西江引水工程盾構輸水隧洞設計

1、.西江引水工程盾構輸水隧洞設計摘要： 盾構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隧洞采取了外部盾構片內(nèi)部鋼襯的斷面形式，本文介紹了盾構隧洞與相關建筑物的設計，同時分析了應注意的問題。關鍵詞 : 調(diào)水工程盾構隧洞輸水隧洞設計前言隨著國民經(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。而在上述兩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

2、、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?？偯娣e7434.4km2，總人口720.62萬人， 2007年國內(nèi)生產(chǎn)總值為7050.78億元。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，水質為類和劣類，已不能滿足地表水環(huán)境質量標準（ GB3838-2002）對水源水質的要求。同時廣州將在2010 年舉行第 16 屆亞運會，屆時將對整個城市的供水水質和安全提出更高的要求。若不采取工程措施引進外部清潔水源將難以短期實現(xiàn)凈化飲用水水質的目標。1 工程概況為解決廣州市飲用水水質問題，廣州市政府啟動了西江引水

3、工程。本工程設計規(guī)模350萬 m 3/d （ 40m 3/s ）。工程位于廣州市與佛山市境內(nèi)，工程自佛山市三水區(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 DN3600mm管道與內(nèi)徑4800mm的盾構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 m 3/d ）、石門水廠（80 萬 m 3/d ）和西村水廠（100 萬 m 3/d ），專業(yè)資料.并預留了北部新建水廠的接口（100 萬 m 3 /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47.8km ；配水泵站到3個水廠為支線，全長約24km 。干線除盾構

4、隧洞段為單線外，其余分段均為雙線管道設計，雙線工程采用內(nèi)徑3600mm的鋼管或等內(nèi)徑的PCCP 管道。本工程盾構隧洞共3 段，分段長度主要根據(jù)工期確定，由于為亞運會配套項目，需在2010年 10 月前正式通水運行，為此，要考慮各方節(jié)點因素，保證盾構段的工期。其中盾構一標分兩段，每段長度約1.2km ，自盾構始發(fā)井分別向兩側盾構接收井掘進。盾構二標為一段， 自始發(fā)井向盾構接收井掘進。由于盾構一標已經(jīng)涵蓋了盾構二標的內(nèi)容，本文以盾構一標為例介紹本工程中盾構隧洞的應用情況。本工程的管道設計工作壓力為0.6MPa ，設計內(nèi)水壓力為0.9MPa ，隧洞段的運行條件為內(nèi)水壓力大于外水壓力。設計綜合考慮施工

5、難度、設計理論成熟度和工期進度，采取了盾構隧洞內(nèi)襯鋼管的形式，并在盾構片內(nèi)壁設置彈性排水墊層，鋼管和盾構片之間回填自密實混凝土。2 盾構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，或者降低鐵路運行速度。為此在本工程幾個特別段引入的盾構隧洞的輸水方式，以盡量減小對地表建筑物的影響，保證本工程的工期要求。3 盾構機的選用目前應用的盾構機主要分為土壓式（含復合式）和泥水式。盾構機選型應從安全性、可靠性、 經(jīng)濟性等方面綜合考慮，所選擇的機型要

6、能盡量減少輔助施工法并確保施工安全可靠。不同類型的盾構適應的地質范圍不同，盾構選型的主要依據(jù)是土質條件、巖性，要確保專業(yè)資料.所選擇的盾構能適應地質條件，保持開挖面穩(wěn)定。土壓平衡盾構是依靠推進油缸的推力給土倉內(nèi)的開挖土碴加壓，使土壓作用于開挖面使其穩(wěn)定， 主要適用于粉土、粉質粘土、 淤泥質粉土和粉砂層等粘稠土壤的施工。在粘性土層中掘進時，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。盾構向前推進的同時螺旋機排土，使排土量等于開挖量， 即可使開挖面的地層始終保持穩(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)的土體因固結作

7、用而被壓密，導致碴土難以排送，需向土倉內(nèi)注水或泡沫、泥漿等， 以改善土體的塑流性。 從土壓式盾構機的工作原理可以判斷，這種形式的盾構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， 通過泥水處理設備進行分離， 分離后的泥水進行質量調(diào)整，再輸送到開挖面。泥水盾構適用的地質范圍較大，能適應本工程的各種土層。地層滲

8、透系數(shù)是盾構選型的重要因素。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 -7 cm/s 時可以選用土壓平衡盾構；當?shù)貙拥臐B透系數(shù)在10 -7 cm/s和 10 -4 cm/s之間時既可選用土壓平衡盾構也可選用泥水盾構；當?shù)貙拥臐B透系數(shù)大于10 -4 cm/s 時，如采用土壓平衡盾構開挖倉中添加劑將被稀釋，水、砂、砂礫相互混合后土碴不易形成具有良好塑性及止水性碴土，在螺旋機出碴門處易發(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

9、料揭露的專業(yè)資料.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)在滲透系數(shù)k 10 -3 10 -2 cm/s ，遠遠超過土壓平衡盾構允許的最大范圍，因此宜采用泥水盾構。本盾構標段需要穿越鐵路、高速公路、立交橋。上述建筑物要求地表沉降小于5mm ，采用泥水盾構方式可以根據(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 盾構隧洞設計4.1隧洞直徑確定廣州市西江引水工程盾構隧洞總共分3 段，單段長度僅1.2km ，分段長度主要考慮滿足工期要求， 單段長度過長根據(jù)施工組織設計安排不能滿足亞運會前完工。確定盾構隧洞直徑需要滿足經(jīng)濟流速，和施工空間， 同時應參考當

