南水北调中线西四环暗涵工程设计要点剖析付云升.docx
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南水北调中线西四环暗涵工程设计要点剖析付云升
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摘要：
西四环暗涵工程以其工程难度大、工期长成为南水北调中线工程的主要控制性工程之一。
在设计中将浅埋暗挖技术首次应用于大流量有压输水暗涵,进一步拓展了适用于城市输水工程的工程技术手段。
对结构及全封闭防水层的设置进行了专门的论证分析,突出了监控量测的重要地位,并将第三方监测引入到水利工程中。
关键词：
南水北调浅埋暗挖设计
浅埋暗挖技术自问世以来,己在地下铁道、城市交通道路、人防等工程广泛应用,在城市煤气、电力、给排水及污水管道应用也不鲜见,但应用在大型输水工程,尤其十几公里长有压输水管线全部建在城市快速路下,目前国内尚无先例。
南水北调中线京石段应急供水工程（北京段）西四环暗涵工程是采用浅埋暗挖技术在城市快速路下修建的大型城市供水工程其主要工程难点有全线穿越大粒径卵砾石地层、穿越五棵松地铁站、23座立交桥、2座铁路桥及近百条地下管线,其设计要点的解决成为工程成败的关键,现剖析如下。
1工程概述
南水北调中线工程的功能为跨流域向北京市提供生活、工业用水,从根本上解决北京水资源的供需矛盾,保障首都供水安全。
西四环暗涵全长12.64km,其中路由与西四环路中心线重合段长10.96km。
西四环暗涵主要结构型式为由2孔分离φ4.0m钢筋混凝土圆涵组成的有压输水暗涵。
暗涵处在卵砾石层中,卵石含量60%左右,粒径最大650mm以上；渗透系数50-80m/d；其密实度及承载力高,但凝聚力为零,自稳性差,易滑塌、冒顶；工程区地震设防烈度为8度。
地层的特殊性、有压输水要求及交叉构筑物众多,使工法选择、结构设计、交叉构筑物穿越成为设计要点,并对监控量测提出了更高的要求。
分述如下。
2暗挖工法比选
1998年西四环路通车以后,工程由明挖施工改为暗挖。
可采用的暗挖方法主要为浅埋暗挖法和盾构法,工法的选择直接关系到工程成败及工期,对此进行了深入比选。
2.1浅理暗挖法
浅埋暗挖法是近10多年针对城市地下工程的特点发展起来的一种新方法。
该方法沿用了新奥法（NATM）的基本原理,创建了信息化量测反馈设计和施工的新理念。
具有开挖方法灵活多变（有正台阶法、单侧壁导洞法、中隔墙法、双侧壁导洞法等）,对地面建筑、道路和地下管网影响不大,拆迁占地少,不扰民,不污染城市环境等优点。
该工法于1986年5月—1987年5月首次应用于北京地铁复兴门折返线工程设计与施工中。
该工法采用先柔后刚复合式衬砌新型支护结构体系,初期支护按承担全部基本荷载设计,二次模筑衬砌作为安全储备；初期支护和二次衬砌共同承担特殊荷载。
其正式提出的“管超前、严注浆、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”十八字方针推动了该工法的广泛应用。
浅埋暗挖法无需大型机械；对松散卵砾石地层适应能力强；地表沉降易于控制；有成熟的施工信息反馈处理系统。
但施工机械化程度较低；需施工降水。
2.2质构法
利用盾构修建地下隧道至今已有170余年的历史,我国于1956年开始使用。
70年代以后,技术的进步使盾构法成为在闹市区的软弱地层中修建地下工程的最好的施工方法之一。
盾构法施工方法先进,机械化程度高无需施工降水。
但适用于本工程地质条件的盾构只有半机械掘削式盾构（加辅助工法即注浆加固地层和降水）和土压式盾构中的泥土盾构另外洞径与地铁不一致,设备仅一次性使用,因工期限制,设备潜力存在较大浪费；施工工艺要求较高。
