盾構(gòu)施工法在新安縣引故入新工程中的應(yīng)用

趙 麗

（洛陽水利勘測設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司,河南 洛陽 471000）

1 引言

盾構(gòu)法施工平均每月掘進(jìn)速度400 m 左右,基本上是傳統(tǒng)鉆爆法施工速度的4～6 倍,盾構(gòu)機(jī)從隧洞兩端相向掘進(jìn),不需要開挖豎井增加工作面,施工過程中隧洞一次成形,盾構(gòu)管片拼裝同步進(jìn)行,不需要進(jìn)行支護(hù),省掉了上述鉆爆法作業(yè)中的多項(xiàng)工序,施工過程不存在炸藥管控問題,減少了施工安全隱患的發(fā)生；而且施工作業(yè)面除進(jìn)出口始發(fā)場地外,主要在隧洞內(nèi)對(duì)外界擾動(dòng)小,作業(yè)面少利于集中管理,有利于施工工期控制。

2 工程概況

新安縣位于河南省洛陽市西部,新安縣引故入新工程隧洞段長度18.647 knm,樁號(hào)范圍2+521.7～21+168.3,隧洞線路較長。據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告,隧洞段圍巖條件較差,Ⅳ、Ⅴ類圍巖段占隧 洞比例較大（占隧洞段總長的 77%）。設(shè)計(jì)樁號(hào)4+113.2～20+836.7 段隧洞埋深較深且無外露作業(yè)面,也無布置施工支洞條件。設(shè)計(jì)樁號(hào)8+406～8+533 段、10+863～11+070 段、14+380～14+668 段為礫巖、砂巖夾層,且?guī)r體內(nèi)地下水水量較豐富,支護(hù)難度較高。

3 隧洞段工程設(shè)計(jì)

隧洞進(jìn)口布置在省道S318 西側(cè),隧洞出口布置在新安縣城關(guān)鎮(zhèn)南莊村東側(cè)澗河右岸山體。根據(jù)地形條件及盾構(gòu)設(shè)備施工需要,在樁號(hào)2+590.2、樁號(hào)5+199.5 和樁號(hào)19+86.4 處設(shè)3處轉(zhuǎn)彎, 轉(zhuǎn)彎半徑300 m。 隧洞進(jìn)口高程272.00 m,隧洞段縱坡均為1/2500。

3.1 盾構(gòu)施工法隧洞斷面設(shè)計(jì)

根據(jù)盾構(gòu)設(shè)備施工要求,隧洞斷面為圓形斷面,設(shè)計(jì)引水流量較小僅為0.58 m3/s,縱坡為1/2500,若僅為滿足引水流量需求,洞身按明渠均勻流計(jì)算：

洞身斷面尺寸按明渠均勻流計(jì)算,計(jì)算公式為：

式中：ω為洞身過水?dāng)嗝婷娣e,m2；c為謝才系數(shù),按曼寧公式計(jì)算；n為糙率,取n=0.017；R為水力半徑,m；i為洞底縱坡, 1/2500。

根據(jù)上式計(jì)算,圓形隧洞洞徑1.3 m 即可滿足過流要求,但考慮隧道掘進(jìn)機(jī)設(shè)備尺寸及施工需求,隧洞內(nèi)徑定為3 m。

當(dāng)隧洞設(shè)計(jì)內(nèi)徑為3 m 時(shí),按照上式計(jì)算,隧洞設(shè)計(jì)水深0.6 m,隧洞內(nèi)流速為0.58 m/s。

另外故縣水庫引水洞位于淤積高程以上,而且洛陽市故縣水庫引水工程和本次引故入新工程隧洞前段均采用管道引水,水質(zhì)條件較好。經(jīng)查故縣水庫多年平均含沙量5.13 kg/m3。

隧洞不沖流速參考《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50288-1999）附錄F,預(yù)制管片襯砌隧洞的允許不沖流速5 m/s。

