頂管施工在大型水利引水工程中的應(yīng)用分析

馬江紅，李宗蔚，杜榮波

（中電建路橋集團(tuán)有限公司，北京 100160）

0 引言

頂管法施工是現(xiàn)代水利施工中的一種管道施工方法。在修建地下工程時(shí)，為了避免管道施工對地面建筑物以及周圍環(huán)境的擾動(dòng)破壞，頂管施工這種施工方法逐漸在國內(nèi)外廣泛運(yùn)用。

頂管法的首次出現(xiàn)和使用在美國19世紀(jì)末期北太平洋鐵路敷設(shè)工程中，自此頂管法施工開始進(jìn)入施工領(lǐng)域，并逐漸發(fā)展成為一門新的具有其獨(dú)特優(yōu)勢的施工方法。由于經(jīng)濟(jì)條件的限制，我國直到1950年前后才首次開始對頂管施工法的研究。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，北京、上海等地開始從國外引進(jìn)先進(jìn)設(shè)備，并進(jìn)行相關(guān)研究，極大地促進(jìn)了頂管施工技術(shù)在我國的應(yīng)用[1-7]。

到21世紀(jì)，我國在頂管施工技術(shù)和理論領(lǐng)域的研究逐漸處于世界領(lǐng)先水平。截至目前，頂管法施工在我國各項(xiàng)國家級重點(diǎn)工程得到廣泛運(yùn)用和發(fā)展，解決了部分施工問題[8]。本文依托陜西斗門水庫引水工程，總結(jié)了頂管施工在工程中的運(yùn)用，對以后有相同工況的工程提供了參考。

1 工程運(yùn)用

1.1 項(xiàng)目概況

斗門水庫總庫容5052萬m3，總面積 10.4km2，總長度 14.9km。按南、北池布置，南、北池之間設(shè)雙向擋水隔壩，南池為城市供水水源，調(diào)蓄引漢濟(jì)渭南干線水源供灃東、灃西新城的生活用水，南池總庫容2897萬m3，面積3.4km2，其中水面面積 3.0km2，設(shè)計(jì)向?yàn)枛|、西新城年平均供水8773萬m3；北池為生態(tài)水源地，兼顧灃河防洪，蓄滯灃河洪水和城市雨洪，北池總庫容2155萬m3，面積7.0km2，其中水面面積 6.4km2，每年可向西安生態(tài)水系中的漢城湖、漢護(hù)城河、高新湖3個(gè)湖泊補(bǔ)給生態(tài)用水1456萬m3，如圖1。

圖1 斗門水庫

斗門水庫管線工程主要由引水、供水、南池退水等工程組成，主要包括引水管道、供水管道、分水管道、退水管道及北池太平河補(bǔ)水管道5部分。

1.2 工程概況

工程湖庫區(qū)位于西安市長安區(qū)馬王鎮(zhèn)東南約1.5km，地形相對較平緩，大體上東南高，西北低，一級階地分布于湖庫區(qū)東北方向，階地高程介于397.00～404.00m，湖區(qū)石匣口西南有部分為二級階地，階面高程403.00～410.00m。

據(jù)勘探揭露，地層自上而下如下：

①-1人工堆積（Q4s），雜色，主要由建筑垃圾、生活垃圾及粘性土等組成，厚度0.5～1.5m，分布于庫區(qū)各居民點(diǎn)，在南部石匣口、浦陽等村莊附近，最大厚度可達(dá)2～4m；

②-1壤土（Q41al+pl），褐黃色，粉粒結(jié)構(gòu)，土質(zhì)不均，潮濕，可塑，分布于一級階地上部，勘探范圍內(nèi)厚度8～11m，最大厚度可達(dá)17m左右；

