盾構及內襯鋼管技術在西江引水工程中的應用

1、論文導讀：西江引水工程主線采用2條DN3600的管道輸水。盾構法施工起源于歐洲。內襯鋼管承受內壓。內襯鋼管，盾構及內襯鋼管技術在西江引水工程中的應用。關鍵詞：西江引水工程，盾構，內襯鋼管盾構法施工起源于歐洲，后在日本、和美洲的一些國家也有了較大的發(fā)展，現(xiàn)在已廣泛地應用于世界各地。盾構技術是利用盾構機械所特有的盾殼作為支護，采用多種切削方式進行開挖，同時通過自動襯砌的混凝土管片？并灌漿，可以安全可靠的地維持洞外土體穩(wěn)定，從而形成質量完好的洞身。盾構法在國內外的給排水工程中均有過應用。環(huán)倫敦供水工程輸水隧道全長80km，二期采用盾構技術，經(jīng)過水廠處理過的出水通過地下輸水管道自流送到設在環(huán)繞倫敦供水

2、隧道線路上的l0座泵站，然后由水泵站將水送到與之相連的遍及倫敦的城市配水系統(tǒng)。國內，最先應用于給排水管道施工的是1999年北京地區(qū)采用盾構法建設了亮馬河北路污水截留管線工程（盾構管線長為1 675 m）?，F(xiàn)正在建設的南水北調、青草沙原水工程中也采用了盾構技術。廣州市西江引水工程在穿越兩座大型立交-小塘立交和官窯立交時采用了盾構法施工，盾構長度分別為2 470 m和1 620 m。本文以下將從方案選擇、方案設計、工程施工及過程控制等方面論述盾構及內襯鋼管技術在西江引水工程中應用情況。1方案選擇1.1施工工法小塘立交橋位于廣三高速與西二環(huán)高速的交匯點，周邊還有運行的廣茂鐵路、規(guī)劃的貴廣鐵路、321

3、國道等交通線，上述交通設施車流量巨大，同時立交橋范圍內多軟土層，對沉降要求較高，且立交范圍的廣三高速基礎含有預應力管樁結構，埋深超過15 m。官窯立交與小塘立交相似，立交范圍匝道眾多，地質條件復雜，對沉降要求高，在其范圍還包含有天然氣調壓站和密集村鎮(zhèn)。故，因此，只能選用不開槽施工的方法，。給排水管線中常用的不開槽施工工法主要有盾構法、頂管法、淺埋暗挖法、定向鉆法、夯管法等。根據(jù)本工程的特點，適合穿越上述障礙的工法主要有頂管法和盾構法。頂管法與盾構方案同屬非開挖方案，兩者既有相同之處又有所區(qū)別。相同點有：需要設置始發(fā)和接收井；避免地面開挖；對地勘資料詳細掌握；向前推進力均需千斤頂提供；平衡開挖面

4、壓力均可采用泥水和土壓力。不同點有：根數(shù)不同，采取頂管方案需要兩根，常規(guī)盾構方案可以一根滿足過流要求；適用埋深不同，大直徑頂管只能采用鋼管，由于壁厚限制覆土不能太深，盾構采用高強度預應力管片結構，幾十米的埋深容易滿足；推力大小不同，頂管要平衡兩組千斤頂之間的所有側向摩擦力以及正面土壓力，盾構只需平衡盾構體外壁與外土摩擦力以及正面土壓力。論文參考，內襯鋼管。，所以盾構只需一組千斤頂，需要的推進力小且不會隨著長度變化而增加；防腐和工程安全性不同，大直徑頂管必須采用鋼管，鋼管的外防腐采用涂料，施工中不斷收到外土摩擦破壞嚴重，采用鋼管僅有一道鋼板防護。盾構方案有盾構片及內襯兩重防護，防腐效果可靠，同時

