长距离盾构法输水隧道设计要点及改进建议

杜 峰

(中国市政工程西北设计研究院有限公司，兰州 730000)

0 引言

输水隧道是城市供水工程设施的重要组成部分，由于城市的高速发展和范围的不断扩大，原水输送隧道工程建设有愈来愈长的趋势，往往数十km，传统的挖槽埋管施工技术因环境及交通等因素而无法铺设。近年来，采用盾构法隧道在长距离取排水工程的设计施工实例越来越多。在国外最早使用输水隧道单层衬砌的国家是挪威，此后，世界上许多国家对输水隧道单层衬砌都有了不同程度的应用，如德国、瑞士、法国、加拿大、日本、比利时和西班牙等，而且一些国家还制定了相应的设计和施工规范。

我国对于相应研究起步较晚。2006年西南交通大学对采用钢纤维混凝土材料作单衬砌隧道的支护形式、耐水性能等设计方法进行了相应分析和研究，给出了极限状态下钢纤维混凝土材料隧道单层衬砌的设计流程。2008年中铁西南科学研究院在辽宁省大伙房长大输水隧洞工程设计施工过程中对隧道作单层衬砌进行研究，通过试验，在混凝土中掺入了CSA抗裂剂，并取得了一定的研究成果。目前的这些研究成果仅限于缓流速、非满管状态下水工隧道或其他形式隧道的单层衬砌设计标准和参数［1-2］，而对于具有高内水压、高流速、水锤效应等特点的长距离盾构法单层衬砌输水隧道，国内目前还没有现成的规范或标准。本文就这些设计中的关键问题，结合上海青草沙水源地原水隧道工程进行分析探讨，并给出相关改进建议，从而为长距离输水隧道的设计提供一些更为合理和可行的措施。

1 工程概况

上海青草沙水源地原水工程由3大主体工程组成，即青草沙水库及取输水泵闸工程(含中央沙圈围工程)、长江原水过江管隧道工程、岛陆域输水隧道及增压泵站工程。设计供水规模为2020年达719万m3/d，直接受益人口超过1 000万人。

其中，长江过江管采用2根外径为6．8 m(内径为5．84 m)的盾构法隧道，从长江底倒虹过江，东西过江管单线全长7．2 km，单向掘进。长兴岛域输水隧道由外径为6．4 m(内径为5．84 m)的双线盾构法隧道组成，东西线单管总长5．27 km。

青草沙水源地原水工程的建设具有涉及范围广、设计施工难度高、施工工期紧等特点，在长江口这样大型复杂河口建设超长距离的有压输水过江隧道在国内也是首次，迄今为止在国际上也未见相关的报道。

2 上海青草沙原水隧道工程设计要点

2．1 高内水压隧道单层衬砌结构受力特点

上海青草沙原水过江管及岛域隧道工程，不同于交通隧道衬砌环向接头的小偏心受压状态，高内水压输水隧道的环向接头的轴压力会偏小，甚至出现拉力。长江原水过江管的高内水压、长距离、大深度的特点，使得隧道衬砌结构的设计成为制约整个隧道工程安全、施工质量保证和工程造价合理的关键因素。

2．2 输水隧道的结构设计条件及计算

根据上海青草沙原水工程工艺要求，水库进水最高水位为7．0m，常水位为3．0 ～4．0m，地面标高为2．5 ～3．0m，输水隧道最大埋深约30 m。最大内水压为7-2．5+30=34．5 m 水头高度。

2．2．1 有内压隧道常用计算模型

国内盾构法单衬砌隧道主要是无内压隧道。在软土地区，其常用的计算模型可分为4种:弹性匀质圆环法、弹性铰圆环法、梁-弹簧模型计算法和有限元法［3］。

对于有内压单衬砌隧道，国内目前还未有相应规范，参考日本《内水压作用下隧道衬砌构造设计手册》要求，在内水压力作用时(自重、外部水土荷载和内水压力同时作用)，采用弹性地基刚架模型法进行计算，以反应地层与隧道的共同作用。上述的计算方法、荷载分布、地基反力见表1。

