盾构施工法在新安县引故入新工程中的应用

赵 丽

（洛阳水利勘测设计有限责任公司,河南 洛阳 471000）

1 引言

盾构法施工平均每月掘进速度400 m 左右,基本上是传统钻爆法施工速度的4～6 倍,盾构机从隧洞两端相向掘进,不需要开挖竖井增加工作面,施工过程中隧洞一次成形,盾构管片拼装同步进行,不需要进行支护,省掉了上述钻爆法作业中的多项工序,施工过程不存在炸药管控问题,减少了施工安全隐患的发生；而且施工作业面除进出口始发场地外,主要在隧洞内对外界扰动小,作业面少利于集中管理,有利于施工工期控制。

2 工程概况

新安县位于河南省洛阳市西部,新安县引故入新工程隧洞段长度18.647 knm,桩号范围2+521.7～21+168.3,隧洞线路较长。据地质勘察报告,隧洞段围岩条件较差,Ⅳ、Ⅴ类围岩段占隧 洞比例较大（占隧洞段总长的 77%）。设计桩号4+113.2～20+836.7 段隧洞埋深较深且无外露作业面,也无布置施工支洞条件。设计桩号8+406～8+533 段、10+863～11+070 段、14+380～14+668 段为砾岩、砂岩夹层,且岩体内地下水水量较丰富,支护难度较高。

3 隧洞段工程设计

隧洞进口布置在省道S318 西侧,隧洞出口布置在新安县城关镇南庄村东侧涧河右岸山体。根据地形条件及盾构设备施工需要,在桩号2+590.2、桩号5+199.5 和桩号19+86.4 处设3处转弯, 转弯半径300 m。 隧洞进口高程272.00 m,隧洞段纵坡均为1/2500。

3.1 盾构施工法隧洞断面设计

根据盾构设备施工要求,隧洞断面为圆形断面,设计引水流量较小仅为0.58 m3/s,纵坡为1/2500,若仅为满足引水流量需求,洞身按明渠均匀流计算：

洞身断面尺寸按明渠均匀流计算,计算公式为：

式中：ω为洞身过水断面面积,m2；c为谢才系数,按曼宁公式计算；n为糙率,取n=0.017；R为水力半径,m；i为洞底纵坡, 1/2500。

根据上式计算,圆形隧洞洞径1.3 m 即可满足过流要求,但考虑隧道掘进机设备尺寸及施工需求,隧洞内径定为3 m。

当隧洞设计内径为3 m 时,按照上式计算,隧洞设计水深0.6 m,隧洞内流速为0.58 m/s。

另外故县水库引水洞位于淤积高程以上,而且洛阳市故县水库引水工程和本次引故入新工程隧洞前段均采用管道引水,水质条件较好。经查故县水库多年平均含沙量5.13 kg/m3。

隧洞不冲流速参考《灌溉与排水工程设计规范》（GB 50288-1999）附录F,预制管片衬砌隧洞的允许不冲流速5 m/s。

隧洞不淤流速采用黄委会水科所公式计算：

式中： C0为不淤流速系数,本工程取 0.4；Q为设计流量,本工程为 0.58 m3/s。

按照上式计算,隧洞不淤流速 =0.3 m/s。

结合《水力计算手册》（武汉大学水力水电学院水力学教研室主 编 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。

本工程隧洞内设计流速为0.58 m/s,小于允许不冲流速 5 m/s, 大于不淤流速0.3 m/s,因此隧洞设计流速满足不冲不淤要求。

根据上述水力学计算,并与厂家结合后,工程土压平衡盾构机掘进外径3.86 m,管片衬砌外径3.6 m,管片厚度0.3 m,内径3 m。根据盾构设备施工需要,隧洞内部结构形式调整为装配式预制钢筋混凝土管片拼装结构。

