大直徑盾構(gòu)隧道下穿南水北調(diào)中線總干渠設(shè)計研究

張 延

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司城市軌道交通設(shè)計研究院,北京 100055)

南水北調(diào)中線工程是一項宏偉的生態(tài)工程和民生工程。該工程于2014年底正式通水，極大地緩解我國北方地區(qū)的水資源短缺問題，優(yōu)化了我國水資源配置格局，有力支撐了受水區(qū)和水源區(qū)經(jīng)濟社會發(fā)展，促進了生態(tài)文明建設(shè)。

隨著我國鐵路工程建設(shè)的快速發(fā)展，鐵路與南水北調(diào)中線工程發(fā)生交叉不可避免。南水北調(diào)中線總干渠通水后，其他工程下穿南水北調(diào)中線工程的工程案例極少[1-4]。南水北調(diào)中線工程管理單位也暫無針對水渠的沉降控制標準。由于南水北調(diào)工程的重要性，下穿工程施工必須將對南水北調(diào)工程的影響降至最小且可接受，以避免水資源損失及污染。

本文依托新鄭機場至鄭州南站城際鐵路盾構(gòu)隧道下穿南水北調(diào)中線總干渠工程，研究了下穿段盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)、沉降、防水、加強措施、監(jiān)測方案等關(guān)鍵技術(shù)問題，可為其他工程下穿南水北調(diào)中線工程提供參考。

1 工程概述

新鄭機場至鄭州南站城際鐵路(以下簡稱豫機城際鐵路)位于河南省鄭州市東南部，是中原城市群城際軌道交通網(wǎng)的重要組成部分。豫機城際鐵路線路自新鄭機場站引出，走行于規(guī)劃新鄭機場東進場公路北側(cè)，向東與南水北調(diào)工程中線總干渠(以下簡稱總干渠)交叉后，引入終點鄭州南站。豫機城際鐵路設(shè)計為時速200 km的雙線鐵路，線路平面整體呈東西走向，總干渠工程在該區(qū)域總體呈南北向，需要與總干渠工程有一次交叉穿越，無法繞避[5]。

1.1 南水北調(diào)中線總干渠現(xiàn)狀及設(shè)計情況

豫機城際鐵路在DK44+620～DK44+720里程段以約85°斜交角與南水北調(diào)中線總干渠交叉。兩者平面相對位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 豫機城際鐵路與總干渠交叉平面

總干渠已正式通水，與豫機城際鐵路交叉段過水斷面采用梯形斷面，渠道設(shè)計底寬21.0 m，渠深約8 m，設(shè)計水深7 m，設(shè)計流量305 m3/s，邊坡坡度1∶2.5?？偢汕r砌結(jié)構(gòu)為現(xiàn)澆混凝土板，渠坡厚10 cm，渠底厚8 cm。豫機城際鐵路與總干渠交叉處現(xiàn)狀情況如圖2所示。

圖2 豫機城際鐵路與總干渠交叉處現(xiàn)狀

1.2 地質(zhì)條件

地質(zhì)勘察報告揭示，盾構(gòu)隧道下穿總干渠段地層從上到下依次為粉土、粉砂、粉質(zhì)黏土、細砂、粉質(zhì)黏土。場地地下水類型屬于第四系松散巖類孔隙水，主要含水層為粉砂、細砂和粉土層，局部具有承壓性，地下水位于總干渠渠底以下4～6 m。

2 下穿段隧道設(shè)計方案

2.1 下穿段設(shè)計概況

南水北調(diào)中線干線技術(shù)文件《其他工程穿越跨越鄰接南水北調(diào)中線干線工程管理規(guī)定》[中線局技[2015]20號][6]要求：“采用頂進或盾構(gòu)等暗挖方法施工時，其渠道底板以下管頂埋深不應(yīng)小于穿渠管道或箱涵最大外徑的2倍，且不小于5 m”。據(jù)此，確定了隧道下穿南水北調(diào)中線總干渠段的隧道埋深及縱斷面。豫機城際鐵路下穿總干渠段隧道結(jié)構(gòu)頂距離渠底約26.2 m(>2D)，線路縱坡為20.0‰上坡。

下穿總干渠段隧道的施工工法可選擇淺埋暗挖法或盾構(gòu)法。淺埋暗挖法具有對地層較強的適應(yīng)性和高度靈活性，但缺點主要是施工引起的地表沉降較大，甚至危及周邊建(構(gòu))筑物的安全。盾構(gòu)法施工成本較高，施工安全度更高，防水效果好，地面沉降更容易控制，但在軟弱地層中可能會引起較大地表沉降[7]。

