山區大型鋼管倒虹吸與高速公路平交措施研究

曹勸績 司建強 王康三

摘 要：高原山區具有山高谷深特點，倒虹吸是引調水工程跨溝、河及下穿重要公路常用的重要交叉建筑物。針對如何處理大型鋼管倒虹吸與高速公路交叉干擾問題，本文結合工程實例，提出了高速橋涵保通方案、頂管下穿方案和鋼管倒虹吸調線方案。從工程布置、交叉影響、實施難度以及工程投資對各方案進行綜合分析評價，最終采用橋涵保通方案，以供類似工程參考。

關鍵詞：交叉建筑物;倒虹吸;橋涵保通;頂管下穿

中國的水資源相對匱乏且分布不均，部分地區仍然存在水資源浪費和污染問題，為緩解水資源短缺現狀，保障滇中地區水資源可持續發展[1]，專家及學者們對于水資源跨流域引水的研究也取得了豐碩的成果[2～4]。與此同時，國內外專家及學者提出并研究了許多節水高產的灌溉技術，并取得了一系列成果[5]。

滇中引水是云南省一項重大的引水工程，工程的受水區包括麗江、大理、楚雄、昆明、玉溪及紅河的6個州市35個縣（市、區）、總面積3.69萬km2。輸水總干渠分為大理Ⅰ段、大理Ⅱ段、楚雄段、昆明段和玉溪、紅河段5段，線路全長661km，工程多年平均引水量34.03億m3。

輸水總干渠布置主要輸水建筑物有隧洞、倒虹吸、渡槽、暗涵、渠道消能建筑物以及分水閘。倒虹吸作為滇中引水工程中最為復雜的交叉建筑物，在穿（跨）越道路和河溝中起著不可替代的作用，因此交叉建筑物運行過程中存在的風險評估及識別作深入的研究[6]，以確保工程能夠安全順利的實施運行。本文從工程布置、交叉影響、實施難度以及工程投資對高速橋涵保通、頂管下穿和觀音山倒虹吸調線各方案進行綜合分析評價，得出最優方案，為交叉建筑物的處理提供借鑒。

一、倒虹吸工程概況

觀音山倒虹吸線路橫穿羅茨盆地，實際長9771.31m，是滇中引水工程中規模最大的倒虹吸。管道最大設計靜水頭為184.38m。倒虹吸采用3根直徑DN4.2m的明鋼管輸水設計過流能力為Q=100m3/s，管間凈間距2m，倒虹吸開挖底寬19.8m，平均槽深2～3m。

武易高速公路是滇中城市經濟圈高速公路網絡的重要路段，路線起于武定縣，接武昆高速，全長104.009公里，按雙向六車道高速公路標準建設，路基寬33.5米，設計速度100km/h， 汽車荷載等級公路-Ⅰ級。

武易高速在觀音山倒虹吸后段交叉，交叉段高速線路大體為南北走向、倒虹吸管線近東西走向，平面交角84°29′31″，武易高速路基高程1846.00m，路面高程1846.805m。觀音山倒虹吸交叉段總寬20.5m，長度約51m。倒虹吸管頂高程為1844.585m，與路基頂面垂直高差1.4m。兩工程存在交叉干擾問題。

交叉部位地層巖性從上到下依次為：①殘坡積層（Qedl）粘土，含少量碎礫石，厚1m-2m;②第三系上新統石灰壩組（N2s）粘土巖、砂礫巖，半成巖、土狀，厚10m～15m;③震旦系燈影組（Zbdn）白云巖，巖溶發育弱，其中上部為強風化層，碎塊或碎屑狀，垂直厚度約6.0m～8.0m，以下為弱風化層。

二、交叉影響處理方案

經現場踏勘討論，擬定了倒虹吸橋涵施工保通方案、頂管下穿方案和觀音山倒虹吸調線方案，并進行方案比選。

（一）橋涵保通方案

1、橋涵布置方案

該方案將倒虹吸高程降低3.5m，由1842.5m調整至1839.0m，鎮墩向西偏移40m，避開倒虹吸布置對公路的影響。武易高速相交處進行路基開挖，然后在武易高速K18+814處設置1孔30米跨橋梁，角度正交。上部結構采用裝配式預應力混凝土簡支箱梁，下部橋臺采用U型橋臺，樁基礎。倒虹吸輸水管從橋梁下方穿越武易高速，橋跨布置方案見圖2.1-1，橋梁橫斷面布置見圖2.1-2。

2、武易高速保通方案

倒虹吸下穿方案采用半幅路基施工、半幅路基保通方案：將已成型的高速公路路基左半幅路基開挖，右半幅保通，在左半幅進行橋梁施工，待左半幅橋梁通車后;然后通過左半幅保通，開挖右半幅路基，進行右半幅橋梁施工。橋梁全幅通車后，倒虹吸施工時在橋跨下空間內進行，避免干擾高速公路通車。為保證公路路基運營安全，半幅通車，半幅施工時，需對施工半幅的基坑進行支擋，確保通車半幅的路基穩定，同時施工中要注意保護好中央分隔帶中的管線。支擋擬采用樁板墻結構進行支擋，路線平面見圖2.1-3。支擋擬采用樁板墻結構進行支擋，見圖2.1-4。由于武易高速本段已完成施工，因此需要在后期對現有路基及防護進行改造，增設橋梁，增加水管挖方防護，增設橋梁施工時的臨時防護措施。

