盾構輸水隧洞襯砌結構形式分析

摘 要：襯砌結構形式一直是盾構輸水隧洞設計、施工中需要重點研究的問題。對國內已建盾構輸水隧洞所采用的襯砌結構進行了分類總結，并以西霞院水利樞紐輸水及灌區工程穿沁隧洞為例，對幾種不同的襯砌結構從工程安全、施工工期和工程造價等方面進行全面技術經濟比較。通過結構形式選擇和受力分析，西霞院水利樞紐輸水及灌區工程穿沁隧洞采用外襯管片與內襯鋼筋混凝土結構聯合受力的疊合襯砌結構技術上是合理可行的，結構是安全可靠的。這種襯砌結構與以往的內、外襯分離單獨受力的雙層襯砌結構相比，具有施工難度小、施工效率高、施工質量容易保證、工程造價低等優點，對于承擔一定內水壓力的盾構輸水隧洞可推廣使用。

關鍵詞：盾構輸水隧洞；疊合襯砌結構；聯合受力

中圖分類號：ＴＶ６７２＋ ．１ 文獻標志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２３．０４．０２２

引用格式：趙廷華，申魯，買巨喆，等．盾構輸水隧洞襯砌結構形式分析［Ｊ］．人民黃河，２０２３，４５（４）：１２６－１２９，１５５．

自１８２５ 年英國泰晤士河下第一條盾構隧道開始建設至今，利用盾構法修建地下隧道已有約２００ ａ 歷史。２０ 世紀７０ 年代以后，盾構法施工技術開始日臻完善，日本及德國針對城市建設區域的松散含水地層中盾構施工引起的地表沉陷等問題，研究了高精度鋼筋混凝土襯砌管片與防水技術，研制了相應配套工藝設備。技術的進步使盾構法成為在各種軟弱地層中修建地下隧道最好的施工方法。我國自２０ 世紀５０ 年代開始引入盾構法修建地下隧道，目前盾構隧道在鐵路、公路、市政軌道交通等領域有了長足的發展，盾構隧道建設里程長，應用范圍廣，相應的研究成果也較多。水利工程領域采用盾構法修建隧道起步較晚，連續運行多年的工程實例不多，隧洞襯砌結構方面的研究成果也相對較少。常規的交通隧道采用多塊預制管片（混凝土或鋼管片）拼裝而成的圓環作為襯砌結構來抵御外部土、水壓力作用，保持隧道的穩定，一般不設置內襯結構。水利工程中盾構隧洞則有其特點，由于輸水隧洞內部輸送的水流存在一定的壓力，在內水壓力作用下由多塊預制管片拼裝而成的圓環襯砌接縫會張開，因此隧洞存在滲漏水問題，當隧洞內水壓力較大時，甚至可能出現管片連接接頭的破壞。輸水隧洞因需要承受內水壓力而帶來諸多技術問題，使得襯砌結構形式一直是盾構輸水隧洞設計、施工中需要重點研究的問題。

１ 國內已建盾構輸水隧洞襯砌結構形式

目前，國內已建的盾構輸水隧洞襯砌結構主要包括單層襯砌結構、雙層襯砌結構兩大類。

１．１ 單層襯砌結構

第一類為單層襯砌結構，即把盾構管片作為承受內、外荷載的唯一受力結構。其代表為上海青草沙原水工程過江隧洞，該輸水隧洞外徑６．８０ ｍ、內徑５．８４ ｍ，管片厚０．４８ ｍ，襯砌環由６ 片鋼筋混凝土管片組成，環寬１．５ ｍ，管片混凝土強度等級為Ｃ５５，襯砌環與環間用１６ 根Ｍ３０ 縱向斜螺栓連接（性能等級６．８ 級），管片與管片間用４ 根Ｍ３６ 環向斜螺栓連接（性能等級８．８級）［１］ 。

