深埋污水隧洞结构设计要点探讨

顾 华

中国市政工程西南设计研究总院有限公司

1 前言

随着我国城市化水平的不断提高，人们对城市的基础设施建设提出更高的要求，在城市人民的日常生活和生产中，水资源是最不可或缺的资源之一。为了满足人民的需求，所以在给排水工程建造时要加强该系统的处理性能，从而提高城市的生活环境，促进社会的稳定发展。在实施排水工程施工时，因为施工环境复杂，管道非开挖施工距离较长，长度达到1000m 以上，在岩石中采用顶管施工，一次顶进难难度大，因管道埋深大导致设置工作井困难，排水管道采用隧洞方式施工可解决非开挖管道施工的难题。

2 工程概况

本工程为黑龙滩风景区污水干管项目，污水干管采用全段重力流输送污水，总长度约为16.9km，以杨柳片区为起点，污水干管沿长岛未来城区水岸线敷设管道至邱家堰桥，后采用污水隧洞形式至光相片区东南侧，最终敷设污水管道至现状污水处理厂和新建污水处理厂，其中污水隧洞长度为3840.00m，顶管长度为13090.00m。埋深14.50m～62.00m。

根据地质资料，地层由上至下主要为第四系全新统人工填土，第四系中更新统冰水沉积粉质黏土、含卵石粉质黏土、中风化泥质砂岩、中风化砂岩组成。隧洞高程所处位置为中风化泥岩及中风化泥质砂岩，饱和单轴抗压强度标准值分别为2.06MPa、9.51MPa，为极软岩，围岩类别为Ⅳ类。

本工程地表水主要以黑龙滩库水及水塘（鱼塘）水为主，黑龙滩水库丰水期水位最高约为484.00m，枯水期最低水位约为472.00m，水位变化幅度约12m。，场地地下水以上层滞水、基岩裂隙水为主。上层滞水仅局部呈条带状分布，主要赋存于人工填土层中，在地形低洼处容易富集，基岩裂隙水主要赋存于基岩裂隙中。裂隙水与库水（塘水）连通。隧洞计算地下水位取值为水库最高水位485.00m进行设计。

3 隧洞结构设计

3.1 隧洞施工工法比选

隧洞施工方法主要有钻爆法（矿山法）及盾构法。钻爆法施工工艺简单、灵活，它采用信息化设计和施工，可以根据施工监测的信息反馈来验证和修改设计和施工工艺，以达到安全与经济的目的。对不同的地质情况及周边环境应采用不同的工程措施及施工方法，针对性强。采用钻爆法对软硬不均的地层，可以用不同的开挖方式进行处理，处理方便容易。钻爆法在施工中容易引起地下水的流失，从而引起地面过大的沉降或隆起，在重要管线和房屋周边需采取切实可行的保护措施；在施工中处理不当时，容易引起地面坍塌，从而造成对周边环境的影响并引发施工事故，施工中存在一定的风险。盾构法是暗挖隧洞施工中一种先进的工法。盾构法施工不仅施工进度快，无噪声无振动公害，而且对地面交通及沿线建筑物、地下管线和居民生活影响较小。随着盾构技术的发展，当工程地质条件、水文地质条件及周围环境情况等难以用钻爆法和明挖法施工时，盾构法是较好的选。

表1 隧洞施工工法对比表

本污水管隧洞属于小断面隧洞，采用盾构法施工需特殊定制盾构机，盾构机施工完成不能为其余工程所用，且需要就近设置管片预制场地，综合成本较大，经济性较差。工程隧洞所在区域非人口密集区，地面建筑物稀疏、基本无重要管线和地下建构筑物。根据地勘报告，本隧洞穿越地层为中风化泥岩、泥质砂岩，自稳能力较好使得其在本工程中具备良好的适应性，且综合造价相对较低。综合各方面因素，本污水管隧洞施工工法推荐采用钻爆法施工。

3.2 隧洞横断面形状及尺寸

无压隧洞一般宜采用圆拱直墙断面、圆形或马蹄形断面。由于本工程隧洞地质条件主要为Ⅳ、Ⅴ类围岩，支护、衬砌形状应采用圆形或接近圆形的马蹄形断面。

本工程隧洞设计流量为788.9L/S，过水能力不是断面尺寸选择的主要因素。一般情况，小断面长隧洞的施工制约因素主要有以下几个方面。

（1）施工运输困难。小断面隧洞开挖渣料、混凝土运输方式只能采用小型设备有轨运输，运输成本高、效率低。

（2）施工通风困难。特别是采用钻爆法施工的长隧洞施工通风要求高，而小断面隧洞考虑运输设备占用空间后剩余空间狭小，限制了风机及通风管尺寸，即限制了通风量。

（3）施工排水、照明等辅助设施布置困难。地下工程地质条件复杂，塌方、突泥、地下涌水等情况时有发生，需充分考虑施工照明、排水及抢险设备的布置需要，而小断面隧洞则一定程度上限制了各种辅助设施的布置空间。本工程隧洞断面形状及尺寸主要从工期和投资方面进行选择。

