談深埋污水隧洞結(jié)構(gòu)設(shè)計要點
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摘要：隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展，市政工程方面的發(fā)展也不斷增加，在進行城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的項目中，城市的排水管道工程是一項重要的組成部分，這是維持城市正常供水以及污水排放等重要基礎(chǔ)設(shè)施。由于受到周邊環(huán)境和地下管線影響污水管道埋深越來越深，采用傳統(tǒng)的開挖方式不適合敷設(shè)管道，非開挖敷設(shè)管道目前比較常用，本文從深埋市政給排水隧洞的結(jié)構(gòu)設(shè)計進行探討，對設(shè)計各階段的技術(shù)要點進行說明，希望可以對相關(guān)工作人員提供良性的參考。
關(guān)鍵詞：市政；給排水管道工程；結(jié)構(gòu)設(shè)計
1前言
隨著我國城市化水平的不斷提高，人們對城市的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提出更高的要求，在城市人民的日常生活和生產(chǎn)中，水資源是最不可或缺的資源之一。為了滿足人民的需求，所以在給排水工程建造時要加強該系統(tǒng)的處理性能，從而提高城市的生活環(huán)境，促進社會的穩(wěn)定發(fā)展。在實施排水工程施工時，因為施工環(huán)境復(fù)雜，管道非開挖施工距離較長，長度達到1000m以上，在巖石中采用頂管施工，一次頂進難難度大，因管道埋深大導(dǎo)致設(shè)置工作井困難，排水管道采用隧洞方式施工可解決非開挖管道施工的難題。
2工程概況
本工程為黑龍灘風(fēng)景區(qū)污水干管項目，污水干管采用全段重力流輸送污水，總長度約為16.9km，以楊柳片區(qū)為起點，污水干管沿長島未來城區(qū)水岸線敷設(shè)管道至邱家堰橋，后采用污水隧洞形式至光相片區(qū)東南側(cè)，最終敷設(shè)污水管道至現(xiàn)狀污水處理廠和新建污水處理廠，其中污水隧洞長度為3840.00m，頂管長度為13090.00m。埋深14.50m~62.00m。根據(jù)地質(zhì)資料，地層由上至下主要為第四系全新統(tǒng)人工填土，第四系中更新統(tǒng)冰水沉積粉質(zhì)黏土、含卵石粉質(zhì)黏土、中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、中風(fēng)化砂巖組成。隧洞高程所處位置為中風(fēng)化泥巖及中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，飽和單軸抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值分別為2.06MPa、9.51MPa，為極軟巖，圍巖類別為Ⅳ類。本工程地表水主要以黑龍灘庫水及水塘（魚塘）水為主，黑龍灘水庫豐水期水位最高約為484.00m，枯水期最低水位約為472.00m，水位變化幅度約12m。，場地地下水以上層滯水、基巖裂隙水為主。上層滯水僅局部呈條帶狀分布，主要賦存于人工填土層中，在地形低洼處容易富集，基巖裂隙水主要賦存于基巖裂隙中。裂隙水與庫水（塘水）連通。隧洞計算地下水位取值為水庫最高水位485.00m進行設(shè)計。
3.1隧洞施工工法比選
