杜 鵬，況磊強

(四川水發(fā)勘測設計研究有限公司，四川 成都 610072)

很多大型灌區(qū)或長距離調水工程沿線將穿越大江大河，穿江建筑物的選擇至關重要。在有通航或環(huán)保要求的河段，采用渡槽、管橋、倒虹管等方式會對河道及原始河床造成不同程度的擾動，在工程布置上受到較大限制。因此，在一些敏感河段，只能采用穿江隧洞下穿河床，利用有壓倒虹吸原理進行交叉穿越。如果選擇常規(guī)掘進方式的施工方案，一方面對地質條件的適應性要求苛刻，另一方面也將面臨施工期洞室圍巖變形失穩(wěn)、圍巖滲透失穩(wěn)、突涌水、掌子面失穩(wěn)、排水通風等安全風險。

隨著施工設備和技術的進步，一些先進的施工工法和工藝也在水利工程建設中不斷得到應用。在適合條件的情況下，采用盾構機掘進方式下穿江底隧洞，不僅可以把施工風險降到最低，還能大幅加快施工進度。水利輸水工程和市政、交通工程一個大的區(qū)別在于，輸水工程建成后，江底洞段需要承擔較高的內水壓力，而盾構機掘進施工期采用管片支護，主要承擔洞室外部的外水壓力和巖土壓力，管片為現場拼裝結構，具有較好的承受外壓的能力，但無法承受較高的內水壓力。因此，如何研究制定合理可靠的襯砌結構型式，在采用盾構機掘進方式的江底輸水隧洞工程中，顯得十分重要。本文根據四川向家壩灌區(qū)北總干渠一期工程下穿岷江的江底隧洞實施情況，總結分析了盾構機掘進方式下的復合襯砌結構的特點和適應性。

1 項目概況及方案研究背景

向家壩北總干渠灌區(qū)涉及四川省宜賓市、瀘州市、自貢市和內江市4個市，包括宜賓市、瀘州市和自貢市3市12個縣(區(qū))灌面。北總干渠供水范圍：西起向家壩樞紐，東至瀘州市，北至自貢市，南以長江為界。設計灌溉面積329.40萬畝，灌區(qū)內補充供水鄉(xiāng)鎮(zhèn)113個，供水縣城4座，并向周邊自貢、內江市區(qū)和隆昌縣城供水，該工程為國家172項重點水利建設項目，工程等別為I等大(1)型。北總干渠跨岷江的貓兒沱江底隧洞位于岷江宜賓縣喜捷鎮(zhèn)河段上，處于總干渠前段，樁號15+569.43～17+392.37，是整個工程中最為關鍵和重要的建筑物。

跨岷江建筑物方案受兩個較為敏感的因素影響，一是岷江為三級航道，在施工期、運行期均有通航要求；二是工區(qū)位于長江珍稀魚類洄游自然保護的緩沖區(qū)。為避免對通航及珍稀魚類保護區(qū)造成影響，采用江底隧洞穿越岷江。

工程河段屬丘陵地貌，河谷為不對稱的“U”型谷，兩岸地面高程272.20～407.80m?？缃蔚孛残螒B(tài)主要表現為侵蝕堆積地貌，河谷寬280～605m，河床高程為260.20～278.50m，河床比降0.8‰～15‰，為橫向谷。工程區(qū)出露地層除第四系松散堆積層(Q)外，基巖內分布有侏羅系上統蓬萊鎮(zhèn)組(J3p)之砂巖、泥質粉砂巖、粉砂質泥巖與泥巖等一套河湖相沉積的碎屑巖；白堊系下統窩頭山組(K1w)之磚紅色厚層塊狀鐵泥質不等粒長石石英砂巖、磚紅色泥巖。左右兩岸主要為窩頭山組，江底隧洞段為蓬萊鎮(zhèn)組。其粉砂質泥巖飽和抗壓強度平均值10.5MPa，泥巖飽和抗壓強度平均值8.3MPa，均為軟巖。沿洞軸線巖層中發(fā)育層間錯動97條，大多為中等透水。施工期過江隧洞洞頂以上最大外水水頭45～55m。

2 穿江隧洞掘進方式及襯砌結構方案研究

擬定常規(guī)掘進成洞襯砌方案和盾構機掘進成洞襯砌方案進行綜合比較，常規(guī)掘進成洞方案布置在江底以下40m，利用洞頂上部的水平層厚狀泥巖并施加強力的臨時支護措施阻隔江水滲入洞室。盾構機掘進成洞方案布置在江底以下10m，盾構機選型為泥水平衡型，利用管片抵抗外部土水壓力，穿江段巖石平均抗壓強度為8.3～10MPa，適合刀盤掘進。盾構機掘進成洞方案較常規(guī)掘進成洞方案投資高1.13億元，但施工風險更為可控，對圍巖地質條件的適應性更好，貓兒沱江底隧洞又是本項目中最為關鍵、施工技術難度相對最大的單項工程；同時，岷江河段因通航和珍稀魚類保護區(qū)問題，區(qū)域位置十分敏感，一旦施工過程中出現安全問題，社會壓力巨大，江底隧洞工程的二次處理難度和投資難以估量。經綜合研究比選，最終確定采用泥水平衡型盾構機掘進、管片+鋼管復合襯砌結構方案下穿岷江。

