引水隧洞采用頂管施工的技術(shù)分析與應(yīng)用

鄧 曉 龍， 李 樂(lè)

(中國(guó)水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

1 概 述

鄰水縣向陽(yáng)橋水庫(kù)位于廣安市鄰水縣西南部的丹水灘河上游，主要任務(wù)是用于農(nóng)業(yè)灌溉、城鄉(xiāng)供水等。工程規(guī)模為Ⅲ等中型，水庫(kù)總庫(kù)容為1 644萬(wàn)m3，樞紐永久性主要建筑物包括擋水大壩、泄洪建筑物、放空(取水)建筑物、充水渠道等。此外該工程還包括灌區(qū)輸水渠道及縣城輸水管線等配套工程。自流干渠為輸水管道和隧洞工程，線路長(zhǎng)15.427 km，隧洞結(jié)構(gòu)采用初期支護(hù)加混凝土襯砌。

鄰水縣地處四川盆地東部，屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，具有氣候溫和、雨量較豐、四季分明、春早、夏熱、秋涼、冬暖等特點(diǎn)。年平均降雨量為1 215.5 mm。5～10月降雨量為960.6 mm，占全年的79%，多年平均降雨日數(shù)為34.2 d(日雨量≥10 mm)，多年平均蒸發(fā)量為934.4 mm，多年平均相對(duì)濕度為84%。

該工程的隧洞多穿過(guò)山丘或小山包，大部分隧洞進(jìn)、出口洞段為斜坡地形，坡度稍陡，基巖零星裸露，表層多覆蓋有殘坡積的土層，一般厚度不大，可通過(guò)一般的開(kāi)挖清理即可掛口成洞，成洞條件較好；但對(duì)于部分因泥巖巖性軟弱、強(qiáng)風(fēng)化、強(qiáng)卸荷帶巖體破碎等情況，開(kāi)挖后洞臉邊坡的穩(wěn)定性較差，需要采取相應(yīng)的工程措施進(jìn)行處理。

由于工程區(qū)沿線隧洞地層主要為侏羅系中統(tǒng)上沙溪廟組(J2s)、下沙溪廟組(J2xs)或新田溝組(J2x) 地層，多以泥質(zhì)巖為主，多屬軟巖，巖性軟弱，成洞條件較差。為此，需選擇切實(shí)可行的隧洞施工手段。

隨著社會(huì)的發(fā)展、環(huán)境保護(hù)和文明施工的要求，近年來(lái)我國(guó)頂管施工技術(shù)高速發(fā)展，并已形成了一個(gè)新興的產(chǎn)業(yè)。頂管即為借助頂推裝置，將管道在地下逐節(jié)頂進(jìn)的非開(kāi)挖施工技術(shù)，非開(kāi)挖工程技術(shù)徹底解決了管道埋設(shè)施工中對(duì)附近建筑物的破壞和特定地質(zhì)條件下灌溉工程輸水管道無(wú)法開(kāi)槽埋管等難題，在穩(wěn)定土層和環(huán)境保護(hù)方面凸顯其優(yōu)勢(shì)。頂管可在可塑至堅(jiān)硬狀態(tài)的黏土、不飽和的砂土等穩(wěn)定土層中頂進(jìn)，亦可在飽和疏松的粉細(xì)砂與粉土、淤泥、淤泥質(zhì)土、干燥的松砂土等不穩(wěn)定土層中頂進(jìn)。采用對(duì)圍巖要求不高、對(duì)地表沉降和穩(wěn)定要求高的頂管法，在水利灌溉工程長(zhǎng)距離、地質(zhì)條件復(fù)雜而無(wú)法成洞的情況下是一種成功的嘗試和較好的解決方案。該工程隧洞選擇了頂管施工技術(shù)，筆者對(duì)此進(jìn)行了闡述。

2 頂管布置方式

該工程頂管布置在徐家壩2#隧洞，全長(zhǎng)107 m，2#隧洞出口附近下穿房屋，房屋基礎(chǔ)位于隧洞線路正上方，埋深為4～8 m，出口段為溝谷坡地，地面坡度較緩，地表覆蓋有較厚的土層，多為粉質(zhì)黏土，在水的作用下喪失了內(nèi)聚力、多呈糊漿狀，與流沙性質(zhì)極為相似，采用洞挖施工極易引起圍巖失穩(wěn)坍塌、支護(hù)結(jié)構(gòu)變形，甚至倒塌破壞，深厚土層的地質(zhì)條件和埋深深度均無(wú)法進(jìn)行洞挖施工。又因出洞口距離房屋較近，出洞采用明挖開(kāi)槽施工易產(chǎn)生淺層滑坡或坍塌，安全性較低，需要搬遷房屋而造成土地浪費(fèi)；另外，按照線路布置方案，此處線路很難進(jìn)行調(diào)整。