隧洞施工方法主要有鉆爆法（礦山法）及盾構(gòu)法。鉆爆法施工工藝簡單、靈活，它采用信息化設(shè)計和施工，可以根據(jù)施工監(jiān)測的信息反饋來驗證和修改設(shè)計和施工工藝，以達到安全與經(jīng)濟的目的。對不同的地質(zhì)情況及周邊環(huán)境應(yīng)采用不同的工程措施及施工方法，針對性強。采用鉆爆法對軟硬不均的地層，可以用不同的開挖方式進行處理，處理方便容易。鉆爆法在施工中容易引起地下水的流失，從而引起地面過大的沉降或隆起，在重要管線和房屋周邊需采取切實可行的保護措施；在施工中處理不當(dāng)時，容易引起地面坍塌，從而造成對周邊環(huán)境的影響并引發(fā)施工事故，施工中存在一定的風(fēng)險。盾構(gòu)法是暗挖隧洞施工中一種先進的工法。盾構(gòu)法施工不僅施工進度快，無噪聲無振動公害，而且對地面交通及沿線建筑物、地下管線和居民生活影響較小。隨著盾構(gòu)技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件及周圍環(huán)境情況等難以用鉆爆法和明挖法施工時，盾構(gòu)法是較好的選。本污水管隧洞屬于小斷面隧洞，采用盾構(gòu)法施工需特殊定制盾構(gòu)機，盾構(gòu)機施工完成不能為其余工程所用，且需要就近設(shè)置管片預(yù)制場地，綜合成本較大，經(jīng)濟性較差。工程隧洞所在區(qū)域非人口密集區(qū)，地面建筑物稀疏、基本無重要管線和地下建構(gòu)筑物。根據(jù)地勘報告，本隧洞穿越地層為中風(fēng)化泥巖、泥質(zhì)砂巖，自穩(wěn)能力較好使得其在本工程中具備良好的適應(yīng)性，且綜合造價相對較低。綜合各方面因素，本污水管隧洞施工工法推薦采用鉆爆法施工。
3.2隧洞橫斷面形狀及尺寸
無壓隧洞一般宜采用圓拱直墻斷面、圓形或馬蹄形斷面。由于本工程隧洞地質(zhì)條件主要為Ⅳ、Ⅴ類圍巖，支護、襯砌形狀應(yīng)采用圓形或接近圓形的馬蹄形斷面。本工程隧洞設(shè)計流量為788.9L/S，過水能力不是斷面尺寸選擇的主要因素。一般情況，小斷面長隧洞的施工制約因素主要有以下幾個方面。（1）施工運輸困難。小斷面隧洞開挖渣料、混凝土運輸方式只能采用小型設(shè)備有軌運輸，運輸成本高、效率低。（2）施工通風(fēng)困難。特別是采用鉆爆法施工的長隧洞施工通風(fēng)要求高，而小斷面隧洞考慮運輸設(shè)備占用空間后剩余空間狹小，限制了風(fēng)機及通風(fēng)管尺寸，即限制了通風(fēng)量。（3）施工排水、照明等輔助設(shè)施布置困難。地下工程地質(zhì)條件復(fù)雜，塌方、突泥、地下涌水等情況時有發(fā)生，需充分考慮施工照明、排水及搶險設(shè)備的布置需要，而小斷面隧洞則一定程度上限制了各種輔助設(shè)施的布置空間。本工程隧洞斷面形狀及尺寸主要從工期和投資方面進行選擇。從工期方面進行比較，由于本工程工期較緊，洞徑小，若采用圓形開挖，底寬無法滿足施工要求，根據(jù)類似工程施工的經(jīng)驗，需將斷面開挖成圓拱直墻形（襯砌為圓形）或馬蹄形斷面。對底寬為=2.54m，高為2.54m,Ⅳ類圍巖開挖底寬為3.44m，高為3.44m的圓拱直墻形（襯砌為圓形）和馬蹄形斷面在布置了施工通風(fēng)和通電線路后，都能給出渣設(shè)備留有足夠的空間，交通運輸安全有保障。開挖采用圓拱直墻形斷面方便施工，利于出渣能保證工期。而馬蹄形斷面為5心圓斷面，施工和空間利于不如圓拱直墻形斷面。本工程小斷面隧洞出渣運輸因受斷面的限制，大型挖裝機械難以展開，如何將洞渣快速運出洞外是小斷面隧洞施工最大的難題，將直接影響隧洞的施工進度。從投資方面進行比較，圓拱直墻形斷面土方開挖量為10.56m3/m,圓形襯砌混凝土量為3.64m3/m；馬蹄形斷面土方開挖量為9.77m3/m,襯砌混凝土量為2.72m3/m。工程量馬蹄形斷面略省，總體上變化較小。通過以上綜合分析，結(jié)合受力性能和施工工期和工程投資，推薦本工程隧洞采用馬蹄形斷面形式。同時考慮到項目前期污水水量較小，隧洞襯砌完成后在底部二次澆筑直徑1m的半圓溝槽，避免污水流速過小形成淤積同時利于人員進行檢修。
3.3支護設(shè)計
