淺談深埋污水隧洞結構設計要點

李方

摘要：隨著我國經濟的不斷發展，市政工程方面的發展也不斷增加，在進行城市基礎設施建設的項目中，城市的排水管道工程是一項重要的組成部分，這是維持城市正常供水以及污水排放等重要基礎設施。由于受到周邊環境和地下管線影響污水管道埋深越來越深，采用傳統的開挖方式不適合敷設管道，非開挖敷設管道目前比較常用，本文從深埋市政給排水隧洞的結構設計進行探討，對設計各階段的技術要點進行說明，希望可以對相關工作人員提供良性的參考。

關鍵詞：市政;給排水管道工程;結構設計

1前言

隨著我國城市化水平的不斷提高，人們對城市的基礎設施建設提出更高的要求，在城市人民的日常生活和生產中，水資源是最不可或缺的資源之一。為了滿足人民的需求，所以在給排水工程建造時要加強該系統的處理性能，從而提高城市的生活環境，促進社會的穩定發展。在實施排水工程施工時，因為施工環境復雜，管道非開挖施工距離較長，長度達到1000m以上，在巖石中采用頂管施工，一次頂進難難度大，因管道埋深大導致設置工作井困難，排水管道采用隧洞方式施工可解決非開挖管道施工的難題。

2工程概況

本工程為黑龍灘風景區污水干管項目，污水干管采用全段重力流輸送污水，總長度約為16.9km，以楊柳片區為起點，污水干管沿長島未來城區水岸線敷設管道至邱家堰橋，后采用污水隧洞形式至光相片區東南側，最終敷設污水管道至現狀污水處理廠和新建污水處理廠，其中污水隧洞長度為3840.00m，頂管長度為13090.00m。埋深14.50m～62.00m。根據地質資料，地層由上至下主要為第四系全新統人工填土，第四系中更新統冰水沉積粉質黏土、含卵石粉質黏土、中風化泥質砂巖、中風化砂巖組成。隧洞高程所處位置為中風化泥巖及中風化泥質砂巖，飽和單軸抗壓強度標準值分別為2.06MPa、9.51MPa，為極軟巖，圍巖類別為Ⅳ類。本工程地表水主要以黑龍灘庫水及水塘（魚塘）水為主，黑龍灘水庫豐水期水位最高約為484.00m，枯水期最低水位約為472.00m，水位變化幅度約12m。，場地地下水以上層滯水、基巖裂隙水為主。上層滯水僅局部呈條帶狀分布，主要賦存于人工填土層中，在地形低洼處容易富集，基巖裂隙水主要賦存于基巖裂隙中。裂隙水與庫水（塘水）連通。隧洞計算地下水位取值為水庫最高水位485.00m進行設計。

3隧洞結構設計

3.1隧洞施工工法比選

隧洞施工方法主要有鉆爆法（礦山法）及盾構法。鉆爆法施工工藝簡單、靈活，它采用信息化設計和施工，可以根據施工監測的信息反饋來驗證和修改設計和施工工藝，以達到安全與經濟的目的。對不同的地質情況及周邊環境應采用不同的工程措施及施工方法，針對性強。采用鉆爆法對軟硬不均的地層，可以用不同的開挖方式進行處理，處理方便容易。鉆爆法在施工中容易引起地下水的流失，從而引起地面過大的沉降或隆起，在重要管線和房屋周邊需采取切實可行的保護措施;在施工中處理不當時，容易引起地面坍塌，從而造成對周邊環境的影響并引發施工事故，施工中存在一定的風險。盾構法是暗挖隧洞施工中一種先進的工法。盾構法施工不僅施工進度快，無噪聲無振動公害，而且對地面交通及沿線建筑物、地下管線和居民生活影響較小。隨著盾構技術的發展，當工程地質條件、水文地質條件及周圍環境情況等難以用鉆爆法和明挖法施工時，盾構法是較好的選。本污水管隧洞屬于小斷面隧洞，采用盾構法施工需特殊定制盾構機，盾構機施工完成不能為其余工程所用，且需要就近設置管片預制場地，綜合成本較大，經濟性較差。工程隧洞所在區域非人口密集區，地面建筑物稀疏、基本無重要管線和地下建構筑物。根據地勘報告，本隧洞穿越地層為中風化泥巖、泥質砂巖，自穩能力較好使得其在本工程中具備良好的適應性，且綜合造價相對較低。綜合各方面因素，本污水管隧洞施工工法推薦采用鉆爆法施工。

