盾構施工法在新安縣引故入新工程中的應用

趙 麗

（洛陽水利勘測設計有限責任公司,河南 洛陽 471000）

1 引言

盾構法施工平均每月掘進速度400 m 左右,基本上是傳統鉆爆法施工速度的4～6 倍,盾構機從隧洞兩端相向掘進,不需要開挖豎井增加工作面,施工過程中隧洞一次成形,盾構管片拼裝同步進行,不需要進行支護,省掉了上述鉆爆法作業中的多項工序,施工過程不存在炸藥管控問題,減少了施工安全隱患的發生；而且施工作業面除進出口始發場地外,主要在隧洞內對外界擾動小,作業面少利于集中管理,有利于施工工期控制。

2 工程概況

新安縣位于河南省洛陽市西部,新安縣引故入新工程隧洞段長度18.647 knm,樁號范圍2+521.7～21+168.3,隧洞線路較長。據地質勘察報告,隧洞段圍巖條件較差,Ⅳ、Ⅴ類圍巖段占隧 洞比例較大（占隧洞段總長的 77%）。設計樁號4+113.2～20+836.7 段隧洞埋深較深且無外露作業面,也無布置施工支洞條件。設計樁號8+406～8+533 段、10+863～11+070 段、14+380～14+668 段為礫巖、砂巖夾層,且巖體內地下水水量較豐富,支護難度較高。

3 隧洞段工程設計

隧洞進口布置在省道S318 西側,隧洞出口布置在新安縣城關鎮南莊村東側澗河右岸山體。根據地形條件及盾構設備施工需要,在樁號2+590.2、樁號5+199.5 和樁號19+86.4 處設3處轉彎, 轉彎半徑300 m。 隧洞進口高程272.00 m,隧洞段縱坡均為1/2500。

3.1 盾構施工法隧洞斷面設計

根據盾構設備施工要求,隧洞斷面為圓形斷面,設計引水流量較小僅為0.58 m3/s,縱坡為1/2500,若僅為滿足引水流量需求,洞身按明渠均勻流計算：

洞身斷面尺寸按明渠均勻流計算,計算公式為：

式中：ω為洞身過水斷面面積,m2；c為謝才系數,按曼寧公式計算；n為糙率,取n=0.017；R為水力半徑,m；i為洞底縱坡, 1/2500。

根據上式計算,圓形隧洞洞徑1.3 m 即可滿足過流要求,但考慮隧道掘進機設備尺寸及施工需求,隧洞內徑定為3 m。

當隧洞設計內徑為3 m 時,按照上式計算,隧洞設計水深0.6 m,隧洞內流速為0.58 m/s。

另外故縣水庫引水洞位于淤積高程以上,而且洛陽市故縣水庫引水工程和本次引故入新工程隧洞前段均采用管道引水,水質條件較好。經查故縣水庫多年平均含沙量5.13 kg/m3。

隧洞不沖流速參考《灌溉與排水工程設計規范》（GB 50288-1999）附錄F,預制管片襯砌隧洞的允許不沖流速5 m/s。

隧洞不淤流速采用黃委會水科所公式計算：

式中： C0為不淤流速系數,本工程取 0.4；Q為設計流量,本工程為 0.58 m3/s。

按照上式計算,隧洞不淤流速 =0.3 m/s。

結合《水力計算手冊》（武漢大學水力水電學院水力學教研室主 編 第二版）中,清水渠道平均流速大于0.3 m/s～0.5 m/s,本工程不淤流速取0.3 m/s。

本工程隧洞內設計流速為0.58 m/s,小于允許不沖流速 5 m/s, 大于不淤流速0.3 m/s,因此隧洞設計流速滿足不沖不淤要求。

根據上述水力學計算,并與廠家結合后,工程土壓平衡盾構機掘進外徑3.86 m,管片襯砌外徑3.6 m,管片厚度0.3 m,內徑3 m。根據盾構設備施工需要,隧洞內部結構形式調整為裝配式預制鋼筋混凝土管片拼裝結構。

