王志國　顧小兵　程子悅　溫曉英

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西江引水工程盾構(gòu)輸水隧洞設(shè)計

王志國顧小兵程子悅溫曉英

摘要盾構(gòu)過流隧洞的輸水形式以其全封閉、施工干擾少等特點適應了對環(huán)境要求高的工程部位。西江引水工程的盾構(gòu)隧洞采取了外部盾構(gòu)片內(nèi)部鋼襯的斷面形式，介紹了盾構(gòu)隧洞與相關(guān)建筑物的設(shè)計，同時分析了應注意的問題。

關(guān)鍵詞調(diào)水工程盾構(gòu)隧洞輸水隧洞設(shè)計西江

隨著國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，發(fā)達地區(qū)水體污染日趨嚴重，近年來多個城市發(fā)生了嚴重的水危機，同時隨著國家飲用水標準的不斷提高，也為那些水源水質(zhì)本就不斷惡化的供水系統(tǒng)敲響了警鐘。中國七大流域，除珠江流域和長江流域外，均存在流域性缺水和水體污染。而在上述2個流域存在的問題則主要是局部水體污染。

廣州為廣東省會，省政治、經(jīng)濟、科技、教育和文化中心。地處廣東東南部，毗鄰香港和澳門，是華南地區(qū)區(qū)域性中心城市。

隨著廣州國民經(jīng)濟高速增長，城市水環(huán)境也不斷惡化，近年來廣州西村水廠、石門水廠、江村水廠水源表現(xiàn)出富營養(yǎng)化特征，水質(zhì)為Ⅴ類和劣Ⅴ類，已不能滿足GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》對水源水質(zhì)的要求。若不采取工程措施引進外部清潔水源，將難以短期實現(xiàn)凈化飲用水水質(zhì)的目標。

1　工程概況

為解決廣州市飲用水水質(zhì)問題，廣州市政府啟動了西江引水工程。工程設(shè)計規(guī)模350萬m3/d （40 m3/s）。工程位于廣州市與佛山市境內(nèi)，自佛山市三水區(qū)西江思賢滘下陳村附近的西江取水，經(jīng)下陳取水泵站增壓后，通過2×DN 3 600 mm管道與內(nèi)徑4 800 mm的盾構(gòu)輸水隧洞輸至鴉崗配水泵站，原水通過鴉崗配水泵站分配提升，通過管道輸送至廣州市西部的江村水廠（40萬m3/d）、石門水廠（80萬m3/d）和西村水廠（100萬m3/d），并預留了北部新建水廠的接口（100萬m3/d）。

西江引水工程取水泵站至配水泵站之間為干線工程，全長約47.8 km；配水泵站到3個水廠為支線，全長約24 km。干線除盾構(gòu)隧洞段為單線外，其余分段均為雙線管道設(shè)計，雙線工程采用內(nèi)徑3 600 mm的鋼管或等內(nèi)徑的PCCP管道。

本工程盾構(gòu)隧洞共3段，分段長度主要根據(jù)工期確定。其中盾構(gòu)一標分2段，每段長度約1.2 km，自盾構(gòu)始發(fā)井分別向兩側(cè)盾構(gòu)接收井掘進。本文以盾構(gòu)一標為例介紹本工程中盾構(gòu)隧洞的應用情況。本工程管道設(shè)計工作壓力為0.6 MPa，設(shè)計內(nèi)水壓力為0.9 MPa，隧洞段的運行條件為內(nèi)水壓力大于外水壓力。設(shè)計綜合考慮施工難度、設(shè)計理論成熟度和工期進度，采取了盾構(gòu)隧洞內(nèi)襯鋼管的形式，并在盾構(gòu)片內(nèi)壁設(shè)置彈性排水墊層，鋼管和盾構(gòu)片之間回填自密實混凝土。

2　盾構(gòu)段特點

本工程的供水規(guī)?？梢圆捎瞄_挖埋管的輸水方式，但由于部分工程區(qū)城鎮(zhèn)發(fā)達，交通樞紐密布，經(jīng)過鐵路、高速公路和立交橋等位置難以實現(xiàn)開挖的方式，上述位置不僅對沉降變形等要求高，而且多數(shù)要求不能阻斷交通，也不能降低鐵路運行速度。

3　盾構(gòu)機的選用

目前應用的盾構(gòu)機主要分為土壓式（含復合式）和泥水式。盾構(gòu)機選型應從安全性、可靠性、經(jīng)濟性等方面綜合考慮，所選擇的機型要能盡量減少輔助施工法并確保施工安全可靠。不同類型的盾構(gòu)適應的地質(zhì)范圍不同，盾構(gòu)選型的主要依據(jù)是土質(zhì)條件、巖性，要確保所選擇的盾構(gòu)能適應地質(zhì)條件，保持開挖面穩(wěn)定。