3.2 管片结构计算

（1）计算模型及计算方法

本次根据隧洞埋深、围岩条件、地下水情况,选取桩号 4+975、10+950、20+305 三处典型断面进行管片计算,外部围岩采用受压弹簧模拟,弹簧不产生拉力,弹簧径向刚度 k 即为围岩弹性抗力系数, 根据地质报告进行选取。本次管片结构计算采用修正惯用法,利用 SAP 程序进行模拟分析计算。计算中考虑地层的弹性抗力作用。其中衬砌环的计算刚度采用 （EI）计=η（EI）实,配筋时设计弯矩采用 M设=（1+ζ）M 计,即 M设=1.3 M;接头螺栓的设计弯矩采用 M设=（1-ζ）M计,即 M设=0.7 M。式中：h为弯曲刚度有效率,取0.65；ζ为弯矩增大系数,取 0.3。 计算模型见图1。

图1 管片计算模型

经计算桩号4+975、10+950、20+305 处管片最大弯矩为158.51 kN·m、169.61 kN·m、101.77 kN·m,,配筋时设计弯矩采用上述弯矩值的1.3 倍,经计算桩号4+975、10+950 处单块管片受力钢筋配8根C16 钢筋,桩号20+305 处单块管片按照构造配8 根C14 钢筋即可。

（1）计算荷载

①围岩压力

本工程隧洞开挖过程 中根据围岩类别、破碎情况均采用不同程度的临时支护措施,为安全考虑,本次隧洞围岩压力计算采用《水工隧洞设计规范》（SL 279-2016）中的9.2.4-1,9.2.4-2 计算公式：

式中：qv为垂直均布围岩压力,kN/m2；qh为水平均布围岩压力,kN/m2；γ为岩体重度,根据不同洞段地层情况,取 22 kN/m3～25.4 kN/m3；B为隧洞开挖宽度,3.86 m；H为隧洞开挖高度,3.86 m。

②衬砌自重

衬砌结构自重利用下式计算。

式中：G为衬砌结构自重,kN/m2；γ为衬砌结构的重度,素混凝土取24 kN/m3,钢筋混凝土 取25 kN/m3；h为衬砌结构厚度,0.3 m。

③外水压力

隧洞外水压力采用《水工隧洞设计规范》（SL 279-2016）的附录 C 中的 C.0.1 计算公式进行计算。

式中：Pe为作用在衬砌结构外表面的地下水压力,kN/m2；βe为外水压力折减系数,根据水文地质报告,本次取 0.1～0.9；γw为水的重度,9.81 kN/m3；He为地下水位线至隧洞中心线的作用水头,m。

④外水压力

隧洞外水压力采用《水工隧洞设计规范》（SL 279-2016）的计算公式进行计算。

式中：Pw为隧洞内水压力,kN/m2；γw为水的重度,9.81 kN/m3；Hw为隧洞内水位,取0.6 m。

⑤注浆压力

根据管片壁后注浆设计,施工过程中注浆压力应通过实验确定,管片计算注浆压力取0.4 MPa。

（2）管片局部抗压验算

管片拼装及盾构机掘进过程中,千斤顶的作用对管片结构内力有较大的影响,因此,设计中考虑千斤顶荷载对管片结构配筋的影响。 考虑到千斤顶数量、最大推力（按1600 kN 考虑）及作用位置,千斤顶撑靴板长度50 cm,作用在宽度为30 cm 的管片端面上。通过对管片 局部受压环的局部承压面积为 500×250 mm2。为安全起见,按照素混凝土构件局部受压,按照《水工混凝土结构设计规范》（SL 191-2008） 中5.4.1-1、5.4.1-2 式计算。

式中：K为承载力安全系数,取1.25；F为局部受压荷载,取1.2×1600=1920 kN；为荷载分布影响系数,取1；fc为混凝土抗压强度设计值,为23.1 N/mm2；A1为混凝土局部受压面积,A1=500×250=12500 mm2；Ab为混凝土局部受压时的计算面积,按照规范 A1=300×（500 ×3）=45000 mm2；β1为混凝土局部受压提高系数,β1=0.5×（45000/12500）=1.90。