③-2中砂（Q41al+pl），灰黃～灰色，長石-石英質(zhì)，級配不良，含零星的中粗礫。其分布有三層分述如下：第一層分布于整個(gè)湖區(qū)，深度1.2～2m，夾層層 厚 0.2～0.4m，透 鏡 體 層 厚 0.8～1.4m；第二層呈透鏡體狀分布，主要有太平-谷雨村-楊家莊-齊曹村及太平-五星村兩條砂帶，埋深3.6～7.5m，夾層層 厚 0.4m 左 右 ，透 鏡 體 層 厚 1.2～3.5m，局部最厚可達(dá)5m左右；第三層埋深9～12m，夾層厚0.2m左右，透鏡體層厚1.2～2m，分別分布于西北部馬營寨、東北部太平莊及中部谷雨莊附近。

⑤-3粉土（Q41al+pl），黃色，可塑～硬塑，薄層夾層狀，零星見于新堡子村附 近 ，埋 深 5.2m～9.4m，厚 度 1.3～1.6m；

⑥淤泥質(zhì)土（Q4l），灰褐色，濕，可塑，具水平層理，結(jié)構(gòu)緊密，有腥臭味，粉粒為主。分布于湖庫區(qū)西北部，東至袁旗寨-常家灘一帶，南至楊家莊-谷雨莊一帶，埋深 0～3.7m，厚度 1.7～2.6m，局部為透鏡體分布；

⑦黃土（Q3eol），褐黃色，土質(zhì)均勻，具蟲孔及大孔隙，含少量蝸殼碎片，可塑狀態(tài)，分布于二級階地上部，層厚9.8～13.6m；

⑧-1粉質(zhì)粘土（Q3al），棕黃色～灰黃色，含氧化鐵條紋及鐵錳質(zhì)斑點(diǎn)，可塑，該層未穿透，最大揭露層厚8.6m，廣泛分布于庫區(qū)渭河二級階地、一級階地下部；

圖2 水庫工程地質(zhì)圖

⑧-2中砂（Q3al），灰黃色～淺黃色，長石～石英質(zhì)，級配良好，含零星中粗礫，飽和，中密～密實(shí)狀態(tài)。分布于二級階地下部，主要位于堰下張村附近，KZK18，KZK11，KZK27與庫區(qū)連通，未穿透，最大揭露厚度6.6m，庫區(qū)其他部位局部呈透鏡體分布，透鏡體層厚0.4～1.2m。如圖2。

1.3 施工

按照設(shè)計(jì)要求，頂管施工采用人工洞挖，液壓千斤頂進(jìn)的方式進(jìn)行。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙描述的地質(zhì)情況，頂管工程管道軸線處于⑤-2中砂層，原土基礎(chǔ)穩(wěn)定性較差，不能作為頂管靠背，擬采用鋼筋混凝土靠背提供剛度及強(qiáng)度支撐，原土作為重力支撐。

1.3.1 施工準(zhǔn)備

①依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行測量放線，做好所需各項(xiàng)數(shù)據(jù)的測量。

②重新檢查并測量原始樁。如果原始樁丟失或移位，則進(jìn)行補(bǔ)充校正。

③測定管道中心線時(shí)，在起點(diǎn)、終點(diǎn)測設(shè)中心樁。

1.3.2 坑面開挖

①開挖工作面之前，要綜合考慮各種因素例如工作面寬度、施工環(huán)境、頂管直徑。頂管長度、設(shè)備規(guī)格等。

②為了保證充足的工作空間，工作坑面按下式計(jì)算：

底寬：B=D1+2S+2C

底長：L=L1+L2+L3+L4

式中：B——工作坑底寬(m）；

L——工作坑底長(m）；

S——管道兩側(cè)的操作寬度(m），一般為每側(cè)1.2m～1.6m；

C——撐板厚度(m），一般采用0.2m；

D1——管外徑(m）；

L1——管子頂進(jìn)后，頂鋼筋混凝土管取0.3m～0.6m；機(jī)械挖土、擠壓出土及管前使用其他工具管時(shí)，工具管長度如大于上述鋪軌長度的要求，L1應(yīng)取工具管長度；L2——管節(jié)長度(m）；L3——液壓油缸長度(m）；L4——后背所占工作坑長度。

