穿江底隧洞盾构机掘进方式复合衬砌设计

杜 鹏，况磊强

(四川水发勘测设计研究有限公司，四川 成都 610072)

很多大型灌区或长距离调水工程沿线将穿越大江大河，穿江建筑物的选择至关重要。在有通航或环保要求的河段，采用渡槽、管桥、倒虹管等方式会对河道及原始河床造成不同程度的扰动，在工程布置上受到较大限制。因此，在一些敏感河段，只能采用穿江隧洞下穿河床，利用有压倒虹吸原理进行交叉穿越。如果选择常规掘进方式的施工方案，一方面对地质条件的适应性要求苛刻，另一方面也将面临施工期洞室围岩变形失稳、围岩渗透失稳、突涌水、掌子面失稳、排水通风等安全风险。

随着施工设备和技术的进步，一些先进的施工工法和工艺也在水利工程建设中不断得到应用。在适合条件的情况下，采用盾构机掘进方式下穿江底隧洞，不仅可以把施工风险降到最低，还能大幅加快施工进度。水利输水工程和市政、交通工程一个大的区别在于，输水工程建成后，江底洞段需要承担较高的内水压力，而盾构机掘进施工期采用管片支护，主要承担洞室外部的外水压力和岩土压力，管片为现场拼装结构，具有较好的承受外压的能力，但无法承受较高的内水压力。因此，如何研究制定合理可靠的衬砌结构型式，在采用盾构机掘进方式的江底输水隧洞工程中，显得十分重要。本文根据四川向家坝灌区北总干渠一期工程下穿岷江的江底隧洞实施情况，总结分析了盾构机掘进方式下的复合衬砌结构的特点和适应性。

1 项目概况及方案研究背景

向家坝北总干渠灌区涉及四川省宜宾市、泸州市、自贡市和内江市4个市，包括宜宾市、泸州市和自贡市3市12个县(区)灌面。北总干渠供水范围：西起向家坝枢纽，东至泸州市，北至自贡市，南以长江为界。设计灌溉面积329.40万亩，灌区内补充供水乡镇113个，供水县城4座，并向周边自贡、内江市区和隆昌县城供水，该工程为国家172项重点水利建设项目，工程等别为I等大(1)型。北总干渠跨岷江的猫儿沱江底隧洞位于岷江宜宾县喜捷镇河段上，处于总干渠前段，桩号15+569.43～17+392.37，是整个工程中最为关键和重要的建筑物。

跨岷江建筑物方案受两个较为敏感的因素影响，一是岷江为三级航道，在施工期、运行期均有通航要求；二是工区位于长江珍稀鱼类洄游自然保护的缓冲区。为避免对通航及珍稀鱼类保护区造成影响，采用江底隧洞穿越岷江。

工程河段属丘陵地貌，河谷为不对称的“U”型谷，两岸地面高程272.20～407.80m。跨江段地貌形态主要表现为侵蚀堆积地貌，河谷宽280～605m，河床高程为260.20～278.50m，河床比降0.8‰～15‰，为横向谷。工程区出露地层除第四系松散堆积层(Q)外，基岩内分布有侏罗系上统蓬莱镇组(J3p)之砂岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩与泥岩等一套河湖相沉积的碎屑岩；白垩系下统窝头山组(K1w)之砖红色厚层块状铁泥质不等粒长石石英砂岩、砖红色泥岩。左右两岸主要为窝头山组，江底隧洞段为蓬莱镇组。其粉砂质泥岩饱和抗压强度平均值10.5MPa，泥岩饱和抗压强度平均值8.3MPa，均为软岩。沿洞轴线岩层中发育层间错动97条，大多为中等透水。施工期过江隧洞洞顶以上最大外水水头45～55m。

2 穿江隧洞掘进方式及衬砌结构方案研究

拟定常规掘进成洞衬砌方案和盾构机掘进成洞衬砌方案进行综合比较，常规掘进成洞方案布置在江底以下40m，利用洞顶上部的水平层厚状泥岩并施加强力的临时支护措施阻隔江水渗入洞室。盾构机掘进成洞方案布置在江底以下10m，盾构机选型为泥水平衡型，利用管片抵抗外部土水压力，穿江段岩石平均抗压强度为8.3～10MPa，适合刀盘掘进。盾构机掘进成洞方案较常规掘进成洞方案投资高1.13亿元，但施工风险更为可控，对围岩地质条件的适应性更好，猫儿沱江底隧洞又是本项目中最为关键、施工技术难度相对最大的单项工程；同时，岷江河段因通航和珍稀鱼类保护区问题，区域位置十分敏感，一旦施工过程中出现安全问题，社会压力巨大，江底隧洞工程的二次处理难度和投资难以估量。经综合研究比选，最终确定采用泥水平衡型盾构机掘进、管片+钢管复合衬砌结构方案下穿岷江。

