趙子杰 劉燁華

（北京市水利規(guī)劃設計研究院 北京 100048）

20世紀90年代以來我國的盾構工法發(fā)展速度很快，盾構工法已經成為我國城市地鐵隧洞的主要施工方法，并在城市輸水、天然氣管道等水利、市政工程中得到推廣應用。

近年來，南水北調配套工程陸續(xù)開始嘗試采用盾構工法施工。北京市南水北調配套工程團城湖至第九水廠輸水工程（一期）是北京市首次采用盾構工法建造的輸水隧洞，全長8.2km，工程于2007年初開工建設，至2008年6月具備通水條件，為北京市和奧運供水安全提供了有力保障。

1 工程概

團城湖至第九水廠輸水工程（一期）是北京市南水北調配套工程的重要組成部分。其中輸水隧洞起自海淀區(qū)龍背村京密引水渠東側，沿清河北岸呈東西走向，至五環(huán)路上清橋東北關西莊泵站，隧洞長約8.2km。工程設計供水流量18.23m3/s，最大供水流量24.30m3/s。

結合工程條件，經多方案比選，最終采用盾構工法施工。隧洞沿線下穿圓明園西路肖家河橋、信息路、城鐵 13號線和京包鐵路、京藏高速公路等20條主要公（鐵）路和老龍口排水溝、清河2條河溝，局部穿越1層房屋。

工程區(qū)地層巖性自上而下分別為①素填土、②粘質粉土和砂質粉土、③中細砂、④卵礫石層、⑤粉質粘土和粘質粉土、⑥圓礫層、⑦粉質粘土。

輸水隧洞上段3km主要處于④卵礫石層，局部為③中細砂層、⑤粉質粘土和粘質粉土層。④卵礫石層較密實，最大粒徑一般 5~8cm，個別達 10cm以上，卵石含量約 20~35%，亞圓，級配較好，中細砂充填，母巖成份以石英巖、砂巖為主。輸水隧洞下段約5.2km主要處于⑤粉質粘土和粘質粉土層，局部為⑥1中粗砂層及⑥圓礫層。沿線地下水埋深約10m，地下水受大氣降水、側向逕流和越流方式補給。

2 況洞斷 和線形設計18

2.1 況洞斷 形狀與尺寸

已建成的盾構隧洞斷面有半圓形、圓形、雙圓搭接形、矩形等多種形狀，但以圓形斷面最為常用，已有Φ1.5m至Φ15m隧洞問世。北京地鐵盾構隧洞全部為圓形，除地鐵直徑線開挖洞徑即襯砌管片外徑11.6m外，其余管片外徑為6.0m。

對水工隧洞而言，圓形斷面襯砌結構可更好地發(fā)揮襯砌結構與圍巖聯(lián)合承受內水壓力作用，襯砌結構的應力狀態(tài)均勻，工作條件較好。團城湖至第九水廠輸水工程（一期）輸水隧洞為有壓隧洞，適宜采用圓形斷面。

盾構機為非定型產品，輸水隧洞尺寸可按輸水規(guī)模確定。團城湖至第九水廠輸水工程（一期）輸水隧洞若僅考慮第九水廠的供水需求，設計供水流量18.23m3/s，采用直徑5m的盾構機施工，二次襯砌后成洞 3.6m即可滿足。但根據《北京市南水北調配套工程總體規(guī)劃》的原則，為將來城市發(fā)展和全市水源聯(lián)合調度預留條件，綜合考慮現(xiàn)有施工設備尺寸以及城市未來可能的發(fā)展，最終確定輸水隧洞加大流量為24.31m3/s，采用直徑6m的盾構機施工，二次襯砌后成洞4.6m。

2.2 況洞平 線形

從方便施工的角度出發(fā)，盾構隧洞的平面線形以直線和大曲率半徑的曲線為最佳。但由于多數盾構隧洞位于市區(qū)內，線形受地表條件、地下構筑物及用地規(guī)劃的制約，部分地段會出現(xiàn)小曲率半徑的情形。

團城湖至第九水廠輸水工程（一期）輸水隧洞平面布置上受地表條件限制設轉彎 10處。理論上帶有中折機構的 Φ6m盾構機可以實現(xiàn)曲率半徑150m的曲線隧洞施工，不帶中折機構的Φ6m盾構機可以實現(xiàn)曲率半徑300m的曲線隧洞施工。實際施工中對于曲率半徑小于350m的地段一般需要采取控制推進反力引起的管片變形和移動、加強壁后注漿、增加施工監(jiān)測等措施，施工難度和風險加大。因此，考慮方便施工和降低風險，團城湖至第九水廠輸水工程（一期）輸水隧洞平面線形最小轉彎半徑按400m控制。

