頂管法在花石沖水庫輸水涵管改造中的應(yīng)用

張守峰

（衡陽市水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)院衡陽市421008）

頂管法在花石沖水庫輸水涵管改造中的應(yīng)用

張守峰

（衡陽市水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)院衡陽市421008）

為解決花石沖水庫輸水涵管漏水問題，采取頂管法施工新建輸水涵管改造的方案。文章重點(diǎn)介紹了人工頂管施工的方法、工序及注意事項(xiàng)等,實(shí)踐證明頂管法在中小型水庫輸水涵管改造中的應(yīng)用是可行的。

中小型水庫輸水涵管改造頂管設(shè)計(jì)施工

1 工程概況

花石沖水庫工程位于衡陽市衡山縣賀家鄉(xiāng)花石村，壩址以上控制流域面積1.02 km2，干流長度1.25 km，干流平均坡降23.5‰，水庫總庫容63.23萬m3，正常庫容55.4萬m3，死庫容2萬m3，有效庫容53.4萬m3。該工程于1958年動(dòng)工，1959年10月竣工，水庫樞紐由大壩、溢洪道、輸水涵洞等建筑物組成，是一座以防洪、灌溉為主，兼顧養(yǎng)殖效益的綜合性小（Ⅱ）型水利工程。

水庫大壩為均質(zhì)土壩，大壩壩頂高程102.30 m，壩頂寬4 m，最大壩高為20.5 m，壩頂軸線長120 m，溢洪道位于大壩左岸，為寬頂堰，堰寬5.0 m，堰頂高程99.66 m，邊墻高1.5 m，長185 m，下游無消力池段，泄水渠沒襯砌。輸水涵洞位于大壩壩體左側(cè)，為1.0 m×1.0 m的三合土砌石箱涵。

原箱涵砌石主要為紫紅色泥巖，泥巖塊石抗風(fēng)化性差，加上水流沖刷，墻體有多處漏水，滲漏較嚴(yán)重。1997年在運(yùn)行過程中，距輸水涵管進(jìn)口5 m處，因滲漏發(fā)生了塌孔現(xiàn)象，嚴(yán)重影響到大壩蓄水及穩(wěn)定安全，已不能繼續(xù)使用,必須棄管重建。

2 方案選擇

根據(jù)大壩探明的地質(zhì)條件，輸水涵洞改造不適宜在兩岸新建隧洞，因此本次比較只考慮破壩法和頂管法施工新建涵管兩種方案。

方案一：破壩法方案。

即在原涵管處開挖壩體，重建鋼筋混凝土箱涵，出口與原灌溉渠道連接，涵管重建后，再回填土夯實(shí)，恢復(fù)大壩斷面。

方案二：頂管法方案。

即采用頂管法在大壩壩底新建一條涵管，并對(duì)原輸水涵管進(jìn)行封堵。涵管采用人工挖土頂管法進(jìn)行施工，管材為預(yù)制鋼筋混凝土管。

附表為涵管改造投資比較。

附表涵管改造投資比較表

方案一施工技術(shù)簡(jiǎn)單，但施工受雨季影響較大，新、老土層接觸面難處理，且工程工期較長。方案二施工技術(shù)要求較高，但施工工期短，造價(jià)比方案一節(jié)省9.3萬元。因此，輸水涵管改造最終選用方案二，即采用頂管法新建輸水涵洞。

3 頂管方案設(shè)計(jì)

3.1 管線布置

管線應(yīng)盡可能選在土質(zhì)比較堅(jiān)硬且有一定粘性的地基上，以防止頂管過程中發(fā)生塌方或管基不均勻沉降。同時(shí)還要滿足管段的運(yùn)輸、吊裝、頂管基坑、出土棄土等施工場(chǎng)地和排水布置的需要。根據(jù)花石沖水庫的實(shí)際地形條件，選定在大壩左壩肩距老涵管軸線6 m處為新建輸水涵管軸線，進(jìn)口設(shè)斜拉鋼閘門，出口與原灌溉渠道連接。

3.2 管道設(shè)計(jì)