隧洞不淤流速采用黃委會(huì)水科所公式計(jì)算：

式中： C0為不淤流速系數(shù),本工程取 0.4；Q為設(shè)計(jì)流量,本工程為 0.58 m3/s。

按照上式計(jì)算,隧洞不淤流速 =0.3 m/s。

結(jié)合《水力計(jì)算手冊(cè)》（武漢大學(xué)水力水電學(xué)院水力學(xué)教研室主 編 第二版）中,清水渠道平均流速大于0.3 m/s～0.5 m/s,本工程不淤流速取0.3 m/s。

本工程隧洞內(nèi)設(shè)計(jì)流速為0.58 m/s,小于允許不沖流速 5 m/s, 大于不淤流速0.3 m/s,因此隧洞設(shè)計(jì)流速滿足不沖不淤要求。

根據(jù)上述水力學(xué)計(jì)算,并與廠家結(jié)合后,工程土壓平衡盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)外徑3.86 m,管片襯砌外徑3.6 m,管片厚度0.3 m,內(nèi)徑3 m。根據(jù)盾構(gòu)設(shè)備施工需要,隧洞內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式調(diào)整為裝配式預(yù)制鋼筋混凝土管片拼裝結(jié)構(gòu)。

3.2 管片結(jié)構(gòu)計(jì)算

（1）計(jì)算模型及計(jì)算方法

本次根據(jù)隧洞埋深、圍巖條件、地下水情況,選取樁號(hào) 4+975、10+950、20+305 三處典型斷面進(jìn)行管片計(jì)算,外部圍巖采用受壓彈簧模擬,彈簧不產(chǎn)生拉力,彈簧徑向剛度 k 即為圍巖彈性抗力系數(shù), 根據(jù)地質(zhì)報(bào)告進(jìn)行選取。本次管片結(jié)構(gòu)計(jì)算采用修正慣用法,利用 SAP 程序進(jìn)行模擬分析計(jì)算。計(jì)算中考慮地層的彈性抗力作用。其中襯砌環(huán)的計(jì)算剛度采用 （EI）計(jì)=η（EI）實(shí),配筋時(shí)設(shè)計(jì)彎矩采用 M設(shè)=（1+ζ）M 計(jì),即 M設(shè)=1.3 M;接頭螺栓的設(shè)計(jì)彎矩采用 M設(shè)=（1-ζ）M計(jì),即 M設(shè)=0.7 M。式中：h為彎曲剛度有效率,取0.65；ζ為彎矩增大系數(shù),取 0.3。 計(jì)算模型見圖1。

圖1 管片計(jì)算模型

經(jīng)計(jì)算樁號(hào)4+975、10+950、20+305 處管片最大彎矩為158.51 kN·m、169.61 kN·m、101.77 kN·m,,配筋時(shí)設(shè)計(jì)彎矩采用上述彎矩值的1.3 倍,經(jīng)計(jì)算樁號(hào)4+975、10+950 處單塊管片受力鋼筋配8根C16 鋼筋,樁號(hào)20+305 處單塊管片按照構(gòu)造配8 根C14 鋼筋即可。

（1）計(jì)算荷載

①圍巖壓力

本工程隧洞開挖過程 中根據(jù)圍巖類別、破碎情況均采用不同程度的臨時(shí)支護(hù)措施,為安全考慮,本次隧洞圍巖壓力計(jì)算采用《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 279-2016）中的9.2.4-1,9.2.4-2 計(jì)算公式：

式中：qv為垂直均布圍巖壓力,kN/m2；qh為水平均布圍巖壓力,kN/m2；γ為巖體重度,根據(jù)不同洞段地層情況,取 22 kN/m3～25.4 kN/m3；B為隧洞開挖寬度,3.86 m；H為隧洞開挖高度,3.86 m。

②襯砌自重

襯砌結(jié)構(gòu)自重利用下式計(jì)算。

式中：G為襯砌結(jié)構(gòu)自重,kN/m2；γ為襯砌結(jié)構(gòu)的重度,素混凝土取24 kN/m3,鋼筋混凝土 取25 kN/m3；h為襯砌結(jié)構(gòu)厚度,0.3 m。

③外水壓力

隧洞外水壓力采用《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 279-2016）的附錄 C 中的 C.0.1 計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算。

式中：Pe為作用在襯砌結(jié)構(gòu)外表面的地下水壓力,kN/m2；βe為外水壓力折減系數(shù),根據(jù)水文地質(zhì)報(bào)告,本次取 0.1～0.9；γw為水的重度,9.81 kN/m3；He為地下水位線至隧洞中心線的作用水頭,m。