经计算 KF1=2400 kN≤ωβ1fcA1=1×1.90×23.1×12500 =548 kN, 满足局部抗压要求。

3.3 盾构方案比较

根据引故入新隧洞布置,采用盾构法施工,可采用以下三种盾构施工方案,本次从施工难度、施工工期、工程投资等方面对三种方案 进行对比分析。

3.3.1 可选方案

方案一：隧洞段全部都采用盾构机施工,即：桩 号 2+521.7～21+168.3 段隧洞采用2 台土压平衡盾构机,分别从桩号2+521.7 和桩号21+168.3 处始发,进行相向掘进施工,洞内对接, 洞内拆机。见图2。

图2 方案一施工方案布置示意图

方案二：桩号16+965～21+168.3 段采用钻爆法施工,剩余桩号2+521.7～16+965 段采用2 台土压平衡盾构机分别从桩号2+521.7 和 桩号16+965 处始发,进行相向掘进施工,洞内对接,洞内拆机。该方案上游段隧洞自2+521.7 处水平运输出渣,下游段隧洞里,采用长距离皮带机+垂直皮带机自16+965 处新建竖井出渣。该方案需要布置竖井2 个,其中：在16+965 处布置 1 处,作为下游盾构机的始发井、出渣井以及下游硬岩钻爆段的施工竖井；另外,在19+080 处布置1处竖井作为硬岩钻爆段的施工竖井。 见图3

图3 方案二施工方案布置示意图

方案三：桩号2+521.7～4+566.7 段采用钻爆法施工,桩号4+566.7～21+168.3 段采用2 台土压平衡盾构机施工分别在桩号4+566.7 和桩号21+168.3 处始发,进行相向掘进施工,洞内拆机。见图4。

图4 方案三施工方案布置示意图

3.3.2 方案比选及确定

（1）难度

方案一：该方案全段18.7 km 隧洞均采用盾构设备施工,上下游桩号

2+521.7、桩号21+168.3 两处始发场地较开阔,也都有布置条件,施工相对容易,难度不大。

方案二： 该方案为保证下游盾构设备始发进洞和钻爆法施工进度,需布置 两个竖井,其中：桩号16+965 处竖井,作为下游盾构机的始发井、出渣井以及下游硬岩钻爆段的施工竖井,竖井长8 m,宽6 m,深120 m；桩号19+080 处竖井作为硬岩钻爆段的施工竖井,直径5 m,深110 m。两处竖井埋深均在100 m 以上,而且16+965 处竖井作为盾构设备始发竖井,要求断面较大,施工难度非常大,将成为制约该方案施工进度的一个主要因素。

另外,该方案下游盾构段隧洞需要采用长距离皮带机和垂直皮带机配合,自16+965 处的新建始发竖井出渣,如前所述,该处竖井深度120 m,进行垂直出渣难度大,效率将低,这也是制约该方案施工进度的一个主要因素。

方案三：根据现场地形条件,若在该处布置始发场地,需向下开挖8 m 布置始发竖井,开挖难度虽然不大,但是桩号4+566.7 处位于山谷冲沟内,雨季上游洪水将对始发井和上段隧洞造成威胁,雨季施工抽、排 水问题比较突出。

另外,桩号4+566.7 处始发场地距离交通主干道较远,沿途经过乡村小路,道路两侧为民房,居民较多,而且始发场地地势较高,设备、材料进场需经过爬坡道路,因此,该处始发场地的设备、材料运输较困难。

