曹勸績 司建強(qiáng) 王康三
摘 要:高原山區(qū)具有山高谷深特點(diǎn),倒虹吸是引調(diào)水工程跨溝、河及下穿重要公路常用的重要交叉建筑物。針對如何處理大型鋼管倒虹吸與高速公路交叉干擾問題,本文結(jié)合工程實例,提出了高速橋涵保通方案、頂管下穿方案和鋼管倒虹吸調(diào)線方案。從工程布置、交叉影響、實施難度以及工程投資對各方案進(jìn)行綜合分析評價,最終采用橋涵保通方案,以供類似工程參考。
關(guān)鍵詞:交叉建筑物;倒虹吸;橋涵保通;頂管下穿
中國的水資源相對匱乏且分布不均,部分地區(qū)仍然存在水資源浪費(fèi)和污染問題,為緩解水資源短缺現(xiàn)狀,保障滇中地區(qū)水資源可持續(xù)發(fā)展[1],專家及學(xué)者們對于水資源跨流域引水的研究也取得了豐碩的成果[2~4]。與此同時,國內(nèi)外專家及學(xué)者提出并研究了許多節(jié)水高產(chǎn)的灌溉技術(shù),并取得了一系列成果[5]。
滇中引水是云南省一項重大的引水工程,工程的受水區(qū)包括麗江、大理、楚雄、昆明、玉溪及紅河的6個州市35個縣(市、區(qū))、總面積3.69萬km2。輸水總干渠分為大理Ⅰ段、大理Ⅱ段、楚雄段、昆明段和玉溪、紅河段5段,線路全長661km,工程多年平均引水量34.03億m3。
輸水總干渠布置主要輸水建筑物有隧洞、倒虹吸、渡槽、暗涵、渠道消能建筑物以及分水閘。倒虹吸作為滇中引水工程中最為復(fù)雜的交叉建筑物,在穿(跨)越道路和河溝中起著不可替代的作用,因此交叉建筑物運(yùn)行過程中存在的風(fēng)險評估及識別作深入的研究[6],以確保工程能夠安全順利的實施運(yùn)行。本文從工程布置、交叉影響、實施難度以及工程投資對高速橋涵保通、頂管下穿和觀音山倒虹吸調(diào)線各方案進(jìn)行綜合分析評價,得出最優(yōu)方案,為交叉建筑物的處理提供借鑒。
一、倒虹吸工程概況
觀音山倒虹吸線路橫穿羅茨盆地,實際長9771.31m,是滇中引水工程中規(guī)模最大的倒虹吸。管道最大設(shè)計靜水頭為184.38m。倒虹吸采用3根直徑DN4.2m的明鋼管輸水設(shè)計過流能力為Q=100m3/s,管間凈間距2m,倒虹吸開挖底寬19.8m,平均槽深2~3m。
武易高速公路是滇中城市經(jīng)濟(jì)圈高速公路網(wǎng)絡(luò)的重要路段,路線起于武定縣,接武昆高速,全長104.009公里,按雙向六車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè),路基寬33.5米,設(shè)計速度100km/h, 汽車荷載等級公路-Ⅰ級。
武易高速在觀音山倒虹吸后段交叉,交叉段高速線路大體為南北走向、倒虹吸管線近東西走向,平面交角84°29′31″,武易高速路基高程1846.00m,路面高程1846.805m。觀音山倒虹吸交叉段總寬20.5m,長度約51m。倒虹吸管頂高程為1844.585m,與路基頂面垂直高差1.4m。兩工程存在交叉干擾問題。
交叉部位地層巖性從上到下依次為:①殘坡積層(Qedl)粘土,含少量碎礫石,厚1m-2m;②第三系上新統(tǒng)石灰壩組(N2s)粘土巖、砂礫巖,半成巖、土狀,厚10m~15m;③震旦系燈影組(Zbdn)白云巖,巖溶發(fā)育弱,其中上部為強(qiáng)風(fēng)化層,碎塊或碎屑狀,垂直厚度約6.0m~8.0m,以下為弱風(fēng)化層。
二、交叉影響處理方案
