盾構(gòu)及內(nèi)襯鋼管技術(shù)綜述
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論文導(dǎo)讀：西江引水工程主線采用2條DN3600的管道輸水。盾構(gòu)法施工起源于歐洲。內(nèi)襯鋼管承受內(nèi)壓。內(nèi)襯鋼管，盾構(gòu)及內(nèi)襯鋼管技術(shù)在西江引水工程中的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：西江引水工程，盾構(gòu)，內(nèi)襯鋼管
盾構(gòu)法施工起源于歐洲，后在日本、和美洲的一些國(guó)家也有了較大的發(fā)展，現(xiàn)在已廣泛地應(yīng)用于世界各地。盾構(gòu)技術(shù)是利用盾構(gòu)機(jī)械所特有的盾殼作為支護(hù)，采用多種切削方式進(jìn)行開挖，同時(shí)通過自動(dòng)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(zhì)量完好的洞身。盾構(gòu)法在國(guó)內(nèi)外的給排水工程中均有過應(yīng)用。環(huán)倫敦供水工程輸水隧道全長(zhǎng)80km，二期采用盾構(gòu)技術(shù)，經(jīng)過水廠處理過的出水通過地下輸水管道自流送到設(shè)在環(huán)繞倫敦供水隧道線路上的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(guó)內(nèi)，最先應(yīng)用于給排水管道施工的是1999年北京地區(qū)采用盾構(gòu)法建設(shè)了亮馬河北路污水截留管線工程（盾構(gòu)管線長(zhǎng)為
1 675 m）�，F(xiàn)正在建設(shè)的南水北調(diào)、青草沙原水工程中也采用了盾構(gòu)技術(shù)。
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(shí)采用了盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)長(zhǎng)度分別為2 470 m和1 620 m。本文以下將從方案選擇、方案設(shè)計(jì)、工程施工及過程控制等方面論述盾構(gòu)及內(nèi)襯鋼管技術(shù)在西江引水工程中應(yīng)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(diǎn)，周邊還有運(yùn)行的廣茂鐵路、規(guī)劃的貴廣鐵路、321國(guó)道等交通線，上述交通設(shè)施車流量巨大，同時(shí)立交橋范圍內(nèi)多軟土層，對(duì)沉降要求較高，且立交范圍的廣三高速基礎(chǔ)含有預(yù)應(yīng)力管樁結(jié)構(gòu)，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(zhì)條件復(fù)雜，對(duì)沉降要求高，在其范圍還包含有天然氣調(diào)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(gòu)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(diǎn)，適合穿越上述障礙的工法主要有頂管法和盾構(gòu)法。
頂管法與盾構(gòu)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(diǎn)有：需要設(shè)置始發(fā)和接收井；避免地面開挖；對(duì)地勘資料詳細(xì)掌握；向前推進(jìn)力均需千斤頂提供；平衡開挖面壓力均可采用泥水和土壓力。不同點(diǎn)有：根數(shù)不同，采取頂管方案需要兩根，常規(guī)盾構(gòu)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(gòu)采用高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力管片結(jié)構(gòu)，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(cè)向摩擦力以及正面土壓力，盾構(gòu)只需平衡盾構(gòu)體外壁與外土摩擦力以及正面土壓力。