青草沙水源地原水工程長興島域輸水隧道工程

程斌

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市　200092）

青草沙水源地原水工程長興島域輸水隧道工程

程斌

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市200092）

青草沙水源地原水工程長興島域輸水隧道是國內首條單襯砌受高內水壓的盾構法隧道，其穿越了黏土、粉性土及砂土等地層，受規劃現狀影響，隧道穿越大堤、河流、立交、地道、滬崇蘇大通道等控制性構筑物。隧道采用盾構法施工，多方論證后采用單層襯砌的混凝土管片，在工期、經濟上均達到最大的優化。

輸水隧道；盾構；單層襯砌；青草沙

1　概述

2　工程地質

建場區位于長江入海口的長興島，地貌類型屬上海四大地貌單元中的“河口、砂嘴、砂島”地貌。擬建場地沿線潘園公路以南區域以農田、民居為主，潘園公路以北區域分布大面積桔園；沿線地形總體起伏較為平緩，地面標高2.46～3.21 m之間。

在勘察揭露的60.45 m深度范圍內均為第四紀松散沉積物，屬第四系河口、濱海、淺海、沼澤相沉積層，主要由飽和黏性土、粉性土以及砂土組成，一般具有成層分布特點。管線工程沿線土層主要分布特點有：（1）整個工程沿線位于古河道分布區域；（2）淺部均有第②3層粉性土（砂土）分布；（3）中部第⑤層厚度較大，土性變化大；（4）深部第⑦層層位分布不穩定，且其層頂埋深較深。

3　線路特點

3.1線路控制要點及線路標準

島域輸水管線受控制的已建、在建和規劃的重大設施主要有：水庫大堤、滬崇蘇大通道、服務區、潘園公路立交、鳳豐東路下立交、軌道交通9號線及車站、滬崇蘇隧道及工作井，以及沿線現有和規劃河道等［2］（見圖1）。

圖1　控制性構筑物示意圖

該工程輸水管線的重要特點是重力式輸水，考慮到水流平順，減少水頭損失，因此管線設置要盡量少設彎道，且轉彎半徑要盡量做大。

最后，該工程管線線路按以下標準進行設計，取得了工程建設難度與輸水效果間良好的平衡。

（1）最小平曲線半徑450 m；

（2）兩輸水管線軸線最小間距控制為15.0 m，輸水管線與已建、擬建構筑物的有樁基礎的最小水平凈距控制為2.0 m，最小豎向凈距控制為1.5 m；

（3）最小縱坡0.1%；

（4）盾構隧道最小覆土厚度控制為8.0 m。

3.2線路方案的重點

在輸水隧道線路優化調整過程中，其重點是穿越鳳豐東路地道、穿越潘園公路立交和穿越滬崇通道。

（1）穿越鳳豐東路地道

鳳豐東路地道為新近建成的鳳豐東路穿越上海崇明越江通道的下立交工程。該工程敞開段采用塢式結構、暗埋段采用單箱雙孔的結構型式，敞開段抗浮設計采用加大底板厚度的自重抗浮方法，地道總長380 m，其中暗埋段長100 m。

圖2　鳳豐東路地道格構柱平面分布位置圖

通過輸水管線縱坡的優化調整，既滿足輸水管線從格構柱樁基礎下穿越的覆土厚度要求，確保鳳豐東路地道的安全穩定，且不引起輸水管線平面的過度彎曲。最終控制輸水隧道與樁基底凈距大于2 m，輸水管線縱坡＞1‰。

（2）穿越潘園公路立交

潘園公路立交為上海崇明越江通道—長興島接線工程，潘園公路立交為喇叭形互通式立體交叉形式，其中匝道A為上跨崇明越江通道的高架形式，跨徑20 m左右。每個墩柱基礎，采用8根樁長40 m左右，2～3節的PHC樁，如圖3所示。

圖3　輸水管線與潘園公路立交橋相關位置圖

通過在潘園公路立交高架匝道A的3號墩附近增加平曲線（曲線半徑≥1 000 m）的方法，將東、西管線分別從匝道A的3、4號墩和2、3號墩之間接近等分處穿越。盾構從匝道A的3號墩柱樁基兩側穿越的間距加大，與兩側承臺的最小凈距由2.34 m、2.27 m分別加大至5.37 m、5.50 m，施工難度大大降低；同時，在立交設計中，也對相鄰的3個立柱墩下的樁基進行加強，以減少兩個工程的相互影響。

（3）線路穿越滬崇通道

由于規劃要求，輸水管線要與滬崇滬隧道有一次穿越，穿越方案多種，主要分兩類：方案一是在長江隧道的盾構段穿越，從規劃角度，這個方案是最做優的；方案二是避開長江隧道盾構段，在暗埋段或路堤段下穿越。

原初設方案由于種種原因，采用了方案一，即采用曲線為R=1 000 m和R=2 000 m較大半徑的平曲線，從上海長江隧道盾構段下穿越（見圖4），兩隧道之間的最小凈距為3.6 m。