隧洞開挖后全洞段采用噴錨支護，錨桿采用Ф22，L＝3m，掛鋼筋網(wǎng)，噴混凝土C25厚260mm。具體支護形式見下表。
3.4襯砌設(shè)計
污水隧洞為馬蹄形斷面，洞徑B×H=2.54×2.54m，C30鋼筋混凝土襯砌。隧洞的結(jié)構(gòu)設(shè)計遵照水工隧洞設(shè)計規(guī)范，分運行工況及施工工況進行結(jié)構(gòu)計算。運行工況計入山巖壓力、內(nèi)外水壓力、襯砌結(jié)構(gòu)自重、水重等荷載。施工工況計入山巖壓力、襯砌結(jié)構(gòu)自重、外水壓力、灌漿壓力等荷載。斷面開挖時地下水豐富洞段頂拱設(shè)置排水孔，襯砌時用混凝土進行封孔。現(xiàn)澆鋼筋混凝土襯砌按限裂進行設(shè)計，按《水工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（NB35047—2015）規(guī)定，最大裂縫寬度允許值為0.20mm。
3.5進、出洞設(shè)計
本工程進、出洞由于工藝要求埋深較深，進洞埋深為28.50m，出洞埋深為25.40m。進、出洞方案主要由豎（斜）井下挖和放坡開挖兩種方式。放坡開挖由于洞口埋深較深，為達到施工車輛進出要求需放坡較遠才能滿足要求，放坡開挖由于基坑深度較深，需進行支護樁對土體進行支擋；豎（斜）井下挖方式出渣需進行垂直吊運，出渣及材料運輸較慢。具體比較見下表。結(jié)合本工程施工地點對環(huán)境保護要求較大，推薦采用豎（斜）井進、出洞的方式。
3.6豎井設(shè)計
由于本工程隧洞約3.89km,隧洞較長，為了滿足工期的要求及作為后期運行的通風(fēng)、設(shè)備吊裝及污水接入，需曾設(shè)豎井以便形成多個工作面，形成“長洞短打”的條件，使各工作面的長度減少，有利于通風(fēng)、排煙、出渣，施工完成后可利用作為隧洞的通風(fēng)、設(shè)備吊裝、檢修通道及污水接入口。豎井的設(shè)置應(yīng)以均衡施工為原則，既要滿足進度要求，又要經(jīng)濟可行。隧洞獨頭進尺長度一般控制在1.0km以內(nèi)，當(dāng)隧洞長度小于2.0km時，一般不再布置豎井，由進、出口兩個工作面進行施工。當(dāng)隧洞較長時，需設(shè)置豎井，本工程設(shè)置兩個豎井增加工作面。豎井設(shè)置原則為在隧洞覆土較淺位置及周邊緊鄰道路，同時避開水庫區(qū)域。豎井采用逆作法施工，初期支護采用噴錨支護，錨桿采用Ф22，L＝3m，掛鋼筋網(wǎng)Ф6.5@150×150mm，環(huán)向用鋼筋格構(gòu)架或型鋼支撐，噴混凝土C20厚300mm。襯砌采用C30混凝土，中間設(shè)置隔墻，將下人通道和設(shè)備吊裝通道分隔開。
3.7隧洞襯砌防腐蝕措施
隧道襯砌混凝土直接受污水的侵蝕，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)混凝土表層剝落、鋼筋銹蝕而影響使用壽命。隧道輸送污水流態(tài)為重力非滿流。接觸隧道襯砌的介質(zhì)有液態(tài)的污水和污水在一定生化條件下產(chǎn)生的大量氣體對隧洞襯砌混凝土產(chǎn)生腐蝕，為了保證本工程隧洞的正常使用，本工程隧洞襯砌混凝土防腐蝕主要措施為：增加混凝土凈保護層厚度，保護層厚度為40mm；提高混凝土的抗?jié)B性能：添加抗?jié)B劑；改進混凝土混合物骨料的級配；降低水灰比至小于0.35；減少水泥用量；限制結(jié)構(gòu)受拉區(qū)混凝土的永久裂縫的寬度，將限制控制裂縫為0.2mm。
4結(jié)語
綜上所述，深埋污水隧洞在施工方法，隧洞斷面形式及大小的選擇對工程投資、工期影響較大，只有科學(xué)合理的選擇施工方法及斷面形式及大小，才能夠保證污水隧洞安全、合理的建設(shè)及運行。
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作者：顧華 單位：中國市政工程西南設(shè)計研究總院有限公司