１．２ 雙層襯砌結構

第二類為雙層襯砌結構，即把管片作為初期支護結構，內部采用現澆混凝土襯砌或穿套其他管材作為內襯結構共同形成盾構輸水隧洞的襯砌結構。內襯按照結構的不同可細分為以下３ 種。

（１）預應力混凝土內襯。以現澆預應力混凝土結構為內襯并承擔全部內水壓力，其代表為南水北調中線穿黃隧洞工程。穿黃隧洞外徑８．７ ｍ、內徑７．０ ｍ，隧洞最大埋深３５ ｍ，最小埋深２３ ｍ，最大內水壓力０．５ ＭＰａ。隧洞襯砌結構總厚度０．８５ ｍ，外層為０．４０ ｍ 厚Ｃ５０ 預制混凝土管片，內層為０．４５ ｍ 厚現澆Ｃ４０ 預應力混凝土結構。內、外層襯砌之間設置彈性防、排水墊層［２］ 。

（２）鋼筋混凝土內襯。以現澆鋼筋混凝土結構為內襯并承擔全部內水壓力，其代表為北京市南水北調配套團城湖至第九水廠輸水工程。南水北調配套輸水工程隧洞外徑６．０ ｍ、內徑４．６ ｍ，襯砌結構總厚度０．７ ｍ，外層為０．３ ｍ 厚Ｃ５０ 預制混凝土管片，內層為０．４ ｍ 厚現澆Ｃ３０ 混凝土結構。內、外層襯砌之間設置彈性防、排水墊層［３］ 。

（３）鋼管內襯。以內穿鋼管為內襯并承擔全部內水壓力，其代表為廣州市西江引水工程。西江引水工程隧洞外徑６．０ ｍ、內徑４．８ ｍ，隧洞設計內水壓力０．９ＭＰａ，外層為０．３ ｍ 厚Ｃ５０ 預制混凝土管片，內層為２０ ｍｍ厚Ｑ２３５Ｃ 鋼襯，內、外層襯砌之間回填０．３ ｍ 厚Ｃ２０ _______自密實混凝土［４］ 。綜上所述，國內已建的盾構輸水隧洞除上海青草沙原水工程過江隧洞外，都采用內、外襯分離的雙層襯砌結構，即外層管片承擔外部土、水壓力，內襯結構承擔內水壓力，在內、外襯之間設置彈性墊層使之分離。

２ 穿沁隧洞襯砌結構形式選擇

穿沁隧洞為西霞院水利樞紐輸水及灌區工程總干渠穿越沁河的交叉建筑物，隧洞位于沁河河床以下富水的細砂層中，根據隧洞的長度、埋深及工程地質條件，最終選定隧洞采用泥水平衡盾構法施工，以下以穿沁隧洞為例詳細分析盾構輸水隧洞襯砌結構形式選擇方法。

２．１ 工程概況

穿沁隧洞工程起點位于河南省焦作市武陟縣北郭鄉方陵村北（設計樁號ＸＺ９３＋２５４．３），終點位于嘉應觀鄉南賈村南（設計樁號ＸＺ９６＋１０４．３），總長度２ ８５０ ｍ。隧洞進口渠底高程９２．８１ ｍ、設計水位９６．０６ ｍ，出口渠底高程８８．５６ ｍ、設計水位９２．０６ ｍ，總水頭差４ ｍ，設計流量５１．７ ｍ３ ／ ｓ。穿沁隧洞為有壓輸水隧洞，過水斷面為圓形，根據水力學計算成果，隧洞內徑為４．９ ｍ。沁河為黃河的一級支流，穿沁隧洞交叉斷面左、右岸均設有堤防，堤距約１ ８００ ｍ。根據《黃河河道管理范圍內建設項目技術審查標準（試行）》（ 黃建管〔２００７〕４８ 號）的相關規定，管線穿越堤基時，入土點和出土點須距離堤防堤腳線以外２００ ｍ 以上。根據以上要求，同時考慮隧洞進、出洞布置需要，最終確定過河洞段總長度為２ ６４６ ｍ。根據河道沖刷計算成果以及河道管理部門對于穿越工程埋深的要求，最終確定穿沁隧洞在右堤下頂高程６４．４５ ｍ、埋深３２．９０ ｍ，在左堤下頂高程６１．０５ ｍ、埋深３０．５０ ｍ，在沁河主槽以下埋深２９～３５ ｍ。

