盾构及内衬钢管技术在西江引水工程中的应用

论文导读：西江引水工程主线采用2条DN3600的管道输水。盾构法施工起源于欧洲。内衬钢管承受内压。内衬钢管，盾构及内衬钢管技术在西江引水工程中的应用。
关键词：西江引水工程，盾构，内衬钢管
 

盾构法施工起源于欧洲，后在日本、和美洲的一些国家也有了较大的发展，现在已广泛地应用于世界各地。盾构技术是利用盾构机械所特有的盾壳作为支护，采用多种切削方式进行开挖，同时通过自动衬砌的混凝土管片？并灌浆，可以安全可靠的地维持洞外土体稳定，从而形成质量完好的洞身。盾构法在国内外的给排水工程中均有过应用。环伦敦供水工程输水隧道全长80km，二期采用盾构技术，经过水厂处理过的出水通过地下输水管道自流送到设在环绕伦敦供水隧道线路上的l0座泵站，然后由水泵站将水送到与之相连的遍及伦敦的城市配水系统。国内，最先应用于给排水管道施工的是1999年北京地区采用盾构法建设了亮马河北路污水截留管线工程（盾构管线长为

1 675 m）。现正在建设的南水北调、青草沙原水工程中也采用了盾构技术。

广州市西江引水工程在穿越两座大型立交-小塘立交和官窑立交时采用了盾构法施工，盾构长度分别为2 470 m和1 620 m。本文以下将从方案选择、方案设计、工程施工及过程控制等方面论述盾构及内衬钢管技术在西江引水工程中应用情况。

1方案选择

1.1 施工工法

小塘立交桥位于广三高速与西二环高速的交汇点，周边还有运行的广茂铁路、规划的贵广铁路、321国道等交通线，上述交通设施车流量巨大，同时立交桥范围内多软土层，对沉降要求较高，且立交范围的广三高速基础含有预应力管桩结构，埋深超过15 m。官窑立交与小塘立交相似，立交范围匝道众多，地质条件复杂，对沉降要求高，在其范围还包含有天然气调压站和密集村镇。故，因此，只能选用不开槽施工的方法，。给排水管线中常用的不开槽施工工法主要有盾构法、顶管法、浅埋暗挖法、定向钻法、夯管法等。根据本工程的特点，适合穿越上述障碍的工法主要有顶管法和盾构法。

顶管法与盾构方案同属非开挖方案，两者既有相同之处又有所区别。相同点有：需要设置始发和接收井；避免地面开挖；对地勘资料详细掌握；向前推进力均需千斤顶提供；平衡开挖面压力均可采用泥水和土压力。不同点有：根数不同，采取顶管方案需要两根，常规盾构方案可以一根满足过流要求；适用埋深不同，大直径顶管只能采用钢管，由于壁厚限制覆土不能太深，盾构采用高强度预应力管片结构，几十米的埋深容易满足；推力大小不同，顶管要平衡两组千斤顶之间的所有侧向摩擦力以及正面土压力，盾构只需平衡盾构体外壁与外土摩擦力以及正面土压力。论文参考，内衬钢管。，所以盾构只需一组千斤顶，需要的推进力小且不会随着长度变化而增加；防腐和工程安全性不同，大直径顶管必须采用钢管，钢管的外防腐采用涂料，施工中不断收到外土摩擦破坏严重，采用钢管仅有一道钢板防护。盾构方案有盾构片及内衬两重防护，防腐效果可靠，同时两层结构的防护性远高于顶管。经过本工程的前期工作与方案比较，参考本工程专题报告的相关数据，盾构与顶管的主要技术、经济指标的比较列于见表1。

表1 盾构法与顶管法经济技术的比较表

Tab.1 the economic and technologic analysis betweenshield method and pipe jacking method

顶管方案更适合小直径的短线浅埋管道工程，盾构比较适合长距离，、大断面的隧洞工程。本工程需要穿越的大型障碍物不但占地面积大，地下结构物形式也很复杂，同时要求的过流断面巨大，穿越距离长，并且难以短距离内设置工作井，经过综合比较，在考虑保证穿越障碍的安全、减少工程征借地、降低拆迁难度以及保证工程进度情况下，盾构具有明显的优势。为保证工程的顺利实施，确保亚运会前建成通水，本工程穿越大型障碍物采用盾构工法穿越，单洞长距离一次通过。

盾构机采用广州地铁盾构实施中大量采用的ф6300mm盾构机，这样有利于节省设计建设周期、有大量珠三角地区的成功经验可供参考，对于工程的建设实施比较有利。同时也要注意，和顶管等其他地下工程相同，盾构方式相对明挖方法投资较大、施工周期长、施工风险大，需要对地质工作做系统详细的前期工作，并应结合地勘资料的进行细致的方案论证工作。

1.2 内衬工艺

由于管道需承受较大的内压，因此应考虑盾构完成后的隧道内的二次衬砌。通常盾构隧道内衬选择钢筋水泥砂浆衬砌，但该方式施工周期长，无法满足工程建设的进度要求，因此不予采用。此外，可以考虑内置PCCP管或钢管的方式，内置PCCP管的方案由于管道自重太大，在盾构隧道狭小的空间内无法解决运输及安装的问题，因此也无法采用。内置钢管的方案从重量及施工难度角度较优，对钢内衬和现浇钢筋混凝土衬砌两种内衬形式进行了经济技术比较，如表2所示。

表2 钢内衬和现浇钢筋混凝土衬砌主要优、缺点

Tab.2 the merits and demerits ofthe tunnel lined by inner steel pipe or reinforced concrete