半机械掘削式盾构施工方法是介于浅埋暗挖与先进盾构之间的工法,比较适用于本工程条件及我国国情,但目前国内外均很少采用。
工法选择主要在浅埋暗挖法与泥土盾构之间进行。
2.3工法选择
选定工法的主要因素如下
（1）地层适应性。
根据本工程地质条件,所处卵砾石地层粒径大,砾石含量高。
浅埋暗挖法对卵砾石地层适应性较好。
因卵砾石地层为非均质地层,加上含砾量大,盾构适应性较差。
（2）地下水影响。
先进盾构无需施工降水。
而浅埋暗挖法需施工降水。
根据本工程水文地质条件,地下水埋深较大,对暗涵浅埋暗挖法施工无影响。
（3）场地限制。
因工期较紧,浅埋暗挖法布置竖井13座,共有工作面48个,井位布置灵活,增减方便,并可保证规划批准的西四环路中心线路由。
根据同等工期要求,盾构需要工作面8个（按其掘进速度为浅埋暗挖的6倍考虑）,即8台盾构机,需设置盾构工作井10处16个,而西四环路没有条件设置工作井。
（4）经济性。
盾构法需要8台盾构机,造价约为一般先进盾构的3倍。
因输水暗涵随分水流量和水头的变化而变化,无法像地铁一样设定统一的开挖断面,经南水北调全线水头分配后经计算本工程掘进直径为5.2m,与地铁通用盾构机掘进直径不同,故需专门设计制造专用的适应卵砾石地层的盾构机,且完工后无法用于其他工程,需100%计人工程概算,经济性较差；另外因需承担内水压力,必须设二次衬砌,导致投资高于地铁等只需要防外水而无需设置二衬的交通隧洞。
综上所述,推荐采用浅埋暗挖法。
3浅埋暗挖法的结构设计
浅埋暗挖法设计理论集中在支护结构种类、支护结构构筑时机、岩压、围岩变位四者的关系上,贯穿在不断变更的设计施工过程中。
其特点是应用新奥法原理,运用量测信息反馈于设计与施工,同时采取超前支护、改良地层和注浆加固等配套技术来完成隧道及地下工程的设计与施工。
本工程采用典型的复合衬砌结构,初期支护按承担全部基本荷载设计,二次模筑衬砌作为安全储备;初期支护和二次衬砌共同承担特殊荷载。
因本工程为大流量有压输水暗涵,针对内水压力进行了专门的分析。
根据水文地质及工程地质条件,依据暗涵布置、工法特点、受力特性及输水最优断面要求,确定断面型式为圆形；根据水力计算过流断面尺寸为φ2.0-φ4.0m。
3.1初期支护设计
初期支护在施工期的受力与其他市政工程一致,在结构分析中采用了工程类比法、结构力学法、二维有限元、三维非线性有限元模拟方法综合进行设计。
首先应用工程类比法确定施工的一般程序、施工辅助措施以及初期支护结构的参数,然后进行综合分析比选,主要结果如下：
（1）工程类比。
经调研,北京地铁浅埋暗挖区间初期支护厚度为250mm,广州、深圳地铁浅埋暗挖区间初期支护厚度为300mm,地铁车站及地下过街通道初期支护厚度为300-350mm,开挖循环进尺一般为0.5-1.5m。
考虑到本工程地质条件的特殊性及周边环境的复杂性,确定初期支护厚度为300mm,掘进循环进尺为0.5m。
（2）结构力学法。
其计算方法主要是建立荷载-结构模型,选择多个典型断面,应用SAP84计算机程序进行计算。
首先确定深埋与浅埋的分界。
以埋深等于塌方统计平均高度2倍的方法作为判别深埋与浅埋隧道分界的主要标准。
Ⅴ类围岩的分界深度宜采用5-3.5D,埋深为17.5-24.5m；根据不同工程设计经验（不影响地面、荷载等效深度）确定的分界深度在18-25m之间,《铁路隧道喷锚构筑法规则》（TBJ08-92）浅埋隧道分界深度为3.5D。
根据纵断布置本工程暗涵埋深在17m（立交桥引路局部21m）以内,而且围岩为无粘结的卵砾石地层,故均按浅埋隧道设计。