論文參考，內(nèi)襯鋼管。，所以盾構(gòu)只需一組千斤頂，需要的推進(jìn)力小且不會(huì)隨著長(zhǎng)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(yán)重，采用鋼管僅有一道鋼板防護(hù)。盾構(gòu)方案有盾構(gòu)片及內(nèi)襯兩重防護(hù)，防腐效果可靠，同時(shí)兩層結(jié)構(gòu)的防護(hù)性遠(yuǎn)高于頂管。經(jīng)過本工程的前期工作與方案比較，參考本工程專題報(bào)告的相關(guān)數(shù)據(jù)，盾構(gòu)與頂管的主要技術(shù)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的比較列于見表1。
表1 盾構(gòu)法與頂管法經(jīng)濟(jì)技術(shù)的比較表
Tab.1 the economic and technologic analysis betweenshield method and pipe jacking method
| 項(xiàng)目 | 盾構(gòu)法 | 頂管法 |
| 直徑直徑 | 三米3m以上，目前最大為15.43米m。（過小的隧道無法擺設(shè)盾構(gòu)的機(jī)電設(shè)備）。 | 多為三米3m以下，目前國(guó)內(nèi)最大頂管直徑為 DN3600. |
| 頂進(jìn) 距離 | 盾構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)械壽命為10000米km，一般地鐵一個(gè)項(xiàng)目連續(xù)掘進(jìn)為3 3000米km以下。（理論上盾構(gòu)機(jī)械不損壞，就可以無限制推進(jìn)） | 目前國(guó)內(nèi)最長(zhǎng)距離約1.500m5km。（由于千斤頂推力多被地層摩擦力消耗，對(duì)大口徑管道無法實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離推進(jìn)） |
| 工作井 數(shù) 量 | 較少，可以3000米km左右設(shè)置一個(gè)，主要起到檢修作用 | 較多，一般100米m左右須設(shè)置一個(gè)，如果應(yīng)采取中繼環(huán)，可以延長(zhǎng)到幾百米 |
| 曲線 掘進(jìn) | 6米m直徑盾構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)250米m以上的曲線連續(xù)過渡轉(zhuǎn)彎 | 因?yàn)闊o糾偏千斤頂，基本無法實(shí)現(xiàn)曲線 |
| 適應(yīng)性 | 對(duì)軟硬地層都可以適應(yīng)，由于人可入倉(cāng)操作，處理手段較多 | 受千斤頂推力限制，多適應(yīng)軟地層，對(duì)較硬地層適應(yīng)性較差，對(duì)復(fù)雜地層適應(yīng)性很差 |
| 克服障礙物能力 | 盾構(gòu)機(jī)本身具有相當(dāng)破除障礙能力，地鐵盾構(gòu)在多個(gè)工程中不同程度地破除工程樁（包括帶有鋼筋），還可以人員進(jìn)倉(cāng)破除 | 破除障礙能力較低，容易卡機(jī) |
| 設(shè)備造價(jià) | 較高 | 較低 |
| 設(shè)備 制造 | 主要部件為進(jìn)口，國(guó)內(nèi)組裝，制造工期為10個(gè)月。由于設(shè)備的工藝要求高，制造廠家多為國(guó)際大廠，設(shè)備質(zhì)量較有保障。 | 國(guó)產(chǎn)廠家較多，制造工期較短，但設(shè)備質(zhì)量良莠不清齊 |
| 掘進(jìn) 速度 | 在軟弱地層中，廣州地鐵6米m直徑盾構(gòu)可達(dá)到500米m/月。 | 由于工法特點(diǎn)，無法達(dá)到盾構(gòu)速度 |
| 造價(jià) | 6米m直徑盾構(gòu)造價(jià)約為51000元/m DN4800鋼管襯砌造價(jià)36000元/m | 2×DN3600造價(jià)135000元/m |
| 工期 | 可以滿足工程建設(shè)的需要 | 可以滿足工程建設(shè)的需要 |
