頂管施工在水庫除險加固工程輸水涵管重建中的應(yīng)用

溫林山

摘要：主要論述了水利工程施工中頂管工程施工技術(shù)的相關(guān)內(nèi)容，先介紹了頂管工程施工技術(shù)的主要技術(shù)手段，包括頂管工程在施工中的主要技術(shù)應(yīng)用、以及在施工應(yīng)用過程中要注意的問題等；再針對頂管工程施工中可能出現(xiàn)的質(zhì)量事故、安全事故，介紹了幾種控制措施，希望能對相關(guān)人員工作有所幫助。

關(guān)鍵詞：水利工程；頂管施工；輸水涵管

1 工程概況

秀才山東水庫工程是一宗以灌溉、防洪為主，結(jié)合供水、發(fā)電等綜合效益的中型水庫。灌區(qū)分為水庫上游黃巖坑引水渠沿線兩側(cè)、麻公塘副壩下游部分及烏石嶺副壩下游部分兩個部分，總灌溉面積為23500畝，大部分為自流灌區(qū)，高程在22～40m。工程可解決12000人的食用水、城市公共用水和消防用水以及工業(yè)用水的需要，供水流量僅0.166 m3/s；捍衛(wèi)下游區(qū)政府所在地、各分場及12000多人的安全。工程除險加固可對現(xiàn)有機(jī)組及電站廠房進(jìn)行技術(shù)改造，裝機(jī)容量為2臺共820kW，加固后多年平均發(fā)電量132.40萬kW.h。

根據(jù)國家《防洪標(biāo)準(zhǔn)》（GB502012014）及《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL2522000），東水庫為中型水庫，工程等別為Ⅲ等，主要的建筑物級別為3級，次要的建筑物級別為4級，圍堰等臨時建筑物級別為5級。水庫輸水涵管進(jìn)水口底板高程為42.00m，死水位45.70m，相應(yīng)庫容201.75萬m3；水庫正常蓄水位55.70 m，相應(yīng)庫容1123.00萬m3；水庫除險加固工程的設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，設(shè)計洪水位56.01m，相應(yīng)庫容為1170.65萬m3，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為1000年一遇，校核洪水位56.32m，相應(yīng)庫容為1217.26萬m3。泄洪涵管最大泄量為10m3/s。

2 頂管施工技術(shù)

2.1 概述

因穿越大壩的老輸水涵管滲漏嚴(yán)重，影響使用功能，在此次除險加固工程中，在主壩0+55處新建一條輸水管涵，穿越主壩的輸水管涵為內(nèi)徑2200mm、壁厚14mm的鋼管，采用頂管法施工，從堤下游往上游頂進(jìn)，位置是壩下0+6～0+52.1米，單向頂進(jìn)長度46.1m，新輸水涵管施工完成后對老涵管進(jìn)行封堵。

2.2 工作坑及鎮(zhèn)墩基礎(chǔ)土方開挖

工作坑及鎮(zhèn)墩基礎(chǔ)土方在表面砌石等障礙物清除后采用反鏟挖掘機(jī)直接挖土裝入自卸汽車運(yùn)至指定地點(diǎn)堆放。工作坑是頂管施工的臨時設(shè)施，其后部設(shè)有鎮(zhèn)墩、后背墻、千斤頂導(dǎo)軌、排水坑等設(shè)施。在頂進(jìn)過程中是管節(jié)、土方運(yùn)輸?shù)某鋈肟?，因此工作井對頂進(jìn)長度、使用功能、安全等顯得十分重要。千斤頂后靠板是將頂管的頂力傳遞至后背鎮(zhèn)墩的墻體結(jié)構(gòu)。在頂進(jìn)過程中，后靠板中、下、左、右不均勻位移，是頂進(jìn)管道出現(xiàn)偏差的誘因。鎮(zhèn)墩后靠板鋼筋砼施工時確保后靠板與管道頂進(jìn)方向垂直。后靠板安設(shè)允許偏差：垂直度0.1%H、水平扭轉(zhuǎn)度：0.1%L、H為后背墻的高度（mm）、L為后背墻的長度（mm）。

