榕江關(guān)埠引水工程盾構(gòu)引水隧洞的設(shè)計

方騰衛(wèi)

(廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院，廣東 廣州 510635)

1 工程概況

榕江關(guān)埠引水工程是韓江、榕江、練江三江水系連通工程的子工程之一，主要任務(wù)是針對練江、榕江水生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀，在優(yōu)先實施控源截污工程和保護(hù)好榕江水資源水環(huán)境安全的前提下，實現(xiàn)榕江—練江水系連通，改善練江流域水環(huán)境污染及水生態(tài)破壞等問題，為修復(fù)和改善潮汕平原水生態(tài)環(huán)境提供有力支撐。工程等別為Ⅱ等，工程規(guī)模為大(2)型，設(shè)計引水流量為20 m3/s，多年平均取水量為4.19億m3，取水水源為榕江，工程輸水線路總長為34.97 km，其中盾構(gòu)引水隧洞長約為3.82 km。

本工程取水口位于金灶鎮(zhèn)新榮村，引水線路沿線穿過新榮村、灶市村、東倉村、波頭村后自流進(jìn)入南面山腳的加壓泵站前池，線路基本沿現(xiàn)有道路(波灶路)及渠道底部布置。由于波灶路為當(dāng)?shù)厥〉繱342和京浦碼頭的主要通道，采用明挖埋管布置對當(dāng)?shù)鼐用裆a(chǎn)生活影響巨大，同時道路兩側(cè)房屋等建筑物分布較為密集，明挖臨時支護(hù)及保護(hù)措施費用較高，征地也較為困難；同時考慮地質(zhì)因素，明挖法需進(jìn)行大面積、長距離的基礎(chǔ)處理，因此采用明挖埋管形式不太適宜。為減少征地及對周邊建筑物影響，本工程引水管線采用盾構(gòu)隧洞形式。

盾構(gòu)引水線路基本沿現(xiàn)有道路及渠道深埋布置，該方案可最大限度減少對地面建筑物的影響、有效減少對土地占用，且為地方長遠(yuǎn)的規(guī)劃發(fā)展留出了寶貴的地面空間。

2 隧洞設(shè)計方案

為滿足盾構(gòu)設(shè)備施工要求，線路平面轉(zhuǎn)彎半徑為300 m，線路總長度3.82 km。線路平面布置示意見圖1。

圖1 盾構(gòu)引水隧洞線路平面布置示意

根據(jù)勘探揭露資料，盾構(gòu)引水隧洞埋深范圍內(nèi)主要為人工填土層、淤泥、淤泥質(zhì)土及粘土，從上往下主要分布地層為：

①層：人工填土層，主要為粉質(zhì)粘土、砂質(zhì)粘性土，松散—稍密，分布于沿線地表，層厚為0.2～3.5 m；

②層：灰黑色淤泥，局部為淤泥質(zhì)土，粘性好，流塑狀為主，局部軟塑，沿線普遍分布，是盾構(gòu)隧洞段主要分布地層，厚度從江邊至泵站呈遞減趨勢，層厚平均值為11.67 m；

③層：青灰—灰黃色粘土，粘性好，可塑，沿線普遍分布，是隧洞段主要分布地層，層厚為2.4～29.2 m，層厚平均值為14.32 m，大部分線路層厚基本穩(wěn)定，僅局部較薄或較厚。

根據(jù)土工試驗成果，②層淤泥滲透系數(shù)平均值為2.38×10-7cm/s；③層粘土滲透系數(shù)平均值為5.82×10-7cm/s。②層淤泥標(biāo)貫多數(shù)為1～2擊，最大擊數(shù)4擊，最小擊數(shù)1擊，平均值為1.8擊，流塑。③層粘土標(biāo)貫多數(shù)為8～14擊，最大擊數(shù)16擊，最小擊數(shù)5擊，平均值為10.1擊，可塑。

考慮到隧洞沿線地層上部存在較厚的流塑狀淤泥層，厚度為8.0～18 m，其承載力較低，僅為30～40 kPa，因此擬將盾構(gòu)隧洞基礎(chǔ)布置在粘土層，粘土層承載力相對較高，為140～160 kPa。引水盾構(gòu)隧洞從取水口末端輸水豎井引出，起點管中心高程為-21.0 m，后端與加壓泵站前池進(jìn)水閘漸變段相連，管中心高程為-7.40 m。盾構(gòu)引水隧洞線路縱斷面(局部)見圖2所示。