3.2.1 管材選擇

頂管所用管道分為預(yù)制鋼筋混凝土管和鋼管?？紤]相同條件下選擇造價(jià)低的材料，因此選用預(yù)制鋼筋混凝土管作為本次頂管材料。鋼筋混凝土管應(yīng)分節(jié)預(yù)制，為了便于運(yùn)輸，每節(jié)長2 m左右。根據(jù)《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》4.3.1規(guī)定，預(yù)制鋼筋混凝土管強(qiáng)度為III級(jí)加強(qiáng)管，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50，抗?jié)B等級(jí)為S8。因管身兩端承受頂力，為防止斷頭破裂，兩端內(nèi)外層應(yīng)配置受頂力的鋼筋。考慮管節(jié)連接之間不漏水，管口設(shè)計(jì)為雙膠圈鋼承接插口。3.2.2管徑選擇

管徑選擇首先應(yīng)滿足輸水流量要求，其次考慮施工和以后維修方便。因采用人工在管道內(nèi)部完成挖土和運(yùn)土作業(yè)，管徑選擇應(yīng)不小于1 m。水庫灌溉最大流量只有0.25 m3/s，因此選用直徑為1.0 m的預(yù)制鋼筋混凝土管。

3.3 頂力計(jì)算

不同的頂管方式有不同的頂力計(jì)算理論，對(duì)于開放式人工挖土后方頂入法，頂力作為基本荷載加以考慮，一般采用松動(dòng)介質(zhì)平衡理論計(jì)算。

根據(jù)花石沖水庫工程地質(zhì)條件和松動(dòng)介質(zhì)平衡理論采用下式計(jì)算頂力：

式中P——總頂力（kN）；

f——管道表面與其周圍土層之間的摩擦系

數(shù),取0.6；

gt——垂直土壓力（t/m2）；

gv——水平土壓力（t/m2）；

D1——管道外徑（m），1.2 m；

L——管道頂進(jìn)總長度（m）,110 m；

W——管道總重（t）。

經(jīng)計(jì)算，當(dāng)發(fā)生洞壁全部塌方時(shí)，總頂力為460 t?？紤]實(shí)際施工情況：①頂力作用點(diǎn)不在管軸上或不與軸平行；②鋼筋混凝土管表面比較粗糙；③頂進(jìn)過程中有石塊存在；④管道偏位。這些情況均會(huì)引起頂力增大，因此，最終選用千斤頂型號(hào)按1.2倍總頂力為佳，本工程選用550 t千斤頂，工程實(shí)施過程中未發(fā)生卡管現(xiàn)象。

3.4 后墩設(shè)計(jì)

后墩是承受主油缸頂力反作用力的基礎(chǔ)。后墩的結(jié)構(gòu)在受力過程中不應(yīng)當(dāng)被破壞，也不允許出現(xiàn)受力不均勻壓縮，否則會(huì)造成頂進(jìn)偏差。

后墩受力根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取最大頂力的1.5倍考慮。本工程后墩采用漿砌石擋墻加鋼筋混凝土面板結(jié)構(gòu)，墻后填土接強(qiáng)風(fēng)化山體。漿砌石擋墻高2.8 m，寬4.0 m，頂厚1.0 m，前面垂直，后面邊坡1∶0.4；鋼筋混凝土面板厚0.8 m，寬4.0 m，高1.8 m，配置Φ12@200的雙向構(gòu)造筋。

3.5 工作坑設(shè)計(jì)

工作坑考慮后墩布置、每節(jié)管長度、千斤頂長度、出土、頂進(jìn)和測(cè)量等因素綜合考慮。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，工作坑長度按下式計(jì)算：

式中L——工作坑長度（m）；

L1——后墩長度（m）；

L2——每節(jié)管段長度（m）；

L3——千斤頂長度（m）；

L4——頂鐵長度（m）；

L5——出土長度（m）；

L6——安全長度（m）。

工作坑寬度按下式計(jì)算：

式中B——工作坑寬度（m）；

B1——管道外徑（m）；

B2——通風(fēng)、排水機(jī)械安裝寬度（m）；

B3——安全寬度（m）。

根據(jù)以上公式計(jì)算及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，工作坑尺寸長×寬為7.3 m×4.0 m。