結(jié)合下穿段工程地質(zhì)條件及水文地質(zhì)條件，為有效控制大直徑盾構(gòu)下穿總干渠時的施工風險，隧道下穿南水北調(diào)中線總干渠及其兩端隧道埋深較大的段落，推薦采用盾構(gòu)法施工，并采用泥水平衡盾構(gòu)機。盾構(gòu)隧道全長3800 m，下穿總干渠段長度為106 m。豫機城際鐵路與總干渠交叉縱斷面如圖3所示。

圖3 豫機城際鐵路與總干渠交叉縱斷面(單位：m)

2.2 主要技術(shù)標準

(1)結(jié)構(gòu)的安全等級為一級，抗震等級為三級，防水等級為一級。

(2)總干渠沉降控制標準

總干渠管理單位暫無針對干渠沉降控制標準，邀請專家對本下穿專項設(shè)計方案及安全影響評價報告[8]進行了評審，評審認為盾構(gòu)隧道下穿總干渠段，結(jié)合干渠建成至今已發(fā)生的沉降，沉降控制指標在+15～-5 mm時對總干渠的影響屬于可接受范圍。

2.3 盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)設(shè)計

盾構(gòu)隧道內(nèi)徑11.3 m、外徑12.4 m，管片厚度550 mm，管片幅寬2 m。每環(huán)襯砌環(huán)由9塊管片組成，其中1塊封頂塊、2塊鄰接塊、6塊標準塊。每環(huán)楔形環(huán)管片楔形量40 mm，楔形環(huán)采用雙面楔形形式。管片環(huán)、縱縫設(shè)置凹凸榫槽，采用8.8級M36斜螺栓連接[9-11]。盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 盾構(gòu)段隧道襯砌橫斷面(單位：mm)

2.4 盾構(gòu)隧道防水設(shè)計

(1)下穿段盾構(gòu)隧道的防水設(shè)計[12-14]滿足《地下工程防水技術(shù)規(guī)范》[13]的一級標準(不允許漏水，結(jié)構(gòu)表面可有少量濕漬)。

(2)盾構(gòu)管片自防水：管片采用C50鋼筋混凝土，混凝土抗?jié)B等級為P12，管片最大裂縫寬度不大于0.2 mm。

(3)襯砌外注漿防水：在襯砌管片與地層之間存在環(huán)形空隙，通過同步注漿以及二次注漿充填空隙，形成一道外圍防水層，為減小漿材硬化收縮，注漿材料摻加一定量的微膨脹劑。

(4)管片接縫防水：管片接縫設(shè)置1道密封墊溝槽，設(shè)置彈性橡膠密封墊、遇水膨脹橡膠止水條，并對接縫進行嵌縫。

(5)襯砌節(jié)點防水：螺栓孔采用遇水膨脹橡膠密封圈；管片密封墊外角部覆貼自粘性橡膠薄板，材質(zhì)為未硫化丁基橡膠薄片；注漿孔采用遇水膨脹橡膠止水圈。

3 計算分析

為保證下穿總干渠段盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)安全、控制掘進施工引起的沉降對總干渠的影響，設(shè)計中分別采用荷載-結(jié)構(gòu)模型、地層-結(jié)構(gòu)模型對下穿段隧道及總干渠進行計算和分析，以指導(dǎo)設(shè)計和施工。

3.1 盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)計算

3.1.1 計算模型

盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)設(shè)計計算分析采用荷載-結(jié)構(gòu)模式。土層壓力基于卸載拱理論，采用太沙基松弛土壓力，并設(shè)置2D(D為隧道直徑)土柱荷載作為下限值。土壓力采用水土分算的模式。盾構(gòu)隧道管片襯砌環(huán)的力學模型采用勻質(zhì)圓環(huán)模型(修正慣用法)。結(jié)構(gòu)計算程序采用同濟曙光盾構(gòu)隧道設(shè)計分析4.0軟件。

3.1.2 工況及荷載組合

(1)對于圓形結(jié)構(gòu)而言，靜水壓力使結(jié)構(gòu)的軸力加大，相當于改善了鋼筋混凝土管片結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)[15]，也即低水位對應(yīng)不利工況；根據(jù)地勘報告，下穿段地下水水位位于總干渠渠底以下4～6 m，較為接近，結(jié)構(gòu)計算靜水壓力時僅取地下水不利水位計算。管片結(jié)構(gòu)設(shè)計計算時，總干渠按設(shè)計水位通水和無水2種工況進行計算。

(2)計算考慮隧道管片襯砌自重、水土壓力、浮力、地面超載和可變荷載等，按基本和準永久組合驗算。對于埋置深度較大的隧道結(jié)構(gòu)，地震組合效應(yīng)設(shè)計值小于基本組合效應(yīng)設(shè)計值[16-17]，本文不再討論。

