大口徑CWFP管道在排水深隧二襯結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用分析

張沖博，阮超，張延軍，李胡爽，楊懷 （中建三局綠色產(chǎn)業(yè)投資有限公司，湖北 武漢 430070）

1 引言

隨著城鎮(zhèn)化的推進(jìn)，人口日益向城市集中，建設(shè)密度日益加大，城市不斷擴(kuò)張，“大城市病”問題逐漸顯露，污水處理能力不足，未達(dá)標(biāo)污水排放，雨季城市嚴(yán)重內(nèi)澇，溢流污染等時(shí)有發(fā)生。城市中心區(qū)各類地下管網(wǎng)復(fù)雜，通過建設(shè)淺層地下排水管網(wǎng)，解決城市排水問題難度大、代價(jià)高。利用排水深隧技術(shù)在城市深層地下空間，建設(shè)大型排水隧道解決排水問題，成為國內(nèi)外各大城市的選擇[1]。如美國芝加哥深隧工程、英國倫敦深隧工程、法國巴黎深隧工程、新加坡深隧工程、香港深隧工程等[2]。考慮到排水深隧工程常常在城市人口密集地區(qū)，對施工環(huán)境控制要求很高，在小直徑的輸水隧道中多采用頂管法施工，而對于大曲率或大直徑隧道多使用盾構(gòu)法施工，在硬巖地區(qū)使用礦山法輔助施工[3]。由于排水隧道有較高的防水要求和抵抗內(nèi)外水壓荷載的需要，隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)常采用盾構(gòu)管片初襯與鋼筋混凝土二襯組成雙層襯砌結(jié)構(gòu)。實(shí)際工程中鋼筋混凝土二襯存在工序繁雜、交叉作業(yè)多、工序銜接困難、施工工效低、二襯成型質(zhì)量差、水力性能不佳、易受污水腐蝕等諸多問題。為了解決鋼筋混凝土二襯存在的問題，本文提出使用大口徑CWFP管代替鋼筋混凝土作為二襯結(jié)構(gòu)，對CWFP管道二襯的結(jié)構(gòu)形式和施工方法進(jìn)行了介紹，分析了CWFP管道二襯的優(yōu)勢。

2 國內(nèi)排水深隧發(fā)展現(xiàn)狀

排水深隧是用于城市深層地下空間建設(shè)調(diào)蓄、傳輸雨污水的隧道，按功能可以分為：污染控制型深隧、洪澇控制型深隧以及多種功能兼顧的多功能深隧。排水深隧技術(shù)在國外已有廣泛應(yīng)用，而國內(nèi)的排水深隧建設(shè)目前處于探索發(fā)展階段，北京、上海、廣州、深圳、成都、武漢等城市都對排水深隧建設(shè)進(jìn)行了規(guī)劃設(shè)計(jì)，各城市規(guī)劃建設(shè)的各類排水深隧里程已超過300km，見下表。其中部分工程已實(shí)施，如廣州市東濠涌深層排水隧道試驗(yàn)段和上海市蘇州河深隧工程土建試驗(yàn)段已建成投入使用，武漢市大東湖核心區(qū)污水傳輸系統(tǒng)工程2017年開工建設(shè)，深圳市前海—南山排水深隧系統(tǒng)工程建設(shè)工作于2019年正式啟動(dòng)。

3 排水深隧CWFP管道二襯

3.1 玻璃鋼夾砂管

玻璃鋼夾砂管是以玻璃纖維及其制品為增強(qiáng)材料，以不飽和聚酯樹脂等為基體材料，以石英砂及碳酸鈣等無機(jī)非金屬材料為填料，采用定長纏繞工藝、離心澆鑄工藝、連續(xù)纏繞工藝方法制成的管道[4]。其中連續(xù)纏繞工藝是在連續(xù)輸出的模具上，把樹脂、連續(xù)纖維、短切纖維和石英砂，按一定要求采用環(huán)向纏繞方法連續(xù)鋪層，并經(jīng)固化后切割成一定長度管材的一種生產(chǎn)方法。使用連續(xù)纏繞工藝生產(chǎn)的玻璃鋼夾砂管即為玻璃纖維增強(qiáng)塑料連續(xù)纏繞夾砂管道（Continuous advancing mandrel Winding Fiberglass mortar Pipes），簡稱CWFP管道[5]。該管道具有耐腐蝕性能強(qiáng)、質(zhì)量輕運(yùn)輸方便、管材強(qiáng)度高、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、管內(nèi)壁光滑糙率小、水力性能好過流能力強(qiáng)等特點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于供水、供熱、石油、化工、輕工、能源、交通、采礦、海洋開發(fā)、污水處理等領(lǐng)域[6]。