經(jīng)現(xiàn)場踏勘討論,擬定了倒虹吸橋涵施工保通方案、頂管下穿方案和觀音山倒虹吸調(diào)線方案,并進(jìn)行方案比選。
(一)橋涵保通方案
1、橋涵布置方案
該方案將倒虹吸高程降低3.5m,由1842.5m調(diào)整至1839.0m,鎮(zhèn)墩向西偏移40m,避開倒虹吸布置對公路的影響。武易高速相交處進(jìn)行路基開挖,然后在武易高速K18+814處設(shè)置1孔30米跨橋梁,角度正交。上部結(jié)構(gòu)采用裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁,下部橋臺采用U型橋臺,樁基礎(chǔ)。倒虹吸輸水管從橋梁下方穿越武易高速,橋跨布置方案見圖2.1-1,橋梁橫斷面布置見圖2.1-2。
2、武易高速保通方案
倒虹吸下穿方案采用半幅路基施工、半幅路基保通方案:將已成型的高速公路路基左半幅路基開挖,右半幅保通,在左半幅進(jìn)行橋梁施工,待左半幅橋梁通車后;然后通過左半幅保通,開挖右半幅路基,進(jìn)行右半幅橋梁施工。橋梁全幅通車后,倒虹吸施工時在橋跨下空間內(nèi)進(jìn)行,避免干擾高速公路通車。為保證公路路基運(yùn)營安全,半幅通車,半幅施工時,需對施工半幅的基坑進(jìn)行支擋,確保通車半幅的路基穩(wěn)定,同時施工中要注意保護(hù)好中央分隔帶中的管線。支擋擬采用樁板墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行支擋,路線平面見圖2.1-3。支擋擬采用樁板墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行支擋,見圖2.1-4。由于武易高速本段已完成施工,因此需要在后期對現(xiàn)有路基及防護(hù)進(jìn)行改造,增設(shè)橋梁,增加水管挖方防護(hù),增設(shè)橋梁施工時的臨時防護(hù)措施。
(二)頂管方案
該方案采用城市穿管常用的頂鋼管施工技術(shù),將倒虹吸壓力鋼管中心高程由1842.5m降低至1834.8m,高程降低7.7m,頂管埋深為9m。頂管位于第三系上新統(tǒng)石灰壩組(N2s)粘土巖、砂礫巖地層中,層厚10m~15m,圍巖成半成巖或土狀,地質(zhì)施工條件較差。
根據(jù)倒虹吸輸水要求及工程布置,頂鋼管直徑4.2m,三根管道并排布置,間距5m。根據(jù)頂管施工及管道抗外壓穩(wěn)定要求,管壁厚度由明管的16mm調(diào)整為40mm。
頂管從武易高速東側(cè)頂進(jìn),在武易高速路基外側(cè)10m布置工作井,三根鋼管并用一個工作井,工作井內(nèi)尺寸為25.6m×12m×16.8m(長×寬×深),井頂面高程1848.6m,井底高程為1831.8m。豎井采用逆作法開挖施工,內(nèi)襯C30混凝土跟進(jìn),壁厚1m,豎井開挖每節(jié)2m。豎井頂部設(shè)置一道2m×1.5m圈梁,施工過程中采用3道支撐;頂管施工完成后采用C20混凝土回填至管頂1.5m,同時作為管頂轉(zhuǎn)角鎮(zhèn)墩,以上采用開挖料回填。根據(jù)計算豎井基地應(yīng)力大于地基容許承載力,在底板進(jìn)行局部固結(jié)灌漿,固結(jié)深度3m。