另外鉴于暗涵在西四环快速路下施工,部荷载为动载,将埋深小于8m暗涵按超浅埋设计。
计算表明,在循环进尺为0.5m的条件下,用工程类比法得出的结构与理论计算所得的结果基本相符。
（3）二维有限元计算。
二维有限元计算的目的是为了对通过结构力学法计算选定支护结构进行检验。
应用二维有限元计算是将隧洞简化成平面问题,在计算中考虑了小导管注浆层的作用。
计算结果表明,支护中应力水平不高,结构有较大安全余度,支护结构是安全的。
这说明通过结构力学法及工程类比法所选定的结构是合理的。
（4）三维非线性有限元模拟计算。
三维有限元计算的目的是为了对在复杂边界条件下的结构进行分析,并对施工步骤进行模拟,以较客观地反映出支护结构种类、支护结构构筑时机、岩压、围岩变位四者的关系及掘进过程中对相邻交叉建筑物的影响。
计算结果表明,设计所确定的施工方法、步骤及循环进尺是合理的,地表及相邻建筑物的沉降值都在允许范围之内,隧洞一次支护（管棚注浆区与内含钢筋析架与挂网的喷混凝土）内,屈服比较小,结构有较大的安全余度。
同时也表明,在隧洞通过立交桥桥桩沉箱基础的部分（洞间净距为3m）,地表及沉箱沉降过大,需在一般洞段对隧洞上半部实施小导管超前注浆的基础上,对隧洞全断面进行注浆。
3.2二次衬砌设计
在地铁工程中二次衬砌最小厚度为250mm,常规厚度为300-500mm。
依据水工隧洞设计规范,考虑到需承受内水压力,二次衬砌采用双层钢筋模筑混凝土,厚300mm,标号为C30,W8,裂缝开展宽度小于0.2mm。
在结构力学法计算中,考虑到提前施作二次衬砌的可能性及初期支护的后期变形影响,按二次衬砌与初期支护同期施作进行计算,即联合受力,在防水层传力可靠的基础上为其受力的最大可能状态。
经计算二次衬砌承受总荷载的70%左右,在埋深较小时基本按构造要求配筋,其承载能力余度较大。
3.3结构防水设计
与一般交通及功能性地下工程只防外水内渗不同,本有压输水暗涵防水设计的主要目的是防止内水外渗,以防造成水量损失和对交叉建筑物产生不良影响；在地下水受污染的区域防止外水内渗污染饮用水；因本工程持力层为处在地下水位变动区的卵砾石层,渗水对地基变形影响不大。
暗涵所处地层为第四系全新统冲洪积物,工程区内钻探揭露之地下水为第四系松散层孔隙潜水,且地形平坦（沿线高差约10m）,故外压与洞外地下水位相等,不存在超高水头的孔隙水压力,根据水文地质资料,地下水位最高约为44.51m,相应最大外水压力约为8.5m水头（0.085MPa）,洞内无需设置排水减压设施。
暗涵最大内水压力约为17m水头（0.17MPa）。
（1）初期支护防水。
根据实验室试验测试,初期支护可达到较高的抗渗等级,但由于喷射混凝土施工工艺的不确定性,使得现场喷射混凝土的整体抗渗性能较差,不能形成永久的防线。
在本工程中采用潮喷工艺喷射C30混凝土,辅助初期支护背后回填注浆,使其具有一定的抗渗性能。
（2）二次衬砌防水。
二次衬砌混凝土主体结构采用C30混凝土,抗渗标号W8,限裂设计,为防渗的最重要的防线。
在提高混凝土标号和抗渗标号的同时,对混凝土配合比及骨料提出了严格的要求。
按联合受力计算二次衬砌最大裂缝开展宽度为0.132mm。
另外在保证初期支护和二次衬砌之间注浆质量以及合理的二次衬砌施作时机的前提下,浅埋暗挖工法二次衬砌基本处于轴向受压状态,有利于限制裂缝的产生。
地铁工程因为行车的要求,变形缝较少。
本工程依据水工隧洞规范及水工抗震规范的要求,分缝长度为10m,将减小暗涵纵向约束,减少环形开裂。
（3）防水隔离层。
水工有压输水暗涵在初期支护和二衬之间是否需要铺设防水板,在设计过程中有过争论,要点如下：