泥水平衡型盾構機選型充分考慮了其以下特點并開展相應的特性設計：

(1)泥水盾構掘進成洞方式對地質條件要求相對較低，避免了因層間錯動帶、裂隙與江水連通的風險，施工安全風險較小，施工工藝成熟。

(2)針對本工程的地質條件和巖石力學指標，對泥水盾構進行刀盤設計、防泥餅和刀盤結泥設計，抗外水壓設計等，以保證掘進過程中設備安全和順利運行。

(3)盾構機安裝和始發(fā)姿態(tài)控制是重點，掘進過程中采用適當的縱坡比降，解決施工期排水和盾頭姿態(tài)平衡。

(4)掘進過程中的管片對位安裝、同步注漿和二次注漿質量、盾尾刷止?jié){封閉措施等須有可靠的保證措施。

(5)本工程江底隧洞為軟質砂巖、泥巖，泥水分離處理有一定難度，應采取措施增加泥槳回收利用率，以滿足環(huán)保達標排放。

(6)接受豎井高度達110m以上，為大揚程垂直運輸，設備安裝、解體拆除、啟吊過程中涉及到大噸位、大揚程啟吊運輸，豎井內作業(yè)空間相對狹窄，應采取措施保證人員和設備安全。

3 布置方案及結構設計

3.1 布置方案

貓兒沱江底隧洞上接總干渠白沙地隧洞，下連望江巖隧洞，全長1.83km，跨江的江底隧洞段洞軸線與岷江垂直，盾構起點距已建成通車的“成宜昭”高速跨岷江大橋交叉點110m，并從高速公路橋排架基礎以下穿越(如圖1—2所示)。隧洞設計流量93m3/s，隧洞襯砌完成后內徑7.0m。

圖1 貓兒沱江底隧洞平面布置

圖2 貓兒沱江底隧洞縱剖布置圖

整個江底隧洞采用倒虹吸型式，隧洞前段為灘地埋管，埋管段進口節(jié)制閘，分別設一扇攔污柵和工作門。進口閘室上游右側設泄水閘，泄入岷江右岸支流鴦溪河。

灘地埋管接進口前池末端，終止于斜井進口前。采用單根鋼管布置，鋼管直徑7.0m，設計流量下的流速2.42m/s，最大水頭90.53m，管材采用Q345R，管壁厚度18～26mm，埋管段單管總長度606.55m。

由盾構機掘進的穿江隧洞段包括：右岸斜井段、江底平洞段、左岸斜井段，總長1.35km。右岸斜井段起點為盾構機始發(fā)段，根據不同型式盾構機的驅動系統差異，確定出發(fā)井尺寸，本工程泥水平衡型盾構機的始發(fā)井平面上為矩形，凈寬23m，長59m，平均深度24m。反力架設于距洞口14.6m，始發(fā)井中后部布置管道出渣提升系統。斜井進口洞頂距地面垂直基巖覆蓋深度30m，洞口水平及垂直向分別采用10m深度袖管固結灌漿加固巖體。斜井段水平投影長度750m，江底平洞段水平投影長度307m，左岸平洞水平投影長度290m。為適應地質條件，滿足盾構機掘進過程中的機頭穩(wěn)定和排水要求，同時盡量降低左岸接收井的高度，江底隧洞在縱向采用“U”型，右岸斜井、江底平洞、左岸斜井縱向坡度i分別為2.67%、0%、1.52%。江底平洞和左岸斜井段為反向坡。

盾構機開挖洞徑9.1m，管片外徑8.8m，外襯管片采用C50預制鋼筋砼，厚度0.45m，管片與圍巖間回填C25水泥砂漿，灌漿厚度0.15m，充分充填盾頭開挖洞室外徑與管片外徑之間的縫隙。隨盾頭掘進，管片跟進安裝，單個標準斷面安裝8塊管片，橫向管片采用液壓桿頂撐就位，管片之間采用高強螺栓連接，縱向單環(huán)長度1.6m，橫向一周安裝完畢后，在外壓下，形成圓環(huán)承壓效應，管片間的止水條發(fā)揮止水作用。盾構掘進貫通，管片也緊跟安裝完畢，實現施工期江底隧洞一期支護體系。之后在洞內實施二期鋼管內襯施工，內徑7.0m，管材為Q345R，按埋管理論設計，管壁厚度22～26mm。鋼管與外襯預制砼管片之間回填0.45m的C30UEA微膨脹砼起到補償收縮作用，同時控制砼與鋼管壁的縫隙，減少接觸灌漿對鋼管的影響。

左岸江底隧洞出口布置接收豎井，豎井深度114.1m，襯砌后直徑18m，以滿足設備吊運的空間要求，井壁采用C25砼襯砌，厚度2.0～2.2m。盾構機掘進貫通后，盾頭及刀盤等原地拆解，由豎井吊出，運行期豎井作為江底隧洞倒虹吸組成部分。末端接出口控制閘，再銜接下游渠系建筑物。

