盾構(gòu)輸水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)形式分析

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

關鍵詞：盾構(gòu)輸水隧洞；疊合襯砌結(jié)構(gòu)；聯(lián)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(gòu)輸水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)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(gòu)隧道開始建設至今，利用盾構(gòu)法修建地下隧道已有約２００ ａ 歷史。２０ 世紀７０ 年代以后，盾構(gòu)法施工技術(shù)開始日臻完善，日本及德國針對城市建設區(qū)域的松散含水地層中盾構(gòu)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(shù)，研制了相應配套工藝設備。技術(shù)的進步使盾構(gòu)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(gòu)法修建地下隧道，目前盾構(gòu)隧道在鐵路、公路、市政軌道交通等領域有了長足的發(fā)展，盾構(gòu)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(gòu)法修建隧道起步較晚，連續(xù)運行多年的工程實例不多，隧洞襯砌結(jié)構(gòu)方面的研究成果也相對較少。常規(guī)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(huán)作為襯砌結(jié)構(gòu)來抵御外部土、水壓力作用，保持隧道的穩(wěn)定，一般不設置內(nèi)襯結(jié)構(gòu)。水利工程中盾構(gòu)隧洞則有其特點，由于輸水隧洞內(nèi)部輸送的水流存在一定的壓力，在內(nèi)水壓力作用下由多塊預制管片拼裝而成的圓環(huán)襯砌接縫會張開，因此隧洞存在滲漏水問題，當隧洞內(nèi)水壓力較大時，甚至可能出現(xiàn)管片連接接頭的破壞。輸水隧洞因需要承受內(nèi)水壓力而帶來諸多技術(shù)問題，使得襯砌結(jié)構(gòu)形式一直是盾構(gòu)輸水隧洞設計、施工中需要重點研究的問題。

１ 國內(nèi)已建盾構(gòu)輸水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)形式

目前，國內(nèi)已建的盾構(gòu)輸水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)主要包括單層襯砌結(jié)構(gòu)、雙層襯砌結(jié)構(gòu)兩大類。

１．１ 單層襯砌結(jié)構(gòu)

第一類為單層襯砌結(jié)構(gòu)，即把盾構(gòu)管片作為承受內(nèi)、外荷載的唯一受力結(jié)構(gòu)。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(nèi)徑５．８４ ｍ，管片厚０．４８ ｍ，襯砌環(huán)由６ 片鋼筋混凝土管片組成，環(huán)寬１．５ ｍ，管片混凝土強度等級為Ｃ５５，襯砌環(huán)與環(huán)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(huán)向斜螺栓連接（性能等級８．８級）［１］ 。

１．２ 雙層襯砌結(jié)構(gòu)

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

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

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

（３）鋼管內(nèi)襯。以內(nèi)穿鋼管為內(nèi)襯并承擔全部內(nèi)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(nèi)徑４．８ ｍ，隧洞設計內(nèi)水壓力０．９ＭＰａ，外層為０．３ ｍ 厚Ｃ５０ 預制混凝土管片，內(nèi)層為２０ ｍｍ厚Ｑ２３５Ｃ 鋼襯，內(nèi)、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(nèi)已建的盾構(gòu)輸水隧洞除上海青草沙原水工程過江隧洞外，都采用內(nèi)、外襯分離的雙層襯砌結(jié)構(gòu)，即外層管片承擔外部土、水壓力，內(nèi)襯結(jié)構(gòu)承擔內(nèi)水壓力，在內(nèi)、外襯之間設置彈性墊層使之分離。

２ 穿沁隧洞襯砌結(jié)構(gòu)形式選擇

穿沁隧洞為西霞院水利樞紐輸水及灌區(qū)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(jù)隧洞的長度、埋深及工程地質(zhì)條件，最終選定隧洞采用泥水平衡盾構(gòu)法施工，以下以穿沁隧洞為例詳細分析盾構(gòu)輸水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)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(xiāng)方陵村北（設計樁號ＸＺ９３＋２５４．３），終點位于嘉應觀鄉(xiāng)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(jù)水力學計算成果，隧洞內(nèi)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(jù)《黃河河道管理范圍內(nèi)建設項目技術(shù)審查標準（試行）》（ 黃建管〔２００７〕４８ 號）的相關規(guī)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(jù)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(jù)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(jié)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(zhì)不均，上部厚３～５ ｍ 為粉細砂，中密狀，偶見直徑１～３ ｃｍ 鈣質(zhì)結(jié)核，局部夾重粉質(zhì)壤土透鏡體，標貫擊數(shù)平均２８ 擊。

