西江引水工程盾构输水隧洞设计

西江引水工程盾构输水隧洞设计西江引水工程盾构输水隧洞设计 摘要：摘要：盾构过流隧洞的输水形式以其全封闭，施工干扰少等特点适应了对环境要求高的工程部位。西江引 水工程的盾构隧洞采取了外部盾构片内部钢衬的断面形式，本文介绍了盾构隧洞与相关建筑物的设计，同 时分析了应注意的问题。 关键词关键词: : 调水工程盾构隧洞输水隧洞设计 前言前言 随着国民经济的高速发展，发达地区水体污染日趋严重，近年来多个城市发生了严重 的水危机， 同时随着国家饮用水标准的不断提高， 也为那些水源水质本就不断恶化的供水系 统敲响了警钟。中国七大流域，除珠江流域和长江流域外，均存在流域性缺水和水体污染。 而在上述两个流域存在的问题则主要是局部水体污染。 广州为广东省会，省政治、经济、科技、教育和文化中心。地处广东东南部，毗邻香 港和澳门，是华南地区区域性中心城市。总面积 7434.4km2，总人口 720.62 万人，2007 年 国内生产总值为 7050.78 亿元。 随着广州国民经济高速增长，城市水环境也不断恶化，近年来广州西村水厂、石门水 厂、江村水厂水源表现出富营养化特征， 水质为Ⅴ类和劣Ⅴ类，已不能满足 《地表水环境质 量标准》 （GB3838-2002）对水源水质的要求。同时广州将在 2010 年举行第 16 届亚运会， 届时将对整个城市的供水水质和安全提出更高的要求。 若不采取工程措施引进外部清洁水源 将难以短期实现净化饮用水水质的目标。 1 1 工程概况工程概况 为解决广州市饮用水水质问题， 广州市政府启动了西江引水工程。 本工程设计规模 350 万 m3/d（40m3/s） 。工程位于广州市与佛山市境内，工程自佛山市三水区西江思贤滘下陈村 附近的西江取水，经下陈取水泵站增压后，通过 2×DN3600mm 管道与内径 4800mm 的盾 构输水隧洞输至鸦岗配水泵站， 原水通过鸦岗配水泵站分配提升， 通过管道输送至广州市西 部的江村水厂（40 万 m3/d） 、石门水厂（80 万 m3/d）和西村水厂（100 万 m3/d） ，并预留了 北部新建水厂的接口（100 万 m3/d） 。 西江引水工程取水泵站至配水泵站之间为干线工程，全长约47.8km；配水泵站到 3 个 水厂为支线，全长约 24km。干线除盾构隧洞段为单线外，其余分段均为双线管道设计，双 线工程采用内径 3600mm 的钢管或等内径的 PCCP 管道。 本工程盾构隧洞共 3 段，分段长度主要根据工期确定，由于为亚运会配套项目，需在 2010 年 10 月前正式通水运行，为此，要考虑各方节点因素，保证盾构段的工期。其中盾构 一标分两段，每段长度约1.2km，自盾构始发井分别向两侧盾构接收井掘进。盾构二标为一 段，自始发井向盾构接收井掘进。 由于盾构一标已经涵盖了盾构二标的内容， 本文以盾构一 标为例介绍本工程中盾构隧洞的应用情况。 本工程的管道设计工作压力为0.6MPa， 设计内水压力为 0.9MPa， 隧洞段的运行条件为 内水压力大于外水压力。 设计综合考虑施工难度、 设计理论成熟度和工期进度， 采取了盾构 隧洞内衬钢管的形式， 并在盾构片内壁设置弹性排水垫层， 钢管和盾构片之间回填自密实混 凝土。 2 2 盾构段特点盾构段特点 本工程的供水规模可以采用开挖埋管的输水方式，但由于部分工程区城镇发达，交通 枢纽密布，经过铁路，高速公路和立交桥等位置难以实现开挖的方式， 上述位置不仅对沉降 变形等要求高，而且多数要求不能阻断交通， 或者降低铁路运行速度。 