土壓平衡盾構(gòu)是依靠推進油缸的推力給土倉內(nèi)的開挖土渣加壓，使土壓作用于開挖面使其穩(wěn)定，主要適用于粉土、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉土和粉砂層等黏稠土壤的施工。在黏性土層中掘進時，由刀盤切削下來的土體進入土倉后由螺旋機輸出，在螺旋機內(nèi)形成壓力梯降，保持土倉壓力穩(wěn)定，使開挖面土層處于穩(wěn)定。當含砂量超過某一限度時，泥土的塑流性明顯變差，土倉內(nèi)的土體因固結(jié)作用而被壓密，導致黏土難以排送，需向土倉內(nèi)注水或泡沫、泥漿等，以改善土體的塑流性。從土壓式盾構(gòu)機的工作原理可以判斷，這種形式的盾構(gòu)機很難避免地表不沉降。各種土層處理方式只能減小沉降，但不可能完全避免。

泥水盾構(gòu)利用循環(huán)懸浮液的體積對泥漿壓力進行調(diào)節(jié)和控制，采用膨潤土懸浮液（俗稱泥漿）作為支護材料。開挖面的穩(wěn)定是將泥漿送入泥水平衡倉內(nèi)，在開挖面上用泥漿形成不透水的泥膜，通過該泥膜保持水壓力，以平衡作用于開挖面的土壓力和水壓力。開挖的土砂以泥漿形式輸送到地面，通過泥水處理設(shè)備進行分離，分離后的泥水進行質(zhì)量調(diào)整，再輸送到開挖面。泥水盾構(gòu)適用的地質(zhì)范圍較大，能適應本工程的各種土層。

地層滲透系數(shù)是盾構(gòu)選型的重要因素。根據(jù)歐美和日本的施工經(jīng)驗，當?shù)貙拥臐B透系數(shù)小于10-7cm/s時，可以選用土壓平衡盾構(gòu)；當?shù)貙拥臐B透系數(shù)在10-7～10-4cm/s時，既可選用土壓平衡盾構(gòu)，也可選用泥水盾構(gòu)；當?shù)貙拥臐B透系數(shù)大于10-4cm/s時，如采用土壓平衡盾構(gòu)開挖倉中添加劑將被稀釋，水、砂、砂礫相互混合后土渣不易形成具有良好塑性及止水性渣土，在螺旋機出渣門處易發(fā)生噴涌，施工困難。根據(jù)廣州地鐵施工經(jīng)驗，若要采用土壓盾構(gòu)機通過上述地層，需要提前對地層進行灌漿等加固處理，不僅影響進度，也增加了施工風險。

本工程位于佛山境內(nèi)，不僅地層復雜，而且各種地層交替變化大，很多地勘資料揭露的管線段僅僅幾米地層竟從軟土過渡到泥巖；另外，本工程的本標段存在透水砂層，滲透系數(shù)k＝10-3～10-2cm/s，遠遠超過土壓平衡盾構(gòu)允許的最大范圍，因此，宜采用泥水盾構(gòu)。

本盾構(gòu)標段需要穿越鐵路、高速公路、立交橋。上述建筑物要求地表沉降小于5 mm，采用泥水盾構(gòu)方式可以根據(jù)地表變形情況調(diào)節(jié)泥水壓力，控制地表沉降的大小和方向。

4　盾構(gòu)隧洞設(shè)計

4.1隧洞直徑確定

廣州市西江引水工程盾構(gòu)隧洞共分3段，單段長度僅1.2 km，分段長度主要考慮滿足工期要求，確定盾構(gòu)隧洞直徑需要滿足經(jīng)濟流速、施工空間，同時應參考當?shù)夭捎玫臋C頭對應的隧洞直徑。由于盾構(gòu)機的生產(chǎn)周期需要8～12個月，在已有常用型號生產(chǎn)訂貨則需要6個月左右。同樣盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)需要的磨具設(shè)計和制造周期也較長，在本工程緊迫的工期要求下，設(shè)計采用主流型號的盾構(gòu)機和管片形式更為合理，并且能減少經(jīng)濟投入，有利于施工報價的降低。

通過經(jīng)濟和施工方案等多方面的比較，采用管片外徑6 m，管片厚度30 cm，管片內(nèi)部30 cm為回填層，回填層內(nèi)設(shè)置鋼內(nèi)襯，內(nèi)襯內(nèi)壁直徑4.8 m。隧洞成型后的過流斷面設(shè)計流速約為2.25 m/s，在2～3 m/s的經(jīng)濟流速范圍，符合水力學設(shè)計要求。

4.2盾構(gòu)片與盾構(gòu)片防水

盾構(gòu)襯砌采用單環(huán)長度1.5 m，分6塊，封頂塊位于隧洞頂部左右各10°位置，相鄰環(huán)通過上述方式實現(xiàn)縱縫錯縫布置。洞頂左10°錯縫布置見圖1。