２．２ 技術(shù)方案比較

單層襯砌結(jié)構(gòu)一般適用于無壓輸水隧洞或內(nèi)水壓力較小的輸水隧洞。穿沁隧洞最大內(nèi)水壓力約為０．４ ＭＰａ，按照內(nèi)徑５ ｍ 估算，內(nèi)水壓力在管片環(huán)向接頭上產(chǎn)生的拉力為１ ５００ ｋＮ（管片環(huán)寬按１．５ ｍ 計），按照目前常規(guī)盾構(gòu)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(nèi)水壓力產(chǎn)生的拉力超過管片螺栓可抵抗的拉力，所以管片結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。根據(jù)以上分析，穿沁隧洞內(nèi)水壓力較大，采用單層襯砌結(jié)構(gòu)難以滿足防水要求，需要設置內(nèi)襯結(jié)構(gòu)來抵御內(nèi)水壓力。以下根據(jù)內(nèi)襯結(jié)構(gòu)形式及內(nèi)、外襯之間連接方式不同選擇３ 種雙層襯砌結(jié)構(gòu)方案進行技術(shù)經(jīng)濟比選。

（１）內(nèi)襯采用預應力混凝土結(jié)構(gòu)（方案一）。參考南水北調(diào)中線穿黃隧洞工程，內(nèi)襯采用預應力混凝土結(jié)構(gòu)，隧洞外徑為６．５ ｍ、內(nèi)徑為４．９ ｍ，襯砌結(jié)構(gòu)總厚度０．８ ｍ。外層為Ｃ５０ 預制混凝土管片，外徑６．５ ｍ、內(nèi)徑５．８ ｍ，厚０．３５ ｍ，環(huán)寬１．５ ｍ，采用六分塊方案，即每個襯砌環(huán)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(nèi)層為現(xiàn)澆Ｃ４０ 預應力混凝土結(jié)構(gòu)，厚０．４５ ｍ。內(nèi)、外層襯砌之間設置彈性防、排水墊層。方案一襯砌結(jié)構(gòu)構(gòu)造見圖１。

（２）內(nèi)襯采用鋼管結(jié)構(gòu)（方案二）。借鑒廣州市西江引水工程經(jīng)驗，內(nèi)襯采用洞內(nèi)穿鋼管，隧洞外徑為６．２ ｍ、內(nèi)徑為４．９ ｍ，襯砌結(jié)構(gòu)總厚度０．６５ ｍ。外層為Ｃ５０預制混凝土管片，外徑６．２ ｍ、內(nèi)徑５．５ ｍ，厚０．３５ ｍ，環(huán)寬１．５ ｍ，采用六分塊方案，即每個襯砌環(huán)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(nèi)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(fā)生失穩(wěn)，鋼管外側(cè)每２ ｍ 設一道加勁環(huán)，加勁環(huán)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(jié)構(gòu)構(gòu)造見圖２。

（３）內(nèi)襯采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)（內(nèi)外襯聯(lián)合受力，方案三）。內(nèi)襯采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，隧洞外徑為６．６ ｍ、內(nèi)徑為４．９ ｍ，襯砌結(jié)構(gòu)總厚度０．８５ ｍ。外層為Ｃ５０ 預制混凝土管片，外徑６． ６ ｍ、內(nèi)徑５． ９ ｍ，厚０．３５ ｍ，環(huán)寬１．５ ｍ，采用六分塊方案，即每個襯砌環(huán)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(nèi)層為現(xiàn)澆Ｃ３５鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，厚０．５ ｍ，同時采用管片內(nèi)表面鑿毛、預留連接鋼筋等構(gòu)造措施將內(nèi)、外襯結(jié)合起來，使之成為聯(lián)合受力的疊合結(jié)構(gòu)。方案三襯砌結(jié)構(gòu)構(gòu)造見圖３。

從結(jié)構(gòu)受力分析角度來說，方案一和方案二采用內(nèi)、外襯分離的受力結(jié)構(gòu)，外襯承擔外部土、水壓力，內(nèi)襯承擔內(nèi)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(nèi)、外襯聯(lián)合受力結(jié)構(gòu)，二者各自分擔的荷載難以確定，因此需要整體建立三維數(shù)值計算模型進行結(jié)構(gòu)受力分析。