泥水平衡型盾构机选型充分考虑了其以下特点并开展相应的特性设计：

(1)泥水盾构掘进成洞方式对地质条件要求相对较低，避免了因层间错动带、裂隙与江水连通的风险，施工安全风险较小，施工工艺成熟。

(2)针对本工程的地质条件和岩石力学指标，对泥水盾构进行刀盘设计、防泥饼和刀盘结泥设计，抗外水压设计等，以保证掘进过程中设备安全和顺利运行。

(3)盾构机安装和始发姿态控制是重点，掘进过程中采用适当的纵坡比降，解决施工期排水和盾头姿态平衡。

(4)掘进过程中的管片对位安装、同步注浆和二次注浆质量、盾尾刷止浆封闭措施等须有可靠的保证措施。

(5)本工程江底隧洞为软质砂岩、泥岩，泥水分离处理有一定难度，应采取措施增加泥桨回收利用率，以满足环保达标排放。

(6)接受竖井高度达110m以上，为大扬程垂直运输，设备安装、解体拆除、启吊过程中涉及到大吨位、大扬程启吊运输，竖井内作业空间相对狭窄，应采取措施保证人员和设备安全。

3 布置方案及结构设计

3.1 布置方案

猫儿沱江底隧洞上接总干渠白沙地隧洞，下连望江岩隧洞，全长1.83km，跨江的江底隧洞段洞轴线与岷江垂直，盾构起点距已建成通车的“成宜昭”高速跨岷江大桥交叉点110m，并从高速公路桥排架基础以下穿越(如图1—2所示)。隧洞设计流量93m3/s，隧洞衬砌完成后内径7.0m。

图1 猫儿沱江底隧洞平面布置

图2 猫儿沱江底隧洞纵剖布置图

整个江底隧洞采用倒虹吸型式，隧洞前段为滩地埋管，埋管段进口节制闸，分别设一扇拦污栅和工作门。进口闸室上游右侧设泄水闸，泄入岷江右岸支流鸯溪河。

滩地埋管接进口前池末端，终止于斜井进口前。采用单根钢管布置，钢管直径7.0m，设计流量下的流速2.42m/s，最大水头90.53m，管材采用Q345R，管壁厚度18～26mm，埋管段单管总长度606.55m。

由盾构机掘进的穿江隧洞段包括：右岸斜井段、江底平洞段、左岸斜井段，总长1.35km。右岸斜井段起点为盾构机始发段，根据不同型式盾构机的驱动系统差异，确定出发井尺寸，本工程泥水平衡型盾构机的始发井平面上为矩形，净宽23m，长59m，平均深度24m。反力架设于距洞口14.6m，始发井中后部布置管道出渣提升系统。斜井进口洞顶距地面垂直基岩覆盖深度30m，洞口水平及垂直向分别采用10m深度袖管固结灌浆加固岩体。斜井段水平投影长度750m，江底平洞段水平投影长度307m，左岸平洞水平投影长度290m。为适应地质条件，满足盾构机掘进过程中的机头稳定和排水要求，同时尽量降低左岸接收井的高度，江底隧洞在纵向采用“U”型，右岸斜井、江底平洞、左岸斜井纵向坡度i分别为2.67%、0%、1.52%。江底平洞和左岸斜井段为反向坡。

盾构机开挖洞径9.1m，管片外径8.8m，外衬管片采用C50预制钢筋砼，厚度0.45m，管片与围岩间回填C25水泥砂浆，灌浆厚度0.15m，充分充填盾头开挖洞室外径与管片外径之间的缝隙。随盾头掘进，管片跟进安装，单个标准断面安装8块管片，横向管片采用液压杆顶撑就位，管片之间采用高强螺栓连接，纵向单环长度1.6m，横向一周安装完毕后，在外压下，形成圆环承压效应，管片间的止水条发挥止水作用。盾构掘进贯通，管片也紧跟安装完毕，实现施工期江底隧洞一期支护体系。之后在洞内实施二期钢管内衬施工，内径7.0m，管材为Q345R，按埋管理论设计，管壁厚度22～26mm。钢管与外衬预制砼管片之间回填0.45m的C30UEA微膨胀砼起到补偿收缩作用，同时控制砼与钢管壁的缝隙，减少接触灌浆对钢管的影响。

左岸江底隧洞出口布置接收竖井，竖井深度114.1m，衬砌后直径18m，以满足设备吊运的空间要求，井壁采用C25砼衬砌，厚度2.0～2.2m。盾构机掘进贯通后，盾头及刀盘等原地拆解，由竖井吊出，运行期竖井作为江底隧洞倒虹吸组成部分。末端接出口控制闸，再衔接下游渠系建筑物。