圖4　原穿越崇明通道方案平面圖

在初設后，由于工程籌劃的變化，原輸水隧道先期推進，長江隧道超大直徑盾構后期推進不能實現。變化后籌劃是輸水隧道下穿已經施工完成的長江隧道盾構段，穿越的風險、穿越的工期、穿越段處理的費用均難以接受。通過與規劃等相關部門協調后，島域管線隧道線路采用方案二的穿越方式，避開滬崇蘇通道越江隧道盾構段，從滬崇蘇通道長興島工作井東側穿越，再從滬崇蘇通道敞開段與鳳豐東路下立交之間穿越滬崇蘇通道的地面道路段，接回原輸水隧道西側線路。

優化調整后的方案在鳳豐東路下立交前穿越滬崇蘇通道（見圖5），充分利用了原方案中鳳豐東路下立交、潘園公路立交、滬崇蘇通道長興島服務區等預留措施，還保持了中間工作井的原位置。該方案對規劃的影響最小，將穿越長江隧道盾構段的巨大風險化為烏有。

圖5　優化后穿越崇明通道方案平面圖

3.3線路最終縱斷面

水庫輸水閘井-輸水隧道起始點隧道中心標高為-9.0 m，原水過江管工作井-輸水隧道終點隧道中心標高為-29.665 m。雙管輸水隧道自起點起采用1.0‰的較小下坡至中間盾構工作井，隨后雙管輸水隧道均采用8.9‰的較大下坡穿越規劃軌道交通19號線。輸水隧道與鳳豐東路地道工程格構柱樁基礎間最小凈距2.02 m，與規劃軌道交通19號線結構間最小凈距12.59 m。最后雙管再采用1.0‰的較小下坡到達輸水隧道終點-原水過江管工作井（見圖6）。

圖6　島域輸水隧道線路縱斷面圖

4　單層襯砌管片結構

輸水管線原采用常用的雙層襯砌結構。根據沿線道路敷管條件和穿越障礙物的規劃和現狀情況，綜合考慮技術、經濟、施工及環境等因素和條件，結合咨詢有實際工程經驗的日本太平洋公司，通過對目前國內外4種輸水隧道，即單層襯砌、疊合式雙層襯砌、復合式雙層襯砌、雙層襯砌進行比選，確定單層襯砌隧道在受力、耐久性、水密性方面均可滿足設計要求。

4.1單層襯砌管片結構受力特點與分析

（1）單層襯砌管片結構受力特點

因受內水壓的影響，與無內壓隧道的結構受力計算不同，外部土壓力取大值未必安全，在計算中必須考慮土拱效應的作用（軟土地區的無內壓隧道一般不考慮此偏安全的土拱作用）。該工程②3層土較厚，土質好，必須考慮土拱效應產生的不利影響，則隧道很難避免此工況下的受拉狀態，也即隧道覆土加深并不會使隧道避免結構偏拉狀態。除非隧道埋深至很深，避開②3層（層底標高-12～-13 m）的土拱效應，并進入④、⑤層一定深度才可能達到，但這在該工程中幾乎無法實現，因此必須按土拱作用進行相應的計算分析。

（2）單層襯砌管片結構受力工況及模型

施工階段和運營階段的受力狀況不同，將襯砌的受力過程分為兩階段：一是襯砌施工階段，管片自重、施工荷載及全部外部水土壓力由外層襯砌單獨承擔；二是運營階段，襯砌在輸水時還同時承受內水壓力［3］。

其主要考慮工況見表1。

表1中工況1、工況2為施工或檢修階段要考慮的主要工況中的主要荷載，工況3、工況4是一般運營階段時要考慮的主要工況中的主要荷載。在有內水壓力隧道的設計中，控制工況一般為工況3、工況4。

表1　主要荷載工況表

對于有內壓隧道，根據日本《內水壓作用下隧道襯砌構造設計手冊》要求，在隧道施工階段（自重和外部荷載作用時），內力計算可以采用彈性勻質圓環法（慣用法、修正慣用法）和彈性地基剛架模型法計算。但在內水壓力作用時（自重、外部水土荷載和內水壓力同時作用），就應該用彈性地基剛架模型法進行計算，以反映地層與隧道的共同作用。在有參數的情況下，可以采用梁·彈簧系統模型［4］進行復核。

上述的計算方法、荷載分布、地基反力見表2、表3。

（3）單層襯砌管片結構受力分析結果

表2　彈性勻質圓環法（修正慣用法）計算模型

表3　彈性地基剛架計算模型

通過計算分析后，承載力驗算及裂縫控制驗算均滿足規范要求。其襯砌結果最大變形量為8.1 mm，滿足變形小于4‰D=26 mm的要求。

輸水隧道由于受內水壓作用，管片上軸力很小，彎矩很大。管片處于大偏壓甚至偏拉的受力工況，因此單層襯砌的管片必須通過高剛度的螺栓進行連接［5］。通過計算分析和論證，采用6根39螺栓分兩排均勻布置，可以確保接縫防水及接縫的傳力效果，再加上適當設計螺栓預緊力（受拉處），使得管片接縫可在設計拉力下接縫張開量很少甚至不出現，并通過內外兩道防水措施，有效地抵抗水壓力，確保接縫的防水效果及結構的安全。

