頂管技術在水利工程中的應用

王 偉 王賢忠 王靜齋 丁兆亮

1 工程概況

楊凌供水工程從石頭河水庫向西安輸水的干線上取水，通過輸水管道向楊凌示范區(qū)供水，設計輸水規(guī)模10萬m3/d。輸水管線采用埋地式DN1 200 mm（有壓段）和DN1 600 mm（無壓段）兩種預應力鋼筒混凝土管（簡稱PCCP），單管輸水，管線設計總長約18.26 km。輸水管線需穿越渭河、關中環(huán)線公路、西寶南線公路、隴海鐵路（含渭惠渠、西寶中線公路）、西寶高速公路（擴建）、西蘭城際鐵路（在建）、高干渠。其中，西蘭城際鐵路正在建設，該處輸水管線可以考慮與交叉工程同步建設；關中環(huán)線、西寶南線公路和西寶高速公路交通流量較大，隴海鐵路為電氣化復線鐵路，運輸繁忙，高干渠為水電站引水渠道常年過水，且下游建有水電站，這些建筑物施工期間不能中斷交通或斷水。因此，關中環(huán)線、西寶南線、西寶高速、隴海鐵路（含渭惠渠、西寶中線公路）、高干渠穿越方式按頂管施工考慮，即采用頂管技術頂進混凝土管穿越上述建筑物，然后在混凝土管內(nèi)安裝輸水鋼管，混凝土管直徑為DN2 200 mm。由于上述頂管長度均較短，且穿越的土層自穩(wěn)性較好，故采用頂工具管、人工開挖掘進的方式施工。

2 頂管工程布置

根據(jù)《頂管施工技術及驗收規(guī)范》（試行）頂管的覆土厚度不小于3 m或1.5倍管徑。

工作坑與接收坑的位置根據(jù)輸水管線走向及臨近建筑物分布情況，遵照確保臨近建筑物安全、與輸水管線銜接順暢、便于工程施工的原則進行布置。

2.1 穿越關中環(huán)線公路

頂管管線沿輸水管線走向布置，穿越關中環(huán)線公路頂管段總長度59.00 m。頂管進口內(nèi)底高程536.35 m（工作坑一側(cè)），頂管出口內(nèi)底高程536.50 m（接收坑一側(cè)），頂管管頂距關中環(huán)線公路路面平均厚度6.10 m。工作坑布置在下游側(cè)，距公路約20.00 m，接收坑布置在上游側(cè)，距公路約12.00 m。

2.2 穿越西寶南線公路

頂管管線沿輸水管線走向布置，穿越西寶南線公路頂管段總長度49.00 m。頂管進口內(nèi)底高程483.83 m（工作坑一側(cè)），頂管出口內(nèi)底高程483.98 m（接收坑一側(cè)），頂管管頂距西寶南線公路路面平均厚度3.75 m。工作坑布置在下游側(cè)，距公路約7.67 m，接收坑布置在上游側(cè)，距公路邊的預制廠約7.00 m。

2.3 穿西寶（連霍）高速

穿西寶高速頂管管線沿輸水管線走向布置，穿越西寶高速公路頂管段總長度約98.25 m，進、出口內(nèi)底高程451.22 m，頂管管頂距西寶高線公路路面平均厚度約10.80 m。工作坑距公路約30.00 m，接收坑距公路邊約21.00 m。

2.4 穿越隴海鐵路、渭惠渠及西寶中線

隴海鐵路段鐵路與渭惠渠及西寶中線公路在工程區(qū)并行，因此，穿越隴海鐵路與穿越渭惠渠、西寶中線公路段頂管統(tǒng)一考慮，頂管頂高程由渭惠渠底高程控制。

工作坑布置在渭惠渠南側(cè)，接收坑設在隴海鐵路北側(cè)。頂管管線沿輸水管線走向布置，頂管段總長度95.00 m。頂管進、出口底高程450.36 m（工作坑、接收坑），頂管管頂距渭惠渠底約5.00 m，南側(cè)工作坑距渭惠渠10.00 m，北側(cè)接收坑距隴海鐵路路基18.00 m。

2.5 穿越高干渠

考慮不影響高干渠輸水功能，穿越高干渠施工采用頂管方案。頂管管線沿輸水管線走向布置，頂管段總長度65.00 m。頂管進口底高程462.68 m（工作坑），出口底高程462.53 m，頂管管頂距高干渠底約8.50 m，工作坑距高干渠約24.80 m，接收坑距高干渠約32.00 m。

3 管道設計

根據(jù)《頂管施工技術及驗收規(guī)范》（試行），DN2 200 mm壁厚建議取值為220 mm，根據(jù)施工期混凝土管所能承受的最大頂推力對混凝土管壁厚進行復核，混凝土管所能承受的最大推力必須大于最大頂進阻力。

