山区大型钢管倒虹吸与高速公路平交措施研究

曹劝绩 司建强 王康三

摘 要：高原山区具有山高谷深特点，倒虹吸是引调水工程跨沟、河及下穿重要公路常用的重要交叉建筑物。针对如何处理大型钢管倒虹吸与高速公路交叉干扰问题，本文结合工程实例，提出了高速桥涵保通方案、顶管下穿方案和钢管倒虹吸调线方案。从工程布置、交叉影响、实施难度以及工程投资对各方案进行综合分析评价，最终采用桥涵保通方案，以供类似工程参考。

关键词：交叉建筑物;倒虹吸;桥涵保通;顶管下穿

中国的水资源相对匮乏且分布不均，部分地区仍然存在水资源浪费和污染问题，为缓解水资源短缺现状，保障滇中地区水资源可持续发展[1]，专家及学者们对于水资源跨流域引水的研究也取得了丰硕的成果[2～4]。与此同时，国内外专家及学者提出并研究了许多节水高产的灌溉技术，并取得了一系列成果[5]。

滇中引水是云南省一项重大的引水工程，工程的受水区包括丽江、大理、楚雄、昆明、玉溪及红河的6个州市35个县（市、区）、总面积3.69万km2。输水总干渠分为大理Ⅰ段、大理Ⅱ段、楚雄段、昆明段和玉溪、红河段5段，线路全长661km，工程多年平均引水量34.03亿m3。

输水总干渠布置主要输水建筑物有隧洞、倒虹吸、渡槽、暗涵、渠道消能建筑物以及分水闸。倒虹吸作为滇中引水工程中最为复杂的交叉建筑物，在穿（跨）越道路和河沟中起着不可替代的作用，因此交叉建筑物运行过程中存在的风险评估及识别作深入的研究[6]，以确保工程能够安全顺利的实施运行。本文从工程布置、交叉影响、实施难度以及工程投资对高速桥涵保通、顶管下穿和观音山倒虹吸调线各方案进行综合分析评价，得出最优方案，为交叉建筑物的处理提供借鉴。

一、倒虹吸工程概况

观音山倒虹吸线路横穿罗茨盆地，实际长9771.31m，是滇中引水工程中规模最大的倒虹吸。管道最大设计静水头为184.38m。倒虹吸采用3根直径DN4.2m的明钢管输水设计过流能力为Q=100m3/s，管间净间距2m，倒虹吸开挖底宽19.8m，平均槽深2～3m。

武易高速公路是滇中城市经济圈高速公路网络的重要路段，路线起于武定县，接武昆高速，全长104.009公里，按双向六车道高速公路标准建设，路基宽33.5米，设计速度100km/h， 汽车荷载等级公路-Ⅰ级。

武易高速在观音山倒虹吸后段交叉，交叉段高速线路大体为南北走向、倒虹吸管线近东西走向，平面交角84°29′31″，武易高速路基高程1846.00m，路面高程1846.805m。观音山倒虹吸交叉段总宽20.5m，长度约51m。倒虹吸管顶高程为1844.585m，与路基顶面垂直高差1.4m。两工程存在交叉干扰问题。

交叉部位地层岩性从上到下依次为：①残坡积层（Qedl）粘土，含少量碎砾石，厚1m-2m;②第三系上新统石灰坝组（N2s）粘土岩、砂砾岩，半成岩、土状，厚10m～15m;③震旦系灯影组（Zbdn）白云岩，岩溶发育弱，其中上部为强风化层，碎块或碎屑状，垂直厚度约6.0m～8.0m，以下为弱风化层。

二、交叉影响处理方案

经现场踏勘讨论，拟定了倒虹吸桥涵施工保通方案、顶管下穿方案和观音山倒虹吸调线方案，并进行方案比选。

（一）桥涵保通方案

1、桥涵布置方案

该方案将倒虹吸高程降低3.5m，由1842.5m调整至1839.0m，镇墩向西偏移40m，避开倒虹吸布置对公路的影响。武易高速相交处进行路基开挖，然后在武易高速K18+814处设置1孔30米跨桥梁，角度正交。上部结构采用装配式预应力混凝土简支箱梁，下部桥台采用U型桥台，桩基础。倒虹吸输水管从桥梁下方穿越武易高速，橋跨布置方案见图2.1-1，桥梁横断面布置见图2.1-2。

2、武易高速保通方案

倒虹吸下穿方案采用半幅路基施工、半幅路基保通方案：将已成型的高速公路路基左半幅路基开挖，右半幅保通，在左半幅进行桥梁施工，待左半幅桥梁通车后;然后通过左半幅保通，开挖右半幅路基，进行右半幅桥梁施工。桥梁全幅通车后，倒虹吸施工时在桥跨下空间内进行，避免干扰高速公路通车。为保证公路路基运营安全，半幅通车，半幅施工时，需对施工半幅的基坑进行支挡，确保通车半幅的路基稳定，同时施工中要注意保护好中央分隔带中的管线。支挡拟采用桩板墙结构进行支挡，路线平面见图2.1-3。支挡拟采用桩板墙结构进行支挡，见图2.1-4。由于武易高速本段已完成施工，因此需要在后期对现有路基及防护进行改造，增设桥梁，增加水管挖方防护，增设桥梁施工时的临时防护措施。

（二）顶管方案

该方案采用城市穿管常用的顶钢管施工技术，将倒虹吸压力钢管中心高程由1842.5m降低至1834.8m，高程降低7.7m，顶管埋深为9m。顶管位于第三系上新统石灰坝组（N2s）粘土岩、砂砾岩地层中，层厚10m～15m，围岩成半成岩或土状，地质施工条件较差。