3.2 管片結構計算

（1）計算模型及計算方法

本次根據隧洞埋深、圍巖條件、地下水情況,選取樁號 4+975、10+950、20+305 三處典型斷面進行管片計算,外部圍巖采用受壓彈簧模擬,彈簧不產生拉力,彈簧徑向剛度 k 即為圍巖彈性抗力系數, 根據地質報告進行選取。本次管片結構計算采用修正慣用法,利用 SAP 程序進行模擬分析計算。計算中考慮地層的彈性抗力作用。其中襯砌環的計算剛度采用 （EI）計=η（EI）實,配筋時設計彎矩采用 M設=（1+ζ）M 計,即 M設=1.3 M;接頭螺栓的設計彎矩采用 M設=（1-ζ）M計,即 M設=0.7 M。式中：h為彎曲剛度有效率,取0.65；ζ為彎矩增大系數,取 0.3。 計算模型見圖1。

圖1 管片計算模型

經計算樁號4+975、10+950、20+305 處管片最大彎矩為158.51 kN·m、169.61 kN·m、101.77 kN·m,,配筋時設計彎矩采用上述彎矩值的1.3 倍,經計算樁號4+975、10+950 處單塊管片受力鋼筋配8根C16 鋼筋,樁號20+305 處單塊管片按照構造配8 根C14 鋼筋即可。

（1）計算荷載

①圍巖壓力

本工程隧洞開挖過程 中根據圍巖類別、破碎情況均采用不同程度的臨時支護措施,為安全考慮,本次隧洞圍巖壓力計算采用《水工隧洞設計規范》（SL 279-2016）中的9.2.4-1,9.2.4-2 計算公式：

式中：qv為垂直均布圍巖壓力,kN/m2；qh為水平均布圍巖壓力,kN/m2；γ為巖體重度,根據不同洞段地層情況,取 22 kN/m3～25.4 kN/m3；B為隧洞開挖寬度,3.86 m；H為隧洞開挖高度,3.86 m。

②襯砌自重

襯砌結構自重利用下式計算。

式中：G為襯砌結構自重,kN/m2；γ為襯砌結構的重度,素混凝土取24 kN/m3,鋼筋混凝土 取25 kN/m3；h為襯砌結構厚度,0.3 m。

③外水壓力

隧洞外水壓力采用《水工隧洞設計規范》（SL 279-2016）的附錄 C 中的 C.0.1 計算公式進行計算。

式中：Pe為作用在襯砌結構外表面的地下水壓力,kN/m2；βe為外水壓力折減系數,根據水文地質報告,本次取 0.1～0.9；γw為水的重度,9.81 kN/m3；He為地下水位線至隧洞中心線的作用水頭,m。

④外水壓力

隧洞外水壓力采用《水工隧洞設計規范》（SL 279-2016）的計算公式進行計算。

式中：Pw為隧洞內水壓力,kN/m2；γw為水的重度,9.81 kN/m3；Hw為隧洞內水位,取0.6 m。

⑤注漿壓力

根據管片壁后注漿設計,施工過程中注漿壓力應通過實驗確定,管片計算注漿壓力取0.4 MPa。

（2）管片局部抗壓驗算

管片拼裝及盾構機掘進過程中,千斤頂的作用對管片結構內力有較大的影響,因此,設計中考慮千斤頂荷載對管片結構配筋的影響。 考慮到千斤頂數量、最大推力（按1600 kN 考慮）及作用位置,千斤頂撐靴板長度50 cm,作用在寬度為30 cm 的管片端面上。通過對管片 局部受壓環的局部承壓面積為 500×250 mm2。為安全起見,按照素混凝土構件局部受壓,按照《水工混凝土結構設計規范》（SL 191-2008） 中5.4.1-1、5.4.1-2 式計算。