④外水壓力

隧洞外水壓力采用《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 279-2016）的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算。

式中：Pw為隧洞內(nèi)水壓力,kN/m2；γw為水的重度,9.81 kN/m3；Hw為隧洞內(nèi)水位,取0.6 m。

⑤注漿壓力

根據(jù)管片壁后注漿設(shè)計(jì),施工過程中注漿壓力應(yīng)通過實(shí)驗(yàn)確定,管片計(jì)算注漿壓力取0.4 MPa。

（2）管片局部抗壓驗(yàn)算

管片拼裝及盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中,千斤頂?shù)淖饔脤?duì)管片結(jié)構(gòu)內(nèi)力有較大的影響,因此,設(shè)計(jì)中考慮千斤頂荷載對(duì)管片結(jié)構(gòu)配筋的影響。 考慮到千斤頂數(shù)量、最大推力（按1600 kN 考慮）及作用位置,千斤頂撐靴板長度50 cm,作用在寬度為30 cm 的管片端面上。通過對(duì)管片 局部受壓環(huán)的局部承壓面積為 500×250 mm2。為安全起見,按照素混凝土構(gòu)件局部受壓,按照《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 191-2008） 中5.4.1-1、5.4.1-2 式計(jì)算。

式中：K為承載力安全系數(shù),取1.25；F為局部受壓荷載,取1.2×1600=1920 kN；為荷載分布影響系數(shù),取1；fc為混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,為23.1 N/mm2；A1為混凝土局部受壓面積,A1=500×250=12500 mm2；Ab為混凝土局部受壓時(shí)的計(jì)算面積,按照規(guī)范 A1=300×（500 ×3）=45000 mm2；β1為混凝土局部受壓提高系數(shù),β1=0.5×（45000/12500）=1.90。

經(jīng)計(jì)算 KF1=2400 kN≤ωβ1fcA1=1×1.90×23.1×12500 =548 kN, 滿足局部抗壓要求。

3.3 盾構(gòu)方案比較

根據(jù)引故入新隧洞布置,采用盾構(gòu)法施工,可采用以下三種盾構(gòu)施工方案,本次從施工難度、施工工期、工程投資等方面對(duì)三種方案 進(jìn)行對(duì)比分析。

3.3.1 可選方案

方案一：隧洞段全部都采用盾構(gòu)機(jī)施工,即：樁 號(hào) 2+521.7～21+168.3 段隧洞采用2 臺(tái)土壓平衡盾構(gòu)機(jī),分別從樁號(hào)2+521.7 和樁號(hào)21+168.3 處始發(fā),進(jìn)行相向掘進(jìn)施工,洞內(nèi)對(duì)接, 洞內(nèi)拆機(jī)。見圖2。

圖2 方案一施工方案布置示意圖

方案二：樁號(hào)16+965～21+168.3 段采用鉆爆法施工,剩余樁號(hào)2+521.7～16+965 段采用2 臺(tái)土壓平衡盾構(gòu)機(jī)分別從樁號(hào)2+521.7 和 樁號(hào)16+965 處始發(fā),進(jìn)行相向掘進(jìn)施工,洞內(nèi)對(duì)接,洞內(nèi)拆機(jī)。該方案上游段隧洞自2+521.7 處水平運(yùn)輸出渣,下游段隧洞里,采用長距離皮帶機(jī)+垂直皮帶機(jī)自16+965 處新建豎井出渣。該方案需要布置豎井2 個(gè),其中：在16+965 處布置 1 處,作為下游盾構(gòu)機(jī)的始發(fā)井、出渣井以及下游硬巖鉆爆段的施工豎井；另外,在19+080 處布置1處豎井作為硬巖鉆爆段的施工豎井。 見圖3

圖3 方案二施工方案布置示意圖

方案三：樁號(hào)2+521.7～4+566.7 段采用鉆爆法施工,樁號(hào)4+566.7～21+168.3 段采用2 臺(tái)土壓平衡盾構(gòu)機(jī)施工分別在樁號(hào)4+566.7 和樁號(hào)21+168.3 處始發(fā),進(jìn)行相向掘進(jìn)施工,洞內(nèi)拆機(jī)。見圖4。