根据倒虹吸输水要求及工程布置，顶钢管直径4.2m，三根管道并排布置，间距5m。根据顶管施工及管道抗外压稳定要求，管壁厚度由明管的16mm调整为40mm。

顶管从武易高速东侧顶进，在武易高速路基外侧10m布置工作井，三根钢管并用一个工作井，工作井内尺寸为25.6m×12m×16.8m（长×宽×深），井顶面高程1848.6m，井底高程为1831.8m。竖井采用逆作法开挖施工，内衬C30混凝土跟进，壁厚1m，竖井开挖每节2m。竖井顶部设置一道2m×1.5m圈梁，施工过程中采用3道支撑;顶管施工完成后采用C20混凝土回填至管顶1.5m，同时作为管顶转角镇墩，以上采用开挖料回填。根据计算竖井基地应力大于地基容许承载力，在底板进行局部固结灌浆，固结深度3m。

顶管从武易高速西侧顶出，在武易高速路基外侧10m布置接收井，三根钢管并用一个接收井，内尺寸为25.6m×9m×7.8m（长×宽×深），井顶面高程1839.6m，井底高程为1831.8m。竖井采用逆作法开挖施工，内衬C30混凝土跟进，壁厚0.8m，竖井开挖每节2m。竖井顶部设置一道1.2m×1m圈梁，施工过程中采用2道支撑;顶管施工完成后采用C20混凝土回填至管顶1.5m，同时作为管顶转角镇墩，以上采用开挖料回填。

顶管结束后在倒虹吸压力钢管顶部180°范围进行固结灌浆，灌浆从工作井和接收井分别实施，灌浆孔间排距1.5m×1.5m，梅花型布置，保证武易高速及输水钢管道安全。

（三）倒虹吸绕线方案

该方案在观音山倒虹吸桩号LQDHX6+124m处开始调线（避开转弯镇墩布置在活断层带），线路左转5.26°，下穿武易高速桥梁段后右转7.32°连接的蔡家村隧洞原线路，调线方案过武易高速段为偏移距离最远点，约273m，避开武易高速东侧坟地范围，倒虹吸管道从武易高速北侧桥梁第7跨中间穿过，调整段原线路长度5.373km，调整后线路长5.378km。该方案线路长度增加5m，其中倒虹吸管道长度增加83.33m，倒虹吸出口段增加29.83m，蔡家村隧洞长度减少108.23m。

该方案工程布置施工临时用地涉及调线起点村庄、小水库及江龙温泉花园度假山庄部分征占范围，其中小水库为地方农田灌溉用水，温泉花园度假山庄为个体经营，根据初步现场调查情况，协调难度大，费用高，经初步估算征地移民静态投资增加约1294.61万元。

三、方案比选

从工程布置、交叉影响、实施难度以及工程投资对高速桥涵保通、顶管下穿和观音山倒虹吸调线各方案进行综合对比分析评价，结果见下表3-1。根据表3-1可知，倒虹吸调线方案影响范围大、管道压力增加约25m、压力管道出现了三个平面转弯，对管道水力条件和受力条件均有较大影响，管道采用高支墩形式，对结构抗震不利;同时移民征地调整范围大、且涉及水库及温泉度假山庄的征占地及零星坟地迁移问题，不可控因素多，工程投资较桥涵保通方案增加1730万元。桥涵保通方案和下穿顶管方案的外部环境简单，施工难度小，倒虹吸水力学条件好，但穿顶管方案较桥涵保通方案增加工程投资966万元，且该段倒虹吸运行维护条件差;桥涵保通方案仅在桥涵施工期采用半幅保通，对武易高速交通有一定影响，运行期无影响。综合以上分析，推荐相互影响小，工程投资增加少，倒虹吸运行维护条件好的桥涵保通方案。

四、结语

本文在处理观音山倒虹吸与武易高速两工程的交叉干扰问题上，提出了高速桥涵保通方案、顶管下穿方案和觀音山倒虹吸调线方案，并分别从工程布置的合理性、交叉影响大小、处理方式实施的难易程度以及工程投资四个方面综合分析。结论表明桥涵保通方案具有倒虹吸运行维护条件好、交叉建筑物间相互影响小、工程投资小等优点，即桥涵保通方案最佳。希望能为今后交叉建筑物的处理提供一定参考。

参考文献

[1] 李保国，黄峰.1998～2007年中国农业用水分析[J].水科学进展，2010，21（4）：576-583.

[2] 姜昀，史常艳. 中国跨流域调水工程规划环境管理对策建议[J]. 世界环境，2018， （5）.

[3] 张瑞春. 长距离输水工程的冰期冰盖数值模拟研究[J]. 水利规划与设计，2017， （8）：80-81.

[4] 洪思扬，宋志松，程涛，王红瑞. 基于基尼系数的南水北调受水区水资源空间匹配分析[J]. 北京师范大学学报（自然科学版），2017， （2）： 175-179.

[5] 刘战东，肖俊夫，刘祖贵，等.膜下滴灌不同灌水处理对玉米形态、耗水量及产量的影响[J]. 灌溉排水学报，2011，30（3）：60-64.

[6] 宋轩，刘恒，耿雷华等. 南水北调中线工程交叉建筑物风险识别[J]. 南水北调与水利科技，2009， 7（4）： 13-15.

作者简介：曹劝绩（1978.7），男，云南禄劝人，高级工程师，主要从事水利工程建设与管理工作。