式中：K為承載力安全系數,取1.25；F為局部受壓荷載,取1.2×1600=1920 kN；為荷載分布影響系數,取1；fc為混凝土抗壓強度設計值,為23.1 N/mm2；A1為混凝土局部受壓面積,A1=500×250=12500 mm2；Ab為混凝土局部受壓時的計算面積,按照規范 A1=300×（500 ×3）=45000 mm2；β1為混凝土局部受壓提高系數,β1=0.5×（45000/12500）=1.90。

經計算 KF1=2400 kN≤ωβ1fcA1=1×1.90×23.1×12500 =548 kN, 滿足局部抗壓要求。

3.3 盾構方案比較

根據引故入新隧洞布置,采用盾構法施工,可采用以下三種盾構施工方案,本次從施工難度、施工工期、工程投資等方面對三種方案 進行對比分析。

3.3.1 可選方案

方案一：隧洞段全部都采用盾構機施工,即：樁 號 2+521.7～21+168.3 段隧洞采用2 臺土壓平衡盾構機,分別從樁號2+521.7 和樁號21+168.3 處始發,進行相向掘進施工,洞內對接, 洞內拆機。見圖2。

圖2 方案一施工方案布置示意圖

方案二：樁號16+965～21+168.3 段采用鉆爆法施工,剩余樁號2+521.7～16+965 段采用2 臺土壓平衡盾構機分別從樁號2+521.7 和 樁號16+965 處始發,進行相向掘進施工,洞內對接,洞內拆機。該方案上游段隧洞自2+521.7 處水平運輸出渣,下游段隧洞里,采用長距離皮帶機+垂直皮帶機自16+965 處新建豎井出渣。該方案需要布置豎井2 個,其中：在16+965 處布置 1 處,作為下游盾構機的始發井、出渣井以及下游硬巖鉆爆段的施工豎井；另外,在19+080 處布置1處豎井作為硬巖鉆爆段的施工豎井。 見圖3

圖3 方案二施工方案布置示意圖

方案三：樁號2+521.7～4+566.7 段采用鉆爆法施工,樁號4+566.7～21+168.3 段采用2 臺土壓平衡盾構機施工分別在樁號4+566.7 和樁號21+168.3 處始發,進行相向掘進施工,洞內拆機。見圖4。

圖4 方案三施工方案布置示意圖

3.3.2 方案比選及確定

（1）難度

方案一：該方案全段18.7 km 隧洞均采用盾構設備施工,上下游樁號

2+521.7、樁號21+168.3 兩處始發場地較開闊,也都有布置條件,施工相對容易,難度不大。

方案二： 該方案為保證下游盾構設備始發進洞和鉆爆法施工進度,需布置 兩個豎井,其中：樁號16+965 處豎井,作為下游盾構機的始發井、出渣井以及下游硬巖鉆爆段的施工豎井,豎井長8 m,寬6 m,深120 m；樁號19+080 處豎井作為硬巖鉆爆段的施工豎井,直徑5 m,深110 m。兩處豎井埋深均在100 m 以上,而且16+965 處豎井作為盾構設備始發豎井,要求斷面較大,施工難度非常大,將成為制約該方案施工進度的一個主要因素。

另外,該方案下游盾構段隧洞需要采用長距離皮帶機和垂直皮帶機配合,自16+965 處的新建始發豎井出渣,如前所述,該處豎井深度120 m,進行垂直出渣難度大,效率將低,這也是制約該方案施工進度的一個主要因素。

方案三：根據現場地形條件,若在該處布置始發場地,需向下開挖8 m 布置始發豎井,開挖難度雖然不大,但是樁號4+566.7 處位于山谷沖溝內,雨季上游洪水將對始發井和上段隧洞造成威脅,雨季施工抽、排 水問題比較突出。

另外,樁號4+566.7 處始發場地距離交通主干道較遠,沿途經過鄉村小路,道路兩側為民房,居民較多,而且始發場地地勢較高,設備、材料進場需經過爬坡道路,因此,該處始發場地的設備、材料運輸較困難。