2．2．2 计算结果

上海青草沙原水过江管及岛域隧道工程，根据隧道结构所处工程地质和水文地质条件、埋置深度、结构特点、施工条件、相邻隧道影响等因素，选用合适的计算参数，分别就不同阶段可能出现的最不利荷载组合进行结构强度、刚度和裂缝宽度等进行了计算。计算工况见图1和图2，各工况内力及配筋计算统计见表2。

表2 各工况内力及配筋计算统计表Table 2 Statistics of internal forces and reinforcement calculations in various cases

表1 弹性地基刚架计算模型Table 1 Calculation model of elastic foundation frame

经计算可知，隧道在浅埋段(小土压+内水压)条件下均处于偏拉状态;隧道在深埋处(大土压+内水压)结构可处于偏压状态［4］。

2．3 长距离输水隧道水锤分析及应对措施

长距离的原水过江及岛域输水隧道工程是连接水库和水厂之间的关键和控制性工程，属于超大口径长距离输水隧道，生产运行过程中流量变化产生的水锤效应不可避免。由于输水管道采用了单衬砌盾构法隧道形式，水锤对其结构产生的危害将高于其他耐压管道结构，必须对水锤产生的不利状况和消除水锤措施进行全面分析。本工程在设计过程中，利用了先进的计算平台建立大尺度仿真水锤数值分析(见图3)，对输水系统运行过程中可能产生的水锤采取有效的防护措施，计算结果见表3。

图1 浅覆土工况2内力示意图Fig．1 Internal force on tunnel with shallow cover in case 2

由以上分析可知:输水系统若未采取任何水锤防护措施，水锤发生时，最大正压水锤为3．59 MPa(359 mH2O)，最大负压水锤为 -0．1 MPa(-10．0 mH2O)，故必须设置水锤防护措施。

在全面研究上海青草沙原水工程的设计方案后，可以采用的水锤防护措施主要有:

1)水库输水泵闸和五号沟泵站调节池的布置。闸门前后设敞开水池(水库输水泵闸的引水渠道和出水井、五号沟泵站的调节池)。2)过江管两岸工作井为敞开式水池(湿井)。3)延缓闸门的启闭时间。

对各工况分别采取上述一项或几项防护措施后，再次对输水系统进行水锤计算。结果显示:采取单项措施后，水锤可得到缓解，但某些工况仍不能完全消除;多项措施联合采用后，正、负压水锤可以消除［4］。

2．4 长距离输水隧道设计其他技术考虑

输水隧道工程的规模和投资大，建设条件复杂，不但要保证隧道在建设期内的安全，更要保证隧道在结构100年使用年限内始终处于安全、可靠、受控的状态之下;因此，设计上还考虑了隧道结构的耐久性和防水功能的有效性。

作为原水输送工程，设计中采用的原材料符合绿色环保要求，重视开发新型注浆材料和其他处理技术。运营维护是输水设施安全高效运转的保障，应采用信息技术的发展为远程、在线监测与预警提供基本技术手段，进一步开发监护与维护的实用设计技术。

图2 深覆土工况2内力示意图Fig．2 Internal force on tunnel with thick cover in case 2

3 长距离盾构法输水隧道设计中的改进建议

经过4年多对工程的跟踪及实际施工的考验，笔者认为在一些关键设计方面，有些值得在类似输水隧道工程进行改进的建议。

3．1 管片型式设计

上海青草沙过江管输水隧道和岛域段输水隧道工程由于距离较长，划分标段后分别由不同设计院承担设计，设计的管片衬砌为2种型式，如表4所示。

图3 长距离的原水输水隧道工程水锤计算示意图Fig．3 Design model of water hammer of long-distance water-supplying tunnel

表3 各工况(不同流量及水库水位高度)无防护措施时的水锤计算统计表Table 3 Statistics of water hammer calculations in the case of different water flow rates and different water levels under the condition of nonprotection measures

表4 管片衬砌设计型式统计表Table 4 Statistics of design of segment lining

长距离输水工程管片内外径的不同，不仅使单位长度的混凝土、钢模等工程量造成差异增加工程造价，而且对原水工程通水后的水流量流速产生影响，从而加大运营期管理的难度;另外还要从施工的实际效果及其施工的便捷性来考虑。