2.3 頂管設(shè)備的選擇和安裝

2.3.1 導(dǎo)軌

導(dǎo)軌采用鋼導(dǎo)軌，要求兩導(dǎo)軌順直、平行、等高，縱坡與管道設(shè)計坡度一致。安裝導(dǎo)軌時首先利用垂球和直尺確定導(dǎo)軌的間距和平面位置，然后測出導(dǎo)軌各點(diǎn)的實際高程，并與設(shè)計高程相比較，確定導(dǎo)軌的高程調(diào)整量后進(jìn)行安裝。澆筑砼基礎(chǔ)時在砼基礎(chǔ)內(nèi)預(yù)埋工字鋼或槽鋼，將鋼軌放在預(yù)埋件上，用電焊將鋼軌與預(yù)埋件焊牢，也可以在澆筑砼時在道釘周圍預(yù)留孔洞，鋼軌穩(wěn)好后，穿上魚尾地腳螺栓，澆筑二次砼。導(dǎo)軌安裝允許偏差為：軸線3mm，頂面高程0～+3mm，兩軌內(nèi)距±2mm。

2.3.2 千斤頂，頂力計算

頂管在穩(wěn)定土層中采用人工掘進(jìn)，管底高程以上土層為穩(wěn)定土層且覆蓋土層的深度滿足卸力拱的要求，允許超挖，采用有關(guān)地區(qū)經(jīng)驗公式Pj=K粘（22D110）L，K粘取最大值1.5計算得出頂力為590t。施工時采用觸變泥漿頂管時頂力的經(jīng)驗公式為Pj=（8～12）Πd1L取最大參數(shù)計算得出頂力為946t。

2.3.3 千斤頂選擇和安裝

考慮地下工程的復(fù)雜性及不可預(yù)見因素的影響，頂進(jìn)設(shè)備考慮頂進(jìn)能力的儲備，設(shè)備頂進(jìn)能力按1000t，采用6個300t的千斤頂可滿足要求。千斤頂安裝時，使頂力合力作用點(diǎn)與管壁反作用力作用點(diǎn)在同一軸線，防止產(chǎn)生頂時力偶，造成頂進(jìn)偏差。根據(jù)施工經(jīng)驗，采用人工挖土方，管上半部管壁與土壁有間隙時，千斤頂?shù)闹c(diǎn)作用在鋼管垂直直徑的1/4～1/5為宜。

2.3.4 高壓油泵

由電動機(jī)帶動油泵工作，選定額定壓力為100Mpa的柱塞泵，經(jīng)分配器、控制閥進(jìn)入千斤頂，各千斤頂?shù)倪M(jìn)油管并聯(lián)在一起，保證各千斤頂活塞的出力和行程一致。

2.3.5 頂鐵

頂鐵是傳遞和分散頂力的構(gòu)件。特點(diǎn)是承受頂壓力而不變形、便于搬運(yùn)。頂鐵包括橫向頂鐵、縱向頂鐵和U型頂鐵。

橫向頂鐵安放在千斤頂與縱向方頂鐵之間，將千斤頂?shù)捻斖屏鬟f給兩側(cè)的縱向方頂鐵上，使用時與頂力方向垂直，起梁的作用。選用斷面尺寸為300×300mm、長度1.8m的頂鐵，用型鋼加肋和端板焊制而成。

縱向頂鐵放置在橫向頂鐵和被頂?shù)匿摴苤g，與頂力方向平行，起柱的作用，在頂管過程中調(diào)節(jié)間距，長度取決于千斤頂?shù)男谐?、管?jié)長度、出土設(shè)備等，選用長度300mm，橫截面為300×300mm，兩端面用厚20mm的鋼板焊平，縱向頂鐵的兩面端面加工平整且平行，以防作業(yè)時頂鐵發(fā)生外彈。

因管徑較大，U型頂鐵采用環(huán)形頂鐵，安放在管端面，縱向頂鐵作用其上，使縱向頂鐵傳遞的頂力較均勻在分布到管端斷面上，以免管端局部頂力過大，引起管端變形及頂進(jìn)偏差。

頂鐵安裝時首先檢查頂鐵與導(dǎo)軌之間、頂鐵與頂鐵之間的接觸面，將泥土和油污等擦拭干凈，防止接觸不良相互滑動受力不均。

2.4 鋼管頂進(jìn)