3.6 防滲處理設(shè)計(jì)

（1）管身與進(jìn)口建筑物連接部位的防滲。

管身頂進(jìn)完畢后，管進(jìn)口與進(jìn)口建筑物連接處嵌塞瀝青麻繩防滲材料，以適應(yīng)地基不均勻沉降和管身溫度變形伸縮。

（2）管壁與壩體接觸部位防滲。

為了加強(qiáng)涵管外壁與壩體的結(jié)合，防止出現(xiàn)沿管道外壁的接觸滲漏，在管身進(jìn)水端設(shè)置兩道截水環(huán)，第一道布置在進(jìn)口5 m處，第二道布置在進(jìn)口15 m處，截水環(huán)斷面尺寸為2.5 m×2.5 m，厚0.8 m。除了設(shè)截水環(huán)外，在全管段預(yù)留回填灌漿孔，在全部涵管頂進(jìn)完成后對(duì)管外壁與涵洞四周壩體接觸部位進(jìn)行水泥回填灌漿處理。

（3）管段接頭防滲。

工程設(shè)計(jì)頂管采用雙膠圈鋼承接插口，在頂進(jìn)時(shí)在管口設(shè)置（3～4）mm的瀝青浸透麻繩，然后繼續(xù)頂進(jìn)，把接縫擠緊。涵管全部頂進(jìn)結(jié)束后，在接口處采用鋼絲網(wǎng)環(huán)氧樹脂砂漿進(jìn)行縫口防滲。

3.7 其他附屬工程設(shè)計(jì)

（1）頂管工作面排水。

地下水由工作面流向工作井集水坑，再用15 kW水泵抽出。

（2）管道滲漏。

對(duì)管道滲水和漏水點(diǎn)，先鑿V形槽，埋入導(dǎo)水水管，用快凝水泥封閉管周，待水泥有一定強(qiáng)度后，用手動(dòng)泵壓入水泥水玻璃漿液封堵。

（3）頂管內(nèi)通風(fēng)。

頂管內(nèi)進(jìn)人之前需要通風(fēng)，采用強(qiáng)制性通風(fēng)措施，用風(fēng)機(jī)通過1.5″鐵管向頂管工具頭壓風(fēng)。

（4）照明及用電。

施工用電主干線采用380 V三相五線制，接通地面。工作井、管道內(nèi)、工具頭、管道照明采用（12～ 24）V低壓電源供電。

4 頂管施工設(shè)計(jì)（附圖）

附圖水庫頂管施工示意圖

4.1 施工準(zhǔn)備

施工準(zhǔn)備主要包括場(chǎng)地平整、測(cè)量放線、工作坑及后墩施工、設(shè)備安裝調(diào)試等工作。

4.2 頂進(jìn)工作

4.2.1 穿墻初始頂進(jìn)

用風(fēng)鎬在井壁開孔（需要預(yù)備充分的水泵抽水），吊下工具頭，頂出推進(jìn)千斤頂，前環(huán)形頂鐵對(duì)準(zhǔn)工具頭尾部，將工具頭緩緩?fù)七M(jìn)穿墻管內(nèi)，當(dāng)工具頭的最前部到達(dá)沉井的外側(cè)時(shí)，停止頂進(jìn)，調(diào)整好工具頭的方向、標(biāo)高，開始頂進(jìn)，進(jìn)入初始頂進(jìn)工序。

出洞口后（5～10）m段為初始頂進(jìn)范圍，在初始頂進(jìn)的過程中，應(yīng)盡量在少用糾偏油缸校正的情況下保持高低、左右的準(zhǔn)確性。

在初始頂進(jìn)過程中特別要加強(qiáng)測(cè)量工作。如果發(fā)現(xiàn)誤差，盡量采用挖土來校正。同時(shí)可以采用多種方法來測(cè)量，把測(cè)得的數(shù)據(jù)綜合起來加以分析，以便采取措施糾正。

