[发明专利]盾构隧洞预应力复合衬砌输水隧洞

说明书

技术领域

本发明涉及一种采用盾构法施工的新型压力输水隧洞，更具体地说它是一种盾构隧洞预应力复合衬砌输水隧洞。

背景技术

南水北调中线一期穿黄工程为一等工程，双线穿黄隧洞为一级建筑物，具圆形断面，内径7m，单洞长4.25km，为压力输水的水底隧洞工程，运行期隧洞中心内水压力大于0.5MPa；采用盾构法施工穿过黄河河床软土地层，洞顶埋深30余米，外部除作用土压力外，尚作用有外水压力，算至隧洞中心约0.37MPa。

在水工结构中，压力输水隧洞(含管道，下同)并不少见，但多为山岭隧洞或明管。在软土地层中采用盾构法施工的水底隧洞，目前国内、外大多为交通隧洞，或无压、低压排水隧洞，均无内水外渗影响隧洞稳定问题，可以采用拼装式管片环作为永久衬砌；对于较高压力输水要求，则采取在拼装式管片环内布置分离式输水管道。

穿黄隧洞为压力输水隧洞，地质条件复杂，穿过多种软土地层，其中大部分为砂土，须严防内水外渗影响隧洞稳定。曾研究过在拼装式管片环内布置分离式钢管道方案。研究表明，由于隧洞单头掘进4.25km，线路长、施工空间狭窄，钢管就位与焊接施工条件十分恶劣，大大增加施工难度，而且建设工期长，建成后运行管理条件差，投资较大，因而未被采用。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有背景技术的不足之处，而提供一种盾构隧洞预应力复合衬砌输水隧洞，它解决了穿黄隧洞面临的技术难题。

本发明的目的是通过如下措施来达到的：盾构隧洞预应力复合衬砌输水隧洞，其特征在于：它包括盾构法施工形成的拼装式管片环为普通钢筋混凝土外衬，同环各块管片通过连接螺栓相连，在拼装式管片环手孔上安装插筋，在外衬上直接浇筑混凝土形成内衬和混凝土剪力键，从而形成复合衬砌结构；内衬内有预埋的孔道，在孔道内有锚索，内衬有预留槽与孔道相通。

在上述技术方案中，所述的内衬与外衬依靠插筋和内衬混凝土填入外衬手孔形成的剪力键组成复合衬砌。

在上述技术方案中，外衬为普通钢筋混凝土拼装式管片环，内衬为环锚系统预应力衬砌。

在上述技术方案中，在所述的外衬的内表面布置排水设施。

本发明适用于盾构法施工穿越软土地层的压力输水隧洞。本发明具有双层复合衬砌，其外层衬砌是盾构掘进过程形成的拼装式管片环，为普通钢筋混凝土结构，内层衬砌是现浇预应力钢筋混凝土结构。两层衬砌采取联合受力措施，共同工作。

本发明的原理如下：①外层衬砌——拼装式管片环。在盾构掘进过程形成，承受外部水土压力，给内层衬砌提供施工空间；施工期接受内层衬砌传递的预应力，输水运行期分担内水压力。②内层衬砌——预应力钢筋混凝土结构，形成输水空间。通过对衬砌实施后张预应力，改善其承载和抗裂性能，是承担内水压力的主体结构。③联合受力措施——联合受力措施主要包括在管片拼装手孔内埋置联系内、外衬插筋，以及内衬混凝土填入外衬手孔形成的剪力键，使内层衬砌与外层衬砌联合为一整体工作。不仅外部水土荷载部分可以抵消部分内水压力，而且两层衬砌迭合截面的承载能力以及抵御变形的刚度均大大增加，不仅材料得以充分利用，而且可确保隧洞安全可靠。

双线穿黄隧洞为一级建筑物，具圆形断面，内径7m，单洞长4.25km，考虑到工程的创新性，且投资很大，达拾几亿人民币，为确保工程安全可靠，开展了穿黄工程穿黄隧洞衬砌1:1仿真模型试验(模型试验完全模拟双线穿黄隧洞设计条件)，分两阶段进行验证此方案的可能性。第1阶段为准备性试验，包括对三环内衬分别进行1:1仿真地面模型试验；第2阶段为地下模型试验研究，模型埋于地下，并人工构造与工程相同的埋深和水土条件，而以高位水箱按设计水头对洞内充水加压，并进行超载试验。

试验过程和试验后经检验衬砌结构完好，试验测取的衬砌结构应力与变形资料与数学模型计算结果规律一致，数值相近，试验取得完全成功，主管部门组织专家评审认为：穿黄隧洞衬砌1:1仿真试验研究按工程条件模拟，试验规模大，地下模型仿真程度高，为国内水利行业首例；试验目的明确，设计合理，过程控制严谨，分析计算方法科学且针对性强，所获数据资料翔实，成果可靠，说服力强，可作为设计和施工方案优化的基础。

本发明在穿黄隧洞衬砌1:1仿真试验地下模型试验(试验费用达1千多万元)中得到验证。有如下明显的工程效益和社会效益：

(1)、本发明解决了穿黄隧洞采用盾构法施工通过河床软土地层所面临的高水头、大流量、高负荷，以及有可能因内水外渗危及隧洞安全的技术难题。与前述盾构隧洞套入分离式钢管道方案相比较，仅工程直接投资可节约1.62亿元，并可缩短工期约17个月，工程效益显著。