为此在本工程几个特 别段引入的盾构隧洞的输水方式， 以尽量减小对地表建筑物的影响， 保证本工程的工期要求。 3 3 盾构机的选用盾构机的选用 1 目前应用的盾构机主要分为土压式（含复合式）和泥水式。盾构机选型应从安全性、 可靠性、 经济性等方面综合考虑， 所选择的机型要能尽量减少辅助施工法并确保施工安全可 靠。不同类型的盾构适应的地质范围不同，盾构选型的主要依据是土质条件、岩性，要确保 所选择的盾构能适应地质条件，保持开挖面稳定。 土压平衡盾构是依靠推进油缸的推力给土仓内的开挖土碴加压，使土压作用于开挖面 使其稳定，主要适用于粉土、粉质粘土、 淤泥质粉土和粉砂层等粘稠土壤的施工。 在粘性土 层中掘进时，由刀盘切削下来的土体进入土仓后由螺旋机输出，在螺旋机内形成压力梯降， 保持土仓压力稳定，使开挖面土层处于稳定。 盾构向前推进的同时螺旋机排土， 使排土量等 于开挖量， 即可使开挖面的地层始终保持稳定。 当含砂量超过某一限度时泥土的塑流性明显 变差，土仓内的土体因固结作用而被压密，导致碴土难以排送，需向土仓内注水或泡沫、泥 浆等，以改善土体的塑流性。 从土压式盾构机的工作原理可以判断， 这种形式的盾构机很难 避免地表不沉降。各种土层处理方式只能减小沉降，但不可能完全避免。 泥水盾构利用循环悬浮液的体积对泥浆压力进行调节和控制， 采用膨润土悬浮液 （俗称 泥浆）作为支护材料。开挖面的稳定是将泥浆送入泥水平衡仓内， 在开挖面上用泥浆形成不 透水的泥膜，通过该泥膜保持水压力， 以平衡作用于开挖面的土压力和水压力。 开挖的土砂 以泥浆形式输送到地面， 通过泥水处理设备进行分离， 分离后的泥水进行质量调整， 再输送 到开挖面。泥水盾构适用的地质范围较大，能适应本工程的各种土层。 地层渗透系数是盾构选型的重要因素。根据欧美和日本的施工经验，当地层的渗透系 数小于 10-7cm/s 时可以选用土压平衡盾构； 当地层的渗透系数在 10-7cm/s 和 10-4cm/s 之间时 既可选用土压平衡盾构也可选用泥水盾构； 当地层的渗透系数大于10-4cm/s 时， 如采用土压 平衡盾构开挖仓中添加剂将被稀释， 水、砂、砂砾相互混合后土碴不易形成具有良好塑性及 止水性碴土，在螺旋机出碴门处易发生喷涌， 施工困难。根据广州地铁施工经验，若要采用 土压盾构机通过上述地层， 需要提前对地层进行灌浆等加固处理， 不仅影响进度，也增加了 施工风险。 本工程位于佛山境内，不仅地层复杂而且各种地层交替变化大，很多地勘资料揭露的 管线段仅仅几米地层竟从软土过渡到泥岩； 另外本工程的本标段存在透水砂层， 渗透系数在 渗透系数 k＝10-3～10-2cm/s， 远远超过土压平衡盾构允许的最大范围， 因此宜采用泥水盾构。 本盾构标段需要穿越铁路、高速公路、立交桥。上述建筑物要求地表沉降小于 5mm， 采用泥水盾构方式可以根据地表变形情况调节泥水压力，控制地表沉降的大小和方向。 4 4 盾构隧洞设计盾构隧洞设计 4.14.1 隧洞直径确定隧洞直径确定 广州市西江引水工程盾构隧洞总共分3 段， 单段长度仅 1.2km， 分段长度主要考虑满足 工期要求， 单段长度过长根据施工组织设计安排不能满足亚运会前完工。 确定盾构隧洞直径 需要满足经济流速，和施工空间，同时应参考当地采用的机头对应的隧洞直径。 由于盾构机 的生产需要提前一年确定要求，生产周期需要8~12 个月，在已有常用型号生产订货则需要 6 个月左右。同样盾构管片结构的需要的磨具设计和制造周期也较长，在本工程紧迫的工期 要求下，设计采用主流型号的盾构机和管片形式更为合理， 并且能减少经济投入