。

四、結(jié)語

本文在處理觀音山倒虹吸與武易高速兩工程的交叉干擾問題上，提出了高速橋涵保通方案、頂管下穿方案和觀音山倒虹吸調(diào)線方案，并分別從工程布置的合理性、交叉影響大小、處理方式實施的難易程度以及工程投資四個方面綜合分析。結(jié)論表明橋涵保通方案具有倒虹吸運(yùn)行維護(hù)條件好、交叉建筑物間相互影響小、工程投資小等優(yōu)點(diǎn)，即橋涵保通方案最佳。希望能為今后交叉建筑物的處理提供一定參考。

參考文獻(xiàn)

[1] 李保國，黃峰.1998～2007年中國農(nóng)業(yè)用水分析[J].水科學(xué)進(jìn)展，2010，21（4）：576-583.

[2] 姜昀，史常艷. 中國跨流域調(diào)水工程規(guī)劃環(huán)境管理對策建議[J]. 世界環(huán)境，2018， （5）.

[3] 張瑞春. 長距離輸水工程的冰期冰蓋數(shù)值模擬研究[J]. 水利規(guī)劃與設(shè)計，2017， （8）：80-81.

[4] 洪思揚(yáng)，宋志松，程濤，王紅瑞. 基于基尼系數(shù)的南水北調(diào)受水區(qū)水資源空間匹配分析[J]. 北京師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2017， （2）： 175-179.

[5] 劉戰(zhàn)東，肖俊夫，劉祖貴，等.膜下滴灌不同灌水處理對玉米形態(tài)、耗水量及產(chǎn)量的影響[J]. 灌溉排水學(xué)報，2011，30（3）：60-64.

[6] 宋軒，劉恒，耿雷華等. 南水北調(diào)中線工程交叉建筑物風(fēng)險識別[J]. 南水北調(diào)與水利科技，2009， 7（4）： 13-15.

作者簡介：曹勸績（1978.7），男，云南祿勸人，高級工程師，主要從事水利工程建設(shè)與管理工作。