技術(shù)人員認(rèn)真比較了該地段隧洞布置方案，粉質(zhì)黏土不經(jīng)治理洞挖無(wú)法成洞，明挖開(kāi)槽成洞成本較高，安全風(fēng)險(xiǎn)較大且不易實(shí)現(xiàn)。經(jīng)綜合考慮并根據(jù)該工程特點(diǎn)及地質(zhì)條件和環(huán)境條件，徐家壩2#隧洞出口段不采用洞挖或明挖方案等傳統(tǒng)施工方法，而采取非開(kāi)挖的頂管法，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的地質(zhì)調(diào)查，2#隧洞出口段采用自出口向進(jìn)口頂管(DN1500)進(jìn)洞至條件好的洞挖成洞段結(jié)束，自進(jìn)口向出口人工洞挖至頂管處貫通、頂管段混凝土管為最終隧洞斷面的方案，既可以保證施工技術(shù)可行和施工安全，又具有較理想的經(jīng)濟(jì)效果。

根據(jù)工程規(guī)模和相關(guān)施工經(jīng)驗(yàn)，手掘式頂管施工具有人工開(kāi)挖噪聲小、操作方便、工作坑占用場(chǎng)地小、設(shè)備簡(jiǎn)單、技術(shù)難度低、施工時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，本段頂管采用全敞開(kāi)式人工(手掘式)頂管施工方法[1]。

3 施工準(zhǔn)備

3.1 管材的選擇

鋼筋混凝土管頂管施工期間需承受較大的頂力，使用期間能承受內(nèi)外水壓力、土壓力，要求混凝土具有一定的強(qiáng)度和良好的抗?jié)B性能?！督o水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》CECS246-2008規(guī)定頂管的混凝土強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)小于C50，抗?jié)B等級(jí)不應(yīng)低于P8，根據(jù)規(guī)范選用Ⅲ級(jí)混凝土鋼承口管(DN1 500 mm)。又因該段頂管為直段，最終選取了便于下放和組裝的長(zhǎng)度，段長(zhǎng)為2 m，密封方式見(jiàn)圖1[2]。

1.與鋼筋籠連接鋼套固定鋼筋；2.遇水膨脹橡膠；3.鋼套管；4,5.彈性密封材料；6.密封膠圈；7.木墊圈。圖1 密封方式示意圖

3.2 頂力計(jì)算

3.2.1 管道允許頂力計(jì)算

管道采用DN1500Ⅲ級(jí)混凝土管，壁厚150 mm，外徑1 800 mm,鋼筋混凝土管允許頂力計(jì)算公式為:

式中Fde為混凝土管道允許頂力設(shè)計(jì)值(N)；φ1為混凝土材料受壓強(qiáng)度折減系數(shù)，取0.9；φ2為偏心受壓強(qiáng)度提高系數(shù)，取1.05；φ3為材料脆性系數(shù)，取0.85；Φ4為混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整系數(shù)，取0.79；fc為混凝土受壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(N/mm2)，取23.1；Ap為管道的最小有效傳力面積(mm2)，為777 150[3.14×(9002-7502)]；γQd為頂力分享系數(shù)，取1.3。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，管道允許頂力Fde：

Fde=7 020 485 N=7 020 kN=702 t

3.2.2 管道頂力計(jì)算

管道頂力包括頂管機(jī)迎面阻力和頂進(jìn)阻力，即F=F1+F2

頂進(jìn)阻力F1：

F1=πD1Lfk

式中D1為管道外徑，取1.8 m；L為管道設(shè)計(jì)頂進(jìn)長(zhǎng)度，設(shè)計(jì)為24 m；fk為管外壁與土的單位面積平均摩阻力kN/m2，取5 kN/m2。

經(jīng)計(jì)算，頂進(jìn)阻力F1=678.24 kN。

迎面阻力F2。

式中Dg為頂管機(jī)外徑，取1.8 m；γg為土的重度，取18.45 kN/m3；Hg為覆土層厚度，取5 m。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，迎面阻力F2=234.63 kN。