2.3 況洞覆土厚度

從構筑豎井的難易、施工作業(yè)效率和隧洞建成后的管理維護等角度看，隧洞的埋深以淺為好。但是根據盾構工法施工原理，采用埋深太淺的隧洞易發(fā)生地層沉陷和冒頂等事故。

覆蓋土層的厚度需要根據盾構隧洞斷面尺寸、地質條件、地表建筑物、地下構筑物分布、沉降控制要求等因素綜合確定。

團城湖至第九水廠輸水工程（一期）輸水隧洞洞徑 6m，屬中型盾構。從地質條件看，隧洞所處地層自穩(wěn)性較好，對地表沉降控制有利，隧洞覆土深度可適當減小。隧洞穿越肖家河橋、京包鐵路和地鐵13號線、京藏高速等公（鐵）路20余條，局部穿民房、河（溝）道和地下管線，施工環(huán)境條件較為復雜，但重要風險源不多。

綜合以上因素，輸水隧洞覆土深度按1.5D設計，下穿河（溝）段覆土深度按不小于1D控制。局部穿越肖家河橋、京包鐵路和地鐵 13號線等重要風險源采取了地面預加固和洞內技術措施，控制地表構筑物沉降。

2.4 況洞縱段

隧洞的縱坡首先應滿足使用要求。地鐵設計考慮列車運行的要求，豎曲線半徑一般不小于2000m。水工隧洞尤其是有壓隧洞對隧洞縱坡、縱向轉彎沒有嚴格要求。團城湖至第九水廠輸水工程（一期）輸水隧洞為重力流輸水，隧洞縱段應滿足不同輸水流量時隧洞各段均在有壓流狀態(tài)下運行。

對于隧洞的縱坡，除了滿足使用要求外，為使施工時的施工廢水和滲漏水能夠自流排出，縱坡以大于0.2~0.5%為宜；且隧洞縱坡不宜大于2%，否則會影響出渣和材料運輸的效率。大坡度地段施工中需要采取各種防護措施確保施工安全。盾構法施工的隧洞變坡處應以滿足盾構施工要求的豎曲線連接。

團城湖至第九水廠輸水工程（一期）輸水隧洞交叉地下管線和構筑物埋深較小，對隧洞縱段設計限制不大。隧洞縱坡主要受首、末端設計高程控制，縱段上設豎曲線1處，曲線半徑5000m，豎曲線以上縱坡0.67%，以下縱坡0.11%。

3 盾構工法 水況洞施工籌劃

3.1 盾構區(qū) 劃分

同一盾構隧洞，要縮短盾構區(qū)間的長度，就要相應地增加盾構井的數量，每增加一座盾構井就要增加相應的工程投資、拆遷占地投資及供水供電等臨時設施的投資，盾構機完成一個區(qū)間的掘進后需要經過吊拆、轉場和重新組裝、調試等才能進入下一個區(qū)間施工。因此從上述因素看，盾構區(qū)間長度越大越好。

然而隨著盾構一次掘進長度的增加，因缺乏系統(tǒng)的檢修，盾構機出現(xiàn)故障、從而導致停工、甚至無法繼續(xù)掘進的風險逐漸增大，尤其是利用現(xiàn)有舊設備的情況下更為突出。

另外，隨著盾構機一次掘進長度增加，洞內出渣、進料運輸的距離也逐漸加大，將在一定程度上導致工效降低和施工費用增加。因此，從施工安全風險控制和施工工效等角度分析，盾構區(qū)間的長度又不宜過長。

地鐵區(qū)間隧洞施工一般以車站來劃分盾構區(qū)間，車站間距一般為1km左右，即盾構區(qū)間長度為1km左右。不同于地鐵，輸水隧洞的區(qū)間劃分主要考慮以下因素：

（1）經濟合理性。

隨著盾構區(qū)間長度的增加，盾構井投資、盾構機運輸、組裝、調試等攤銷費用逐漸減少，而隧洞內物料運輸距離加長、降效窩工導致的隧洞施工費用逐漸增加。在沒有其它外部條件制約的情況下，理論上存在著最為經濟合理的區(qū)間長度。但由于影響因素較多，不同工程特點和不同條件下，合理區(qū)間長度也不盡相同，難以測算統(tǒng)一標準。根據團城湖至第九水廠輸水工程（一期）輸水隧洞施工數據測算，其經濟長度約為3km。