从工期方面进行比较，由于本工程工期较紧，洞径小，若采用圆形开挖，底宽无法满足施工要求，根据类似工程施工的经验，需将断面开挖成圆拱直墙形（衬砌为圆形）或马蹄形断面。对底宽为=2.54m，高为2.54m，Ⅳ类围岩开挖底宽为3.44m，高为3.44m 的圆拱直墙形（衬砌为圆形）和马蹄形断面在布置了施工通风和通电线路后，都能给出渣设备留有足够的空间，交通运输安全有保障。开挖采用圆拱直墙形断面方便施工，利于出渣能保证工期。而马蹄形断面为5心圆断面，施工和空间利于不如圆拱直墙形断面。本工程小断面隧洞出渣运输因受断面的限制，大型挖装机械难以展开，如何将洞渣快速运出洞外是小断面隧洞施工最大的难题，将直接影响隧洞的施工进度。

从投资方面进行比较，圆拱直墙形断面土方开挖量为10.56m3/m，圆形衬砌混凝土量为3.64m3/m；马蹄形断面土方开挖量为9.77m3/m，衬砌混凝土量为2.72 m3/m。工程量马蹄形断面略省，总体上变化较小。

表2 隧洞断面形式对比分析表

通过以上综合分析，结合受力性能和施工工期和工程投资，推荐本工程隧洞采用马蹄形断面形式。同时考虑到项目前期污水水量较小，隧洞衬砌完成后在底部二次浇筑直径1m的半圆沟槽，避免污水流速过小形成淤积同时利于人员进行检修。

3.3 支护设计

隧洞开挖后全洞段采用喷锚支护，锚杆采用Ф22，L＝3m，挂钢筋网Ф6.5@150×150mm，喷混凝土C25 厚260mm。具体支护形式见下表。

表3 支护形式

3.4 衬砌设计

污水隧洞为马蹄形断面，洞径B×H=2.54×2.54m，C30钢筋混凝土衬砌。隧洞的结构设计遵照水工隧洞设计规范，分运行工况及施工工况进行结构计算。运行工况计入山岩压力、内外水压力、衬砌结构自重、水重等荷载。施工工况计入山岩压力、衬砌结构自重、外水压力、灌浆压力等荷载。断面开挖时地下水丰富洞段顶拱设置排水孔，衬砌时用混凝土进行封孔。

现浇钢筋混凝土衬砌按限裂进行设计，按《水工钢筋混凝土结构设计规范》（NB 35047—2015）规定，最大裂缝宽度允许值为0.20mm。

3.5 进、出洞设计

本工程进、出洞由于工艺要求埋深较深，进洞埋深为28.50m，出洞埋深为25.40m。进、出洞方案主要由竖（斜）井下挖和放坡开挖两种方式。放坡开挖由于洞口埋深较深，为达到施工车辆进出要求需放坡较远才能满足要求，放坡开挖由于基坑深度较深，需进行支护桩对土体进行支挡；竖（斜）井下挖方式出渣需进行垂直吊运，出渣及材料运输较慢。具体比较见下表。

表4 进、出洞对比表

结合本工程施工地点对环境保护要求较大，推荐采用竖（斜）井进、出洞的方式。

3.6 竖井设计

由于本工程隧洞约3.89km，隧洞较长，为了满足工期的要求及作为后期运行的通风、设备吊装及污水接入，需曾设竖井以便形成多个工作面，形成“长洞短打”的条件，使各工作面的长度减少，有利于通风、排烟、出渣，施工完成后可利用作为隧洞的通风、设备吊装、检修通道及污水接入口。

竖井的设置应以均衡施工为原则，既要满足进度要求，又要经济可行。隧洞独头进尺长度一般控制在1.0km以内，当隧洞长度小于2.0km时，一般不再布置竖井，由进、出口两个工作面进行施工。当隧洞较长时，需设置竖井，本工程设置两个竖井增加工作面。竖井设置原则为在隧洞覆土较浅位置及周边紧邻道路，同时避开水库区域。竖井采用逆作法施工，初期支护采用喷锚支护，锚杆采用Ф22，L＝3m，挂钢筋网Ф6.5@150×150mm，环向用钢筋格构架或型钢支撑，喷混凝土C20 厚300mm。衬砌采用C30混凝土，中间设置隔墙，将下人通道和设备吊装通道分隔开。

3.7 隧洞衬砌防腐蚀措施

隧道衬砌混凝土直接受污水的侵蚀，导致其结构混凝土表层剥落、钢筋锈蚀而影响使用寿命。隧道输送污水流态为重力非满流。接触隧道衬砌的介质有液态的污水和污水在一定生化条件下产生的大量气体对隧洞衬砌混凝土产生腐蚀，为了保证本工程隧洞的正常使用，本工程隧洞衬砌混凝土防腐蚀主要措施为：增加混凝土净保护层厚度，保护层厚度为40mm；提高混凝土的抗渗性能：添加抗渗剂；改进混凝土混合物骨料的级配；降低水灰比至小于0.35；减少水泥用量；限制结构受拉区混凝土的永久裂缝的宽度，将限制控制裂缝为0.2mm。

4 结语

综上所述，深埋污水隧洞在施工方法，隧洞断面形式及大小的选择对工程投资、工期影响较大，只有科学合理的选择施工方法及断面形式及大小，才能够保证污水隧洞安全、合理的建设及运行。