（二）頂管方案

該方案采用城市穿管常用的頂鋼管施工技術，將倒虹吸壓力鋼管中心高程由1842.5m降低至1834.8m，高程降低7.7m，頂管埋深為9m。頂管位于第三系上新統石灰壩組（N2s）粘土巖、砂礫巖地層中，層厚10m～15m，圍巖成半成巖或土狀，地質施工條件較差。

根據倒虹吸輸水要求及工程布置，頂鋼管直徑4.2m，三根管道并排布置，間距5m。根據頂管施工及管道抗外壓穩定要求，管壁厚度由明管的16mm調整為40mm。

頂管從武易高速東側頂進，在武易高速路基外側10m布置工作井，三根鋼管并用一個工作井，工作井內尺寸為25.6m×12m×16.8m（長×寬×深），井頂面高程1848.6m，井底高程為1831.8m。豎井采用逆作法開挖施工，內襯C30混凝土跟進，壁厚1m，豎井開挖每節2m。豎井頂部設置一道2m×1.5m圈梁，施工過程中采用3道支撐;頂管施工完成后采用C20混凝土回填至管頂1.5m，同時作為管頂轉角鎮墩，以上采用開挖料回填。根據計算豎井基地應力大于地基容許承載力，在底板進行局部固結灌漿，固結深度3m。

頂管從武易高速西側頂出，在武易高速路基外側10m布置接收井，三根鋼管并用一個接收井，內尺寸為25.6m×9m×7.8m（長×寬×深），井頂面高程1839.6m，井底高程為1831.8m。豎井采用逆作法開挖施工，內襯C30混凝土跟進，壁厚0.8m，豎井開挖每節2m。豎井頂部設置一道1.2m×1m圈梁，施工過程中采用2道支撐;頂管施工完成后采用C20混凝土回填至管頂1.5m，同時作為管頂轉角鎮墩，以上采用開挖料回填。

頂管結束后在倒虹吸壓力鋼管頂部180°范圍進行固結灌漿，灌漿從工作井和接收井分別實施，灌漿孔間排距1.5m×1.5m，梅花型布置，保證武易高速及輸水鋼管道安全。

（三）倒虹吸繞線方案

該方案在觀音山倒虹吸樁號LQDHX6+124m處開始調線（避開轉彎鎮墩布置在活斷層帶），線路左轉5.26°，下穿武易高速橋梁段后右轉7.32°連接的蔡家村隧洞原線路，調線方案過武易高速段為偏移距離最遠點，約273m，避開武易高速東側墳地范圍，倒虹吸管道從武易高速北側橋梁第7跨中間穿過，調整段原線路長度5.373km，調整后線路長5.378km。該方案線路長度增加5m，其中倒虹吸管道長度增加83.33m，倒虹吸出口段增加29.83m，蔡家村隧洞長度減少108.23m。

該方案工程布置施工臨時用地涉及調線起點村莊、小水庫及江龍溫泉花園度假山莊部分征占范圍，其中小水庫為地方農田灌溉用水，溫泉花園度假山莊為個體經營，根據初步現場調查情況，協調難度大，費用高，經初步估算征地移民靜態投資增加約1294.61萬元。

三、方案比選

從工程布置、交叉影響、實施難度以及工程投資對高速橋涵保通、頂管下穿和觀音山倒虹吸調線各方案進行綜合對比分析評價，結果見下表3-1。根據表3-1可知，倒虹吸調線方案影響范圍大、管道壓力增加約25m、壓力管道出現了三個平面轉彎，對管道水力條件和受力條件均有較大影響，管道采用高支墩形式，對結構抗震不利;同時移民征地調整范圍大、且涉及水庫及溫泉度假山莊的征占地及零星墳地遷移問題，不可控因素多，工程投資較橋涵保通方案增加1730萬元。橋涵保通方案和下穿頂管方案的外部環境簡單，施工難度小，倒虹吸水力學條件好，但穿頂管方案較橋涵保通方案增加工程投資966萬元，且該段倒虹吸運行維護條件差;橋涵保通方案僅在橋涵施工期采用半幅保通，對武易高速交通有一定影響，運行期無影響。綜合以上分析，推薦相互影響小，工程投資增加少，倒虹吸運行維護條件好的橋涵保通方案。

四、結語

本文在處理觀音山倒虹吸與武易高速兩工程的交叉干擾問題上，提出了高速橋涵保通方案、頂管下穿方案和觀音山倒虹吸調線方案，并分別從工程布置的合理性、交叉影響大小、處理方式實施的難易程度以及工程投資四個方面綜合分析。結論表明橋涵保通方案具有倒虹吸運行維護條件好、交叉建筑物間相互影響小、工程投資小等優點，即橋涵保通方案最佳。希望能為今后交叉建筑物的處理提供一定參考。

參考文獻

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作者簡介：曹勸績（1978.7），男，云南祿勸人，高級工程師，主要從事水利工程建設與管理工作。