王相樂(lè)

（河南靈捷水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司，河南 南陽(yáng) 473000）

1 工程概況

湍西分干樁號(hào)0+060～3+030 段為1#隧洞，一期工程對(duì)湍西分干1#隧洞上段（樁號(hào)0+060～1+800段）建設(shè)長(zhǎng)度1.74 km。隧洞位于壟崗狀地貌單元上，地勢(shì)由南向北上升，地面高程145.49～156.50 m。渠底設(shè)計(jì)高程140.76～139.60 m，地面高于渠底4.73～16.90 m。渠道所處線路均為農(nóng)田，且渠底埋深較大，為減少永久占地，便于后期運(yùn)行管理，此次采用隧洞方案。根據(jù)地勘報(bào)告，此段地層主要為粉質(zhì)黏土，硬塑～可塑狀態(tài)，含鐵錳結(jié)核及鈣質(zhì)結(jié)核，圍巖類型為Ⅶ類，屬于土洞。

結(jié)合隧洞頂部覆蓋層的厚度，同時(shí)滿足厚度一般不少于洞徑的1.50 倍的要求，確定隧洞樁號(hào)0+060～0+700 段長(zhǎng)640 m采用明挖法施工，樁號(hào)0+700～1+800段長(zhǎng)1 100 m采用噴錨支護(hù)暗挖法或頂管法施工。以下對(duì)比分析噴錨支護(hù)暗挖和頂管兩種方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)特點(diǎn)，以確定最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

2 隧洞噴錨支護(hù)暗挖方案設(shè)計(jì)

2.1 隧洞洞身水力設(shè)計(jì)

洞身水力設(shè)計(jì)主要是確定洞身凈寬、水深、洞身進(jìn)出口底高程和洞底縱坡。洞身高度按洞內(nèi)水面線以上的凈空面積不小于洞斷面面積的15%，且高度不小于40 cm確定。洞身斷面尺寸按明渠均勻流計(jì)算，運(yùn)用水力計(jì)算方法獲得計(jì)算結(jié)果。

2.2 隧洞洞身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2.1 結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)選擇洞身為C30鋼筋混凝土，強(qiáng)度r=25 kN/m2。

2.2.2 山巖壓力

①按普氏公式計(jì)算：坍落拱高度h=（B+2Htg（45°-ψ/2））/（2f）=4.52（m）。②垂直山巖壓力強(qiáng)度：q=0.7γ巖h=63.27（kN/m2）。③側(cè)向水平壓力強(qiáng)度:洞頂面處e1=0.7γ巖htg2（45°-ψ/2）=13.76（kN/m2）；洞底面處e2=（0.7h+H）γ巖tg2（45°-ψ/2）=31.15（kN/m2）；平均值e=（e1+e2）/2=22.45（kN/m2）。

2.2.3 彈性抗力

采用查表法計(jì)算，洞身斷面左半部分共分10個(gè)截面，圓拱段按15°傾角均分，直墻段按四等分。經(jīng)計(jì)算，各截面壓、拉應(yīng)力均遠(yuǎn)小于C30鋼筋混凝土的允許應(yīng)力值。

2.3 隧洞明挖段設(shè)計(jì)

由于隧洞樁號(hào)0+060～0+700 段頂部覆土厚度不滿足規(guī)范要求的1.50倍洞徑要求，因此采用明挖法施工。為了確保隧洞上下游水流平順，樁號(hào)0+060～0+700 段隧洞設(shè)計(jì)斷面與樁號(hào)0+700～1+800段一致，亦采用圓拱直墻式反拱底板斷面。斷面尺寸為2.50 m×3.00 m（寬×高），頂拱內(nèi)半徑1.25 m，直墻高1.75 m，襯砌厚度為50 cm。開(kāi)挖邊坡按照1:2，當(dāng)開(kāi)挖深度超過(guò)6 m時(shí)，設(shè)2 m 寬戧臺(tái)，埋管后回填粘性土，分層碾壓，壓實(shí)指標(biāo)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙施工。施工前，應(yīng)對(duì)現(xiàn)狀耕地表層50 cm表土進(jìn)行剝離后運(yùn)至堆放場(chǎng)堆放，待施工結(jié)束后進(jìn)行表土覆蓋恢復(fù)；對(duì)損毀的道路段，施工后按照原路面設(shè)計(jì)恢復(fù)。

2.4 隧洞暗挖段設(shè)計(jì)

2.4.1 隧洞臨時(shí)支護(hù)設(shè)計(jì)

隧洞洞身開(kāi)挖后采用錨桿、噴射混凝土支護(hù)（以下簡(jiǎn)稱噴錨支護(hù)）。噴錨支護(hù)采用工程類比法進(jìn)行設(shè)計(jì)。隧洞采用統(tǒng)一臨時(shí)支護(hù)方案，洞身支護(hù)在頂拱及直墻范圍內(nèi)架設(shè)Ⅰ14 鋼拱架，間距0.80 m；系統(tǒng)桿Φ20，排距1 m，長(zhǎng)度2 m 砂漿錨桿；掛網(wǎng)噴0.15 m厚混凝土。系統(tǒng)錨桿掛網(wǎng)加固范圍為頂拱側(cè)墻，鋼筋網(wǎng)采用Φ6.5，間距為0.20 m×0.20 m。嚴(yán)格按照“新奧法”進(jìn)行隧洞施工，加強(qiáng)施工監(jiān)測(cè)，根據(jù)洞控情況及時(shí)修改支護(hù)參數(shù)。

