長距離盾構法輸水隧道設計要點及改進建議

杜 峰

(中國市政工程西北設計研究院有限公司，蘭州 730000)

0 引言

輸水隧道是城市供水工程設施的重要組成部分，由于城市的高速發展和范圍的不斷擴大，原水輸送隧道工程建設有愈來愈長的趨勢，往往數十km，傳統的挖槽埋管施工技術因環境及交通等因素而無法鋪設。近年來，采用盾構法隧道在長距離取排水工程的設計施工實例越來越多。在國外最早使用輸水隧道單層襯砌的國家是挪威，此后，世界上許多國家對輸水隧道單層襯砌都有了不同程度的應用，如德國、瑞士、法國、加拿大、日本、比利時和西班牙等，而且一些國家還制定了相應的設計和施工規范。

我國對于相應研究起步較晚。2006年西南交通大學對采用鋼纖維混凝土材料作單襯砌隧道的支護形式、耐水性能等設計方法進行了相應分析和研究，給出了極限狀態下鋼纖維混凝土材料隧道單層襯砌的設計流程。2008年中鐵西南科學研究院在遼寧省大伙房長大輸水隧洞工程設計施工過程中對隧道作單層襯砌進行研究，通過試驗，在混凝土中摻入了CSA抗裂劑，并取得了一定的研究成果。目前的這些研究成果僅限于緩流速、非滿管狀態下水工隧道或其他形式隧道的單層襯砌設計標準和參數［1-2］，而對于具有高內水壓、高流速、水錘效應等特點的長距離盾構法單層襯砌輸水隧道，國內目前還沒有現成的規范或標準。本文就這些設計中的關鍵問題，結合上海青草沙水源地原水隧道工程進行分析探討，并給出相關改進建議，從而為長距離輸水隧道的設計提供一些更為合理和可行的措施。

1 工程概況

上海青草沙水源地原水工程由3大主體工程組成，即青草沙水庫及取輸水泵閘工程(含中央沙圈圍工程)、長江原水過江管隧道工程、島陸域輸水隧道及增壓泵站工程。設計供水規模為2020年達719萬m3/d，直接受益人口超過1 000萬人。

其中，長江過江管采用2根外徑為6．8 m(內徑為5．84 m)的盾構法隧道，從長江底倒虹過江，東西過江管單線全長7．2 km，單向掘進。長興島域輸水隧道由外徑為6．4 m(內徑為5．84 m)的雙線盾構法隧道組成，東西線單管總長5．27 km。

青草沙水源地原水工程的建設具有涉及范圍廣、設計施工難度高、施工工期緊等特點，在長江口這樣大型復雜河口建設超長距離的有壓輸水過江隧道在國內也是首次，迄今為止在國際上也未見相關的報道。

2 上海青草沙原水隧道工程設計要點

2．1 高內水壓隧道單層襯砌結構受力特點

上海青草沙原水過江管及島域隧道工程，不同于交通隧道襯砌環向接頭的小偏心受壓狀態，高內水壓輸水隧道的環向接頭的軸壓力會偏小，甚至出現拉力。長江原水過江管的高內水壓、長距離、大深度的特點，使得隧道襯砌結構的設計成為制約整個隧道工程安全、施工質量保證和工程造價合理的關鍵因素。

2．2 輸水隧道的結構設計條件及計算

根據上海青草沙原水工程工藝要求，水庫進水最高水位為7．0m，常水位為3．0 ～4．0m，地面標高為2．5 ～3．0m，輸水隧道最大埋深約30 m。最大內水壓為7-2．5+30=34．5 m 水頭高度。

2．2．1 有內壓隧道常用計算模型

國內盾構法單襯砌隧道主要是無內壓隧道。在軟土地區，其常用的計算模型可分為4種:彈性勻質圓環法、彈性鉸圓環法、梁-彈簧模型計算法和有限元法［3］。

對于有內壓單襯砌隧道，國內目前還未有相應規范，參考日本《內水壓作用下隧道襯砌構造設計手冊》要求，在內水壓力作用時(自重、外部水土荷載和內水壓力同時作用)，采用彈性地基剛架模型法進行計算，以反應地層與隧道的共同作用。上述的計算方法、荷載分布、地基反力見表1。