國內(nèi)排水深隧規(guī)劃建設(shè)概況

3.2 CWFP管道二襯結(jié)構(gòu)

排水深隧CWFP管道二襯結(jié)構(gòu)如圖1所示，隧道結(jié)構(gòu)為管片襯砌、填充層、彈性墊層和CWFP管道組成的四層復(fù)合分離式結(jié)構(gòu)。該二襯結(jié)構(gòu)以柔性EPDM彈性墊板作為彈性墊層材料，起到內(nèi)外荷載受力隔離作用，形成高剛度的管片襯砌抵抗外壓、高強(qiáng)度的CWFP管道抵抗內(nèi)壓的分離式襯砌結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮了各層結(jié)構(gòu)材料的優(yōu)勢。CWFP管道二襯中具體包括排水花管、阻水膜、輕質(zhì)泡沫土填充層、彈性墊層和CWFP管道5個(gè)組成部分。阻水膜將隧道外部的滲水與CWFP管完全隔開，透過盾構(gòu)襯砌管片滲入的水，通過排水花管收集、排出，避免對內(nèi)襯造成破壞；輕質(zhì)泡沫土填充盾構(gòu)管片與CWFP管間的空隙，以固定CWFP管道；CWFP管道為污水傳輸提供通道，承受內(nèi)水壓、抵抗雨污水的腐蝕。

圖1 CWFP管道二襯結(jié)構(gòu)

3.3 CWFP管道二襯施工

在隧道盾構(gòu)貫通后，檢查滲漏情況，在盾構(gòu)管片滲水處進(jìn)行注漿堵漏。堵漏工作完成后，拆除洞內(nèi)施工設(shè)施，將隧洞清理干凈，為二襯施工提供良好基礎(chǔ)。CWFP管道二襯施工步驟如圖2所示，第一步施工準(zhǔn)備，清理隧道將底部盾構(gòu)管片的連接孔填平，為后續(xù)管道運(yùn)輸安裝機(jī)具提供底部通行條件；第二步排水管安裝，在隧道內(nèi)四周安裝用于收集外部滲水的排水花管；第三步阻水膜粘貼，沿盾構(gòu)管片初襯內(nèi)壁粘貼阻水膜；第四步管道運(yùn)輸，通過專用機(jī)具將CWFP管道及配套部件運(yùn)輸至洞內(nèi)預(yù)定位置；第五步對接安裝，通過專用的對接機(jī)具完成管道對接安裝；第六步空隙填充，使用高流動(dòng)性的泡沫土將管片襯砌與CWFP管道間的空隙填充密實(shí)。在每個(gè)隧道施工區(qū)間，CWFP管道的安裝從中間向兩端進(jìn)行，即每個(gè)區(qū)間設(shè)兩個(gè)工作面同步施工。

圖2 CWFP管道二襯施工步驟

4 排水深隧CWFP管道二襯結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢

4.1 管材性能好

相比于鋼筋混凝土材料，CWFP管材具有如下優(yōu)勢。

①耐腐蝕。CWFP管道的制作原料為玻璃纖維、以不飽和聚酯樹脂、石英砂等無機(jī)非金屬材料，具有良好的耐腐蝕性。而鋼筋混凝土二襯的主要原材料為混凝土和鋼筋，排水隧道內(nèi)傳輸?shù)挠晡鬯哂休^強(qiáng)的腐蝕性，腐蝕環(huán)境下鋼筋容易在混凝土保護(hù)層厚度不足時(shí)被侵蝕，進(jìn)而產(chǎn)生銹脹使鋼筋混凝土二襯結(jié)構(gòu)開裂，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)滲漏，甚至失效。