3.2隧洞橫斷面形狀及尺寸

無壓隧洞一般宜采用圓拱直墻斷面、圓形或馬蹄形斷面。由于本工程隧洞地質條件主要為Ⅳ、Ⅴ類圍巖，支護、襯砌形狀應采用圓形或接近圓形的馬蹄形斷面。本工程隧洞設計流量為788.9L/S，過水能力不是斷面尺寸選擇的主要因素。一般情況，小斷面長隧洞的施工制約因素主要有以下幾個方面。（1）施工運輸困難。小斷面隧洞開挖渣料、混凝土運輸方式只能采用小型設備有軌運輸，運輸成本高、效率低。（2）施工通風困難。特別是采用鉆爆法施工的長隧洞施工通風要求高，而小斷面隧洞考慮運輸設備占用空間后剩余空間狹小，限制了風機及通風管尺寸，即限制了通風量。（3）施工排水、照明等輔助設施布置困難。地下工程地質條件復雜，塌方、突泥、地下涌水等情況時有發生，需充分考慮施工照明、排水及搶險設備的布置需要，而小斷面隧洞則一定程度上限制了各種輔助設施的布置空間。本工程隧洞斷面形狀及尺寸主要從工期和投資方面進行選擇。從工期方面進行比較，由于本工程工期較緊，洞徑小，若采用圓形開挖，底寬無法滿足施工要求，根據類似工程施工的經驗，需將斷面開挖成圓拱直墻形（襯砌為圓形）或馬蹄形斷面。對底寬為=2.54m，高為2.54m，Ⅳ類圍巖開挖底寬為3.44m，高為3.44m的圓拱直墻形（襯砌為圓形）和馬蹄形斷面在布置了施工通風和通電線路后，都能給出渣設備留有足夠的空間，交通運輸安全有保障。開挖采用圓拱直墻形斷面方便施工，利于出渣能保證工期。而馬蹄形斷面為5心圓斷面，施工和空間利于不如圓拱直墻形斷面。本工程小斷面隧洞出渣運輸因受斷面的限制，大型挖裝機械難以展開，如何將洞渣快速運出洞外是小斷面隧洞施工最大的難題，將直接影響隧洞的施工進度。從投資方面進行比較，圓拱直墻形斷面土方開挖量為10.56m3/m，圓形襯砌混凝土量為3.64m3/m;馬蹄形斷面土方開挖量為9.77m3/m，襯砌混凝土量為2.72m3/m。工程量馬蹄形斷面略省，總體上變化較小。通過以上綜合分析，結合受力性能和施工工期和工程投資，推薦本工程隧洞采用馬蹄形斷面形式。同時考慮到項目前期污水水量較小，隧洞襯砌完成后在底部二次澆筑直徑1m的半圓溝槽，避免污水流速過小形成淤積同時利于人員進行檢修。

3.3支護設計

隧洞開挖后全洞段采用噴錨支護，錨桿采用Ф22，L=3m，掛鋼筋網，噴混凝土C25厚260mm。具體支護形式見下表。

3.4襯砌設計

污水隧洞為馬蹄形斷面，洞徑B×H=2.54×2.54m，C30鋼筋混凝土襯砌。隧洞的結構設計遵照水工隧洞設計規范，分運行工況及施工工況進行結構計算。運行工況計入山巖壓力、內外水壓力、襯砌結構自重、水重等荷載。施工工況計入山巖壓力、襯砌結構自重、外水壓力、灌漿壓力等荷載。斷面開挖時地下水豐富洞段頂拱設置排水孔，襯砌時用混凝土進行封孔。現澆鋼筋混凝土襯砌按限裂進行設計，按《水工鋼筋混凝土結構設計規范》（NB35047—2015）規定，最大裂縫寬度允許值為0.20mm。

3.5進、出洞設計

本工程進、出洞由于工藝要求埋深較深，進洞埋深為28.50m，出洞埋深為25.40m。進、出洞方案主要由豎（斜）井下挖和放坡開挖兩種方式。放坡開挖由于洞口埋深較深，為達到施工車輛進出要求需放坡較遠才能滿足要求，放坡開挖由于基坑深度較深，需進行支護樁對土體進行支擋;豎（斜）井下挖方式出渣需進行垂直吊運，出渣及材料運輸較慢。具體比較見下表。結合本工程施工地點對環境保護要求較大，推薦采用豎（斜）井進、出洞的方式。

3.6豎井設計

由于本工程隧洞約3.89km，隧洞較長，為了滿足工期的要求及作為后期運行的通風、設備吊裝及污水接入，需曾設豎井以便形成多個工作面，形成“長洞短打”的條件，使各工作面的長度減少，有利于通風、排煙、出渣，施工完成后可利用作為隧洞的通風、設備吊裝、檢修通道及污水接入口。豎井的設置應以均衡施工為原則，既要滿足進度要求，又要經濟可行。隧洞獨頭進尺長度一般控制在1.0km以內，當隧洞長度小于2.0km時，一般不再布置豎井，由進、出口兩個工作面進行施工。當隧洞較長時，需設置豎井，本工程設置兩個豎井增加工作面。豎井設置原則為在隧洞覆土較淺位置及周邊緊鄰道路，同時避開水庫區域。豎井采用逆作法施工，初期支護采用噴錨支護，錨桿采用Ф22，L=3m，掛鋼筋網Ф6.5@150×150mm，環向用鋼筋格構架或型鋼支撐，噴混凝土C20厚300mm。襯砌采用C30混凝土，中間設置隔墻，將下人通道和設備吊裝通道分隔開。

3.7隧洞襯砌防腐蝕措施

隧道襯砌混凝土直接受污水的侵蝕，導致其結構混凝土表層剝落、鋼筋銹蝕而影響使用壽命。隧道輸送污水流態為重力非滿流。接觸隧道襯砌的介質有液態的污水和污水在一定生化條件下產生的大量氣體對隧洞襯砌混凝土產生腐蝕，為了保證本工程隧洞的正常使用，本工程隧洞襯砌混凝土防腐蝕主要措施為：增加混凝土凈保護層厚度，保護層厚度為40mm;提高混凝土的抗滲性能：添加抗滲劑;改進混凝土混合物骨料的級配;降低水灰比至小于0.35;減少水泥用量;限制結構受拉區混凝土的永久裂縫的寬度，將限制控制裂縫為0.2mm。

4結語

綜上所述，深埋污水隧洞在施工方法，隧洞斷面形式及大小的選擇對工程投資、工期影響較大，只有科學合理的選擇施工方法及斷面形式及大小，才能夠保證污水隧洞安全、合理的建設及運行。

參考文獻：

[1]SL744—2016.水工建筑物荷載設計規范[S].

[2]SL279—2016.水工隧洞設計規范[S].

[3]NB35047—2015.水電工程水工建筑物抗震設計規范[S].

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