（2）工期要求。

輸水隧洞的區(qū)間劃分要與工期要求相適應。盾構輸水隧洞的關鍵線路主要有施工準備、盾構井施工、盾構機組裝調試、盾構掘進、二襯施工、閥井等建筑物施工、工程掃尾及驗收等。根據團城湖至第九水廠輸水工程（一期）實踐和工期分析，采用盾構法施工的長距離輸水隧洞，盾構區(qū)間劃分2km左右，施工工期約 2年（不含設備采購）；盾構區(qū)間劃分3km左右，施工工期約2.5~3年（不含設備采購）。

（3）盾構機檢修需要。

這與盾構機的新舊程度和隧洞所處地質條件有關。

（4）盾構井布置條件，包括地面、地下建（構）筑物和地下管線。

盾構區(qū)間控制長度確定后，本著降低拆遷難度和拆遷投資、優(yōu)先永臨結合的原則，根據沿線地面建筑物、地下構筑物和管線分布情況、交通條件對盾構井的位置、盾構掘進方向進行多方案的權衡、比選，反復優(yōu)化調整，最終確定盾構井的布置?？紤]到盾構始發(fā)和接收的需要，盾構井盡量布置在平面和縱段上的直線段。

表1 水況洞盾構施工分段統(tǒng)計表

由于北京市水資源緊缺，為確保北京市和奧運供水安全，團城湖至第九水廠輸水工程（一期）須與南水北調總干渠同期具備通水條件。根據當時的項目進展情況倒排工期，施工總工期僅 18個月。根據隧洞所處地質條件及沿線局部穿越建筑物的具體情況，盾構掘進單工作面綜合月進尺取350m。為節(jié)約工期，各盾構區(qū)間布置有二襯豎井（與永久閥井結合），豎井間距在1km以內。經工期計算，最終確定滿足工期要求的盾構區(qū)間長度控制在2km左右。

結合現(xiàn)場場地條件，共布置了5座盾構工作井，其中1#盾構井為單始發(fā)井，2#盾構井為始發(fā)兼接收井、4#盾構井為雙始發(fā)井，3#和5#盾構井為接收井。將盾構隧洞劃分成了 4個盾構區(qū)間，區(qū)間長度為1.7~2.1km不等。

3.2 襯砌工作 布置

由于輸水隧洞承受一定的內水壓力，除管片襯砌外，還要進行現(xiàn)澆鋼筋混凝土二次襯砌以承受內壓。出于經濟上的考慮，輸水隧洞的盾構區(qū)間長度一般比地鐵區(qū)間要長，若僅采用盾構井進行襯砌施工，襯砌工期很長。

以盾構井間距2.1km為例，最長襯砌施工段長度 1.05km，按照襯砌月進尺 75m計算，襯砌工期約為 14個月。無論是從盾構機檢修需要、洞內混凝土的運輸難度，還是工期的角度看，都是不合理的。因此考慮在盾構區(qū)間內增設豎井以增加襯砌工作面，同時兼作盾構機檢修井。

按照規(guī)范和設計要求，輸水隧洞沿線設有排氣閥井、排空井等永久閥井。因此，襯砌豎井要盡可能將二襯豎井與永久閥井結合布置，最大限度節(jié)約投資。

團城湖至第九水廠輸水工程（一期）4個盾構區(qū)間分別依區(qū)間長度和場地條件布置了1~2座二襯豎井，共7座，全部為永臨結合布置。在滿足施工安全、方便的同時，節(jié)約了工期，是該工程實現(xiàn)如期通水的關鍵因素之一。

4 結語

盾構工法作為一種先進、安全、快速的施工技術手段在城市地鐵建設中廣泛應用，但在國內尤其是北京市輸水工程中的應用尚不多見，而且輸水隧洞與地鐵隧洞在工程布置、結構受力、區(qū)間劃分等方面的差別決定了二者的設計與施工有較大差異。

通過工程實例介紹了盾構法建造輸水隧洞的斷面和線形設計以及施工籌劃特點，對類似工程的設計有一定的參考意義。

1. 北京市水利規(guī)劃設計研究院. 北京市南水北調配套工程團城湖至第九水廠輸水工程（一期）初步設計報告[Z]. 2006.

2. 張鳳祥, 朱合華, 傅德明. 盾構隧洞[M]. 北京: 人民交通出版社, 2004.