2．2．2 計算結果

上海青草沙原水過江管及島域隧道工程，根據隧道結構所處工程地質和水文地質條件、埋置深度、結構特點、施工條件、相鄰隧道影響等因素，選用合適的計算參數，分別就不同階段可能出現的最不利荷載組合進行結構強度、剛度和裂縫寬度等進行了計算。計算工況見圖1和圖2，各工況內力及配筋計算統計見表2。

表2 各工況內力及配筋計算統計表Table 2 Statistics of internal forces and reinforcement calculations in various cases

表1 彈性地基剛架計算模型Table 1 Calculation model of elastic foundation frame

經計算可知，隧道在淺埋段(小土壓+內水壓)條件下均處于偏拉狀態;隧道在深埋處(大土壓+內水壓)結構可處于偏壓狀態［4］。

2．3 長距離輸水隧道水錘分析及應對措施

長距離的原水過江及島域輸水隧道工程是連接水庫和水廠之間的關鍵和控制性工程，屬于超大口徑長距離輸水隧道，生產運行過程中流量變化產生的水錘效應不可避免。由于輸水管道采用了單襯砌盾構法隧道形式，水錘對其結構產生的危害將高于其他耐壓管道結構，必須對水錘產生的不利狀況和消除水錘措施進行全面分析。本工程在設計過程中，利用了先進的計算平臺建立大尺度仿真水錘數值分析(見圖3)，對輸水系統運行過程中可能產生的水錘采取有效的防護措施，計算結果見表3。

圖1 淺覆土工況2內力示意圖Fig．1 Internal force on tunnel with shallow cover in case 2

由以上分析可知:輸水系統若未采取任何水錘防護措施，水錘發生時，最大正壓水錘為3．59 MPa(359 mH2O)，最大負壓水錘為 -0．1 MPa(-10．0 mH2O)，故必須設置水錘防護措施。

在全面研究上海青草沙原水工程的設計方案后，可以采用的水錘防護措施主要有:

1)水庫輸水泵閘和五號溝泵站調節池的布置。閘門前后設敞開水池(水庫輸水泵閘的引水渠道和出水井、五號溝泵站的調節池)。2)過江管兩岸工作井為敞開式水池(濕井)。3)延緩閘門的啟閉時間。

對各工況分別采取上述一項或幾項防護措施后，再次對輸水系統進行水錘計算。結果顯示:采取單項措施后，水錘可得到緩解，但某些工況仍不能完全消除;多項措施聯合采用后，正、負壓水錘可以消除［4］。

2．4 長距離輸水隧道設計其他技術考慮

輸水隧道工程的規模和投資大，建設條件復雜，不但要保證隧道在建設期內的安全，更要保證隧道在結構100年使用年限內始終處于安全、可靠、受控的狀態之下;因此，設計上還考慮了隧道結構的耐久性和防水功能的有效性。

作為原水輸送工程，設計中采用的原材料符合綠色環保要求，重視開發新型注漿材料和其他處理技術。運營維護是輸水設施安全高效運轉的保障，應采用信息技術的發展為遠程、在線監測與預警提供基本技術手段，進一步開發監護與維護的實用設計技術。

圖2 深覆土工況2內力示意圖Fig．2 Internal force on tunnel with thick cover in case 2

3 長距離盾構法輸水隧道設計中的改進建議

經過4年多對工程的跟蹤及實際施工的考驗，筆者認為在一些關鍵設計方面，有些值得在類似輸水隧道工程進行改進的建議。

3．1 管片型式設計

上海青草沙過江管輸水隧道和島域段輸水隧道工程由于距離較長，劃分標段后分別由不同設計院承擔設計，設計的管片襯砌為2種型式，如表4所示。

圖3 長距離的原水輸水隧道工程水錘計算示意圖Fig．3 Design model of water hammer of long-distance water-supplying tunnel

表3 各工況(不同流量及水庫水位高度)無防護措施時的水錘計算統計表Table 3 Statistics of water hammer calculations in the case of different water flow rates and different water levels under the condition of nonprotection measures

表4 管片襯砌設計型式統計表Table 4 Statistics of design of segment lining

長距離輸水工程管片內外徑的不同，不僅使單位長度的混凝土、鋼模等工程量造成差異增加工程造價，而且對原水工程通水后的水流量流速產生影響，從而加大運營期管理的難度;另外還要從施工的實際效果及其施工的便捷性來考慮。