工作坑深度符合下式：

H1=h1+h2+h3

H2=h1+h2(無基礎(chǔ)及墊層時(shí)）

式中：H1——頂進(jìn)豎井地面至豎井底的深度(m）

h1——接受豎井地面至豎井底的深度(m）

h2——管道外緣底部至導(dǎo)軌底面的高度(m）

h3——基礎(chǔ)及其墊層的厚度，不應(yīng)小于該處井室的基礎(chǔ)及墊層厚度(m）。

③按照設(shè)計(jì)圖紙及相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算工作坑開挖尺寸如下：

底 寬 ：B=1.8+0.21×2+2×1.6+2×0.2=5.82m；

底長：L=0.5+3+0.6+3.1=7.2m；

工作坑深度 H1=3.196+1.8+0.21×2+0.05×2+0.37=5.89m。

布置參見圖3、圖4。

圖3 工作坑斷面

圖4 工作坑平面

1.3.3 設(shè)備安裝

①采用50#軌鋼作為導(dǎo)軌，因工作坑底土質(zhì)松軟、管徑較大，在工作坑地面澆筑30cm厚C25混凝土基礎(chǔ)，并將導(dǎo)軌埋設(shè)于基礎(chǔ)混凝土中。

②保證兩根導(dǎo)軌平直，中距計(jì)算如下：

A0=A+a

式中：A0——兩導(dǎo)軌中距(mm）；

A——兩導(dǎo)軌上部的凈距(mm）；

a——導(dǎo)軌的上頂寬度(mm）；

D——管外徑(mm）；

h——導(dǎo)軌高度(mm）；

e——管外底距枕鐵(枕木）面的距離(一般為10 mm～25 mm）。

③安裝設(shè)備

a.先對高壓油泵等設(shè)備進(jìn)行檢查，檢查沒有問題后方可安裝。

b.根據(jù)豎井的設(shè)計(jì)，進(jìn)行設(shè)備安裝。

按照豎井的施工設(shè)計(jì)，安裝高壓油泵、管路及控制系統(tǒng)。

1.3.4 管道頂進(jìn)

①頂進(jìn)施工前要檢查下列事項(xiàng)，在檢查符合規(guī)范的情況下方可施工。

a.施工前檢查所有設(shè)備，試運(yùn)行正常后方可施工；

b.制定相應(yīng)措施，保證流動(dòng)性土和地下水不會(huì)從洞口進(jìn)入工作坑。

②在頂進(jìn)5～10m后，將測量側(cè)頻次加多，施工中首節(jié)管的允許偏差范圍：軸線位置3mm，高程0～3mm。

③要保證施工的連續(xù)性，除非出現(xiàn)不可抗拒因素，否則中途不得停止作業(yè)。

④測量與糾偏

a.設(shè)置測量點(diǎn)時(shí)，點(diǎn)位宜設(shè)置在方便檢測和相對穩(wěn)定的地方。

b.施工過程中，要按時(shí)監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)偏差后要立即糾正。

c.如果頂管出現(xiàn)偏差，其糾偏可采取挖土法、支頂法。

⑤頂進(jìn)過程中減小阻力可采用觸變泥漿。

1.3.5 管道接口

施工完成后，其管道接口要按照規(guī)范處理。

1.4 建議與優(yōu)化

①不同的土質(zhì)對頂管的施工有較大的影響。在施工過程中，要根據(jù)不同土質(zhì)的特性制定相應(yīng)的工藝參數(shù)，有針對性地進(jìn)行施工。

②在降水施工過程中，要隨時(shí)注意水位的變化，防止水位過低對周圍建筑造成破壞。

③在采用頂管法施工時(shí)，設(shè)備的保養(yǎng)至關(guān)重要。如果頂進(jìn)過程中出現(xiàn)故障，將影響全線的進(jìn)度。故要做到在施工中保護(hù)設(shè)備、在平日里按時(shí)養(yǎng)護(hù)設(shè)備，保證設(shè)備能夠正常運(yùn)行。

2 結(jié)論

本文以陜西斗門水庫為背景，從工程施工條件、施工設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)備選型等方面總結(jié)了長距離輸水管線頂管法施工工藝，為之后相同工況條件的工程提供了參考。