综合上述，建议管片连接件式(纵、环向螺栓)采用同一标准和通用形式。

3．2 连接件防腐设计

青草沙输水隧道管片连接件，防腐采用喷涂“达克罗”防腐涂层，在实际施工中，尤其是在特别潮湿位置及表面被磨损的部分，仍存在发生锈蚀的情况。

建议连接件防腐采用热镀锌涂层，并达到一定厚度，其防腐效果会更好［5］。

3．3 管片压浆孔处理

管片压浆孔普遍采用2英寸管牙接头预制在管片当中，并且焊有止水环片，在施工中，压浆孔四周渗水的情况较多，在管片生产厂观察发现压浆孔管上的止水片位置不合理，一般偏上(管片卧式生产，详见图4);再者由于管片混凝土灌筑工艺，易使振捣不足、混凝土不密实，从而产生管片压浆孔四周渗水。

建议管片设计时合理安排压浆孔止水片位置，加强管片生产中的管片混凝土振捣工艺，将手工振捣改成震动台振捣，进一步提高管片混凝土的密实性，减少管片压浆孔的渗漏情况［6-7］。

3．4 管片手孔封堵设计

上海青草沙原水输水隧道采用单层衬砌，为减少水头损失，降低管道内壁的粗糙系数，须将整个隧道管片上的连接件手孔进行封堵，工作量相当大，另对于手孔封堵的质量仍存有担心。尽管在设计中已经采取很多防脱落措施，如使用微膨胀水泥和界面剂，并经过一些抗拔试验，效果不错，但由于管片手孔的形状是一个斜楔形，仅靠水泥表面黏结力和螺帽头的挂靠来固定，不利于水泥浆块的锚固。

建议在管片生产钢模模芯上进行一些改革，使用活络套模，将管片手孔的形状设计成倒楔形，内大外小，使得管片手孔封堵材料黏合永久性牢固［8］。

图4 输水隧道工程管片压浆孔形式及位置示意图Fig．4 Mode and position of grouting hole on segment of watersupplying tunnel

3．5 管片注浆孔的永久处理

本次青草沙输水隧道的管片注浆孔最后处理，设计采用经防锈处理的钢闷头，没有采用微膨胀水泥永久封堵，这将会使今后长期运营的输水隧道因锈蚀而导致可靠性降低。

建议输水隧道对管片上注浆孔做永久性水泥封堵，排除输水运行中的隐患［9］。

3．6 管片角部配筋的改进

由于管片结构比较薄，管片角部在运输或拼装过程中容易被碰坏、碎裂，影响管片止水条的防水效果。

建议管片生产过程中控制好管片角部的混凝土保护层厚度，另外如在管片四角增加一些小钢筋网片补强管片角部的钢筋缺位，则管片四角保护层混凝土碎裂情况会有所好转［10］。

4 结论与建议

1)城市长距离输水隧道采用盾构法技术进行实施是可行的，但仍然存在着如超长距离、复杂地质等特点，需要借鉴国内外相关技术和经验，突破设计和施工中存在的诸多技术难点。

2)采用单衬砌方式输水的盾构隧道，关键在于解决高内水压管片结构设计关键技术难题;其次要解决管片设计细部的优化技术;同时，还要重视长距离输水隧道水锤效应对于结构的影响及采取相应的措施，确保结构的安全可靠性。

3)长距离输水隧道需穿越较多的其他基础设施，这些设施有些仍处于规划阶段，有些处于设计或施工阶段。尽管设计方案对穿越设施作了全面考虑，但设计单位应仍要密切关注相关工程项目的进展情况，并与相应的规划、建设、设计和施工等单位保持联系并进行必要的协调，以确保工程的顺利实施。

4)长距离输水隧道设计应同时关注隧道结构耐久性和防水功能有效性、运营监护技术与维护方法以及环保材料等绿色建材技术等新技术和新材料的发展与应用。

5)上述关键技术问题的解决不仅可以保障长距离输水隧道工程的顺利建设，也将促进非开挖施工技术与装备的发展，更好地为城市基础设施建设服务。

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