②水力特性優(yōu)良。CWFP管道在工廠內(nèi)生產(chǎn)，原料下料采用計(jì)算機(jī)程序控制，下料計(jì)量精準(zhǔn)，生產(chǎn)自動(dòng)化程度高，管材成型質(zhì)量好，內(nèi)壁光滑。CWFP的糙率系數(shù)約為0.0084，而混凝土管道的糙率系數(shù)約為0.012[7]。所以相比于鋼筋混凝土二襯，在同一幾何斷面下，CWFP管道的過流能力更強(qiáng)；同一過流流量下，CWFP管道管徑更小。

③管材強(qiáng)度高。玻璃鋼夾砂管道的環(huán)向拉伸強(qiáng)度可達(dá)320MPa，軸向拉伸強(qiáng)度可達(dá)230MPa，同時(shí)可根據(jù)工程的具體需求，進(jìn)行管材參數(shù)設(shè)計(jì)，滿足各類工程的要求[6]。

4.2 施工便利

在長距離盾構(gòu)隧道內(nèi)進(jìn)行鋼筋混凝土二襯施工，工序繁雜、交叉作業(yè)多、工序銜接困難、工效低。相比之下，CWFP管道二襯，管道在工廠內(nèi)完成標(biāo)準(zhǔn)化定制生產(chǎn)，現(xiàn)場施工僅需完成阻排水設(shè)施的安裝、管道拼裝和空隙填充等工作，輔以經(jīng)過優(yōu)化的定制機(jī)具可以使CWFP管道二襯施工更加便利高效。

4.3 施工質(zhì)量易保證

排水隧道的鋼筋混凝土二襯施工，一般施工步驟為：隧洞清理、注漿堵漏、止水帶安裝、鋼筋運(yùn)輸及綁扎、模板定位加固、混凝土澆筑、拆模、二襯修補(bǔ)、涂刷防水防腐涂層等。在實(shí)際施工中存在止水結(jié)構(gòu)變形、模板定位精度差、混凝土澆筑困難等問題，容易出現(xiàn)混凝土錯(cuò)臺、保護(hù)層厚度不足、蜂窩麻面、頂部空洞、施工縫變形及縫處滲漏等質(zhì)量缺陷。排水深隧作為城市重要的基礎(chǔ)設(shè)施，設(shè)計(jì)使用年限通常為100年，帶有質(zhì)量缺陷的鋼筋混凝土二襯在長達(dá)百年的使用期內(nèi)存在極大的滲漏風(fēng)險(xiǎn)。相比之下，CWFP管道二襯，工序少，施工簡單，質(zhì)量易保證。CWFP管材耐腐蝕性能強(qiáng)，國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定其使用年限為50年，國外的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中，提到玻璃鋼管材使用年限可達(dá)100年乃至 150年[8、9]，可以滿足排水深隧百年使用壽命的要求。此外，CWFP管節(jié)間采用套筒連接，如圖3所示，此種連接方式密封性好，且允許在一定范圍內(nèi)產(chǎn)生轉(zhuǎn)角，以適應(yīng)不均勻沉降。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 21238-2016及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JC/T 2538-2019的規(guī)定，CWFP管道標(biāo)準(zhǔn)長度最長可達(dá)18m，并可以根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)定制更長的管節(jié)，減少管節(jié)間的接頭數(shù)量，進(jìn)一步降低滲漏風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 CWFP管道連接套筒

5 小結(jié)

CWFP管道具有耐腐蝕性能強(qiáng)、重量輕、運(yùn)輸方便、管材強(qiáng)度高、管壁光滑糙率小、水力性能好、過流能力強(qiáng)、可根據(jù)需要參數(shù)化設(shè)計(jì)等特點(diǎn)，非常適合應(yīng)用于排水深隧二襯結(jié)構(gòu)。相比于當(dāng)下常用的鋼筋混凝土二襯，CWFP管道二襯結(jié)構(gòu)更加合理、施工難度明顯降低、施工工效顯著提升、質(zhì)量更易保證。但限于CWFP管的管徑限制（200mm～4000mm）及施工機(jī)具的尺寸，當(dāng)排水深隧的直徑過小或過大都不適宜采用CWFP管道二襯，洞徑在2400mm～4000mm的排水深隧二襯采用CWFP管道較為適宜。