綜合上述，建議管片連接件式(縱、環向螺栓)采用同一標準和通用形式。

3．2 連接件防腐設計

青草沙輸水隧道管片連接件，防腐采用噴涂“達克羅”防腐涂層，在實際施工中，尤其是在特別潮濕位置及表面被磨損的部分，仍存在發生銹蝕的情況。

建議連接件防腐采用熱鍍鋅涂層，并達到一定厚度，其防腐效果會更好［5］。

3．3 管片壓漿孔處理

管片壓漿孔普遍采用2英寸管牙接頭預制在管片當中，并且焊有止水環片，在施工中，壓漿孔四周滲水的情況較多，在管片生產廠觀察發現壓漿孔管上的止水片位置不合理，一般偏上(管片臥式生產，詳見圖4);再者由于管片混凝土灌筑工藝，易使振搗不足、混凝土不密實，從而產生管片壓漿孔四周滲水。

建議管片設計時合理安排壓漿孔止水片位置，加強管片生產中的管片混凝土振搗工藝，將手工振搗改成震動臺振搗，進一步提高管片混凝土的密實性，減少管片壓漿孔的滲漏情況［6-7］。

3．4 管片手孔封堵設計

上海青草沙原水輸水隧道采用單層襯砌，為減少水頭損失，降低管道內壁的粗糙系數，須將整個隧道管片上的連接件手孔進行封堵，工作量相當大，另對于手孔封堵的質量仍存有擔心。盡管在設計中已經采取很多防脫落措施，如使用微膨脹水泥和界面劑，并經過一些抗拔試驗，效果不錯，但由于管片手孔的形狀是一個斜楔形，僅靠水泥表面黏結力和螺帽頭的掛靠來固定，不利于水泥漿塊的錨固。

建議在管片生產鋼模模芯上進行一些改革，使用活絡套模，將管片手孔的形狀設計成倒楔形，內大外小，使得管片手孔封堵材料黏合永久性牢固［8］。

圖4 輸水隧道工程管片壓漿孔形式及位置示意圖Fig．4 Mode and position of grouting hole on segment of watersupplying tunnel

3．5 管片注漿孔的永久處理

本次青草沙輸水隧道的管片注漿孔最后處理，設計采用經防銹處理的鋼悶頭，沒有采用微膨脹水泥永久封堵，這將會使今后長期運營的輸水隧道因銹蝕而導致可靠性降低。

建議輸水隧道對管片上注漿孔做永久性水泥封堵，排除輸水運行中的隱患［9］。

3．6 管片角部配筋的改進

由于管片結構比較薄，管片角部在運輸或拼裝過程中容易被碰壞、碎裂，影響管片止水條的防水效果。

建議管片生產過程中控制好管片角部的混凝土保護層厚度，另外如在管片四角增加一些小鋼筋網片補強管片角部的鋼筋缺位，則管片四角保護層混凝土碎裂情況會有所好轉［10］。

4 結論與建議

1)城市長距離輸水隧道采用盾構法技術進行實施是可行的，但仍然存在著如超長距離、復雜地質等特點，需要借鑒國內外相關技術和經驗，突破設計和施工中存在的諸多技術難點。

2)采用單襯砌方式輸水的盾構隧道，關鍵在于解決高內水壓管片結構設計關鍵技術難題;其次要解決管片設計細部的優化技術;同時，還要重視長距離輸水隧道水錘效應對于結構的影響及采取相應的措施，確保結構的安全可靠性。

3)長距離輸水隧道需穿越較多的其他基礎設施，這些設施有些仍處于規劃階段，有些處于設計或施工階段。盡管設計方案對穿越設施作了全面考慮，但設計單位應仍要密切關注相關工程項目的進展情況，并與相應的規劃、建設、設計和施工等單位保持聯系并進行必要的協調，以確保工程的順利實施。

4)長距離輸水隧道設計應同時關注隧道結構耐久性和防水功能有效性、運營監護技術與維護方法以及環保材料等綠色建材技術等新技術和新材料的發展與應用。

5)上述關鍵技術問題的解決不僅可以保障長距離輸水隧道工程的順利建設，也將促進非開挖施工技術與裝備的發展，更好地為城市基礎設施建設服務。

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