10、地采用的機頭對應的隧洞直徑。由于盾構機的生產(chǎn)需要提前一年確定要求，生產(chǎn)周期需要812個月，在已有常用型號生產(chǎn)訂貨則需要 6 個月左右。同樣盾構管片結構的需要的磨具設計和制造周期也較長，在本工程緊迫的工期要求下， 設計采用主流型號的盾構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，設計采用開挖外徑6.3m ，管片外徑6m ，管片厚度 30cm 的盾構機頭和管片形式。盾構隧洞襯砌后的管片內(nèi)徑為5.4m ，考慮回填混凝土與施工管路等的條件，管片內(nèi)部30cm做為回填層，回填層的厚度主要考慮布置施工管路要求，回填層內(nèi)設置鋼內(nèi)襯，內(nèi)襯按內(nèi)壁直徑4.8m

11、確定。隧洞成型后的過流斷面的設計流速約為 2.25m/s ，在 23m/s的經(jīng)濟流速范圍，符合水力學設計要求。4.2盾構片與盾構片防水盾構襯砌采用單環(huán)長度1.5m ，分 6 塊，封頂塊位于隧洞頂部左右各10 度位置，相鄰環(huán)通過上述方式實現(xiàn)縱縫錯縫布置。專業(yè)資料.盾構片的兩種錯縫布置見圖 1 和圖 2 ，各塊的分縫角度見圖3 和圖 4 。圖 1 分塊布置一圖 2 分塊布置二圖 3 分塊弧長與角度一圖 4 分塊弧長與角度二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

12、設置了丁腈軟木墊。環(huán)縫和縱縫結構布置見圖 5 和圖 6 ，嵌縫防水結構見圖7 和圖 8 ，密封墊結構見圖9 。專業(yè)資料.4.3管片接縫螺栓結構管片接縫連接采用彎螺栓連接，可以盡量減小對管片結構的削弱，同時便于安裝。示意圖見圖 10 。圖 5 環(huán)縫止水布置圖 6縱縫止水布置圖 7 拱頂環(huán)（縱）縫嵌縫止水圖 8 拱底環(huán)（縱）縫嵌縫止水專業(yè)資料.圖 9 密封墊結構圖圖 10螺栓連接示意圖4.4內(nèi)襯設計綜合考慮使用工況、內(nèi)襯受力條件、施工難度、施工技術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20mm厚 Q235C鋼襯防水，設計為可以獨立承擔內(nèi)水壓力， 并且在外水內(nèi)滲放空工況下，可

13、以防止局部失穩(wěn)。在鋼襯和盾構片之間設置30cm回填自密實混凝土，保證結構整體剛度，提高內(nèi)襯防腐性能，減小不均勻沉降對整體結構的影響，考慮到內(nèi)水外滲的可能在盾構片內(nèi)壁上部設置了4cm 彈性排水墊層，以減小混凝土干縮影響，同時保護盾構片在內(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，增加結構抗裂性能。結構示意見圖11 。圖 11內(nèi)襯結構圖5 盾構井設計專業(yè)資料.由于本工程的工期緊張，在施工征地階段也遇到了較大的阻力，致使工期更為短暫，為此本工程在招標后對盾構始發(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，

14、在盾構井內(nèi)設置始發(fā)節(jié)，連續(xù)墻出口部位設置玻璃纖維混凝土，盾構機頭安裝后采用回填粘土止水，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 天，優(yōu)化后的井體長度約為80m 。圖 12盾構始發(fā)井布置圖6 連接岔管段設計單管盾構隧洞段與雙管連接轉換段在盾構接受井內(nèi)完成，盾構接收井的內(nèi)尺寸14X28m ，井內(nèi)設置岔管段，下彎段與上彎段。并布置放空與排氣裝置。見圖13 和圖 14 。為了便于安裝和焊接，岔管段優(yōu)化了體形，采用厚度26mm的 16MnR鋼板，并設置了月牙型梁，減小岔管部分厚度。專業(yè)資料.圖 13連接岔管段平面布置圖圖 14連接岔管段縱斷面圖7 結語近年

15、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，單個城市供水工程以上海青草沙和廣州市西江引水工程規(guī)模最大。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。本工程盾構隧洞范圍有鐵路、高專業(yè)資料.速公路、立交樞紐、大型企業(yè)， 上述設施均要求施工不能影響正常的生產(chǎn)和使用。盾構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)在建的工程中高內(nèi)水壓力的盾構隧洞只有南水北調(diào)中線穿黃和西江引水工程。其中中線穿黃采取了內(nèi)襯預應力混凝土結構，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，更多的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。 本工程選用盾構隧洞和相應的內(nèi)襯形式是科學合理的。這些方案為盾構隧洞在國內(nèi)調(diào)水工程中的應用積累了寶貴的工程經(jīng)驗。參考文獻1.水工隧洞設計規(guī)范SL279-20022.水電站壓力鋼管設計規(guī)范SL 281-20033.盾構法隧洞施工與驗收規(guī)范GB50446-20084.鐵路隧道施工規(guī)范TB10204-20025.自密實混凝土技術手冊中國水利水電出版社作者簡介王志國男工程師中國市政工程華北設計研究總院天津30007