观景口水利枢纽输水线路岩石顶管设计与实践

王永生

（中水北方勘测设计研究有限责任公司，300222，天津）

一、工程概述

重庆市观景口水利枢纽由水库工程和输水工程组成。输水工程主要建筑物设计洪水标准为50年一遇，校核洪水为200年一遇。主要建筑物包括隧洞、倒虹吸（由埋管、管桥、有压隧洞、竖井等组成）、暗涵、分水口、节制闸、退水闸及沿线的排水、排气、放空阀井等附属建筑物。

二、初步设计及变更

1.初步设计

2015年8月，水利部水利水电规划设计总院对中水北方勘测设计研究有限责任公司编制完成的《重庆市观景口水利枢纽工程初步设计报告》进行技术审查。2015年10月，获水利部批复。

批复的输水线路总长24.97km，主要输水建筑物19座，其中无压隧洞7座、倒虹吸3座、暗涵7座、渡槽2座；泵站枢纽1座；控制建筑物12座，其中分水口6座、检修排水口4座、退水闸1座、节制闸1座。其中输水隧洞长度占比接近80%，均采用传统钻爆法施工。

2.设计变更

（1）施工方法变更

2016年3月，重庆市水利局组织专家对中水北方勘测设计研究有限责任公司编制的《重庆市观景口水利枢纽工程输水线路工程隧洞施工方法变更报告》进行了技术审查及批复。该报告对输水线路未做调整，从安全和工期等因素考虑，将隧洞施工方法从钻爆法变更为顶管施工方案，工期相应从40个月优化为34个月。

（2）输水线路变更

顶管施工可以穿越钻爆法无法穿越的浅埋段，2018年10月，重庆市水利局对中水北方勘测设计研究有限责任公司提出的《观景口水利枢纽工程输水线路变更设计报告》进行了审批，对姜家分水口以后输水线路进行了变更，缩短了原输水线路，总长优化为21.53 km（不含泵站系统）。

三、输水线路工程总布置

输水线路经过区域为川东“平行岭谷”区，狭长的条形山脉与相对宽阔的丘陵相间分布，先后穿越大致平行的4座山及鸭溪河、二圣河、鱼溪河等3条河流，地形较为复杂。

实施的输水线路工程起点为泵站出水池，终点是重庆市南岸区茶园水厂，总体走向近东西偏北，线路总长21.53 km（不含泵站系统）。输水线路沿线分别预留姜家镇、二圣镇、惠民镇6个分水口，满足沿线供水灌溉功能要求。输水线路以隧洞为主，跨越河道、沟谷采用倒虹吸等交叉建筑物。输水线路变更后，可分为线路不变段和变更段。其中，线路不变段维持初步设计线路，自泵站出水池至姜家分水口，总长6.53 km；线路变更段自姜家分水口至茶园区观景口水厂，15.31 km。两段布置分述如下。

1.出水池至姜家分水口

出水池位于泵站后山顶上，长40 m、宽25 m，平台高程301 m。姜家分水口位于姜家猪场附近，3号无压洞进口处，该段线路需要跨越冲沟和鸭溪河。

出水池后以1号倒虹吸跨越出水池下游山下冲沟，通过埋管形式与1号无压隧洞进口的1号连接井连接，走线北西。1号无压隧洞穿过三叠系下统嘉陵江组、中统雷口坡组灰岩地层和侏罗系泥岩、砂岩等地层，全长2 436.52 m，在槐园的S415附近接2号无压洞，2号无压洞总长1 225 m，隧洞穿越地层岩性与1号隧洞相近，2号隧洞出口接2号倒虹吸跨越鸭溪河后在姜家镇大竹林村附近接入3号无压洞，线路基本呈东西向布置。

2.姜家分水口至观景口水厂

首先施工的2号无压隧洞，采用顶管穿越了灰岩、砂岩、泥岩等不同地层，同钻爆法相比，隧洞埋深小，对地层扰动小，在穿越省道S415时，最小埋深约3 m，顺利穿越，未见异常。为缩短输水线路长度，节约投资，根据2号隧洞成功的施工经验，设计对3号隧洞进口以后的输水线路进行了优化，线路缩短4.78 km。

优化后本段线路水平投影总长15.31 km，其中无压暗涵3段，水平投影长共计0.626 km；无压隧洞6段，水平投影长共计11.022 km；倒虹吸3处，水平投影长共计3.662 km，其中含有压隧洞2段，水平投影长1.572 km。沿线输水隧洞长度占比82%。输水工程线路具体布置如下：

起点位于3号隧洞进口的4号连接井，其后顺接3号无压隧洞，隧洞长3 224 m，为输水线路单洞长度最长的一条，两头对顶，独头最大顶进长度1.7 km。出3号隧洞后，以倒虹吸（埋管形式）跨越二圣河，采用暗涵通过两岸较宽阔台地，二圣河左岸暗涵末端顺接4号无压隧洞，隧洞长1 276 m。4号隧洞出口设5号连接井，再接5号无压隧洞至老洞沟右岸，为避开老洞沟左岸老槽房处房屋群，5号隧洞出口位于老洞沟右岸黑湾处，再以暗涵、倒虹吸穿老洞沟，倒虹吸末端接6号无压隧洞，隧洞长2 171.28 m。6号无压隧洞穿明月山后，为尽量减小对迎龙湖水库库区和G5001绕城高速路影响，出口位于迎龙沟右岸蓬子岗附近，隧洞出口后以埋管、管桥穿迎龙沟，其后接1号有压隧洞；1号有压隧洞后布置埋管接2号有压隧洞穿G5001绕城高速路，2号有压隧洞末端设埋管，连接管桥穿鱼溪河，其后埋管至惠民镇晓春村黄桷树处，连接7号无压隧洞；7号无压隧洞出口后设7号连接井顺接8号无压隧洞直至本次输水终点观景口水厂。隧洞穿越地层为三叠系上统须家河组至侏罗系上统蓬莱镇组，岩性主要为砂岩、泥岩、页岩、粉砂岩。隧洞沿线埋深7.2～298.00m，总体满足顶管施工的要求。