故管道總頂力F=F1+F2=678.24 kN+

234.63 kN=912.87 kN=91.29 t。

3.2.3 結(jié) 論

工作井內(nèi)設(shè)備頂進(jìn)的能力可達(dá)200 t，采用4個(gè)50 t的千斤頂完全滿足要求。該工程頂管采用注漿減阻法(或工作面超挖法)，理論頂力小于實(shí)際動(dòng)力值，因此無(wú)需增加額外的頂進(jìn)系統(tǒng)即可滿足要求。

3.3 工作坑的選擇與布置

工作坑的開(kāi)挖宜采用人工開(kāi)挖，不宜機(jī)械作業(yè)，以防擾動(dòng)坑內(nèi)的土質(zhì)造成塌方。開(kāi)挖的坡度由土質(zhì)決定。工作坑深度大于5 m時(shí)，中間留用50 cm的土質(zhì)臺(tái)階以緩沖土質(zhì)的側(cè)向壓力。工作坑的支撐形式應(yīng)根據(jù)土質(zhì)及開(kāi)挖深度確定，支撐應(yīng)滿足便于運(yùn)土提吊管件及機(jī)具設(shè)備的要求。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)施工特點(diǎn)采用矩形工作坑，工作坑的前方澆筑一堵與工作坑同寬厚為0.5 m左右的前止水墻。該止水墻的中間預(yù)留一只供頂進(jìn)的洞口，該洞口的直徑一般比頂管的外徑大0.15～0.2 m。在洞口安裝上止水圈。

隨后，在工作坑的后方澆筑一塊與工作坑同寬厚為1 m左右的后座墻。此墻的總高度最好能大于頂管外徑的2倍左右,而且必須插入底板0.5 m左右。后座墻的配筋需根據(jù)推力的大小確定，千斤頂?shù)暮笞叽缫藶? m×3 m。工作坑后背土壁表面應(yīng)平整并與管道軸線垂直；后背墻的面積必須通過(guò)頂力的反作用力及土質(zhì)的情況確定，后背土壁面應(yīng)與后背墻貼緊，有孔隙時(shí)應(yīng)用砂石料填密實(shí)；組裝后背墻的底端應(yīng)在工作坑底以下且不宜小于50 cm。這一規(guī)定的目的，是在增加施工工作量不大的條件下利用后背墻的抗力與其高度的平方成正比的規(guī)律，以充分發(fā)揮其抗力。

工作坑及后背墻成型后，在槽底安放枕木，枕木頂應(yīng)與槽底平，將枕木鑲在槽底土層中，間距為0.5 m，長(zhǎng)度為3 m，在枕木的下面澆筑15 cm厚C20混凝土以免枕木下沉，在順管子方向安放兩根重型鋼質(zhì)導(dǎo)軌，導(dǎo)軌與枕木之間應(yīng)錨固連接以防其滑動(dòng)。兩根導(dǎo)軌之間的軸線應(yīng)與管子的軸線重合，導(dǎo)軌的間距通過(guò)三角計(jì)算確定。

因單向頂進(jìn)后對(duì)接洞挖段，洞內(nèi)貫通，故不設(shè)接收坑。

4 頂管的施工

4.1 施工原理

手掘式頂管施工是采用人工挖掘機(jī)械頂進(jìn)的方法，通過(guò)人力機(jī)械組合來(lái)完成頂管的施工過(guò)程，手掘式施工的特點(diǎn)是所適應(yīng)的工程地質(zhì)條件較為廣泛，在不同地質(zhì)結(jié)構(gòu)條件下，利用人力挖掘條件可以消除地下隱蔽物影響頂管施工的因素，直觀的了解土層結(jié)構(gòu)并及時(shí)處理頂管施工[3]偏位問(wèn)題，同時(shí)具有工藝簡(jiǎn)單，機(jī)械故障少等特點(diǎn)，對(duì)控制施工進(jìn)度和施工質(zhì)量極為有效。

手掘式施工對(duì)工程地質(zhì)條件也有特殊要求，如液化砂性土和流塑狀淤泥質(zhì)土層。因地質(zhì)條件因素引發(fā)施工作業(yè)安全問(wèn)題，在開(kāi)挖過(guò)程中可能出現(xiàn)有害氣體對(duì)人體傷害等，這些都是人工頂管施工中不可輕視的問(wèn)題。只要在施工前和施工中采取有效的防范措施，就可以進(jìn)行人工頂管的正常施工[4]。

