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成果展示
大东湖核心区污水传输系统工程隧道结构设计方案研究 发布时间:2021.09.28

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张鹏1,吴立鹏1,彭定新1

(武汉市政工程设计研究院有限责任公司, 湖北 武汉 430000;)

摘要:针对超深埋、高内水压条件下的污水隧道结构,以现场试验、数值模拟、模型试验等方式针对单层衬砌、复合式双层衬砌、叠合式双层衬砌结构进行系统研究。结果表明:叠合式双层衬砌结构能够有效降低运营期衬砌受拉的情况,叠合式衬砌能够有效减小二衬的厚度,提高工程的经济性。

关键词:排水深隧;隧道;双层衬砌;二衬

中图分类号:U 45     文献标志码:A

引言

排水系统作为城市的重要基础设施,是城市的命脉工程。相比于欧美发达国家,我国在排水系统的建设方面起步较晚,于上世纪 50 年代才开始大规模建设地下排水管网,并且发展缓慢,导致全国各大城市基本没有较为完整的排水系统。随着近年来高强度的城市开发,城市排水系统的问题大规模地暴露出来,首先,我国大部分城市的污水收集与处理能力不足,污水管网长期带压运行,出现污水溢流污染,问题的主要原因有:管网过水能力不足,管网建设标准与城市发展水平不匹配(历史遗留问题),城市建设改变了原有污水管道的排放路径,管道破损、错接、淤积等;地下水、雨水和河水等的引入;污水处理厂处理能力的不足,满负荷工作等。其次,我国从南到北、由东到西,北京、上海、广州、杭州、成都、武汉、沈阳等多个城市频发遭受城市内涝灾害,危及城市安全,主要原因有我国城市防洪排涝标准低,抵御灾害气候能力弱,我国大陆城市排水管网设计暴雨重现期一般地区为1~3年,重要地区为3~5年,特别重要地区为10年;自然蓄水排水能力不足,表现为伴随着城市化进程,城市水面率和下垫面透水性能降低,径流系数增加,以及内河防洪设计标准的偏低,我国大陆城市的内河防洪重现期标准为20年,远落后于美国城市防洪重现期100年的标准。另外,我国城市的面源污染问题越发加剧,严重制约城市的经济和社会的可持续发展,主要原因是我国新旧城区不同排水系统的交错,污水和雨水管道混接现象普遍存在,大量污染物由地表暴雨径流排入水体,加剧了城市水体的污染。因此,目前我国大多数城市的排水管网已经不能满足城市发展需要,改建、扩建和新建排水系统迫在眉睫。

我国大多数城市老城区发展成熟,建筑密集,浅层地下空间已趋于饱和,通过浅层改造提高防洪排涝标准和控制污染代价高,难度大。深层隧道系统埋深大,可充分利用城市深层地下空间,直接穿越低层建筑,避免大量征地和拆迁,近年来在城市排水规划中的应用越来越多。广州是我国首个提出建设深层隧道排水系统的城市,规划有“一主七副”8条深层隧道,1座初雨污水处理厂、5座排涝泵站。隧道系统总长86.42km,主要功能是缓解内涝问题,排水标准由0.5~1年一遇提高到5~10年一遇。上海市拟在“十三五”期间建设一条长120km,直径为8~10米的“超级调蓄管廊”,下穿苏州河,埋深50~60米,这也是目前国内规模最大的雨水调蓄管道,建成后,苏州河沿线的排水能力可从目前的1年一遇提高至5年一遇,有效应对100年一遇降雨,控制初雨径流面源污染,有助于建设“海绵城市”。北京已经规划在城市东、西两侧各开挖一条从地铁线下方纵穿的深隧道,即两条深藏于地下30~40 m的排水廊道,中心城的防洪排涝布局将会形成"两纵四横、一环双网、多点两廊"的效果,用于保证暴雨或洪水来袭时的城市安全。2016年1月,武汉市重点工程-大东湖核心区污水传输系统工程获得批准,标志着武汉污水深隧系统建设已经提上建设日程,污水收集及处理系统已经进入“深隧时代”,污水深隧系统建设规模为19.6公里,包括二郎庙预处理站至新北湖污水厂的主隧,长约17.9公里、直径3~4.8米,以及落步咀预处理站至三环线支隧,长约1.7公里、直径3米,埋深为25.52~40.76 m,能够统筹解决区武汉市大东湖区的污水处理、内涝防治和初雨控制等问题,除该工程外,武汉市还将在汉口片区建设排水深隧。我国香港已建的深隧排水系统-香港荔枝角雨水排放隧道系统,全长约3.7公里、直径4.9米、埋深在50m以下,设计标准为50年一遇的超强降雨,起到了分流高地雨水,减少上游高地雨水流入市区排水系统,降低地势较低处的内涝风险的作用。