2.4.1 挖土與運(yùn)土

頂管在較密實的回填土體中施工，土質(zhì)易塌方，自穩(wěn)一般。采用先挖后頂、隨挖隨頂?shù)姆椒?，人工挖土，手推車運(yùn)輸出工作坑外，挖掘機(jī)裝自卸汽車運(yùn)至指定地點(diǎn)。管前挖土深度視土質(zhì)情況和千斤頂?shù)墓ぷ餍谐潭?，一般為千斤頂?shù)某鲦€長度，開挖管前端迎面土體時，不論是粘性土、強(qiáng)風(fēng)化巖層，都自上而下分層開挖。土層挖掘時在允許超挖的穩(wěn)定土層中正常頂進(jìn)時，管下部1350范圍內(nèi)不得超挖，管頂以上超挖不得大于1.5cm。

2.4.2 頂進(jìn)

頂進(jìn)操作過程：

①安裝頂鐵并擠牢，待管前挖土滿足要求后，啟動油泵，操縱控制閥，使千斤頂進(jìn)油，活塞伸出一個行程，將鋼管推進(jìn)一段距離。

②操縱控制閥，使千斤頂反向進(jìn)油，活塞回縮。

③安裝頂鐵，重復(fù)上述操作，直到管端與千斤頂之間可以放下一節(jié)鋼管為止。

④卸下頂鐵，下管焊接。

⑤重新裝好頂鐵，重復(fù)上述操作。

頂進(jìn)要連續(xù)作業(yè)，盡量避免中途停止，如發(fā)現(xiàn)管前坍塌、后背傾斜、偏差過大或油泵壓力表指針驟增等情況時停止頂進(jìn)，查明原因，排除故障后再繼續(xù)頂進(jìn)。

2.4.3 頂進(jìn)施工測量

開始頂進(jìn)時，每頂進(jìn)30cm應(yīng)測量1次，進(jìn)入正常頂進(jìn)作業(yè)后，測量頻率為頂進(jìn)1.0m檢測一次，遇松散的土層頂進(jìn)0.6m測量一次，每次測量以管前端為測量點(diǎn)。采用水平儀、經(jīng)緯儀觀測。頂進(jìn)時，依據(jù)頂進(jìn)記錄，將頂力與頂進(jìn)長度關(guān)系繪成曲線。

軸線測量：根據(jù)工作坑內(nèi)設(shè)置的中心樁，將激光準(zhǔn)直儀的吊錘對準(zhǔn)中心樁，使激光準(zhǔn)直儀發(fā)射的激光經(jīng)過中心樁，通過在洞口的吊錘調(diào)整激光準(zhǔn)直儀發(fā)射的激光的左右方向，使激光準(zhǔn)直儀發(fā)射的激光經(jīng)過洞口的中心吊錘線，該激光線為設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)線，頂進(jìn)過程中，管頭中心吊錘線與激光線的差值即為軸線偏差值。

高程測量：首先在工作坑內(nèi)建立水準(zhǔn)點(diǎn)，也采用激光準(zhǔn)直儀進(jìn)行測量，激光準(zhǔn)直儀的光束的高程與設(shè)計坡度線保持常數(shù)，如管前接收靶中心偏離光束，說明管道高程也出現(xiàn)識誤差。高程和軸線可采用激光準(zhǔn)直儀同時測量。

2.4.4 頂管糾編

由于大壩原來填筑的土方易塌方，軸線及高程都不易控制，在頂進(jìn)中出現(xiàn)偏差時需即時進(jìn)行校正，可采用人工和機(jī)械方法進(jìn)行校正。

①挖土校正法：偏差值為10～20mm時采用此法。當(dāng)鋼管偏離設(shè)計中心一側(cè)時，在鋼管中心的另一側(cè)適當(dāng)超挖，而在偏離一側(cè)少挖或留臺，繼續(xù)頂進(jìn)時借預(yù)留的土體迫使管首逐漸回位。

②頂木強(qiáng)制校正法：當(dāng)偏差較大或采用挖土難以校正時，可用圓木或方木一端頂在偏斜反向的管內(nèi)壁上，另一端支撐在墊有鋼板或木板的管前土層上，開動千斤頂，利用頂木產(chǎn)生的分力使管得到校正。