3.1.3 計算結(jié)果與分析

一環(huán)管片內(nèi)力計算結(jié)果見圖5、圖6，兩種工況下的計算內(nèi)力見表1。

表1 兩種工況內(nèi)力計算統(tǒng)計

圖5 總干渠通水工況內(nèi)力

圖6 總干渠無水工況內(nèi)力

通過計算結(jié)果進行分析，最大正彎矩出現(xiàn)在總干渠無水時管片環(huán)頂部，最大負彎矩出現(xiàn)在總干渠通水時盾構(gòu)隧道管片環(huán)兩側(cè)拱肩。根據(jù)上述計算內(nèi)力結(jié)果，選取最不利內(nèi)力組合，按照偏心受壓構(gòu)件對管片進行配筋計算和裂縫寬度驗算，并采用配筋包絡(luò)值進行配筋設(shè)計。

3.2 三維數(shù)值分析

3.2.1 計算模型

采用Midas NX建立三維有限元模型，對盾構(gòu)隧道下穿干渠變形有限元數(shù)值模擬計算。模型范圍為沿隧道方向100 m、垂直隧道方向100 m，豎向高度80 m。模型采用單元剛度變化模擬盾構(gòu)機推進過程中土體、盾構(gòu)機、管片、同步注漿層、二次注漿層的動態(tài)變化。盾構(gòu)下穿通過后的南水北調(diào)總干渠位移云圖、盾構(gòu)下穿通過后的地層位移云圖、干渠渠底最終沉降見圖7。

3.2.2 計算結(jié)果與分析

隧道軸線方向渠道兩側(cè)沉降較小，渠道范圍內(nèi)沉降逐漸增大，隧道軸線與渠道軸線交匯處渠道底部沉降最大，最大沉降值10.7 mm。隧道橫向方向在隧道正上方干渠沉降最大，隧道兩側(cè)距離越遠，沉降越小。干渠橫向和軸向均存在明顯的沉降槽，橫向沉降曲線對稱。三維數(shù)值計算結(jié)果表明下穿施工引起的沉降值滿足小于15 mm的要求。

圖7 三維數(shù)值計算結(jié)果

4 確保總干渠安全的措施

4.1 結(jié)構(gòu)加強措施

考慮南水北調(diào)工程的重要性，施工必須避免水資源損失及污染，同時結(jié)合南水北調(diào)工程管理單位的意見，設(shè)計中增加了下穿段盾構(gòu)管片的配筋量，提高了下穿段盾構(gòu)管片的安全系數(shù)，確?？偢汕陌踩?。

4.2 防水加強措施

(1)加強同步注漿

盾構(gòu)施工同步注漿的實際注漿量為理論建筑空隙的120%～150%。對于盾構(gòu)隧道一般段，取理論注漿量的下限值，實際注漿量需達理論注漿量的120%同步注漿施工停止；盾構(gòu)隧道穿越段，采用理論注漿量的上限值，施工時結(jié)合試驗段同步注漿經(jīng)驗，實際注漿量需達理論注漿量的140%～150%，注漿壓力達0.4～0.5 MPa時同步注漿施工停止，采取注漿壓力與注漿量的雙控指標衡量注漿效果，以保證同步注漿飽滿。

(2)加強二次(深孔)注漿

盾構(gòu)隧道一般段每塊管片設(shè)置1個二次注漿孔(封頂塊不設(shè))，共8個注漿孔。當同步注漿充填量小于理論充填量的120%時，或者根據(jù)監(jiān)控量測結(jié)果，必要時進行二次注漿加固，以控制地表沉降。

對于盾構(gòu)隧道下穿段及兩側(cè)一定范圍內(nèi)，盾構(gòu)管片封頂塊設(shè)1個注漿孔，其余每塊管片設(shè)置3個深孔注漿孔，共25個二次深孔注漿孔，全段落全斷面采用深孔注漿的方式，對周邊地層進行注漿填充，以補償?shù)貙訐p失，減少地層沉降，同時在盾構(gòu)隧道管片外圍形成一道防水層。

4.3 無損檢測

盾構(gòu)下穿總干渠段同步注漿及二次注漿完成后，需對盾構(gòu)管片進行無損檢測[19]，主要對盾構(gòu)施工同步注漿及二次注漿效果進行檢測，探測管片外側(cè)注漿填充的密實度。無損檢測測線沿管片內(nèi)輪廓上半圓周布置，環(huán)向間距為1 m，共布設(shè)19條測線。

4.4 設(shè)置試驗段

在進入總干渠保護范圍之前，選擇邊界條件相似的DK44+200～DK44+300段作為掘進試驗段，該段距總干渠約400 m；為總結(jié)深孔注漿施工工藝，驗證深孔注漿效果，在掘進試驗段內(nèi)選取DK44+220～DK44+230段作為注漿試驗段。