2.4.2 進(jìn)口洞臉邊坡開(kāi)挖與支護(hù)

綜合考慮巖土性質(zhì)、地下水、邊坡高度、坡度、周邊環(huán)境等因素,參考《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》與《錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范》，進(jìn)口洞臉按1∶1放坡后，對(duì)邊坡噴射C20混凝土10 cm及加設(shè)鋼筋網(wǎng)進(jìn)行支護(hù)；局部不穩(wěn)定巖石采用錨桿加固處理。

2.4.3 進(jìn)口邊坡排水

在1#隧洞進(jìn)口設(shè)置縱向排水溝，所截水流沿槽身方向匯向兩側(cè)耕地。排水溝為矩形斷面，寬0.50 m，溝深0.50 m，采用C20混凝土襯砌，厚度0.30 m。

2.4.4 工作井

工作井位于樁號(hào)1+800，采用鋼筋混凝土圓形結(jié)構(gòu)，直徑10 m，下部壁厚1.20 m，上部壁厚0.70 m，井底高程138.80 m，地面高程156.50 m，井深17.70 m，采用沉井法施工。洞身采用C30 鋼筋混凝土，沉井底板為50 cm 厚C25 鋼筋混凝土，下設(shè)40 cm C20 混凝土墊層，底部采用C20 回填，井壁下端設(shè)刃腳。工作井待二期隧洞施工結(jié)束后作為檢查井使用，頂部設(shè)十字支撐梁及蓋板，蓋板厚30 cm。井口Φ80 cm，井蓋厚15 cm。

3 隧洞頂管方案設(shè)計(jì)

3.1 管道水力計(jì)算

管道設(shè)計(jì)為無(wú)壓管道。洞身斷面尺寸按明渠均勻流計(jì)算，洞身縱坡i=1/1 500，糙率n=0.02。經(jīng)計(jì)算，采用管徑3 m 的管道，管內(nèi)水深1.90 m，流速1.55 m/s，流量7.28 m3/s，滿足要求。

3.2 管道承壓復(fù)核

管道穿越生產(chǎn)道路，管頂覆土厚度不小于1.50 m。其荷載主要有填土垂直壓力、路面厚度壓力、管重壓力、車載壓力等，車載垂直壓力依據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》計(jì)算荷載分布，按公路-Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)計(jì)算，管道承載65.75 kN/m2，預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土Ⅲ級(jí)管允許荷載273 kN/m2。因此，采用Ⅲ級(jí)預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管滿足使用要求。

3.3 明挖段設(shè)計(jì)

由于隧洞樁號(hào)0+060～0+700 段頂部覆土厚度不滿足規(guī)范要求的1.50倍洞徑要求，因此采用明挖法施工。為了確保隧洞上下游水流平順，樁號(hào)0+060～0+700 段隧洞設(shè)計(jì)斷面與樁號(hào)0+700～1+800 段一致，采用DN3000 的管道。管道采用C40 鋼筋混凝土預(yù)制管（RCP，III級(jí)管），鋼承口，壁厚300 mm，單節(jié)長(zhǎng)2 m。管道基礎(chǔ)均采用C20 混凝土基礎(chǔ)（120°包角），基座底寬4.40 m、總厚1.30 m。開(kāi)挖邊坡按照1∶2，當(dāng)開(kāi)挖深度超過(guò)6 m時(shí)，設(shè)2 m 寬戧臺(tái)，埋管后回填粘性土，回填應(yīng)分層碾壓，壓實(shí)指標(biāo)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙施工。施工前，應(yīng)對(duì)現(xiàn)狀耕地表層50 cm 表土進(jìn)行剝離后運(yùn)至堆放場(chǎng)堆放，待施工結(jié)束后進(jìn)行表土覆蓋恢復(fù)；對(duì)損毀的道路段，施工后按照原路面設(shè)計(jì)恢復(fù)。

3.4 頂管段設(shè)計(jì)

3.4.1 管道設(shè)計(jì)

管道采用DN3000 的頂管專用III 級(jí)管，鋼承口，壁厚300 mm，單節(jié)長(zhǎng)3 m，材料為C50鋼筋混凝土，接口處采用配套的密封圈密封，并設(shè)有灌漿孔；采用土壓平衡法頂進(jìn)。

3.4.1.1 管道頂力復(fù)核

由主頂油泵等頂進(jìn)設(shè)備施加的頂力通過(guò)頂鐵作用在鋼管管壁上，以克服頂管機(jī)械頂面阻力、管壁與土體之間的摩阻力和粘結(jié)力，因此鋼管截面應(yīng)滿足施加頂力的要求。經(jīng)估算，此管道頂管機(jī)迎面阻力為5 976 kN，頂管頂力為11 176 kN。