考虑工程的经济性与工期要求，结合工程各盾构段的承压及埋深，并考虑工程的安全性、可靠性要求，本工程盾构段内衬形式内衬钢管。

2 方案设计

2.1 隧洞尺寸

西江引水工程主线采用2条DN3600的管道输水，至盾构段管道变为一条，根据水流过水面积计算，输水管内径控制为在4.8m，则整个工艺尺寸是盾构隧洞外径为6.3m，加装管片后内径为5.4m，内衬壁厚为20mm的DN4800钢管，钢管与隧洞之间空隙填充自密实混凝土。自密实混凝土层的作用是：起到固定和止推的效用，稳定隧洞结构体系；起到填充作用，防止隧洞内积水，同时有利于钢管的防腐。隧洞结构及尺寸如图1所示。

图1盾构隧道尺寸与结构图

Fig.1 the size and structure of the shield tunnel

2.2 盾构工艺

小塘立交段全长2470m，采用了泥水平衡盾构技术，在管线中心位置设置始发井，两端各设接收井，由中间到两端同时掘进。官窑立交段总长1620m，采用了土压平衡的盾构技术，一端始发，一端接收，一次掘进。隧洞的坡降控制在0.5%左右，管线走向非直线型，最小转弯半径为300m。

2.3 承压情况

盾构体承受外压，内衬钢管承受内压，在两者之间除了填充自密实混凝土，还设计有一层2mm的薄壁弹性材料，用于隔绝内外的输水系统和盾构体系，使内衬钢管不承受外部压力。

设计的输水压力为0.4Mpa4MPa，管道埋深20m，则内部承受水压为0.6Mpa6MPa，根据钢管的弹性模量计算其在承受内压时的径向变形量：

E=(F/S)/(dL/L)，其中E为钢管的弹性模量，钢材的E=2.06×*105Mpa105MPa，F/S可看作承受压力，则钢管变形量为：dL/L=0.0029mm，所以2mm的薄壁弹性材料完全可以起到隔离作用。

3 施工及安装

3.1盾构施工地面沉降控制

地面沉降控制主要体现在盾构推进过程中：(1)进行地表建筑物及地层地质分析调查，选择合理施工方案；(2)加强地面监测，合理布置监测点；(3)合理设定目标土压力的管理值和注浆参数值；(4)精心管理，均衡施工；(5)加强施工过程监测，采用信息化施工，将各类数据及时分析、反馈，从而优化调整施工参数。

3.2 盾构掘进与管片安装

盾构掘进过程中每一环都对盾构姿态进行测量，满足设计轴线要求，如有偏离，进行及时纠正，同步做好各项施工、掘进、设备和装置的管理工作。掘进到1/3管道长度时，对已建管道要进行贯通测量，隧洞整体贯通后，进行复测。管片每6片可以装成1环，每环长度为1.5m，每天可平均掘进10环左右。管片拼装要平整，不能损伤，相邻管片的径向错台量要小于15mm。

3.3 内衬钢管的安装流程

盾构内钢管的安装是工程的重点，重达60吨t、长12m的DN4800钢管从运输、对接、焊接到自密实混凝土的浇注，每一个环节都要精心控制，合理安排。主要的施工流程如图2所示：。

图2 内衬钢管安装流程图

Fig.2 the assembling process ofthe lined inner steel pipe

3.4钢管对接、焊接

分别测量要组对钢管的外圆周长，便于组对时掌握对口尺寸，达成理想匹配，防止错边的产生。对接时，首先匹配以测量好的外圆周长，按十字中心线四点定位法，以外圆对齐进行组对，如外圆周长不等，可在圆周上均匀分布，以防局部错边量超差。

采用单面焊接双面成型方法，先焊接平焊缝、内侧立焊缝，背面清根处理，再焊仰焊缝，在开坡口时平焊缝一侧多开些，仰焊缝少开些。焊后焊缝外观检查合格，待24小时后h后进行100%超声波检查。

3.5自密实混凝土浇筑及二次注浆

自密实混凝土采用C20浇筑，每组长度为36m。论文参考，内衬钢管。论文参考，内衬钢管。端头封堵采用4mm钢板。通过混凝土搅拌车将混凝土运输到指定入仓位置，由混凝土泵将自密实混凝土泵送至隧道与管道之间的空间内。为防止自密实混凝土浇筑时出现漂管，当混凝土最低点浇筑到三分之一时或距管中心线以下1.8m时，间歇浇筑，确保已浇混凝土骨料下沉减少浮力，当混凝土浇注到管中心线以上50cm时，恢复连续浇筑直至混凝土全部浇注到洞顶。

当隧道内管道安装结束，开始进行顶部间隙二次注浆。二次注浆的分段长度为72m。二次注浆浆液为纯水泥浆，浆液水灰比：当空隙较小时为1:1，空隙较大时为0.5:1，注浆压力为0.2~0.3MPa。在回浆孔口使用压力表监测压力值，在达到规定压力的情况下，停止注浆。

3.6 管道成型与验收

完成钢管的安装和自密实混凝土浇注，则整个输水管道完成整体施工，清理管道内部的杂物，对管道进行整体质量验收，防腐层有损坏的地方进行补涂，并用橡胶锤敲击管道，发现空腔的地方要进行水泥砂浆的补注。

4 结语

鉴于穿越的大型障碍物占地面积大，地下结构形式复杂，同时过流断面巨大，穿越距离长，并且难以短距离内设置工作井，西江引水工程采用了盾构技术构建隧道，同时创新的提出了内衬钢管的衬砌形式，满足输水内压的需求。论文参考，内衬钢管。在施工过程中，通过良好的管理和控制，有效避免了地面的沉降，安全完成了隧道的构筑，并顺利实施了内衬钢管运输、对接、焊接以及自密实混凝土的浇注等工序。论文参考，内衬钢管。上述工程方案的对比、选择以及工程的实施经验希望能对同类工程起到一定的借鉴作用。

参考文献：
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