3.2 结构设计

3.2.1江底隧洞结构受力设计原则

国内很多市政、交通等采用盾构机掘进的隧道工程，其建成后永久运行的隧洞为无压洞，管片安装完成后，不仅可以满足施工期的洞室临时支护要求，也可结合项目功能需要，把管片作为永久支护的主要组成部分。本工程的江底隧洞建成后为有压隧洞，最大内水压力1.2MPa，施工期安装的管片因其受力特性而无法承受。因此，结合本江底隧洞的工况特点，建立了相对清晰的施工期和运行期不同的支护体系，遵循“外水外承、内水内承”洞身复合衬砌结构的设计原则。施工期由管片承担岷江相应标准的施工洪水和围岩压力，运行期由钢管承担设计内水压力。钢管与管片间回填C30UEA补偿收缩砼，担负钢管外部的传力介质作用。施工期钢管不承受洞室外部土水压力荷载，运行期对外部土水荷载进行抗外压稳定复核。通过有限元网格建模分析计算，各区的应力状态和变形控制均应满足设计要求。

3.2.2管片内力及位移量分析

管片采用C50钢筋混凝土，抗渗等级P12。以“5+3+1”的形式进行拼装，采用通用楔形环，38mm双面楔形。每环由1块封顶块(中心角16°21′49)、2块邻接块(中心角49°5′27″)、5块标准块(中心角49°5′27″)组成。管片断面构造如图3所示，拼装成型后如图4所示。

图3 衬砌环管片构造图

图4 现场拼装成型图

隧道管片详细参数为：管片外径8.8m，内径7.9m，管片厚度0.45m，管片宽度1.6m，管片拼接方式为错缝拼装。衬砌环的接缝连接采用斜螺栓连接，包括22个环缝连接螺栓(M30)和16个纵缝连接螺栓(M30)。

经管片内力计算，轴力分布较为均匀，由于荷载竖向作用，下半圆量值较上半圆大，总体量值在5651.71～5994.38kN/环；而剪力主要分布在上半圆，其最大值出现在顶拱两侧，其量值为83.87kN/环；弯矩则主要分布在上半圆，其最大值出现在顶拱，其量值为159.04kN/环。

从位移变形计算结果分析，在确保连接螺栓抗剪强度和相邻管片间定位准确的条件下，变形量总体较为对称，顶拱和底板向洞内变形，顶拱最大位移为7.582mm；洞腰向洞外变形，最大值为4.315mm。

管片内力及位移计算结果见表1。

表1 管片内力位移计算结果表

3.2.3钢管埋管段结构布置

隧洞贯通后在外层管片保护下，洞内安装直径7m的内衬钢管，内衬钢管和管片之间填充0.45m厚C30补偿收缩UEA砼(如图5所示)。由于洞内安装空间较为狭窄，采用定制的大直径钢管运输安装台车，将长度9.0m一段的钢管运输到位后，再利用液压顶托和红外线定位等辅助手段，确保每节钢管的准确对接撑圆并实施管内机器人焊接(如图6所示)。

图5 复合衬砌大样图

图6 钢管成型图

3.2.4管片及钢管有限元结构分析

通过结构力学法完成管片配筋设计，管片承担外部土水压力，全断面以径向承压为主，同时在环向轴压作用下，忽略各锚栓的折减效应；内衬钢管在与回填砼、管片、围岩共同作用下，承担运行期内水压力，按埋管理论进行结构设计。采用有限元进行整体应力应变分析，各典型部位的应力和变形均满足设计和规范要求。结果见表2，如图7所示。

表2 管片及钢管变形及应力分析成果表

图7 管片、钢管工况应力分布图

4 结语

向家坝北总干渠下穿岷江江底隧洞2021年10月15日正式进洞，2022年6月17日顺利贯通，整个施工过程安全风险可控，掘进速度最高可保持在20m/d，盾构机全部在接收井拆除并吊运出井，并开展后续的钢管安装施工。

(1)在建设条件比较敏感的大江大河，采用泥水平衡盾构机掘进方式，能够更大程度上保证施工安全，在地层条件相对稳定的情况下，可以实现较高的掘进进度。

(2)对于采用有压下穿江底的输水工程，遵循“外水外承、内水内承”洞身复合衬砌结构的设计原则，使得隧洞整体结构受力清晰，外部结构和内部结构各负其责，管片只承担施工期的外部土水压力；运行期则通过管片与钢管间的回填补偿收缩砼和外部岩体协调形成受力整体，内水压力全部由钢管承担，确保工程安全。

通过本次下穿岷江猫儿沱江底隧洞盾构机掘进方式复合衬砌结构设计研究，为大流量、大直径隧洞穿越建设条件复杂敏感的大江大河提供了可借鉴的成功案例。