榕江关埠引水工程盾构引水隧洞的设计

方腾卫

(广东省水利电力勘测设计研究院，广东 广州 510635)

1 工程概况

榕江关埠引水工程是韩江、榕江、练江三江水系连通工程的子工程之一，主要任务是针对练江、榕江水生态环境现状，在优先实施控源截污工程和保护好榕江水资源水环境安全的前提下，实现榕江—练江水系连通，改善练江流域水环境污染及水生态破坏等问题，为修复和改善潮汕平原水生态环境提供有力支撑。工程等别为Ⅱ等，工程规模为大(2)型，设计引水流量为20 m3/s，多年平均取水量为4.19亿m3，取水水源为榕江，工程输水线路总长为34.97 km，其中盾构引水隧洞长约为3.82 km。

本工程取水口位于金灶镇新荣村，引水线路沿线穿过新荣村、灶市村、东仓村、波头村后自流进入南面山脚的加压泵站前池，线路基本沿现有道路(波灶路)及渠道底部布置。由于波灶路为当地省道S342和京浦码头的主要通道，采用明挖埋管布置对当地居民生产生活影响巨大，同时道路两侧房屋等建筑物分布较为密集，明挖临时支护及保护措施费用较高，征地也较为困难；同时考虑地质因素，明挖法需进行大面积、长距离的基础处理，因此采用明挖埋管形式不太适宜。为减少征地及对周边建筑物影响，本工程引水管线采用盾构隧洞形式。

盾构引水线路基本沿现有道路及渠道深埋布置，该方案可最大限度减少对地面建筑物的影响、有效减少对土地占用，且为地方长远的规划发展留出了宝贵的地面空间。

2 隧洞设计方案

为满足盾构设备施工要求，线路平面转弯半径为300 m，线路总长度3.82 km。线路平面布置示意见图1。

图1 盾构引水隧洞线路平面布置示意

根据勘探揭露资料，盾构引水隧洞埋深范围内主要为人工填土层、淤泥、淤泥质土及粘土，从上往下主要分布地层为：

①层：人工填土层，主要为粉质粘土、砂质粘性土，松散—稍密，分布于沿线地表，层厚为0.2～3.5 m；

②层：灰黑色淤泥，局部为淤泥质土，粘性好，流塑状为主，局部软塑，沿线普遍分布，是盾构隧洞段主要分布地层，厚度从江边至泵站呈递减趋势，层厚平均值为11.67 m；

③层：青灰—灰黄色粘土，粘性好，可塑，沿线普遍分布，是隧洞段主要分布地层，层厚为2.4～29.2 m，层厚平均值为14.32 m，大部分线路层厚基本稳定，仅局部较薄或较厚。

根据土工试验成果，②层淤泥渗透系数平均值为2.38×10-7cm/s；③层粘土渗透系数平均值为5.82×10-7cm/s。②层淤泥标贯多数为1～2击，最大击数4击，最小击数1击，平均值为1.8击，流塑。③层粘土标贯多数为8～14击，最大击数16击，最小击数5击，平均值为10.1击，可塑。

考虑到隧洞沿线地层上部存在较厚的流塑状淤泥层，厚度为8.0～18 m，其承载力较低，仅为30～40 kPa，因此拟将盾构隧洞基础布置在粘土层，粘土层承载力相对较高，为140～160 kPa。引水盾构隧洞从取水口末端输水竖井引出，起点管中心高程为-21.0 m，后端与加压泵站前池进水闸渐变段相连，管中心高程为-7.40 m。盾构引水隧洞线路纵断面(局部)见图2所示。

图2 盾构引水隧洞线路纵断面示意(局部)

本工程隧洞顶埋深为9.70 m～22.80 m，其中途径村庄处埋深均在10 m以上。

盾构隧洞为单层衬砌结构，不再进行二次衬砌，盾构管片内径为4.2 m，管片厚度0.4 m，管片外侧采用壁后注浆，注浆厚度为1 504 m。管片混凝土强度等级为C55，抗渗等级为W12，钢筋采用HPB300、HRB400钢筋；管片衬砌环采用双面楔形通用环，楔形量为24 mm，环宽平均为1.2 m，一环共为6块，分别由1个封顶块(F)、2个邻接块(L1、L2)和3个标准块(B1、B2、B3)组成。衬砌环的接缝连接包括12套环缝连接螺栓(M30)和16套纵缝连接螺栓(M30)，连接处设有密封止水，管片表面采用防腐处理。隧洞横断面见图3所示。

图3 盾构段标准断面示意

管片采用双面楔形通用环，线路平面转弯半径为300 m。考虑到线路两侧房屋分布较密集，为了给现场方案调整及盾构机临时转弯留出足够的裕度，管片楔形量按线路转弯半径250 m考虑。楔形量计算成果见表1。

表1 楔形量计算成果

管片内力计算采用两种方法进行计算：

① 利用ABAQUS软件进行有限元建模计算；

② 利用盾构隧道管片结构计算与配筋软件V1.0计算(中铁第四勘察设计院集团有限公司和上海同岩土木工程科技有限公司联合研制)。

经计算，盾构配筋结果见表2，管片实际含钢量为232 kg/m3。

表2 盾构管片配筋成果

为保障盾构的安全性、适应性，本次设计选用泥水平衡盾构施工。本工程引水隧洞的盾构机(三江连通号)于2020年5月8日始发，现已掘进1.6 km，最大日进尺为18环(21.6 m)，7月、8月的月进尺分别为371环(456 m)、439环(526.8 m)。同时在盾构掘进之前，对沿线房屋、桥梁等建筑物采取合理有效的加固措施。通过上述措施的保障，引水线路施工及运行对金灶镇沿线村庄现有建筑物基本没有影响。隧洞施工影像资料见图4所示。

图4 盾构引水隧洞影像示意

3 结语

在前期设计过程中，笔者通过借鉴类似工程案例、比对相关计算成果，完成了该盾构引水隧洞的初步设计方案。榕江关埠引水工程开工后，考虑到盾构隧洞直径小、转弯急且地面民房众多，在参建各方现场会议多次讨论后，最终采取了如下优化措施：

1)管片环宽由原初步设计的1.5 m调整为1.2 m，减少管片转弯拟合误差；

2)线路转弯半径由原初步设计的250 m调整为300 m，方便设备转弯；

3)局部优化线路，避免了正下穿房屋；

4)将原本顺着渠道及河岸之间布置的线路全部摆正至渠道中间，方便控制土仓压力，减少地面沉降。

本文旨在介绍榕江关埠引水工程盾构引水隧洞的工法选择、方案设计及优化措施，下一步随着隧洞的贯通及工程的通水运行，笔者将继续学习及总结相关经验，供类似工程参考。