穿沁隧洞所處地貌單元為黃河Ｉ 級階地。沁河常年有水，兩岸筑有防洪堤，為地上懸河。建筑物自方陵村西開始，向東穿沁河右岸大堤、右岸河漫灘、主河槽、左岸河漫灘、左岸大堤至南賈村南部結束。隧洞在河床以下３０～４０ ｍ，圍巖為中細砂層，褐黃－灰黃色，飽和，中密－密實，成分以石英、長石為主，砂質不均，上部厚３～５ ｍ 為粉細砂，中密狀，偶見直徑１～３ ｃｍ 鈣質結核，局部夾重粉質壤土透鏡體，標貫擊數平均２８ 擊。

２．２ 技術方案比較

單層襯砌結構一般適用于無壓輸水隧洞或內水壓力較小的輸水隧洞。穿沁隧洞最大內水壓力約為０．４ ＭＰａ，按照內徑５ ｍ 估算，內水壓力在管片環向接頭上產生的拉力為１ ５００ ｋＮ（管片環寬按１．５ ｍ 計），按照目前常規盾構管片設計，管片之間一般用２ 根Ｍ３０ 螺栓（性能等級８．８ 級）連接，管片連接螺栓可抵抗的拉力為５６５ ｋＮ。內水壓力產生的拉力超過管片螺栓可抵抗的拉力，所以管片結構可能存在接縫張開、滲漏水等問題，穿沁隧洞不能采用單層襯砌結構。根據以上分析，穿沁隧洞內水壓力較大，采用單層襯砌結構難以滿足防水要求，需要設置內襯結構來抵御內水壓力。以下根據內襯結構形式及內、外襯之間連接方式不同選擇３ 種雙層襯砌結構方案進行技術經濟比選。

（１）內襯采用預應力混凝土結構（方案一）。參考南水北調中線穿黃隧洞工程，內襯采用預應力混凝土結構，隧洞外徑為６．５ ｍ、內徑為４．９ ｍ，襯砌結構總厚度０．８ ｍ。外層為Ｃ５０ 預制混凝土管片，外徑６．５ ｍ、內徑５．８ ｍ，厚０．３５ ｍ，環寬１．５ ｍ，采用六分塊方案，即每個襯砌環由１ 塊封頂塊（中心角２２．５°）、２ 塊鄰接塊（中心角６７．５°） 和３ 塊標準塊（中心角６７．５°） 組成。內層為現澆Ｃ４０ 預應力混凝土結構，厚０．４５ ｍ。內、外層襯砌之間設置彈性防、排水墊層。方案一襯砌結構構造見圖１。

（２）內襯采用鋼管結構（方案二）。借鑒廣州市西江引水工程經驗，內襯采用洞內穿鋼管，隧洞外徑為６．２ ｍ、內徑為４．９ ｍ，襯砌結構總厚度０．６５ ｍ。外層為Ｃ５０預制混凝土管片，外徑６．２ ｍ、內徑５．５ ｍ，厚０．３５ ｍ，環寬１．５ ｍ，采用六分塊方案，即每個襯砌環由１ 塊封頂塊（中心角２２．５°）、２ 塊鄰接塊（中心角６７．５°）和３ 塊標準塊（中心角６７．５°）組成。內襯采用ＤＮ４９００ 鋼管，管材Ｑ３４５Ｃ，壁厚２０ ｍｍ，為了防止外水滲入隧洞使鋼管在外壓作用下發生失穩，鋼管外側每２ ｍ 設一道加勁環，加勁環高１２０ ｍｍ，壁厚２４ ｍｍ；鋼管與外層管片之間回填３０ ｃｍ 厚Ｃ２０ 自密實混凝土。方案二襯砌結構構造見圖２。