在国外,深层隧道排水技术已经应用多年,法国巴黎城市排水系统修建于1856年,长达2100km,埋深在50m以下,远远超出了城市地铁系统规模,排水标准是“5年一遇”,凭借发达的排水系统,使巴黎可以从容应对大至暴雨。美国芝加哥也是世界上最早使用“深隧概念”的城市之一,于1975年开始修建了长176km、直径2.5~10米、埋深45~106米的合流深层隧道系统工程,减轻了芝加哥地区的城市内涝和水体污染,保护了密西根湖等水体环境,其成功经验在美国大部分城市得以推广,类似的还有墨西哥、英国伦敦泰晤士等深层隧道工程等。新加坡已建有深层隧道污水系统,污水输送隧道长48公里、直径6米、埋深20~55米,将所有污水收集输送到一座80万立方米/天污水厂进行处理,完全解决了收集、输送和处理城市污水问题。日本东京圈排水系统总长6.3km,总管直径10m,采用盾构法修建,该系统可以防止台风季节因为暴雨而可能出现的洪灾,解决上游连接河道的排洪能力。

城市地下排水管线的施工,目前我国通常采用的是明挖法和顶管法,采用盾构法施工较为少见。随着我国城市地铁、高速铁路的大量建设,盾构施工法凭借其对周围环境影响小、对复杂地质条件的适应性强、施工安全快速等优点,已经发展为我国交通隧道领域的主要施工方法,我国已成为世界上大型盾构隧道工程数量最多、规模最大、技术难度最复杂、发展最快的国家。鉴于盾构工法的日趋成熟和完善,盾构工法将成为城市深层排水隧道的主要施工方法。

输水隧道与交通隧道并不完全等同,输水隧道在运行期间除承受外部的水土压力外,还需承受内水压力,其盾构隧道衬砌环向接头的受力也不同于一般隧道衬砌环向接头,在深埋外高水土压力,内高水压作用下,对盾构隧道结构承载能力和防止渗漏水措施提出了挑战。因此,如何发挥污水盾构隧道的应有功能,提高其耐久性,实现100年的设计使用寿命,是一项极其复杂而重要的研究课题。

1、依托工程概况

本工程为大东湖核心区污水传输系统工程。近期服务范围包括大东湖核心区内的沙湖、二郎庙、落步咀及白玉山污水系统约130.35平方公里,远期控制服务范围加上武钢和龙王嘴污水系统约200.25平方公里。其中主隧为二郎庙预处理站至北湖污水处理厂,总共约17.9km污水主隧工程,管道内径d3000~d3400mm,隧道底起点高程-4m,终点高程为-20.16m,埋深为25.52~40.76 m,采用压力流方式进行运行,主隧采用盾构法。

图1 工程概况

Fig. 1 Project profile

2、设计方案研究

2.1 总体方案设计

盾构法施工的隧道可采用的衬砌型式主要有:与常规钻爆法相似的模筑混凝土衬砌、管片装配式衬砌、复合式衬砌等。由于技术简单,模筑混凝土衬砌在很多既有隧道中使用比较普遍。管片装配式衬砌因为可以根据设计事先预制所以衬砌环施工迅速。在争取工期、围岩急需支护、适应较大变形等方面具有优势。复合式衬砌由于在防水和耐久性方面的巨大优势,在现代隧道建设中已经占据了主导地位,但是目前国内已建盾构隧道基本采用单层装配式管片衬砌,复合衬砌(模筑混凝土或者管片+二衬)较少。有鉴于盾构隧道结构的重要性和当前部分既有盾构隧道在采用单层装配式管片衬砌上暴露出的一些问题,设计建设的风险性和结构自身的耐久性越来越多的引起了广大盾构隧道设计建设以及科研人员的重视,尤其在目前国内隧道向深埋化、超长化、长寿命发展的形势下,要满足隧道主体结构全寿命的服役安全性能,合理结构形式的选取尤为重要。针对本项目污水盾构隧道而言,可选隧道衬砌结构形式有:

1)单层衬砌结构

采用钢筋混凝土管片单层衬砌结构,管片内侧不另设内衬,施工期间管片承受外部水土压力,运行期间还需承受内水压力。考虑保护管片结构、使内表面光滑、增加结构的耐久性等诸多因素,也可设置内衬,但不计其承担荷载。该结构形式受力明确,部分内外水压力可以相互抵消,当内外压差不大时,结构合理、经济、施工较为简单快捷。由于管片结构直接承受内水作用,其结构耐久性要求高,鉴于钢筋混凝土管片的材料和螺栓连接的特性,此种结构不具备承担较大的内外压差的条件。