4.2 工藝流程

人工(手掘式)頂管施工程序?yàn)椋汗艿垒S線測(cè)量定位→頂管工作井施工→基礎(chǔ)及導(dǎo)軌安裝→頂管設(shè)備安裝和調(diào)試→頂管安裝→頂進(jìn)前安全測(cè)試→人員進(jìn)洞挖掘→頂進(jìn)→繼續(xù)頂進(jìn)至隧洞指定位置→頂管工作井改成檢查井(或拆除)。

4.3 主要施工過(guò)程及要求

頂管法施工采取先施工頂管工作井，后頂進(jìn)管道，然后施工檢查井的施工順序。頂管工作井施工、管節(jié)制作、頂進(jìn)施工、檢查井施工應(yīng)盡可能平行交叉進(jìn)行以縮短工期。

首先按設(shè)計(jì)院給定的平面位置坐標(biāo)放出工作坑位置，并注意其與3#隧洞進(jìn)口方向管線施工段的銜接。工作坑挖好后，反復(fù)校驗(yàn)軸線及標(biāo)高，無(wú)誤后加固坑壁。將軸線測(cè)量標(biāo)志及水準(zhǔn)點(diǎn)引入工作坑內(nèi)容易操作且安全的地方做好相應(yīng)標(biāo)記并加以保護(hù)，以便頂進(jìn)時(shí)控制好軸線和高程。頂管工作坑內(nèi)的導(dǎo)軌安裝應(yīng)穩(wěn)定牢靠，高程及中線要嚴(yán)格按質(zhì)量要求控制和檢測(cè)。

混凝土管頂進(jìn)前要檢查驗(yàn)收頂管的混凝土強(qiáng)度、外觀及后背是否符合施工質(zhì)量要求并檢查頂進(jìn)設(shè)備，然后做預(yù)頂試驗(yàn)。嚴(yán)格按照經(jīng)過(guò)計(jì)算的千斤頂?shù)膰嵨缓蛿?shù)量進(jìn)行安裝，進(jìn)場(chǎng)千斤頂必須做鑒定。千斤頂按設(shè)計(jì)軸線對(duì)稱(chēng)布置。頂進(jìn)法的傳力設(shè)備安裝時(shí)應(yīng)與頂力線一致并與橫梁垂直。頂程較長(zhǎng)時(shí)，頂柱一定要用螺栓固定。

首節(jié)頂管端部安裝管帽(簡(jiǎn)易工作管，刀頭作用，頂進(jìn)指定位置拆除)，安放后測(cè)量其中線及前后高程合格后方可頂進(jìn)。頂進(jìn)挖土?xí)r，一定要保持刃角有足夠的吃土量，挖土必須與觀測(cè)緊密配合，根據(jù)偏差隨時(shí)改變挖土方法，及時(shí)做好糾正措施。工作坑內(nèi)必須有足夠的照明設(shè)備以供測(cè)量、施工使用。頂進(jìn)中隨時(shí)檢查頂鐵有無(wú)歪斜扭曲現(xiàn)象，安裝時(shí)必須順直，如果發(fā)現(xiàn)有問(wèn)題應(yīng)及時(shí)處理。

頂管施工時(shí)，在管前端先挖土后頂進(jìn)。人工挖土頂管時(shí)，管前的挖土長(zhǎng)度在土質(zhì)良好的正常頂管地段可越管端30～50 cm；對(duì)于土質(zhì)不良地段，開(kāi)挖越管端距離不得大于30cm。按規(guī)范要求，管節(jié)上部超挖量不大于15 mm，管節(jié)下部135°范圍內(nèi)不得超挖。管節(jié)頂進(jìn)中要隨時(shí)對(duì)中線、高程進(jìn)行觀測(cè)，發(fā)生偏差應(yīng)及時(shí)糾正。頂進(jìn)作業(yè)應(yīng)連續(xù)進(jìn)行以防坍塌，出現(xiàn)事故應(yīng)立即停止頂進(jìn)并采取有效措施進(jìn)行處理。

4.4 頂管施工過(guò)程中的注意事項(xiàng)

頂管施工過(guò)程實(shí)際上是一個(gè)不斷糾偏的過(guò)程。糾偏是指工具管或管道偏移設(shè)計(jì)軸中心，利用簡(jiǎn)易工具管的糾偏機(jī)構(gòu)或其它措施改變管端方向以減少偏差，其目的是使管道沿設(shè)計(jì)軸線頂進(jìn)。頂管偏差的出現(xiàn)是常見(jiàn)的，但采取一定的預(yù)防措施可以減少偏差出現(xiàn)的機(jī)會(huì)和偏差量，其預(yù)防措施主要有以下幾方面：