綜上所述,從施工難易程度上來講,方案一（全段隧洞長18.7 km采用2 臺土壓平衡盾構機進行相向掘進施工）的施工難度相對最小。

（2）施工工期

方案一：根據前期對盾構設備廠家調研咨詢結果,土壓平衡盾構設備制造周期在8 個月。該方案始發場地分別位于隧洞進出口,場地開闊,設備安裝調試空間充足,設備安裝調試時間2 個月。土壓平衡盾構機分別自隧洞進出口始發,采用水平出渣方式自隧洞進、出口出渣,盾構設備在樁號2+521.7～16+965 段的施工速度約為400 m/月,在樁號 16+965～21+168.3 段的施工速度約為340 m/月。據此,對方案一進行施工工期計劃安排,方案一總工期為40 個月。

方案二：土壓平衡盾構設備制造周期在8 個月。該方案分別在隧洞進口和樁號16+965 處豎井始發,由于豎井施工相對空間狹小,下游盾構設備在豎井內安裝調試時間較長,為3 個月。樁號16+965 處豎井深度120 m,豎井施工工期較長。另外下游盾構設備出渣需要從16+965 處豎井出渣,豎井出渣進度將成為制約 下游盾構設備施工速度的主要因素。目前,對于這種長距離、大傾角的渣土輸送,一般采用波狀擋邊帶式輸送機。經調查,該種輸送機輸送能力在100 t/h～140 t/h,按100 t/h計算,單循環渣土出渣需15 min?？紤]盾構掘進、管片安裝、維修等因素后,盾構設備掘進速度按280 m/月考慮。由于該段效率較低,為保證整體工程進度,統籌考慮,樁號12+450～16+965 段自豎井出渣,長度4.5 km。據此,對方案二進行施工工期計劃安排,方案二總工期為40 個月。

方案三：土壓平衡盾構設備制造周期在8 個月。該方盾構設備始發場地同樣較開闊,設備安裝調試及掘進出渣方式與方案一基本相同,因此設備安裝調試時間按2 個月考慮。與方案一相同,盾構設備在樁號4+566.7～16+965 段的施工速度約為400 m/月,在樁號16+965～21+168.3 段的施工速度約為340 m/月。據此方案三總工期為36 個月。

從三個方案施工進度可以看出,方案一、方案二總工期均為40 個月,方案三總工期36個月。就工期進度而言,三個方案工期進度相差較小,方案三工期最短,方案三工期比方案一、方案二工期短3 個月,方案三施工進度與方案一相比,優勢不是特別明顯。

（3）工程投資

工程概算主要材料價格水平年采用新安縣2017 年第四季度價格水平,工程概算依據豫水建[2017]1 號文發布《河南省水利水電工程設計概（估）算編制規定》編制。3 個方案工程部分投資見表2。

表2 工程部分估算投資對比表 單位：萬元

三個方案投資相差較小,估算投資最大的方案（方案三）比估算投資最小的方案（方案二）多 3160 萬元。

（4）盾構方案比較結論

從以上的方案對比發現,從施工難易程度上來說,方案一（全段隧洞長 18.7 km 采用 2 臺土壓平衡盾構機進行相向掘進施工）的施工難度相對最小；從施工工期上來說,方案三（前段 2.1 km 采用鉆爆法,其它段采用盾構）最快；從工程造價上來說,方案二提出的方案（末端硬巖段采用鉆爆法,其它段采用盾構）最少。

上述三個方案各有優點,但是施工進度和工程投資方面,三個方案均相差較小,優勢并不是特別明顯。因此,若采用盾構法施工方案,從施工難度和施工風險控制等方面考慮,推薦采用方案一（全段隧洞長 18.7 km 采用 2 臺土壓平衡盾構機進行相向掘進施工）。

4 結論

盾構施工法目前在很多隧道工程里都有成功的應用案例,并積累了豐富的施工經驗。盾構施工法在新安縣引故入新工程中的應用可知,應用的前提要依據工程的實際情況進行分析,并根據地形條件及盾構設備施工需要進行斷面設計以及參數的計算,具體的施工方法也要考慮其工期、投資、難度。通過本文的具體分析希望可以給同類型的工程提供一定的參考意見。