頂管從武易高速西側(cè)頂出,在武易高速路基外側(cè)10m布置接收井,三根鋼管并用一個接收井,內(nèi)尺寸為25.6m×9m×7.8m(長×寬×深),井頂面高程1839.6m,井底高程為1831.8m。豎井采用逆作法開挖施工,內(nèi)襯C30混凝土跟進(jìn),壁厚0.8m,豎井開挖每節(jié)2m。豎井頂部設(shè)置一道1.2m×1m圈梁,施工過程中采用2道支撐;頂管施工完成后采用C20混凝土回填至管頂1.5m,同時作為管頂轉(zhuǎn)角鎮(zhèn)墩,以上采用開挖料回填。
頂管結(jié)束后在倒虹吸壓力鋼管頂部180°范圍進(jìn)行固結(jié)灌漿,灌漿從工作井和接收井分別實施,灌漿孔間排距1.5m×1.5m,梅花型布置,保證武易高速及輸水鋼管道安全。
(三)倒虹吸繞線方案
該方案在觀音山倒虹吸樁號LQDHX6+124m處開始調(diào)線(避開轉(zhuǎn)彎鎮(zhèn)墩布置在活斷層帶),線路左轉(zhuǎn)5.26°,下穿武易高速橋梁段后右轉(zhuǎn)7.32°連接的蔡家村隧洞原線路,調(diào)線方案過武易高速段為偏移距離最遠(yuǎn)點(diǎn),約273m,避開武易高速東側(cè)墳地范圍,倒虹吸管道從武易高速北側(cè)橋梁第7跨中間穿過,調(diào)整段原線路長度5.373km,調(diào)整后線路長5.378km。該方案線路長度增加5m,其中倒虹吸管道長度增加83.33m,倒虹吸出口段增加29.83m,蔡家村隧洞長度減少108.23m。
該方案工程布置施工臨時用地涉及調(diào)線起點(diǎn)村莊、小水庫及江龍溫泉花園度假山莊部分征占范圍,其中小水庫為地方農(nóng)田灌溉用水,溫泉花園度假山莊為個體經(jīng)營,根據(jù)初步現(xiàn)場調(diào)查情況,協(xié)調(diào)難度大,費(fèi)用高,經(jīng)初步估算征地移民靜態(tài)投資增加約1294.61萬元。
三、方案比選
從工程布置、交叉影響、實施難度以及工程投資對高速橋涵保通、頂管下穿和觀音山倒虹吸調(diào)線各方案進(jìn)行綜合對比分析評價,結(jié)果見下表3-1。根據(jù)表3-1可知,倒虹吸調(diào)線方案影響范圍大、管道壓力增加約25m、壓力管道出現(xiàn)了三個平面轉(zhuǎn)彎,對管道水力條件和受力條件均有較大影響,管道采用高支墩形式,對結(jié)構(gòu)抗震不利;同時移民征地調(diào)整范圍大、且涉及水庫及溫泉度假山莊的征占地及零星墳地遷移問題,不可控因素多,工程投資較橋涵保通方案增加1730萬元。橋涵保通方案和下穿頂管方案的外部環(huán)境簡單,施工難度小,倒虹吸水力學(xué)條件好,但穿頂管方案較橋涵保通方案增加工程投資966萬元,且該段倒虹吸運(yùn)行維護(hù)條件差;橋涵保通方案僅在橋涵施工期采用半幅保通,對武易高速交通有一定影響,運(yùn)行期無影響。綜合以上分析,推薦相互影響小,工程投資增加少,倒虹吸運(yùn)行維護(hù)條件好的橋涵保通方案。
四、結(jié)語
本文在處理觀音山倒虹吸與武易高速兩工程的交叉干擾問題上,提出了高速橋涵保通方案、頂管下穿方案和觀音山倒虹吸調(diào)線方案,并分別從工程布置的合理性、交叉影響大小、處理方式實施的難易程度以及工程投資四個方面綜合分析。結(jié)論表明橋涵保通方案具有倒虹吸運(yùn)行維護(hù)條件好、交叉建筑物間相互影響小、工程投資小等優(yōu)點(diǎn),即橋涵保通方案最佳。希望能為今后交叉建筑物的處理提供一定參考。
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作者簡介:曹勸績(1978.7),男,云南祿勸人,高級工程師,主要從事水利工程建設(shè)與管理工作。