四、隧洞设计

该工程隧洞总长16.27km，其中无压隧洞8段，总长度14.69km，洞径2.65m，采用普通钢筋混凝土管；有压洞两段，总长度1.58km，洞径2.0m，采用JPCCP管，最大净水头35m。根据隧洞施工工法，顶管法施工隧洞形式选择圆形断面。

1.顶管设计

（1）无压隧洞

该工程顶管以无压隧洞为主，无压隧洞段顶管采用钢筋混凝土管，其结构设计参考《给水排水工程顶管技术规程（CECS246：2008）》《顶进施工法用钢筋混凝土排水管（JC/T640—2010）》等规范和类似工程。钢筋混凝土顶管的混凝土强度C50，抗渗标号W10，壁厚取值为260 mm，单节长度2.5 m。施工顶进时允许最大顶力为19 000 kN。纵、环向均采用HRB400钢筋，管道端头为防止顶力过大出现裂缝，适当加密钢筋。

管道采用钢承口接口形式，钢板套环材料为Q235B，钢承口接头的钢套管与混凝土的接缝采用弹性密封填料勾缝。接头止水用橡胶密封圈，插管管道设凹槽，粘嵌2道遇水膨胀橡胶止水条，止水条在顶进过程中被压紧，遇水膨胀起到止水作用。

（2）有压隧洞

该工程有压隧洞最大内水压力约0.5MPa，采用普通钢筋混凝土管难以承担该管道内水压力，且管道接头止水难以保证内水不外渗。因此，有压段的管材采用了JPCCP，该管材具有较强的抗内、外压和抗渗性能，具有优异的防腐性能和耐久性，施工工艺成熟，施工快捷、方便。经计算，施工期管道所能承受的最大顶推力为9 000 kN。JPCCP管混凝土强度C50，抗渗标号W10，内径2.0 m，壁厚240 mm，钢筒厚度1.5 mm，采用双胶圈接头形式。

2.中继间

中继间在长距离顶管中用于分段顶进，一般用钢材制作，沿管环设置千斤顶，利用其分段传力顶进，缩短顶管的长度，从而减少千斤顶顶力。中继间价格昂贵，为了尽量减少其数量，主顶油缸和中继间油缸顶力均按管道允许顶力配置。经按管道允许顶力计算，中继间设置长度为190m，考虑地质条件的不确定性，中继间的间距按150m控制，并在施工过程中根据观测数据适当调整。

3.触变泥浆减阻

本工程顶管掘进采用泥水平衡方式，在顶进过程中向管节外注入触变泥浆，使管道周边的摩擦阻力极大地减小。注浆通过在管道设置注浆孔实现，在掘进机后连续放置3～4节有注浆孔的管，不断注浆，此后间隔3～4节管布置一节有注浆孔的管用以补浆，保证顶管外部充满泥浆。注浆孔沿管道直径按120°设置，共3只注浆孔。

4.隧洞灌浆设计

为提高输水隧洞承受内、外水压力的能力，减少渗漏和不均匀沉降，混凝土衬砌与围岩间的缝隙灌浆回填密实。顶管顶进结束后，顶管衬砌段的四周应进行回填灌浆置换管周边的触变泥浆，利用预留的泥浆注浆孔作为回填灌浆孔进行水泥浆回填灌浆，灌浆压力作用下，触变泥浆从3～4节管子后放置有注浆孔的位置被挤出，则水泥浆代换泥浆完成。

当遇到不利的地质情况，迫使顶管掘进机停止掘进，采用对掌子面上半部分松散区围岩固结，稳定掌子面，并对掌子面前方上部的松散围岩进行超前灌浆处理，要求处理后的围岩必须稳定而不会塌方、并具有一定的强度，保证机器正常掘进。

5.工作井布置

顶管掘进的工作井分为始发井和接收井，本工程输水线路共设置14座工作井，其中始发井11座，接收井3座。工作井尺寸布置主要根据顶管设备、主顶油缸行程和单次顶进井内管道总长等，本工程工作井基本是有压、无压管道连接井，综合考虑有压、无压水流平顺过渡要求，工作井尺寸为12.5 m×8.0 m。

五、结 论

①岩石顶管施工技术在观景口输水线路工程中的应用，是国内水利工程中的首创，同钻爆法相比，具有施工进度快、安全、对地层扰动小等优点。对于浅埋段，钻爆法需要大开挖，顶管施工能在3 m埋深情况下安全穿越，由于对地层扰动小，选线更有优势。

②顶管洞径以2～4 m为宜，避免了小洞径时钻爆法施工布置困难，填补了TBM无法实现的隧洞机械施工空白。