（３）內襯采用鋼筋混凝土結構（內外襯聯合受力，方案三）。內襯采用鋼筋混凝土結構，隧洞外徑為６．６ ｍ、內徑為４．９ ｍ，襯砌結構總厚度０．８５ ｍ。外層為Ｃ５０ 預制混凝土管片，外徑６． ６ ｍ、內徑５． ９ ｍ，厚０．３５ ｍ，環寬１．５ ｍ，采用六分塊方案，即每個襯砌環由１ 塊封頂塊（中心角２２．５°）、２ 塊鄰接塊（中心角６７．５°）和３ 塊標準塊（中心角６７．５°）組成。內層為現澆Ｃ３５鋼筋混凝土結構，厚０．５ ｍ，同時采用管片內表面鑿毛、預留連接鋼筋等構造措施將內、外襯結合起來，使之成為聯合受力的疊合結構。方案三襯砌結構構造見圖３。

從結構受力分析角度來說，方案一和方案二采用內、外襯分離的受力結構，外襯承擔外部土、水壓力，內襯承擔內水壓力，二者受力關系比較明確，容易采用成熟的計算方法進行分析；方案三采用內、外襯聯合受力結構，二者各自分擔的荷載難以確定，因此需要整體建立三維數值計算模型進行結構受力分析。

就內襯施工難易而言，方案三現澆鋼筋混凝土結構施工工藝最為簡單，施工質量比較容易保證；方案一預應力混凝土結構施工工序多，施工工藝較為復雜，且內、外襯之間還要設置防、排水墊層，施工難度大，施工質量不易保證；方案二外襯管片與內襯鋼管之間僅有３０ ｃｍ 的空隙，在洞內進行大直徑鋼管的運輸、安裝、焊接均存在一定難度，另外，充填自密實混凝土需要在鋼管上開孔，施工難度更高，施工質量不易控制。３ 種方案施工工期對比，方案三鋼筋混凝土結構施工工期最短，方案一預應力混凝土結構工期次之，而方案二因在洞內進行大直徑鋼管焊接，施工速度較慢，故施工工期最長。

２．３ 投資比選

選?。保埃?ｍ 長度的洞段，對以上３ 種方案從工程量和投資角度進行對比，見表１。

方案一～方案三每１００ ｍ 長度洞段工程部分的投資分別為３４５．７０ 萬、５４６．９０ 萬、３３３．９４ 萬元。綜合以上分析，穿沁隧洞采用方案三，即內襯采用鋼筋混凝土結構，并通過管片內表面鑿毛、預留連接鋼筋等措施使內、外襯形成聯合受力的疊合結構。這種隧洞襯砌結構施工工藝較為簡單，施工效率高，施工質量容易保證，投資比內、外襯分離的襯砌結構少，具有較強優勢。

３ 結構分析

穿沁隧洞選用管片與鋼筋混凝土內襯聯合受力的疊合襯砌結構，為了準確分析管片、內襯及接觸面的應力及變形狀態，驗證襯砌結構形式的可行性和合理性，通過建立圍巖－管片－內襯三維數值計算模型進行結構受力分析。

３．１ 計算模型

選擇內水壓力最大的隧洞段作為典型洞段建立三維模型，進行結構受力分析。典型洞段埋深為３０．３ ｍ，內水水頭最高為３８．６ ｍ，隧洞內襯分節長度為９ ｍ，外襯管片環寬為１．５ ｍ，每節內襯對應６ 環管片。三維數值計算模型的尺寸為：順水流方向長度取９ ｍ（即１ 節內襯長度），垂直水流方向寬度?。矗?ｍ（即隧洞兩側寬度各取３ 倍洞徑），深度?。叮?ｍ（即洞底以下深度不小于３ 倍洞徑）。模型共剖分單元４４５ １１８個、節點５０５ １８３ 個。