4.2單層襯砌結構方案

優化比選后的隧道襯砌結構方案采用單層襯砌結構，通用楔形襯砌環，錯縫拼裝。襯砌環構造尺寸：外徑6.4 m，內徑5.5 m，壁厚0.45 m，環寬1.5 m。襯砌結構每環分為一塊封頂塊（F）、兩塊鄰接塊（L1、L2）、三塊標準塊（B1、B2、B3），共6小塊。環縫設置凹凸榫，以16根縱向斜螺栓相連。縱縫為平縫，為方便施工對位，設置30導向桿；考慮受力效果，塊與塊間以三個鑄鐵連接件采用6根環向直螺栓相連，一共36根/環。（見圖7）。

圖7　島域輸水隧道管片成環現場

5　單層襯砌管片接縫防水措施

該隧道拱底最深處為地面以下37.3 m，最大內水壓為41.22 m水頭，管片外徑為6.4 m，管片厚度為450 mm。借鑒上國外相似工程的經驗并結合上海飽和軟土層中單層襯砌隧道的特點，采用了兩道復合彈性橡膠密封墊配以一道擋水條（見圖8）。

圖8　環、縱縫接縫防水構造圖

根據試驗分析，該工程的彈性橡膠密封墊在接縫張開8 mm、錯縫10 mm情況下，其頂部的接觸應力值大于0.85 MPa。彈性橡膠密封墊的防水性能是可靠的。

該工程沿管片外側的環、縱縫空隙處設置擋條。通過該措施可以提高彈性橡膠密封墊的耐久性；防止回填注漿液、滲漏水漏至拼裝面，影響彈性橡膠密封墊的止水效果；加強在管片拼裝錯位等不利情況下，彈性橡膠密封墊的止水效果；減少盾尾密封油脂的浪費。

6　工程籌劃

本工程要求在世博前供水，通過對設備、工作井進出、管片供應、相鄰工程的相互影響等方面進行工程籌劃，最后采用第一臺盾構自原水過江管工作井始發推進（東線）至中間盾構工作井進洞后盾構主機平移至西線隧道，推進中間工作井—水庫出水輸水閘井段隧道。第二臺盾構自中間盾構工作井始發推進（東線）至水庫出水輸水閘井進洞后盾構轉場回中間盾構工作井，繼續進行中間工作井—原水過江管工作井西線隧道推進施工（見圖9）。

圖9　隧道推進籌劃圖

7　結　論

（1）長興島域輸水隧道線路成功地避開和穿越多個障礙物，特別是穿越崇明通道的方案，在規劃、工程實施難度等方面找到了最佳的平衡點，避免了輸水隧道穿越長江隧道盾構段而引起施工及運營階段的巨大風險。

（2）長興島域輸水隧道在國內首次采用了受高內水壓的單層襯砌盾構隧道。管片環向接頭采用滿足承受高內水壓的鑄鐵連接件連接，滿足了高內水壓的要求。

（3）長興島域輸水隧道單層襯砌管片縱向采用可以高速施工的斜螺栓連接，并減少手孔數量及體積。

（4）長興島域輸水隧道采用雙道彈性密封墊止水，滿足輸水隧道同時承受內、外水壓力的要求。

（5）與雙層襯砌相比，單層襯砌無須施工內襯，沒有了內襯施工時立模、鋼筋施工、混凝土澆筑等困難，保證了工程質量，減少了施工工期。工期為30個月，比雙層襯砌施工節約了6個月，并通過優化籌劃及施工組織方案，滿足東線隧道首先通水的要求。

（6）單層襯砌在受內水壓力時可與外水壓力抵消，工程造價低。采用單層襯砌隧道的造價為8.6萬元/雙延米，比疊合式雙層襯砌的造價要經濟19.8%。

［1］上海市政工程設計研究總院.青草沙水源地原水工程長興島域輸水管線工程可行性研究報告［R］.上海：上海市政工程設計研究總院.2007.

［2］上海市政工程設計研究總院.青草沙水源地原水工程長興島域輸水管線工程初步設計［Z］.上海：上海市政工程設計研究總院，2007.

［3］劉建航，侯學淵.盾構法隧道［M］.北京:中國鐵道出版社，1991.

［4］朱合華，陶履彬.盾構隧道襯砌結構受力分析的梁·彈簧系統模型［J］.巖土力學，1998.，19（2）:26-32.

［5］江中孚，傅德明.日本盾構隧道新技術資料匯編［G］.上海：上海隧道工程股份有限公司技術中心，2006.

U459.6

B

1009-7716（2016）07-0334-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.07.099

2016-03-16

程斌（1973-），男，安徽歙縣人，博士，高級工程師，主要從事地下工程與隧道、軌道交通設計研究工作。