3.1 混凝土管許用頂力

混凝土管許用頂力[Fr]按下式計算：

[Fr]=σcA/S

式中 [Fr]——混凝土管許用頂力，kN；

σc——管體抗壓強度，kPa，C50混凝土抗壓強度23 100 kPa；

A——加壓面積，m2；

S——安全系數(shù)，取S=2.5～3.0；

計算得DN2 200 mm混凝土管[Fr]=11 123 kN。

3.2 最大頂進阻力計算

最大頂進阻力為主千斤頂頂進最長距離時的阻力，楊凌供水工程共有5處頂管，分別為穿越關中環(huán)線公路、西寶南線公路、西寶高速公路、渭惠渠和隴海鐵路，高干渠最長頂進距離L分別為59.00、49.00、98.25、95.00、65.00 m，按不設中繼站進行復核最大頂進阻力Fp。最大頂進阻力按下式計算：

式中 Fp——頂進阻力，kN；

D0——管道的外徑，m；

L——管道設計頂進長度，m；

fk——管道外壁與土的單位面積平均摩阻力，kPa，根據(jù)地質(zhì)勘探可知，這5段頂管穿過的土層主要為黃土狀壤土，按采用觸變泥漿注漿后考慮，取8 kPa；

NF——頂管機的迎面阻力，kN；

Dg——頂管機刀盤外徑，m；

t——工具管刃腳厚度，m；

R——擠壓阻力，kPa，一般取R=300～500 kPa。

最大頂進阻力計算結(jié)果見表1。

表1 最大頂進阻力計算表

從表1中可以看出，[Fr]＞Fp。管壁厚度滿足頂管頂進所需推力要求。

頂管用鋼筋混凝土圓管結(jié)構計算參照傳統(tǒng)的鋼筋混凝土計算方法，此處不再詳述。

4 工作坑和接收坑設計

工作坑是安放頂進設備的場所，也是頂管掘進機或工具管的始發(fā)地，同時又是承受主頂油缸反作用力的構筑物；接收坑是接收頂管掘進機或工具管的場所。

4.1 工作坑和接收坑結(jié)構形式

工作坑和接收坑按其結(jié)構分為：鋼筋混凝土坑、鋼板樁坑等。

楊凌供水工程頂管項目穿越的交叉建筑物兩側(cè)地勢平坦，無坑、塘等不利因素，土層主要為黃土狀壤土，工作坑和接收坑深度不大，故可采用鋼板樁構筑工作坑和接收坑。鋼板樁工作坑和接收坑施工成本低、構筑容易且施工速度快，是使用最為普遍的一種。

楊凌供水工程頂管項目都是頂單根管，采用矩形工作坑比較適合，底部平面構造布置靈活，利用率高。

4.2 工作坑和接收坑尺寸擬定

4.2.1 工作坑底部尺寸確定

工作坑長度L和寬度B計算如下：

L=L1+L2+L3+L4+L5

B=D1+S

式中 L——矩形工作坑底部長度，m；

L1——管節(jié)頂進后，尾端壓在導軌上的最小長度，對于混凝土管不宜小于0.3 m，本項目取0.5 m；

L2——管節(jié)長度，取2.5 m；

L3——輸土工作間長度，為1.0 m；

L4——千斤頂長度，取2.0 m；

L5——后座墻厚度，取1.0 m；

D1——管道外徑，DN2 200 mm為2.64 m；

S——操作寬度，取2.4～3.2 m。

則計算得L=7.0 m，B=5.0 m。

DN2 200 mm頂管的工作坑底部凈尺寸按7 m×5 m（長×寬）考慮。

4.2.2 接收坑底部尺寸

DN2 200 mm頂管的接收坑底部凈尺寸按5 m×5 m（長×寬）考慮。

5 后座反力計算

后座墻是頂進管道時為千斤頂提供反作用力的一種結(jié)構。在由鋼板樁構筑的工作坑內(nèi)，后座墻采用鋼筋混凝土整體澆筑。

根據(jù)工作坑內(nèi)部尺寸和所頂管道外徑，后座墻尺寸初步擬定如下：

穿關中環(huán)線、西寶南線、西寶高速頂管后座墻尺寸：5.0 m×4.0 m×1.0 m（寬×高×厚）；

其他兩處頂管后座墻尺寸：4.0 m×4.0 m×1.0 m（寬×高×厚）；

后座反力R可采用下式計算：

式中 R——后座反力，kN；

α——系數(shù)，取1.5～2.5；

B——后座墻的寬度，m；

γ——土的容重，kN/m3；

H——后座墻的高度，m；

Kp——被動土壓力系數(shù)；

c——土的黏聚力，kPa；

h——地面到后座墻頂部土體高度，m。

計算結(jié)果見表2。

表2 后座反力計算表

為了確保后座墻在頂進過程中的安全，后座反力應為總頂進力的1.2～1.6倍，從上面計算表中可以看出，后座反力均滿足一次頂進的要求，不用設置中繼站。

6 結(jié)語

工程實施過程中，除穿關中環(huán)線公路由于所穿越地層出現(xiàn)大粒徑卵石不宜頂管施工外，其它頂管工程均順利實施，效果良好。非開挖鋪管頂管技術在楊凌供水工程中的成功應用，對今后水利工程頂管技術推廣具有參考價值。