圖4 方案三施工方案布置示意圖

3.3.2 方案比選及確定

（1）難度

方案一：該方案全段18.7 km 隧洞均采用盾構(gòu)設(shè)備施工,上下游樁號(hào)

2+521.7、樁號(hào)21+168.3 兩處始發(fā)場地較開闊,也都有布置條件,施工相對(duì)容易,難度不大。

方案二： 該方案為保證下游盾構(gòu)設(shè)備始發(fā)進(jìn)洞和鉆爆法施工進(jìn)度,需布置 兩個(gè)豎井,其中：樁號(hào)16+965 處豎井,作為下游盾構(gòu)機(jī)的始發(fā)井、出渣井以及下游硬巖鉆爆段的施工豎井,豎井長8 m,寬6 m,深120 m；樁號(hào)19+080 處豎井作為硬巖鉆爆段的施工豎井,直徑5 m,深110 m。兩處豎井埋深均在100 m 以上,而且16+965 處豎井作為盾構(gòu)設(shè)備始發(fā)豎井,要求斷面較大,施工難度非常大,將成為制約該方案施工進(jìn)度的一個(gè)主要因素。

另外,該方案下游盾構(gòu)段隧洞需要采用長距離皮帶機(jī)和垂直皮帶機(jī)配合,自16+965 處的新建始發(fā)豎井出渣,如前所述,該處豎井深度120 m,進(jìn)行垂直出渣難度大,效率將低,這也是制約該方案施工進(jìn)度的一個(gè)主要因素。

方案三：根據(jù)現(xiàn)場地形條件,若在該處布置始發(fā)場地,需向下開挖8 m 布置始發(fā)豎井,開挖難度雖然不大,但是樁號(hào)4+566.7 處位于山谷沖溝內(nèi),雨季上游洪水將對(duì)始發(fā)井和上段隧洞造成威脅,雨季施工抽、排 水問題比較突出。

另外,樁號(hào)4+566.7 處始發(fā)場地距離交通主干道較遠(yuǎn),沿途經(jīng)過鄉(xiāng)村小路,道路兩側(cè)為民房,居民較多,而且始發(fā)場地地勢(shì)較高,設(shè)備、材料進(jìn)場需經(jīng)過爬坡道路,因此,該處始發(fā)場地的設(shè)備、材料運(yùn)輸較困難。

綜上所述,從施工難易程度上來講,方案一（全段隧洞長18.7 km采用2 臺(tái)土壓平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行相向掘進(jìn)施工）的施工難度相對(duì)最小。

（2）施工工期

方案一：根據(jù)前期對(duì)盾構(gòu)設(shè)備廠家調(diào)研咨詢結(jié)果,土壓平衡盾構(gòu)設(shè)備制造周期在8 個(gè)月。該方案始發(fā)場地分別位于隧洞進(jìn)出口,場地開闊,設(shè)備安裝調(diào)試空間充足,設(shè)備安裝調(diào)試時(shí)間2 個(gè)月。土壓平衡盾構(gòu)機(jī)分別自隧洞進(jìn)出口始發(fā),采用水平出渣方式自隧洞進(jìn)、出口出渣,盾構(gòu)設(shè)備在樁號(hào)2+521.7～16+965 段的施工速度約為400 m/月,在樁號(hào) 16+965～21+168.3 段的施工速度約為340 m/月。據(jù)此,對(duì)方案一進(jìn)行施工工期計(jì)劃安排,方案一總工期為40 個(gè)月。