頂管方案更適合小直徑的短線淺埋管道工程，盾構(gòu)比較適合長(zhǎng)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(jié)構(gòu)物形式也很復(fù)雜，同時(shí)要求的過流斷面巨大，穿越距離長(zhǎng)，并且難以短距離內(nèi)設(shè)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(jìn)度情況下，盾構(gòu)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。為保證工程的順利實(shí)施，確保亞運(yùn)會(huì)前建成通水，本工程穿越大型障礙物采用盾構(gòu)工法穿越，單洞長(zhǎng)距離一次通過。
盾構(gòu)機(jī)采用廣州地鐵盾構(gòu)實(shí)施中大量采用的ф6300mm盾構(gòu)機(jī)，這樣有利于節(jié)省設(shè)計(jì)建設(shè)周期、有大量珠三角地區(qū)的成功經(jīng)驗(yàn)可供參考，對(duì)于工程的建設(shè)實(shí)施比較有利。同時(shí)也要注意，和頂管等其他地下工程相同，盾構(gòu)方式相對(duì)明挖方法投資較大、施工周期長(zhǎng)、施工風(fēng)險(xiǎn)大，需要對(duì)地質(zhì)工作做系統(tǒng)詳細(xì)的前期工作，并應(yīng)結(jié)合地勘資料的進(jìn)行細(xì)致的方案論證工作。
1.2 內(nèi)襯工藝
由于管道需承受較大的內(nèi)壓，因此應(yīng)考慮盾構(gòu)完成后的隧道內(nèi)的二次襯砌。通常盾構(gòu)隧道內(nèi)襯選擇鋼筋水泥砂漿襯砌，但該方式施工周期長(zhǎng)，無法滿足工程建設(shè)的進(jìn)度要求，因此不予采用。此外，可以考慮內(nèi)置PCCP管或鋼管的方式，內(nèi)置PCCP管的方案由于管道自重太大，在盾構(gòu)隧道狹小的空間內(nèi)無法解決運(yùn)輸及安裝的問題，因此也無法采用。內(nèi)置鋼管的方案從重量及施工難度角度較優(yōu)，對(duì)鋼內(nèi)襯和現(xiàn)澆鋼筋混凝土襯砌兩種內(nèi)襯形式進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，如表2所示。
表2 鋼內(nèi)襯和現(xiàn)澆鋼筋混凝土襯砌主要優(yōu)、缺點(diǎn)
Tab.2 the merits and demerits ofthe tunnel lined by inner steel pipe or reinforced concrete
| 項(xiàng)目 | 鋼內(nèi)襯 | 預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土內(nèi)襯 |
| 水力條件 | 內(nèi)表面相對(duì)光滑，水力條件好 | 內(nèi)表面相對(duì)粗糙，過水?dāng)嗝嫘�；水力條件無鋼內(nèi)襯好 |
| 施工機(jī)械 | 安裝工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，包括拖運(yùn)、定位機(jī)械、電焊機(jī)等 | 需定制隧道滑模臺(tái)車及眾多預(yù)應(yīng)力張拉器具、泵送混凝土配套機(jī)械 |
| 施工步驟 | 工法簡(jiǎn)單，施工速度快 | 多道工序配合施工，施工速度慢 |
| 施工人員 | 焊工、壓漿工等，人數(shù)不多 | 機(jī)械工、電工、鋼筋工、預(yù)應(yīng)力張拉及澆砼人員，人數(shù)眾多 |
| 施工進(jìn)度/(m·d-1) | 18m/d~~24m/d | 10 m/d |
| 工程造價(jià)/(元·m-1) | 35000元/m | 28000/m |
| 優(yōu)點(diǎn) | 受力分明，由盾構(gòu)管片受外壓力，鋼管受內(nèi)水壓。，粗糙系數(shù)較小。 | 管片與鋼筋混凝土內(nèi)襯結(jié)合形成整體共同受力。，部分工序可在盾構(gòu)施工階段進(jìn)行，有效縮短工期。論文參考，內(nèi)襯鋼管。 |
| 缺點(diǎn) | 盾構(gòu)施工完成后方可安裝鋼內(nèi)襯，安裝較為困難。 | 活動(dòng)鋼模板用量大，對(duì)施工縫的處理要求高。 |