2)叠合式双层衬砌结构

外部采用钢筋混凝土管片衬砌结构,内部另设二衬(内衬)结构,内衬与外衬之间采取有效措施紧密结合,施工阶段的外部水土压力由外衬承担,内衬的自重及运行阶段的内水压力由内外衬共同承担,内外衬间不仅可以传递压力,而且可以传递拉力和剪力。该结构隧洞内表面比较平滑,对外衬内表面的耐久性要求较低,外衬接缝不必考虑内水压力作用。该结构要求内外衬砌紧密结合,共同承受运行阶段的内水压力,内外衬砌受力复杂,外衬管片接缝是内衬应力集中处,易产生裂缝,因此施工质量要求高。

3)复合式双层衬砌

结构外部采用钢筋混凝土管片结构,内部设置二衬(内衬)结构,内衬与外衬紧密贴合,施工阶段外衬承担外部水土压力,内衬的自重及运行阶段的内水压力由内外衬按结构刚度比例共同分担,内外衬间仅可传递压力,不可传递拉力和剪力。该结构的优点与叠合式双层衬砌基本相同,两层衬砌之间传力相对较明确。但该形式衬砌要求内外衬有较高的水密性,内外衬只要有一处漏水,就会对另一衬砌产生破坏性影响。

4)分离式双层衬砌结构

该种结构在内衬与外衬之间设置隔离层,使两者分别受力。隧道外部的水压、土压等外部荷载由外衬承受,内衬需承担其自重及内水压力。外衬仍采用钢筋混凝土管片结构,内衬必须保证在高拉应力下的防水性能,多采用钢衬、预应力钢筋混凝土内衬或洞内直接铺设PCCP管。该种结构受力明确,安全度高,防水性能好,一般用在内外压力差较大的工程。

大东湖核心区污水传输系统工程,其污水深隧系统建设规模总长达19.6公里,隧道埋深20~40米,隧道直径3.0~4.8米,设计使用年限长达100年。由于本项目对结构承载(外部超高水、土荷载,内部超高水压)及防水耐久提出了严格的要求,单层装配式管片衬砌恐不能全方位的满足工程使用要求,采用单层装配式管片衬砌+内衬的支护结构形式已成为重要备选方案。鉴于微型污水隧道结构的特殊性和重要性,需要在其设计基准期100年内满足不间断排污运行的要求,其衬砌结构发生变异或者劣化的可能性较大。因此,二次衬砌可能作为抵御外荷载和防水的最后一道防线,提高在不可预料荷载作用下的可靠度的作用。

根据现有国内外相关排水隧道案例,针对本工程这种承受较大内水压力、埋深较大且内部介质存在一定的腐蚀性的隧道结构,采用双层衬砌无论在防水性能、还是防腐蚀性能相比单层衬砌均有较强的优势,但针对单层衬砌与双层衬砌在类似工程中均有成功案例可循,方案设计阶段对深隧盾构段分别采用单层管片衬砌、单层管片衬砌+内衬叠合式双层衬砌结构两种推荐方案进行比选,从结构受力性能及耐久防腐性能确定最终推荐结构形式。其中,采用单层管片衬砌时,施工期、运营期均由单层管片结构承受外部水土压力和内部水压;采用双层衬砌时,施工期间由管片承受外部围岩压力、水压力,运营期间的外部围岩压力、水压力以及内水压力由管片结构和二衬结构共同承担,同时满足结构防腐蚀、抗渗等相关要求。

4、结论与建议

针对武汉市大东湖核心区污水盾构隧道工程,在深埋、高外水土压力和高内水压作用下,从结构安全性及长寿命耐久性能出发,通过比选优化的结构体系及相关建议如下:

1)从不同工况下单层管片衬砌与双层管片衬砌计算分析结果可以得出,从结构受力角度来看,采用双层衬砌结构形式对提高结构安全性能比较有利。同时,结合双层衬砌无论在防水性能、还是防腐蚀性能相比单层衬砌均有较强的优势,能够比较明显地提高结构耐久性。因此,综合考虑结构受力、保护管片结构、使内表面光滑、增加结构耐久性等诸多因素,本项目污水隧道工程采用外层预制管片+二次衬砌双层衬砌结构形式。

2)结合数值模拟计算,主筋沿幅宽纵向不同位置采用阶梯状分布的配筋率。对于受力较大的幅宽边缘区域采用较高的配筋率,对于受力较小的幅宽中央区域采用较低的配筋率。为了保证二次衬砌能够较好的承受运营期高内水压作用,对二衬衬砌加以配筋,以提高二次衬砌安全富裕度以及具有较好的耐久性。

3)为保证整体衬砌结构能长寿命安全服役,对二次衬砌内表壁进行防腐处理,二次衬砌采用内掺聚丙烯纤维的高抗渗性混凝土;施工中,加强注浆充填效果及岩层中盾构充填的及时性,保证围岩与衬砌之间具有较好的腔固作用,除考虑惰性浆体外,可考虑充填豆砾石或粗骨料以改成注浆效果。

 

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