综上所述,从施工难易程度上来讲,方案一（全段隧洞长18.7 km采用2 台土压平衡盾构机进行相向掘进施工）的施工难度相对最小。

（2）施工工期

方案一：根据前期对盾构设备厂家调研咨询结果,土压平衡盾构设备制造周期在8 个月。该方案始发场地分别位于隧洞进出口,场地开阔,设备安装调试空间充足,设备安装调试时间2 个月。土压平衡盾构机分别自隧洞进出口始发,采用水平出渣方式自隧洞进、出口出渣,盾构设备在桩号2+521.7～16+965 段的施工速度约为400 m/月,在桩号 16+965～21+168.3 段的施工速度约为340 m/月。据此,对方案一进行施工工期计划安排,方案一总工期为40 个月。

方案二：土压平衡盾构设备制造周期在8 个月。该方案分别在隧洞进口和桩号16+965 处竖井始发,由于竖井施工相对空间狭小,下游盾构设备在竖井内安装调试时间较长,为3 个月。桩号16+965 处竖井深度120 m,竖井施工工期较长。另外下游盾构设备出渣需要从16+965 处竖井出渣,竖井出渣进度将成为制约 下游盾构设备施工速度的主要因素。目前,对于这种长距离、大倾角的渣土输送,一般采用波状挡边带式输送机。经调查,该种输送机输送能力在100 t/h～140 t/h,按100 t/h计算,单循环渣土出渣需15 min。考虑盾构掘进、管片安装、维修等因素后,盾构设备掘进速度按280 m/月考虑。由于该段效率较低,为保证整体工程进度,统筹考虑,桩号12+450～16+965 段自竖井出渣,长度4.5 km。据此,对方案二进行施工工期计划安排,方案二总工期为40 个月。

方案三：土压平衡盾构设备制造周期在8 个月。该方盾构设备始发场地同样较开阔,设备安装调试及掘进出渣方式与方案一基本相同,因此设备安装调试时间按2 个月考虑。与方案一相同,盾构设备在桩号4+566.7～16+965 段的施工速度约为400 m/月,在桩号16+965～21+168.3 段的施工速度约为340 m/月。据此方案三总工期为36 个月。

从三个方案施工进度可以看出,方案一、方案二总工期均为40 个月,方案三总工期36个月。就工期进度而言,三个方案工期进度相差较小,方案三工期最短,方案三工期比方案一、方案二工期短3 个月,方案三施工进度与方案一相比,优势不是特别明显。

（3）工程投资

工程概算主要材料价格水平年采用新安县2017 年第四季度价格水平,工程概算依据豫水建[2017]1 号文发布《河南省水利水电工程设计概（估）算编制规定》编制。3 个方案工程部分投资见表2。

表2 工程部分估算投资对比表 单位：万元

三个方案投资相差较小,估算投资最大的方案（方案三）比估算投资最小的方案（方案二）多 3160 万元。

（4）盾构方案比较结论

从以上的方案对比发现,从施工难易程度上来说,方案一（全段隧洞长 18.7 km 采用 2 台土压平衡盾构机进行相向掘进施工）的施工难度相对最小；从施工工期上来说,方案三（前段 2.1 km 采用钻爆法,其它段采用盾构）最快；从工程造价上来说,方案二提出的方案（末端硬岩段采用钻爆法,其它段采用盾构）最少。

上述三个方案各有优点,但是施工进度和工程投资方面,三个方案均相差较小,优势并不是特别明显。因此,若采用盾构法施工方案,从施工难度和施工风险控制等方面考虑,推荐采用方案一（全段隧洞长 18.7 km 采用 2 台土压平衡盾构机进行相向掘进施工）。

4 结论

盾构施工法目前在很多隧道工程里都有成功的应用案例,并积累了丰富的施工经验。盾构施工法在新安县引故入新工程中的应用可知,应用的前提要依据工程的实际情况进行分析,并根据地形条件及盾构设备施工需要进行断面设计以及参数的计算,具体的施工方法也要考虑其工期、投资、难度。通过本文的具体分析希望可以给同类型的工程提供一定的参考意见。