考慮工程的經(jīng)濟(jì)性與工期要求，結(jié)合工程各盾構(gòu)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(gòu)段內(nèi)襯形式內(nèi)襯鋼管。
2 方案設(shè)計(jì)
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(gòu)段管道變?yōu)橐粭l，根據(jù)水流過水面積計(jì)算，輸水管內(nèi)徑控制為在4.8m，則整個(gè)工藝尺寸是盾構(gòu)隧洞外徑為6.3m，加裝管片后內(nèi)徑為5.4m，內(nèi)襯壁厚為20mm的DN4800鋼管，鋼管與隧洞之間空隙填充自密實(shí)混凝土。自密實(shí)混凝土層的作用是：起到固定和止推的效用，穩(wěn)定隧洞結(jié)構(gòu)體系；起到填充作用，防止隧洞內(nèi)積水，同時(shí)有利于鋼管的防腐。隧洞結(jié)構(gòu)及尺寸如圖1所示。
圖1盾構(gòu)隧道尺寸與結(jié)構(gòu)圖
Fig.1 the size and structure of the shield tunnel
2.2 盾構(gòu)工藝
小塘立交段全長(zhǎng)2470m，采用了泥水平衡盾構(gòu)技術(shù)，在管線中心位置設(shè)置始發(fā)井，兩端各設(shè)接收井，由中間到兩端同時(shí)掘進(jìn)。官窯立交段總長(zhǎng)1620m，采用了土壓平衡的盾構(gòu)技術(shù)，一端始發(fā)，一端接收，一次掘進(jìn)。隧洞的坡降控制在0.5%左右，管線走向非直線型，最小轉(zhuǎn)彎半徑為300m。
2.3 承壓情況
盾構(gòu)體承受外壓，內(nèi)襯鋼管承受內(nèi)壓，在兩者之間除了填充自密實(shí)混凝土，還設(shè)計(jì)有一層2mm的薄壁彈性材料，用于隔絕內(nèi)外的輸水系統(tǒng)和盾構(gòu)體系，使內(nèi)襯鋼管不承受外部壓力。
設(shè)計(jì)的輸水壓力為0.4Mpa4MPa，管道埋深20m，則內(nèi)部承受水壓為0.6Mpa6MPa，根據(jù)鋼管的彈性模量計(jì)算其在承受內(nèi)壓時(shí)的徑向變形量：
E=(F/S)/(dL/L)，其中E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(gòu)施工地面沉降控制
地面沉降控制主要體現(xiàn)在盾構(gòu)推進(jìn)過程中：(1)進(jìn)行地表建筑物及地層地質(zhì)分析調(diào)查，選擇合理施工方案；(2)加強(qiáng)地面監(jiān)測(cè)，合理布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)；(3)合理設(shè)定目標(biāo)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(qiáng)施工過程監(jiān)測(cè)，采用信息化施工，將各類數(shù)據(jù)及時(shí)分析、反饋，從而優(yōu)化調(diào)整施工參數(shù)。
3.2 盾構(gòu)掘進(jìn)與管片安裝
盾構(gòu)掘進(jìn)過程中每一環(huán)都對(duì)盾構(gòu)姿態(tài)進(jìn)行測(cè)量，滿足設(shè)計(jì)軸線要求，如有偏離，進(jìn)行及時(shí)糾正，同步做好各項(xiàng)施工、掘進(jìn)、設(shè)備和裝置的管理工作。掘進(jìn)到1/3管道長(zhǎng)度時(shí)，對(duì)已建管道要進(jìn)行貫通測(cè)量，隧洞整體貫通后，進(jìn)行復(fù)測(cè)。管片每6片可以裝成1環(huán)，每環(huán)長(zhǎng)度為1.5m，每天可平均掘進(jìn)10環(huán)左右。管片拼裝要平整，不能損傷，相鄰管片的徑向錯(cuò)臺(tái)量要小于15mm。
3.3 內(nèi)襯鋼管的安裝流程
盾構(gòu)內(nèi)鋼管的安裝是工程的重點(diǎn)，重達(dá)60噸t、長(zhǎng)12m的DN4800鋼管從運(yùn)輸、對(duì)接、焊接到自密實(shí)混凝土的澆注，每一個(gè)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(nèi)襯鋼管安裝流程圖