計算模型中土體采用摩爾－庫侖本構模型；混凝土、螺栓采用線彈性本構模型；各種材料接觸面，包括管片－管片、管片－內襯混凝土、管片－螺栓接觸面的法向和切向均采用帶拉伸限制的摩爾－庫侖模型，從而實現接觸面的錯動和張開模擬。管片螺栓規格為Ｍ３０，強度等級為８．８ 級，根據類似工程經驗，每個螺栓考慮１００ ｋＮ 的預緊力作用。

３．２ 計算工況

根據隧洞的實際運行條件，選擇隧洞設計水位運行和放空檢修兩種工況進行襯砌結構受力分析，兩種工況的荷載組合見表２。

３．３ 計算結果分析

（１）管片應力。外層管片第一主應力為－１２．７ ～０．０５ ＭＰａ，最大壓應力為１２．７ ＭＰａ（出現在兩側邊墻的管片內緣區域，未超過Ｃ５０ 混凝土的抗壓強度設計值２３．１ ＭＰａ）。外層管片第三主應力為－０．７１～２．７４ ＭＰａ，最大拉應力為２．７４ ＭＰａ（出現在頂拱和底板的管片內緣區域）。管片拉應力超過Ｃ５０ 混凝土的抗拉強度設計值（１．８９ ＭＰａ）的區域出現在頂拱和底板管片的內緣淺表層，以及兩側邊墻管片外緣的淺表層，涉及范圍有限，管片全斷面絕大部分截面的拉應力小于Ｃ５０ 混凝土的抗拉強度設計值。

（２）管片接頭變形及螺栓受力。外層管片主要會在每環內的環向管片接頭部位發生張開，張開寬度最大為０．１７８ ｍｍ，對應的張開深度為１６ ｃｍ，張開角度為０．０７°。最大張開寬度出現在頂拱部位的管片內緣區域，底板部位的管片內緣區域張開寬度也相對較大。在頂拱和底板部位的管片交界面內緣及兩側邊墻部位的管片交界面外緣出現了一定幅度的張開，但張開寬度很小，在０．０２ ｍｍ 以內?？紤]１００ ｋＮ 螺栓預緊力（Ｍ３０ 螺栓，相當于１７８ ＭＰａ拉應力） 后，環向螺栓沒有出現壓應力，拉應力為１５１～１６２ ＭＰａ。各環管片之間的環間螺栓仍基本保持預緊后的受力水平，應力變幅非常小。

（３）內襯結構應力。內襯混凝土結構第一主應力量值范圍為－０．３９～０．０２ ＭＰａ，最大壓應力量值為０．３９ ＭＰａ（出現在內襯混凝土的內緣表面）。內襯混凝土結構第三主應力量值范圍為１．０２～１．３７ ＭＰａ，即內襯混凝土在內水壓荷載作用下處于全斷面受拉狀態。內襯混凝土結構拉應力量值均小于Ｃ３５ 混凝土的抗拉強度設計值１．５７ ＭＰａ。

綜上，在外部荷載和內水壓力作用下，穿沁隧洞的外層管片、內襯混凝土結構以及管片連接螺栓等的應力及變形均在允許范圍內，結構是安全可靠的。

４ 結 語通過分析可知，穿沁輸水隧洞采用外襯管片與內襯鋼筋混凝土結構聯合受力的疊合襯砌結構在技術上是合理可行的，結構是安全可靠的。這種襯砌結構與以往的內、外襯分離單獨受力的雙層襯砌結構相比，具有施工難度小、施工效率高、施工質量容易保證、工程造價低等優點，對于承擔一定內水壓力的盾構輸水隧洞可推廣使用。

參考文獻：

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【責任編輯 張華巖】