方案二：土壓平衡盾構(gòu)設(shè)備制造周期在8 個(gè)月。該方案分別在隧洞進(jìn)口和樁號(hào)16+965 處豎井始發(fā),由于豎井施工相對(duì)空間狹小,下游盾構(gòu)設(shè)備在豎井內(nèi)安裝調(diào)試時(shí)間較長,為3 個(gè)月。樁號(hào)16+965 處豎井深度120 m,豎井施工工期較長。另外下游盾構(gòu)設(shè)備出渣需要從16+965 處豎井出渣,豎井出渣進(jìn)度將成為制約 下游盾構(gòu)設(shè)備施工速度的主要因素。目前,對(duì)于這種長距離、大傾角的渣土輸送,一般采用波狀擋邊帶式輸送機(jī)。經(jīng)調(diào)查,該種輸送機(jī)輸送能力在100 t/h～140 t/h,按100 t/h計(jì)算,單循環(huán)渣土出渣需15 min。考慮盾構(gòu)掘進(jìn)、管片安裝、維修等因素后,盾構(gòu)設(shè)備掘進(jìn)速度按280 m/月考慮。由于該段效率較低,為保證整體工程進(jìn)度,統(tǒng)籌考慮,樁號(hào)12+450～16+965 段自豎井出渣,長度4.5 km。據(jù)此,對(duì)方案二進(jìn)行施工工期計(jì)劃安排,方案二總工期為40 個(gè)月。

方案三：土壓平衡盾構(gòu)設(shè)備制造周期在8 個(gè)月。該方盾構(gòu)設(shè)備始發(fā)場地同樣較開闊,設(shè)備安裝調(diào)試及掘進(jìn)出渣方式與方案一基本相同,因此設(shè)備安裝調(diào)試時(shí)間按2 個(gè)月考慮。與方案一相同,盾構(gòu)設(shè)備在樁號(hào)4+566.7～16+965 段的施工速度約為400 m/月,在樁號(hào)16+965～21+168.3 段的施工速度約為340 m/月。據(jù)此方案三總工期為36 個(gè)月。

從三個(gè)方案施工進(jìn)度可以看出,方案一、方案二總工期均為40 個(gè)月,方案三總工期36個(gè)月。就工期進(jìn)度而言,三個(gè)方案工期進(jìn)度相差較小,方案三工期最短,方案三工期比方案一、方案二工期短3 個(gè)月,方案三施工進(jìn)度與方案一相比,優(yōu)勢(shì)不是特別明顯。

（3）工程投資

工程概算主要材料價(jià)格水平年采用新安縣2017 年第四季度價(jià)格水平,工程概算依據(jù)豫水建[2017]1 號(hào)文發(fā)布《河南省水利水電工程設(shè)計(jì)概（估）算編制規(guī)定》編制。3 個(gè)方案工程部分投資見表2。

表2 工程部分估算投資對(duì)比表 單位：萬元

三個(gè)方案投資相差較小,估算投資最大的方案（方案三）比估算投資最小的方案（方案二）多 3160 萬元。

（4）盾構(gòu)方案比較結(jié)論

從以上的方案對(duì)比發(fā)現(xiàn),從施工難易程度上來說,方案一（全段隧洞長 18.7 km 采用 2 臺(tái)土壓平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行相向掘進(jìn)施工）的施工難度相對(duì)最小；從施工工期上來說,方案三（前段 2.1 km 采用鉆爆法,其它段采用盾構(gòu)）最快；從工程造價(jià)上來說,方案二提出的方案（末端硬巖段采用鉆爆法,其它段采用盾構(gòu)）最少。

上述三個(gè)方案各有優(yōu)點(diǎn),但是施工進(jìn)度和工程投資方面,三個(gè)方案均相差較小,優(yōu)勢(shì)并不是特別明顯。因此,若采用盾構(gòu)法施工方案,從施工難度和施工風(fēng)險(xiǎn)控制等方面考慮,推薦采用方案一（全段隧洞長 18.7 km 采用 2 臺(tái)土壓平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行相向掘進(jìn)施工）。

4 結(jié)論

盾構(gòu)施工法目前在很多隧道工程里都有成功的應(yīng)用案例,并積累了豐富的施工經(jīng)驗(yàn)。盾構(gòu)施工法在新安縣引故入新工程中的應(yīng)用可知,應(yīng)用的前提要依據(jù)工程的實(shí)際情況進(jìn)行分析,并根據(jù)地形條件及盾構(gòu)設(shè)備施工需要進(jìn)行斷面設(shè)計(jì)以及參數(shù)的計(jì)算,具體的施工方法也要考慮其工期、投資、難度。通過本文的具體分析希望可以給同類型的工程提供一定的參考意見。