在掘進試驗段設(shè)置了與下穿總干渠段相同的監(jiān)控量測斷面和監(jiān)測項目，執(zhí)行相同的地表沉降監(jiān)測項目控制值和監(jiān)測預(yù)警分級標準，提前演練了下穿段盾構(gòu)施工，通過在掘進試驗段施工過程中的分析總結(jié)，確定最合理的盾構(gòu)機推力、盾構(gòu)掘進速度、盾構(gòu)刀盤扭矩、刀盤轉(zhuǎn)速、泥水倉壓力、泥漿流量、注脂壓力、注漿壓力、盾構(gòu)豎直及水平偏差及盾構(gòu)機各設(shè)備運行狀態(tài)以及地面沉降量等參數(shù)；利用試驗段的各種監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，分析總結(jié)試驗段地層的沉降變化規(guī)律，為下穿段盾構(gòu)施工提供預(yù)測分析。在注漿試驗段內(nèi)的注漿施工要求與下穿段一致，并總結(jié)施工參數(shù)及經(jīng)驗以便指導(dǎo)下穿段注漿施工。

最終通過試驗段盾構(gòu)施工的摸索與總結(jié)，掌握大埋深高水壓下穿越粉細砂、粉質(zhì)黏土地層的施工經(jīng)驗和沉降控制措施，為下穿段施工提供可靠的經(jīng)驗，保證施工安全，盡量減少對總干渠工程的影響。

4.5 盾構(gòu)機檢修

在盾構(gòu)穿越總干渠前，結(jié)合地層、埋深等因素選擇DK44+550處作為盾構(gòu)機在穿越總干渠前停機檢修位置，以減小盾構(gòu)機在總干渠下方進行檢修的可行性，確保盾構(gòu)穿越施工的安全和總干渠的安全。

4.6 監(jiān)測方案及結(jié)果

(1)監(jiān)控量測是盾構(gòu)隧道總干渠施工中的重要環(huán)節(jié)[20]。為保證隧道自身穩(wěn)定和安全，以及總干渠的安全，施工中必須對隧道進行全過程監(jiān)控量測，實施專項監(jiān)控方案。由于南水北調(diào)是飲用水一級保護區(qū)，進入其防護圍欄難度較大，無法保證監(jiān)測點的布設(shè)及日常監(jiān)測工作。綜合總干渠的特殊性、下穿段地質(zhì)水文情況，盾構(gòu)隧道穿越總干渠工程期間水渠襯砌結(jié)構(gòu)沉降及差異沉降采用靜力水準遠程自動化監(jiān)測系統(tǒng)，進行24 h不間斷監(jiān)測。監(jiān)測網(wǎng)按測線形式在總干渠襯砌結(jié)構(gòu)上方布置，基準點設(shè)置在施工影響范圍外。

(2)盾構(gòu)機于2018年7月底掘進進入總干渠下方，于2018年8月中旬安全、順利穿越總干渠。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，總干渠在穿越施工期間最大沉降值為3 mm、最大隆起值為2 mm、最大差異沉降為3 mm。成型盾構(gòu)隧道[21]結(jié)構(gòu)管片、防水效果及等級均達到預(yù)期，設(shè)計施工中采取的一系列加強措施有效地控制了盾構(gòu)下穿施工對總干渠的影響，確保了施工安全和南水北調(diào)中線總干渠安全。

4.7 城際鐵路運營期間的減振措施

盾構(gòu)隧道一般段采用CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道，城際鐵路開通運營后，高速運行的城際列車將對軌道結(jié)構(gòu)、隧道結(jié)構(gòu)以及地層及總干渠產(chǎn)生一定程度的振動影響?？紤]到總干渠的特殊性和重要性，為降低列車在長期運營過程中對總干渠的振動影響，在總干渠段管理紅線范圍的106 m及兩側(cè)各100 m范圍內(nèi)，采用CRTSⅠ型雙塊式減振型無砟軌道。

5 結(jié)論

(1)根據(jù)下穿段邊界條件、地質(zhì)條件，建立有限元模型計算盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)受力及配筋、變形及沉降；根據(jù)下穿段的特殊性，設(shè)計采取的一系列加強措施，通過施工效果驗證，均取得了非常理想的效果。

(2)試驗段的施工摸索與經(jīng)驗總結(jié)效果達到了預(yù)期，并在下穿總干渠施工中發(fā)揮了很大的指導(dǎo)作用，確保了下穿段盾構(gòu)機順利掘進、成型隧道的質(zhì)量及施工安全。

(3)自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)通過平臺實時計算，保證盾構(gòu)穿越南水北調(diào)期間監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋的及時性、準確性，確切起到指導(dǎo)施工的作用，確保下穿施工安全可控。

(4)本文研究并采用的總干渠沉降標準、穿越加強措施、自動化監(jiān)測方案等一系列關(guān)鍵技術(shù)，可為其他工程下穿南水北調(diào)中線總干渠提供參考。