Fig.2 the assembling process ofthe lined inner steel pipe
3.4鋼管對(duì)接、焊接
分別測(cè)量要組對(duì)鋼管的外圓周長(zhǎng)，便于組對(duì)時(shí)掌握對(duì)口尺寸，達(dá)成理想匹配，防止錯(cuò)邊的產(chǎn)生。對(duì)接時(shí)，首先匹配以測(cè)量好的外圓周長(zhǎng)，按十字中心線四點(diǎn)定位法，以外圓對(duì)齊進(jìn)行組對(duì)，如外圓周長(zhǎng)不等，可在圓周上均勻分布，以防局部錯(cuò)邊量超差。
采用單面焊接雙面成型方法，先焊接平焊縫、內(nèi)側(cè)立焊縫，背面清根處理，再焊仰焊縫，在開坡口時(shí)平焊縫一側(cè)多開些，仰焊縫少開些。焊后焊縫外觀檢查合格，待24小時(shí)后h后進(jìn)行100%超聲波檢查。
3.5自密實(shí)混凝土澆筑及二次注漿
自密實(shí)混凝土采用C20澆筑，每組長(zhǎng)度為36m。論文參考，內(nèi)襯鋼管。論文參考，內(nèi)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(yùn)輸?shù)街付ㄈ雮}(cāng)位置，由混凝土泵將自密實(shí)混凝土泵送至隧道與管道之間的空間內(nèi)。為防止自密實(shí)混凝土澆筑時(shí)出現(xiàn)漂管，當(dāng)混凝土最低點(diǎn)澆筑到三分之一時(shí)或距管中心線以下1.8m時(shí)，間歇澆筑，確保已澆混凝土骨料下沉減少浮力，當(dāng)混凝土澆注到管中心線以上50cm時(shí)，恢復(fù)連續(xù)澆筑直至混凝土全部澆注到洞頂。
當(dāng)隧道內(nèi)管道安裝結(jié)束，開始進(jìn)行頂部間隙二次注漿。二次注漿的分段長(zhǎng)度為72m。二次注漿漿液為純水泥漿，漿液水灰比：當(dāng)空隙較小時(shí)為1:1，空隙較大時(shí)為0.5:1，注漿壓力為0.2~0.3MPa。在回漿孔口使用壓力表監(jiān)測(cè)壓力值，在達(dá)到規(guī)定壓力的情況下，停止注漿。
3.6 管道成型與驗(yàn)收
完成鋼管的安裝和自密實(shí)混凝土澆注，則整個(gè)輸水管道完成整體施工，清理管道內(nèi)部的雜物，對(duì)管道進(jìn)行整體質(zhì)量驗(yàn)收，防腐層有損壞的地方進(jìn)行補(bǔ)涂，并用橡膠錘敲擊管道，發(fā)現(xiàn)空腔的地方要進(jìn)行水泥砂漿的補(bǔ)注。
4 結(jié)語(yǔ)
鑒于穿越的大型障礙物占地面積大，地下結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，同時(shí)過流斷面巨大，穿越距離長(zhǎng)，并且難以短距離內(nèi)設(shè)置工作井，西江引水工程采用了盾構(gòu)技術(shù)構(gòu)建隧道，同時(shí)創(chuàng)新的提出了內(nèi)襯鋼管的襯砌形式，滿足輸水內(nèi)壓的需求。論文參考，內(nèi)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(gòu)筑，并順利實(shí)施了內(nèi)襯鋼管運(yùn)輸、對(duì)接、焊接以及自密實(shí)混凝土的澆注等工序。論文參考，內(nèi)襯鋼管。上述工程方案的對(duì)比、選擇以及工程的實(shí)施經(jīng)驗(yàn)希望能對(duì)同類工程起到一定的借鑒作用。
參考文獻(xiàn)：
[1]王守強(qiáng).盾構(gòu)施工技術(shù)及其應(yīng)用[J]． 水利水電科技進(jìn)展， 1997，(3):5-11.
[2]鄺諾.盾構(gòu)法在污水管線建設(shè)中的應(yīng)用[J]．市政技術(shù)， 2002，(112): 14-19.
[3]馮國(guó)冠.基于某地鐵盾構(gòu)隧道施工地表沉降的分析研究[J]．中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)， 2010，(4):81-84.