在確認(rèn)初始頂進(jìn)過程無大的偏差后，開始正常頂進(jìn)程序。

4.2.2 正常頂進(jìn)

（1）測(cè)量工具頭的偏位、作好記錄、糾偏。

測(cè)量方法，在工作井后座位置設(shè)置測(cè)量機(jī)座，測(cè)量基座由地面引入地下，避免工作井變形引起的誤差。將激光經(jīng)緯儀放置在其上調(diào)平后，使激光經(jīng)緯儀發(fā)射的激光沿著頂進(jìn)方向水平射出，打在工具頭的測(cè)量靶位上，通過望遠(yuǎn)鏡讀出工具頭的偏差。每隔0.5 m記錄一次（輔以人工測(cè)量校對(duì)）。

（2）糾偏方法。

采用小角度、頂進(jìn)中逐漸糾偏的原則：

①挖土校正法：即在管子偏向一側(cè)少挖土，而在另一側(cè)多超挖些，強(qiáng)制管節(jié)在前進(jìn)時(shí)向另一方面一側(cè)偏移。適用于偏差為（10～20）mm時(shí)。頂進(jìn)中發(fā)現(xiàn)管位偏差5 mm左右，即應(yīng)進(jìn)行校正。糾偏校正應(yīng)緩緩進(jìn)行，使管節(jié)逐漸復(fù)位，不得猛糾硬調(diào)。校正方法采用工具頭自身糾偏法：通過人工挖土量來控制工具頭的狀態(tài)（向下、向上、向左、向右），這種方法糾偏方法良好，每次糾偏的幅度以5 mm為一個(gè)單元，再頂進(jìn)1 m時(shí)，如果根據(jù)工具頭的測(cè)斜低度及激光經(jīng)緯儀測(cè)量偏位趨勢(shì)沒有減少時(shí)，增大糾偏力度（以5 mm為一個(gè)單元），如果根據(jù)工具頭的測(cè)斜儀及激光經(jīng)緯儀測(cè)量偏儀趨勢(shì)穩(wěn)定或減少時(shí)，保持該糾偏力度，繼續(xù)頂進(jìn)，當(dāng)偏位趨勢(shì)相反時(shí)，則需要將糾偏力度逐漸減少。

②木杠支撐法：如管端下陷或管節(jié)發(fā)生錯(cuò)口時(shí)，可采用木杠支撐強(qiáng)制抬升法，在頂進(jìn)過程中讓管節(jié)恢復(fù)正常位置。

③在工具頭后面安裝校正環(huán)，在校正環(huán)的上下左右各安設(shè)1個(gè)小千斤頂進(jìn)行校正。

1個(gè)行程頂完后，整體式頂進(jìn)構(gòu)架調(diào)節(jié)頂塊當(dāng)頂完1個(gè)行程后（1 m），停止頂進(jìn)，調(diào)節(jié)整體式頂進(jìn)構(gòu)架頂塊，繼續(xù)頂進(jìn)下一個(gè)行程。

頂完1節(jié)管后，撤出作業(yè)人員和運(yùn)輸工具及電纜等設(shè)備，千斤頂再卸壓，拆去頂鐵，再吊管、就位、安裝，繼續(xù)頂進(jìn)。

5 結(jié)語

花石沖水庫除險(xiǎn)加固工程于2014年4月完工，經(jīng)過了兩個(gè)汛期的蓄水檢驗(yàn)，目前度汛運(yùn)行安全，證明在水庫輸水涵管改造中采用頂管技術(shù)施工是切實(shí)可行的。

目前湖南省還有大批中、小型水庫需要除險(xiǎn)加固，若能總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合工程地形、地質(zhì)條件，因地制宜地采用頂管技術(shù)對(duì)水庫輸水涵管進(jìn)行改造，可以有效加快施工進(jìn)度，節(jié)省工程投資。

2016-10-17）

張守峰（1979-），男，江蘇沛縣人，大學(xué)本科，工程師，主要從事水工建筑物研究工作，手機(jī)：13762443545。