圖1　分塊布置一

管片防水采用單道三元乙丙橡膠彈性密封墊防水，接縫內(nèi)壁采用嵌縫防水，根據(jù)拱頂環(huán)與拱底環(huán)不同位置，在嵌縫防水做法上有所區(qū)別，以利施工。其中環(huán)縫位置為了調(diào)節(jié)誤差在防水墊和嵌縫防水中間設(shè)置了丁腈軟木墊。

4.3管片接縫螺栓結(jié)構(gòu)

管片接縫連接采用彎螺栓連接，可以盡量減小對管片結(jié)構(gòu)的削弱，同時便于安裝。

4.4內(nèi)襯設(shè)計

綜合考慮使用工況、內(nèi)襯受力條件、施工難度、施工技術(shù)成熟度和工程檢修維護的方便，經(jīng)計算和經(jīng)濟比較，本工程隧洞內(nèi)襯采用20 mm厚Q235C鋼襯，以承擔內(nèi)水壓力。在鋼襯和盾構(gòu)片之間設(shè)置30 cm回填自密實混凝土，保證結(jié)構(gòu)整體剛度，減小不均勻沉降對整體結(jié)構(gòu)的影響，考慮到內(nèi)水外滲的可能，在盾構(gòu)片內(nèi)壁上部設(shè)置了4 cm彈性排水墊層，以減小混凝土干縮影響，同時保護盾構(gòu)片在內(nèi)水外滲的工況穩(wěn)定。自密實混凝土選用C20，采用較低標號主要是考慮減少水化熱溫升，增加結(jié)構(gòu)抗裂性能。結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2　內(nèi)襯結(jié)構(gòu)圖

5　盾構(gòu)井設(shè)計

由于工期緊張，對盾構(gòu)始發(fā)井進行了優(yōu)化，主要是減小井的埋深，采用加長始發(fā)井，雙向一次全車始發(fā)。同時取消洞門止水與端頭加固項目，在盾構(gòu)井內(nèi)設(shè)置始發(fā)節(jié)，連續(xù)墻出口部位設(shè)置玻璃纖維混凝土，盾構(gòu)機頭安裝后采用回填黏土止水，通過反力墻推進后直接切割連續(xù)墻玻璃纖維混凝土后進入地層。

通過上述優(yōu)化可以優(yōu)化工期約60 d，優(yōu)化后的井體長度約為80 m。

6　連接岔管段設(shè)計

單管盾構(gòu)隧洞段與雙管連接轉(zhuǎn)換段在盾構(gòu)接收井內(nèi)完成，盾構(gòu)接收井的內(nèi)尺寸14 m×28 m，井內(nèi)設(shè)置岔管段，下彎段與上彎段。并布置放空與排氣裝置。見圖3、4。為了便于安裝和焊接，岔管段優(yōu)化了體形，采用厚度26 mm的16MnR鋼板，并設(shè)置了月牙型梁，減小岔管部分厚度。

7　結(jié)語

近年來國內(nèi)啟動了多個長距離調(diào)水工程，包括南水北調(diào)工程東線、中線，單個城市供水工程。隨著人們對環(huán)境要求的提高，對工程本身如何減小對地面建筑物和環(huán)境的影響提出了更高要求。本工程盾構(gòu)隧洞范圍有鐵路、高速公路、立交樞紐和大型企業(yè)，上述設(shè)施均要求施工不能影響正常的生產(chǎn)和使用。盾構(gòu)隧洞具有地表沉降小，對周圍建筑物影響小的特點。目前國內(nèi)建設(shè)的工程中，高內(nèi)水壓力的盾構(gòu)隧洞中線穿黃采取了內(nèi)襯預應力混凝土結(jié)構(gòu)，西江引水采取了鋼內(nèi)襯的形式。本工程內(nèi)襯方案確定除了考慮內(nèi)水壓力較高的情況之外，更多地考慮了施工難度和日后維修方便。采用鋼內(nèi)襯不僅施工難度小，施工方便，安全性高，而且便于日后維護。本工程選用盾構(gòu)隧洞和相應的內(nèi)襯形式是科學合理的。這些方案為盾構(gòu)隧洞在國內(nèi)調(diào)水工程中的應用積累了寶貴的工程經(jīng)驗。

圖3　連接岔管段平面布置圖

圖4　連接岔管段縱斷面圖

參考文獻

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［2］SL 281—2003水電站壓力鋼管設(shè)計規(guī)范［s］.

［3］GB 50446—2008盾構(gòu)法隧洞施工與驗收規(guī)范［s］.

［4］TB 10204—2002鐵路隧道施工規(guī)范［s］.

王志國男工程師天津港航工程有限公司天津300457

顧小兵男高級工程師中水北方勘測設(shè)計研究有限責任公司天津300222

程子悅男教授級高級工程師中國市政工程華北設(shè)計研究總院天津300074

溫曉英女教授級高級工程師中國市政工程華北設(shè)計研究總院天津300074

中圖分類號TV672+.1

文獻標識碼B

文章編號1007-6980（2016）01-0001-03

作者簡介

收稿日期（2015-11-12）