圖2 盾構(gòu)引水隧洞線路縱斷面示意(局部)

本工程隧洞頂埋深為9.70 m～22.80 m，其中途徑村莊處埋深均在10 m以上。

盾構(gòu)隧洞為單層襯砌結(jié)構(gòu)，不再進(jìn)行二次襯砌，盾構(gòu)管片內(nèi)徑為4.2 m，管片厚度0.4 m，管片外側(cè)采用壁后注漿，注漿厚度為1 504 m。管片混凝土強度等級為C55，抗?jié)B等級為W12，鋼筋采用HPB300、HRB400鋼筋；管片襯砌環(huán)采用雙面楔形通用環(huán)，楔形量為24 mm，環(huán)寬平均為1.2 m，一環(huán)共為6塊，分別由1個封頂塊(F)、2個鄰接塊(L1、L2)和3個標(biāo)準(zhǔn)塊(B1、B2、B3)組成。襯砌環(huán)的接縫連接包括12套環(huán)縫連接螺栓(M30)和16套縱縫連接螺栓(M30)，連接處設(shè)有密封止水，管片表面采用防腐處理。隧洞橫斷面見圖3所示。

圖3 盾構(gòu)段標(biāo)準(zhǔn)斷面示意

管片采用雙面楔形通用環(huán)，線路平面轉(zhuǎn)彎半徑為300 m。考慮到線路兩側(cè)房屋分布較密集，為了給現(xiàn)場方案調(diào)整及盾構(gòu)機臨時轉(zhuǎn)彎留出足夠的裕度，管片楔形量按線路轉(zhuǎn)彎半徑250 m考慮。楔形量計算成果見表1。

表1 楔形量計算成果

管片內(nèi)力計算采用兩種方法進(jìn)行計算：

① 利用ABAQUS軟件進(jìn)行有限元建模計算；

② 利用盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)計算與配筋軟件V1.0計算(中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司和上海同巖土木工程科技有限公司聯(lián)合研制)。

經(jīng)計算，盾構(gòu)配筋結(jié)果見表2，管片實際含鋼量為232 kg/m3。

表2 盾構(gòu)管片配筋成果

為保障盾構(gòu)的安全性、適應(yīng)性，本次設(shè)計選用泥水平衡盾構(gòu)施工。本工程引水隧洞的盾構(gòu)機(三江連通號)于2020年5月8日始發(fā)，現(xiàn)已掘進(jìn)1.6 km，最大日進(jìn)尺為18環(huán)(21.6 m)，7月、8月的月進(jìn)尺分別為371環(huán)(456 m)、439環(huán)(526.8 m)。同時在盾構(gòu)掘進(jìn)之前，對沿線房屋、橋梁等建筑物采取合理有效的加固措施。通過上述措施的保障，引水線路施工及運行對金灶鎮(zhèn)沿線村莊現(xiàn)有建筑物基本沒有影響。隧洞施工影像資料見圖4所示。

圖4 盾構(gòu)引水隧洞影像示意

3 結(jié)語

在前期設(shè)計過程中，筆者通過借鑒類似工程案例、比對相關(guān)計算成果，完成了該盾構(gòu)引水隧洞的初步設(shè)計方案。榕江關(guān)埠引水工程開工后，考慮到盾構(gòu)隧洞直徑小、轉(zhuǎn)彎急且地面民房眾多，在參建各方現(xiàn)場會議多次討論后，最終采取了如下優(yōu)化措施：

1)管片環(huán)寬由原初步設(shè)計的1.5 m調(diào)整為1.2 m，減少管片轉(zhuǎn)彎擬合誤差；

2)線路轉(zhuǎn)彎半徑由原初步設(shè)計的250 m調(diào)整為300 m，方便設(shè)備轉(zhuǎn)彎；

3)局部優(yōu)化線路，避免了正下穿房屋；

4)將原本順著渠道及河岸之間布置的線路全部擺正至渠道中間，方便控制土倉壓力，減少地面沉降。

本文旨在介紹榕江關(guān)埠引水工程盾構(gòu)引水隧洞的工法選擇、方案設(shè)計及優(yōu)化措施，下一步隨著隧洞的貫通及工程的通水運行，筆者將繼續(xù)學(xué)習(xí)及總結(jié)相關(guān)經(jīng)驗，供類似工程參考。