3.4.1.2 管道允許最大頂力計(jì)算

鋼筋混凝土管頂管傳力面允許最大頂力按《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》提供的公式計(jì)算，經(jīng)計(jì)算，所選用的預(yù)制C50鋼筋混凝土管頂管傳力面允許最大頂力Fdc為28 081 kN。頂管頂力計(jì)算值大于頂力估算值，故管道管壁可承受頂進(jìn)推力作用。

3.4.1.3 沉井后背土體穩(wěn)定分析

圓形沉井后背土體穩(wěn)定應(yīng)符合《給水排水工程鋼筋混凝土沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》，經(jīng)計(jì)算：沉井頂管力標(biāo)準(zhǔn)值Ptk為8 643.82 kN＞頂管頂力11 176×0.6=6 705.60 kN，后背土體穩(wěn)定。

3.4.1.4 后背墻設(shè)計(jì)

頂管頂進(jìn)過(guò)程中通過(guò)油缸推力的反力均勻地作用在頂管的后背墻上傳導(dǎo)給工作井，由計(jì)算可得工作井后背土體穩(wěn)定。千斤頂與圓井之間應(yīng)設(shè)置后背墻，后背墻要有充分的強(qiáng)度、足夠的剛度、表面平整且垂直于頂進(jìn)管道的軸線。后背墻有枕木、鐵撐板、鋼板組成，后背墻與圓井空隙處用C25混凝土填充，后背墻厚及具體規(guī)格尺寸由施工方結(jié)合施工組織方案確定。

3.4.2 工作井、接收井設(shè)計(jì)

3.4.2.1 工作井、接收井布置

根據(jù)工程線路布置工作井1座，接收井2座。

3.4.2.2 工作井、接收井尺寸

①工作井長(zhǎng)度、寬度計(jì)算。工作井長(zhǎng)度經(jīng)計(jì)算取10 m。工作井內(nèi)凈寬度經(jīng)計(jì)算取5.60 m。經(jīng)計(jì)算，工作井直徑10 m，下部壁厚1.20 m，上部壁厚0.70 m，深度依據(jù)管道埋深及施工設(shè)備要求確定。②接收井長(zhǎng)度、寬度計(jì)算。經(jīng)計(jì)算，接收井最小內(nèi)凈寬度7.50 m，接收井井徑取10 m。③工作井、接收井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

3.4.3 頂管中繼間布置

施工中必須采用中間接力頂進(jìn)，根據(jù)實(shí)際情況做好中繼間布置并作必要調(diào)整。

3.4.4 泥漿減阻

①注漿主管。設(shè)置2 路DN50 注漿管，一路管頂管機(jī)后面的同步注漿；一路跟蹤補(bǔ)漿系統(tǒng)。②手動(dòng)補(bǔ)漿環(huán)。沿線每3節(jié)混凝土管設(shè)一注漿環(huán)，包括預(yù)埋有6 只注漿孔的鋼筋混凝土管、注漿支管、手動(dòng)球閥，手動(dòng)注漿環(huán)作為自動(dòng)注漿站的備用和補(bǔ)充裝置，根據(jù)需要由人工操作，進(jìn)行補(bǔ)漿。

3.4.5 注漿加固

頂進(jìn)結(jié)束后采用水泥砂漿或粉煤灰水泥砂置換減阻泥漿，隨后清洗并拆除注漿管路，封閉管道注漿孔，密封關(guān)節(jié)接口。灌漿施工應(yīng)嚴(yán)格按照《水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范》及設(shè)計(jì)要求執(zhí)行，灌漿前通過(guò)灌漿試驗(yàn)確定注漿加固施工參數(shù)。

4 隧洞方案確定

4.1 噴錨支護(hù)暗挖和頂管兩種方案投資對(duì)比

噴錨支護(hù)暗挖和頂管兩種方案直接工程費(fèi)對(duì)比見(jiàn)表1。頂管方案直接工程費(fèi)比噴錨支護(hù)暗挖方案高出400.98 萬(wàn)元。

表1 噴錨支護(hù)暗挖和頂管兩種方案直接工程費(fèi)對(duì)比表

4.2 噴錨支護(hù)暗挖和頂管兩種方案技術(shù)特點(diǎn)對(duì)比

噴錨支護(hù)暗挖和頂管兩種方案技術(shù)特點(diǎn)對(duì)比見(jiàn)表2。經(jīng)綜合比較可知，頂管方案機(jī)械化程度高，工程進(jìn)展快，且安全性更有保證，但投資略高，故頂管方案作為最優(yōu)方案。

表2 噴錨支護(hù)暗挖和頂管兩種方案比選表

5 結(jié)語(yǔ)

湍西分干1#隧洞一期工程采用頂管優(yōu)化方案，凸顯出隧洞工程建設(shè)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。此隧洞規(guī)模是區(qū)域近年來(lái)最大的，設(shè)計(jì)流量7.28 m3/s，4級(jí)建筑物，洞徑3 m。頂管采用土壓平衡法頂進(jìn)，泥漿減阻，注漿加固技術(shù)減少地面沉降，施工工藝先進(jìn)。但施工難度很大，需加設(shè)中繼間減少頂進(jìn)阻力。