3.2 結構設計

3.2.1江底隧洞結構受力設計原則

國內很多市政、交通等采用盾構機掘進的隧道工程，其建成后永久運行的隧洞為無壓洞，管片安裝完成后，不僅可以滿足施工期的洞室臨時支護要求，也可結合項目功能需要，把管片作為永久支護的主要組成部分。本工程的江底隧洞建成后為有壓隧洞，最大內水壓力1.2MPa，施工期安裝的管片因其受力特性而無法承受。因此，結合本江底隧洞的工況特點，建立了相對清晰的施工期和運行期不同的支護體系，遵循“外水外承、內水內承”洞身復合襯砌結構的設計原則。施工期由管片承擔岷江相應標準的施工洪水和圍巖壓力，運行期由鋼管承擔設計內水壓力。鋼管與管片間回填C30UEA補償收縮砼，擔負鋼管外部的傳力介質作用。施工期鋼管不承受洞室外部土水壓力荷載，運行期對外部土水荷載進行抗外壓穩(wěn)定復核。通過有限元網格建模分析計算，各區(qū)的應力狀態(tài)和變形控制均應滿足設計要求。

3.2.2管片內力及位移量分析

管片采用C50鋼筋混凝土，抗?jié)B等級P12。以“5+3+1”的形式進行拼裝，采用通用楔形環(huán)，38mm雙面楔形。每環(huán)由1塊封頂塊(中心角16°21′49)、2塊鄰接塊(中心角49°5′27″)、5塊標準塊(中心角49°5′27″)組成。管片斷面構造如圖3所示，拼裝成型后如圖4所示。

圖3 襯砌環(huán)管片構造圖

圖4 現場拼裝成型圖

隧道管片詳細參數為：管片外徑8.8m，內徑7.9m，管片厚度0.45m，管片寬度1.6m，管片拼接方式為錯縫拼裝。襯砌環(huán)的接縫連接采用斜螺栓連接，包括22個環(huán)縫連接螺栓(M30)和16個縱縫連接螺栓(M30)。

經管片內力計算，軸力分布較為均勻，由于荷載豎向作用，下半圓量值較上半圓大，總體量值在5651.71～5994.38kN/環(huán)；而剪力主要分布在上半圓，其最大值出現在頂拱兩側，其量值為83.87kN/環(huán)；彎矩則主要分布在上半圓，其最大值出現在頂拱，其量值為159.04kN/環(huán)。

從位移變形計算結果分析，在確保連接螺栓抗剪強度和相鄰管片間定位準確的條件下，變形量總體較為對稱，頂拱和底板向洞內變形，頂拱最大位移為7.582mm；洞腰向洞外變形，最大值為4.315mm。

管片內力及位移計算結果見表1。

表1 管片內力位移計算結果表

3.2.3鋼管埋管段結構布置

隧洞貫通后在外層管片保護下，洞內安裝直徑7m的內襯鋼管，內襯鋼管和管片之間填充0.45m厚C30補償收縮UEA砼(如圖5所示)。由于洞內安裝空間較為狹窄，采用定制的大直徑鋼管運輸安裝臺車，將長度9.0m一段的鋼管運輸到位后，再利用液壓頂托和紅外線定位等輔助手段，確保每節(jié)鋼管的準確對接撐圓并實施管內機器人焊接(如圖6所示)。

圖5 復合襯砌大樣圖

圖6 鋼管成型圖

3.2.4管片及鋼管有限元結構分析

通過結構力學法完成管片配筋設計，管片承擔外部土水壓力，全斷面以徑向承壓為主，同時在環(huán)向軸壓作用下，忽略各錨栓的折減效應；內襯鋼管在與回填砼、管片、圍巖共同作用下，承擔運行期內水壓力，按埋管理論進行結構設計。采用有限元進行整體應力應變分析，各典型部位的應力和變形均滿足設計和規(guī)范要求。結果見表2，如圖7所示。

表2 管片及鋼管變形及應力分析成果表

圖7 管片、鋼管工況應力分布圖

4 結語

向家壩北總干渠下穿岷江江底隧洞2021年10月15日正式進洞，2022年6月17日順利貫通，整個施工過程安全風險可控，掘進速度最高可保持在20m/d，盾構機全部在接收井拆除并吊運出井，并開展后續(xù)的鋼管安裝施工。

(1)在建設條件比較敏感的大江大河，采用泥水平衡盾構機掘進方式，能夠更大程度上保證施工安全，在地層條件相對穩(wěn)定的情況下，可以實現較高的掘進進度。

(2)對于采用有壓下穿江底的輸水工程，遵循“外水外承、內水內承”洞身復合襯砌結構的設計原則，使得隧洞整體結構受力清晰，外部結構和內部結構各負其責，管片只承擔施工期的外部土水壓力；運行期則通過管片與鋼管間的回填補償收縮砼和外部巖體協調形成受力整體，內水壓力全部由鋼管承擔，確保工程安全。

通過本次下穿岷江貓兒沱江底隧洞盾構機掘進方式復合襯砌結構設計研究，為大流量、大直徑隧洞穿越建設條件復雜敏感的大江大河提供了可借鑒的成功案例。