5、兩層結構的防護性遠高于頂管。頂管方案更適合小直徑的短線淺埋管道工程，盾構比較適合長距離，、大斷面的隧洞工程。本工程需要穿越的大型障礙物不但占地面積大，地下結構物形式也很復雜，同時要求的過流斷面巨大，穿越距離長，并且難以短距離內設置工作井，經(jīng)過綜合比較，在考慮保證穿越障礙的安全、減少工程征借地、降低拆遷難度以及保證工程進度情況下，盾構具有明顯的優(yōu)勢。為保證工程的順利實施，確保亞運會前建成通水，本工程穿越大型障礙物采用盾構工法穿越，單洞長距離一次通過。盾構機采用廣州地鐵盾構實施中大量采用的6300mm盾構機，這樣有利于節(jié)省設計建設周期、有大量珠三角地區(qū)的成功經(jīng)驗可供參考，對于工程的建設實施比較有利

6、。同時也要注意，和頂管等其他地下工程相同，盾構方式相對明挖方法投資較大、施工周期長、施工風險大，需要對地質工作做系統(tǒng)詳細的前期工作，并應結合地勘資料的進行細致的方案論證工作。1.2 內襯工藝由于管道需承受較大的內壓，因此應考慮盾構完成后的隧道內的二次襯砌。通常盾構隧道內襯選擇鋼筋水泥砂漿襯砌，但該方式施工周期長，無法滿足工程建設的進度要求，因此不予采用。此外，可以考慮內置PCCP管或鋼管的方式，內置PCCP管的方案由于管道自重太大，在盾構隧道狹小的空間內無法解決運輸及安裝的問題，因此也無法采用。內置鋼管的方案從重量及施工難度角度較優(yōu)，對鋼內襯和現(xiàn)澆鋼筋混凝土襯砌兩種內襯形式進行了經(jīng)濟技術比較，

7、如表2所示?？紤]工程的經(jīng)濟性與工期要求，結合工程各盾構段的承壓及埋深，并考慮工程的安全性、可靠性要求，本工程盾構段內襯形式內襯鋼管。2 方案設計2.1 隧洞尺寸西江引水工程主線采用2條DN3600的管道輸水，至盾構段管道變?yōu)橐粭l，根據(jù)水流過水面積計算，輸水管內徑控制為在4.8m，則整個工藝尺寸是盾構隧洞外徑為6.3m，加裝管片后內徑為5.4m，內襯壁厚為20mm的DN4800鋼管，鋼管與隧洞之間空隙填充自密實混凝土。自密實混凝土層的作用是：起到固定和止推的效用，穩(wěn)定隧洞結構體系；起到填充作用，防止隧洞內積水，同時有利于鋼管的防腐。隧洞結構及尺寸如圖1所示。2.2 盾構工藝小塘立交段全長2470

8、m，采用了泥水平衡盾構技術，在管線中心位置設置始發(fā)井，兩端各設接收井，由中間到兩端同時掘進。官窯立交段總長1620m，采用了土壓平衡的盾構技術，一端始發(fā)，一端接收，一次掘進。隧洞的坡降控制在0.5%左右，管線走向非直線型，最小轉彎半徑為300m。2.3 承壓情況盾構體承受外壓，內襯鋼管承受內壓，在兩者之間除了填充自密實混凝土，還設計有一層2mm的薄壁彈性材料，用于隔絕內外的輸水系統(tǒng)和盾構體系，使內襯鋼管不承受外部壓力。設計的輸水壓力為0.4Mpa4MPa，管道埋深20m，則內部承受水壓為0.6Mpa6MPa，根據(jù)鋼管的彈性模量計算其在承受內壓時的徑向變形量：E=(F/S)/(dL/L)，其中E

9、為鋼管的彈性模量，鋼材的E=2.06*105Mpa105MPa，F(xiàn)/S可看作承受壓力，則鋼管變形量為：dL/L=0.0029mm，所以2mm的薄壁彈性材料完全可以起到隔離作用。3 施工及安裝3.1盾構施工地面沉降控制地面沉降控制主要體現(xiàn)在盾構推進過程中：(1)進行地表建筑物及地層地質分析調查，選擇合理施工方案；(2)加強地面監(jiān)測，合理布置監(jiān)測點；(3)合理設定目標土壓力的管理值和注漿參數(shù)值；(4)精心管理，均衡施工；(5)加強施工過程監(jiān)測，采用信息化施工，將各類數(shù)據(jù)及時分析、反饋，從而優(yōu)化調整施工參數(shù)。3.2 盾構掘進與管片安裝 盾構掘進過程中每一環(huán)都對盾構姿態(tài)進行測量，滿足設計軸線要求，如有