①防水板对初期支护和二次衬砌压力传递的影响：
经过注浆压实后说明,防水板对压力传递基本没有影响；②防水隔离层的作用及排水问题：
防水板不仅起到防水作用,也能起到隔离及润滑作用,另外又需防止内水外渗,故更有必要设置防水隔离层；关于排水问题,不需设内水外渗排水设施。
本工程在初期支护和二次衬砌之间铺设连续焊接防水板材。
最终形成由注浆层、初期支护、连续防水板和二次衬砌4道防线组成的防水体系。
4交叉构筑物穿越设计
本工程穿越的构筑物较多,主要有五棵松地铁站、23座立交桥、2座铁路桥、8座天桥、4条河渠以及近百条地下管线。
研究邻近地下工程施工的方法分为数理力学方法和经验类比法。
穿越时考虑的主要因素有新建工程和既有构筑物的位置关系,对既有构筑物的影响程度,既有构筑物的重要程度等,并对重要构筑物进行现状评估。
据本工程规模、设计施工方法、与既有结构的位置关系、地形地质条件、既有结构的力学健全度和对策的可能性,对既有构筑物的受影响程度及措施要求进行分级。
结合南水北调干渠穿越五环路的成功经验,并进行了深入的比较,确定了以洞内灌浆加固地层为主的方案另外进行三维非线性有限元模拟计算,进一步验证选定的地基加固方式的可靠性。
五棵松地铁站采用了洞内长导管注浆加固地层措施,指导思想符合本工程具体情况；铁路京门线大台支线五路居框架桥采用人工挖孔隔离桩加固地层,挖孔危险性及对地层扰动均较大,尚需进一步论证。
因两处穿越仍在初步设计阶段,尚有优化空间。
5监控测设计
为了保证监测数据准确可靠性,城市地下铁道开挖在施工期均采用独立于施工、监理的第三方对工程区地表及周边建筑物沉降进行监控量测。
本工程参照城市地下铁道做法首次将第三方监测引入水利工程中。
第三方监测系指在西四环暗涵工程施工期间,业主（南水北调建设管理中心）委托独立于设计、施工和监理,且具有工程监控量测资质的单位,依据相应规程和条款对施工影响区域内重要的地面建筑（构）物沉降、地表沉降实施独立、公正的监测并参与环境破坏纠纷处理的一项监测工作,它是业主为确保施工影响区域内的环境安全而采用的一种先进的管理模式。
首先对现状路面及构筑物进行评估,确定其沉降限值。
结合交叉构筑物穿越设计进行,与施工工序配合提出三级预警各阶段的沉降限值,根据各阶段的观测情况确定是否启动应急预案,指导采用正确的应急预案及其施作时机。
本工程路面限值30mm为构筑物限值因结构不同差异较大,其不均匀沉降差3-20mm不等。
根据相关规范及构筑物管理单位的要求并参照地铁经验,对监测基准点和观测点的设置、与掘进相对应的监测频次、数据采集分析和上报反馈机制进行了详细设计。
与加固措施和施工工法紧密结合,明确了第三方监控量测以监测分析反馈为主,监控穿越设计及工法的合理性,避免陷于以往曾出现的将监测等同于测量的误区。
6结语
南水北调工程是关系到首都供水安全的大事,西四环暗涵是其主要的控制性工程之一。
在设计过程中,根据工程地质特点,科学、慎重地选择了经济可靠适用的施工工法——浅埋暗挖法。
结构设计在借鉴类似工程经验的基础上,充分体现了水工有压输水暗涵的特点,保证了结构受力的合理性及防水的有效性；穿越构筑物设计中根据保护要求借鉴已有工程经验采取了合理有效的地层改良措施,实行由现状评估-穿越设计-风险评估-应急预案4级有机结合的穿越设计方法,并建立可靠的监控预警机制；实行第三方监测,保证了监测数据的可靠性及反馈的有效性。
各设计要点问题的有效解决,为工程顺利实施奠定了基础。
作者简介：
付云升（1965-）,男,高级工程师。
来源：
《北京水务》2019.2
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