頂管施工前，應(yīng)對(duì)管道通過(guò)地帶的地表情況認(rèn)真調(diào)查，設(shè)置測(cè)力裝置，指導(dǎo)糾偏，糾偏應(yīng)按照勤測(cè)量、勤糾偏、小量的操作方法進(jìn)行。

頂進(jìn)過(guò)程中要密切注意地下水壓力的變化并隨時(shí)調(diào)整；要注意相關(guān)設(shè)備及系統(tǒng)的運(yùn)行是否正常；應(yīng)隨時(shí)繪制頂進(jìn)曲線，以利指導(dǎo)糾偏工作。

及時(shí)了解管道各接頭上實(shí)際頂推合力與管道軸線的偏心度。隨時(shí)監(jiān)測(cè)頂進(jìn)中管節(jié)接縫上的不均勻壓縮情況，從而推算接頭端面上的應(yīng)力分布情況及推合力的偏心度，并以此調(diào)整糾偏幅度，防止因偏心度過(guò)大而使管節(jié)接頭壓損或管節(jié)中部出現(xiàn)環(huán)向裂縫[5]。

另外，人工頂管頂進(jìn)開(kāi)挖前必須進(jìn)行通風(fēng)，還需進(jìn)行毒氣控測(cè)措施，防止地層中含有毒氣體傷及施工人員。

4.5 經(jīng)濟(jì)效益

本段頂管長(zhǎng)度為24 m。按照實(shí)際施工情況和預(yù)計(jì)采用的洞挖方案進(jìn)行了以下分析比較：

Ⅲ級(jí)混凝土管內(nèi)壁即為最終隧洞內(nèi)襯，包含項(xiàng)目單價(jià)為：工作井：70 000元/座；頂管：3 500元/m(其中人工土石開(kāi)挖1 000元/m)，頂管法合價(jià)：24 m×3 500元/m+1座×70 000元/座=154 000元。工作井需要15 d完成，頂管施工準(zhǔn)備5 d，頂進(jìn)2 m/d，需要12 d，工期約為32 d。

該段隧洞圍巖為粉質(zhì)黏土，不經(jīng)治理難以成洞，若采用從地面預(yù)固結(jié)灌漿全段加固滿足成洞條件后繼續(xù)人工開(kāi)挖支護(hù)混凝土襯砌，所包含項(xiàng)目單價(jià)為：預(yù)固結(jié)灌漿加固：3 000元/m，人工洞挖：1 000元/m，初支+二襯：4 500元/m，洞挖法合價(jià)：24 m×3 000元/m+24 m×1 000元/m+24 m×4 500=204 000元。鉆孔固結(jié)灌漿需要約10 d，隧洞開(kāi)挖支護(hù)1 m/d，需要24 d，襯砌混凝土約需10 d，因其不占用進(jìn)尺時(shí)間，不計(jì)入工期，合計(jì)工期約為34 d。

綜合對(duì)比分析后得知：采用頂管法對(duì)不良隧洞地段的方案比常規(guī)洞挖方案節(jié)約成本約5萬(wàn)元，實(shí)際施工時(shí)間較短，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

5 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，頂管技術(shù)是一門(mén)綜合性的技術(shù)。隨著管道建設(shè)的發(fā)展已越來(lái)越普及，應(yīng)用領(lǐng)域也越來(lái)越寬，可以相信隨著頂管施工的普及和專(zhuān)業(yè)化，頂管施工會(huì)在實(shí)踐中不斷成熟。尤其是在該工程施工過(guò)程中，結(jié)合川渝地區(qū)多雨氣候條件，在工期緊、任務(wù)重等不利條件下，參建各方技術(shù)人員理清設(shè)計(jì)思路并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，在特定的地質(zhì)條件下集思廣益，解決了隧洞暗挖成洞難、成本較高、安全性低等各種困難，達(dá)到了預(yù)期效果。由于施工中各項(xiàng)技術(shù)環(huán)節(jié)考慮充分、全面，各項(xiàng)技術(shù)、施工措施得當(dāng)，管理到位，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益，所取得的經(jīng)驗(yàn)可供類(lèi)似工程借鑒。