10、偏離，進行及時糾正，同步做好各項施工、掘進、設備和裝置的管理工作。掘進到1/3管道長度時，對已建管道要進行貫通測量，隧洞整體貫通后，進行復測。管片每6片可以裝成1環(huán)，每環(huán)長度為1.5m，每天可平均掘進10環(huán)左右。管片拼裝要平整，不能損傷，相鄰管片的徑向錯臺量要小于15mm。3.3 內襯鋼管的安裝流程盾構內鋼管的安裝是工程的重點，重達60噸t、長12m的DN4800鋼管從運輸、對接、焊接到自密實混凝土的澆注，每一個環(huán)節(jié)都要精心控制，合理安排。主要的施工流程如圖2所示：。圖2 內襯鋼管安裝流程圖Fig.2 the assembling process ofthe lined inner steel

11、 pipe3.4鋼管對接、焊接分別測量要組對鋼管的外圓周長，便于組對時掌握對口尺寸，達成理想匹配，防止錯邊的產生。對接時，首先匹配以測量好的外圓周長，按十字中心線四點定位法，以外圓對齊進行組對，如外圓周長不等，可在圓周上均勻分布，以防局部錯邊量超差。采用單面焊接雙面成型方法，先焊接平焊縫、內側立焊縫，背面清根處理，再焊仰焊縫，在開坡口時平焊縫一側多開些，仰焊縫少開些。焊后焊縫外觀檢查合格，待24小時后h后進行100%超聲波檢查。3.5自密實混凝土澆筑及二次注漿自密實混凝土采用C20澆筑，每組長度為36m。論文參考，內襯鋼管。論文參考，內襯鋼管。端頭封堵采用4mm鋼板。通過混凝土攪拌車將混凝土運

12、輸?shù)街付ㄈ雮}位置，由混凝土泵將自密實混凝土泵送至隧道與管道之間的空間內。為防止自密實混凝土澆筑時出現(xiàn)漂管，當混凝土最低點澆筑到三分之一時或距管中心線以下1.8m時，間歇澆筑，確保已澆混凝土骨料下沉減少浮力，當混凝土澆注到管中心線以上50cm時，恢復連續(xù)澆筑直至混凝土全部澆注到洞頂。當隧道內管道安裝結束，開始進行頂部間隙二次注漿。二次注漿的分段長度為72m。二次注漿漿液為純水泥漿，漿液水灰比：當空隙較小時為1:1，空隙較大時為0.5:1，注漿壓力為0.20.3MPa。在回漿孔口使用壓力表監(jiān)測壓力值，在達到規(guī)定壓力的情況下，停止注漿。3.6 管道成型與驗收完成鋼管的安裝和自密實混凝土澆注，則整個輸水管道完成整體施工，清理管道內部的雜物，對管道進行整體質量驗收，防腐層有損壞的地方進行補涂，并用橡膠錘敲擊管道，發(fā)現(xiàn)空腔的地方要進行水泥砂漿的補注。4結語 鑒于穿越的大型障礙物占地面積大，地下結構形式復雜，同時過流斷面巨大，穿越距離長，并且難以短距離內設置工作井，西江引水工程采用了盾構技術構建隧道，同時創(chuàng)新的提出了內襯鋼管的襯砌形式，滿足輸水內壓的需求。論文參考，內襯鋼管。在施工過程中，通過良好的管理和控制，有效避免了地面的沉降，安全完成了隧道的構筑，并順利實施了內襯鋼管運輸、對接、焊接以及自密實混凝土的澆注等工序。論文參考，內襯鋼管。上述工程