就內(nèi)襯施工難易而言，方案三現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)施工工藝最為簡單，施工質(zhì)量比較容易保證；方案一預應力混凝土結(jié)構(gòu)施工工序多，施工工藝較為復雜，且內(nèi)、外襯之間還要設置防、排水墊層，施工難度大，施工質(zhì)量不易保證；方案二外襯管片與內(nèi)襯鋼管之間僅有３０ ｃｍ 的空隙，在洞內(nèi)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(zhì)量不易控制。３ 種方案施工工期對比，方案三鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)施工工期最短，方案一預應力混凝土結(jié)構(gòu)工期次之，而方案二因在洞內(nèi)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(nèi)襯采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，并通過管片內(nèi)表面鑿毛、預留連接鋼筋等措施使內(nèi)、外襯形成聯(lián)合受力的疊合結(jié)構(gòu)。這種隧洞襯砌結(jié)構(gòu)施工工藝較為簡單，施工效率高，施工質(zhì)量容易保證，投資比內(nèi)、外襯分離的襯砌結(jié)構(gòu)少，具有較強優(yōu)勢。

３ 結(jié)構(gòu)分析

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

３．１ 計算模型

選擇內(nèi)水壓力最大的隧洞段作為典型洞段建立三維模型，進行結(jié)構(gòu)受力分析。典型洞段埋深為３０．３ ｍ，內(nèi)水水頭最高為３８．６ ｍ，隧洞內(nèi)襯分節(jié)長度為９ ｍ，外襯管片環(huán)寬為１．５ ｍ，每節(jié)內(nèi)襯對應６ 環(huán)管片。三維數(shù)值計算模型的尺寸為：順水流方向長度?。?ｍ（即１ 節(jié)內(nèi)襯長度），垂直水流方向?qū)挾热。矗?ｍ（即隧洞兩側(cè)寬度各?。?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(jié)點５０５ １８３ 個。

計算模型中土體采用摩爾－庫侖本構(gòu)模型；混凝土、螺栓采用線彈性本構(gòu)模型；各種材料接觸面，包括管片－管片、管片－內(nèi)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(xiàn)接觸面的錯動和張開模擬。管片螺栓規(guī)格為Ｍ３０，強度等級為８．８ 級，根據(jù)類似工程經(jīng)驗，每個螺栓考慮１００ ｋＮ 的預緊力作用。

３．２ 計算工況

根據(jù)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(jié)構(gòu)受力分析，兩種工況的荷載組合見表２。

３．３ 計算結(jié)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(xiàn)在兩側(cè)邊墻的管片內(nèi)緣區(qū)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(xiàn)在頂拱和底板的管片內(nèi)緣區(qū)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(qū)域出現(xiàn)在頂拱和底板管片的內(nèi)緣淺表層，以及兩側(cè)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(huán)內(nèi)的環(huán)向管片接頭部位發(fā)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(xiàn)在頂拱部位的管片內(nèi)緣區(qū)域，底板部位的管片內(nèi)緣區(qū)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(nèi)緣及兩側(cè)邊墻部位的管片交界面外緣出現(xiàn)了一定幅度的張開，但張開寬度很小，在０．０２ ｍｍ 以內(nèi)?？紤]１００ ｋＮ 螺栓預緊力（Ｍ３０ 螺栓，相當于１７８ ＭＰａ拉應力） 后，環(huán)向螺栓沒有出現(xiàn)壓應力，拉應力為１５１～１６２ ＭＰａ。各環(huán)管片之間的環(huán)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(nèi)襯結(jié)構(gòu)應力。內(nèi)襯混凝土結(jié)構(gòu)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(xiàn)在內(nèi)襯混凝土的內(nèi)緣表面）。內(nèi)襯混凝土結(jié)構(gòu)第三主應力量值范圍為１．０２～１．３７ ＭＰａ，即內(nèi)襯混凝土在內(nèi)水壓荷載作用下處于全斷面受拉狀態(tài)。內(nèi)襯混凝土結(jié)構(gòu)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(nèi)水壓力作用下，穿沁隧洞的外層管片、內(nèi)襯混凝土結(jié)構(gòu)以及管片連接螺栓等的應力及變形均在允許范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)是安全可靠的。

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

參考文獻：

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【責任編輯 張華巖】