2.4.5 觸變泥漿減阻

為減小頂力及保護(hù)鋼管外壁，采用觸變泥漿作減阻泥漿，通過壓漿孔向管節(jié)外壓注一定壓力數(shù)量的泥漿，及時填充管節(jié)外壁與土體之間的空隙形成漿套，減小管節(jié)與土體間的摩擦力，并能防止土層坍塌。觸變泥漿的重量配合比為膨潤土：堿：水=16%：0.32%：84%。拌制泥漿時，先將定量的水放入攪拌罐內(nèi)，并取其中一部分水溶解一定量的碳酸鈉，然后邊攪拌邊將定量的膨潤土徐徐加入直至攪拌均勻，最后將溶解的碳酸鈉溶液倒入已拌均勻的膨潤土內(nèi)，攪拌均勻，放置12小時后即可使用。泥漿儲于儲漿罐內(nèi)，由活塞泵加壓經(jīng)輸泥管輸送到工具管的泥漿封閉環(huán)內(nèi)，再由封閉環(huán)上開設(shè)的注漿孔注入到坑壁與管壁之間的孔隙中，形成泥漿套。鋼管注漿孔利用設(shè)計作為施工后灌注水泥漿的現(xiàn)成的孔。

2.4.6 頂管作業(yè)面通風(fēng)

為保證作業(yè)人員的安全，采用壓入式強(qiáng)制性通風(fēng)措施，用風(fēng)機(jī)通過1.5英寸鐵管向工作面壓風(fēng)。

2.4.7 鋼管現(xiàn)場連接

鋼管在加工廠加工成3m管節(jié)的半成品運(yùn)到工地，當(dāng)頂完一段管，空出位置，將下段管吊下，調(diào)整好焊縫間隙，錯口在2mm以內(nèi)，兩管中心線偏差<2mm，四周點(diǎn)焊牢固，復(fù)查后方可焊接，環(huán)縫焊接采用外側(cè)坡口焊，焊完檢查，焊縫的質(zhì)量要求及檢驗方法見鋼管加工章節(jié)部分，頂管、循環(huán)到下一段管施工。

2.4.8 圍堰施工及堰內(nèi)抽水

頂管出口在水庫的上游庫區(qū)，施工時在頂管接收位置修筑一條擋水圍堰，圍堰采用織塑袋裝土包堆墻，圍堰頂高程▽3503，邊坡坡度為1：1。土包采用人工裝袋，水下部分用小船運(yùn)至水庫水上拋填、水上部分用人工按設(shè)計坡度堆砌。圍堰填筑完成后，圍堰抽水采用四臺潛水泵抽水。潛水泵置于水下，將水位抽低至進(jìn)口施工高程以下，之后保持水位，這樣可做到不影響施工，又能減小土圍堰的水壓力。

2.4.9 頂管回填灌漿

頂管工作完成后，立即進(jìn)行回填灌漿，確保頂管與土體緊密結(jié)合，并達(dá)到防滲漏要求。灌漿孔為頂管預(yù)留孔，注漿孔孔徑為φ1寸，注漿設(shè)備采用YZB40225。在施工時，先施工位置較低的孔，后施工頂孔，由低向高推進(jìn)。灌漿采用二序注漿法，一序灌注水泥砂漿，注漿壓力0.3Mpa，水泥砂漿水灰比為0.5，灰砂比為1：1.2，待一序注漿初凝后進(jìn)行二序注漿，二序注漿灌注水泥漿，注漿壓力0.5Mpa，水泥漿水灰比為0.6。在灌漿壓力達(dá)到設(shè)計值，灌漿孔停止吸漿后，延續(xù)5min，結(jié)束灌漿。灌漿結(jié)束后，用δ=18鋼板補(bǔ)平電焊封閉灌漿孔。

3 結(jié)論與建議

頂管施工前要對施工部位的地質(zhì)、土質(zhì)、地下水位、周圍建筑物等進(jìn)行詳細(xì)的勘探。在本項目頂管施工中就遇到了由于土質(zhì)密度較小引起的塌方，造成頂進(jìn)困難，最后通過對周圍土體進(jìn)行灌漿加固，才得以繼續(xù)頂進(jìn)。

參考文獻(xiàn)：

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