頂管法在花石沖水庫輸水涵管改造中的應用

張守峰

（衡陽市水利水電規(guī)劃設計院衡陽市421008）

頂管法在花石沖水庫輸水涵管改造中的應用

張守峰

（衡陽市水利水電規(guī)劃設計院衡陽市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。文章重點介紹了人工頂管施工的方法、工序及注意事項等,實踐證明頂管法在中小型水庫輸水涵管改造中的應用是可行的。

中小型水庫輸水涵管改造頂管設計施工

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，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，泥巖塊石抗風化性差，加上水流沖刷，墻體有多處漏水，滲漏較嚴重。1997年在運行過程中，距輸水涵管進口5 m處，因滲漏發(fā)生了塌孔現(xiàn)象，嚴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

根據大壩探明的地質條件，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，恢復大壩斷面。

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，并對原輸水涵管進行封堵。涵管采用人工挖土頂管法進行施工，管材為預制鋼筋混凝土管。

附表為涵管改造投資比較。

附表涵管改造投資比較表

方案一施工技術簡單，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。方案二施工技術要求較高，但施工工期短，造價比方案一節(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 頂管方案設計

3.1 管線布置

管線應盡可能選在土質比較堅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。同時還要滿足管段的運輸、吊裝、頂管基坑、出土棄土等施工場地和排水布置的需要。根據花石沖水庫的實際地形條件，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，進口設斜拉鋼閘門，出口與原灌溉渠道連接。

3.2 管道設計

3.2.1 管材選擇

頂管所用管道分為預制鋼筋混凝土管和鋼管。考慮相同條件下選擇造價低的材料，因此選用預制鋼筋混凝土管作為本次頂管材料。鋼筋混凝土管應分節(jié)預制，為了便于運輸，每節(jié)長2 m左右。根據《給水排水工程頂管技術規(guī)程》4.3.1規(guī)定，預制鋼筋混凝土管強度為III級加強管，混凝土強度等級為C50，抗?jié)B等級為S8。因管身兩端承受頂力，為防止斷頭破裂，兩端內外層應配置受頂力的鋼筋。考慮管節(jié)連接之間不漏水，管口設計為雙膠圈鋼承接插口。3.2.2管徑選擇

管徑選擇首先應滿足輸水流量要求，其次考慮施工和以后維修方便。因采用人工在管道內部完成挖土和運土作業(yè)，管徑選擇應不小于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的預制鋼筋混凝土管。

3.3 頂力計算

不同的頂管方式有不同的頂力計算理論，對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，一般采用松動介質平衡理論計算。

根據花石沖水庫工程地質條件和松動介質平衡理論采用下式計算頂力：

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——管道頂進總長度（m）,110 m；

W——管道總重（t）。

經計算，當發(fā)生洞壁全部塌方時，總頂力為460 t。考慮實際施工情況：①頂力作用點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頂進過程中有石塊存在；④管道偏位。這些情況均會引起頂力增大，因此，最終選用千斤頂型號按1.2倍總頂力為佳，本工程選用550 t千斤頂，工程實施過程中未發(fā)生卡管現(xiàn)象。

3.4 后墩設計

后墩是承受主油缸頂力反作用力的基礎。后墩的結構在受力過程中不應當被破壞，也不允許出現(xiàn)受力不均勻壓縮，否則會造成頂進偏差。

后墩受力根據經驗取最大頂力的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構，墻后填土接強風化山體。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的雙向構造筋。

3.5 工作坑設計

工作坑考慮后墩布置、每節(jié)管長度、千斤頂長度、出土、頂進和測量等因素綜合考慮。根據經驗，工作坑長度按下式計算：

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算：

式中B——工作坑寬度（m）；

B1——管道外徑（m）；

B2——通風、排水機械安裝寬度（m）；

B3——安全寬度（m）。

根據以上公式計算及實踐經驗，工作坑尺寸長×寬為7.3 m×4.0 m。

3.6 防滲處理設計

（1）管身與進口建筑物連接部位的防滲。

管身頂進完畢后，管進口與進口建筑物連接處嵌塞瀝青麻繩防滲材料，以適應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。

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

（3）管段接頭防滲。

工程設計頂管采用雙膠圈鋼承接插口，在頂進時在管口設置（3～4）mm的瀝青浸透麻繩，然后繼續(xù)頂進，把接縫擠緊。涵管全部頂進結束后，在接口處采用鋼絲網環(huán)氧樹脂砂漿進行縫口防滲。

3.7 其他附屬工程設計

（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。

對管道滲水和漏水點，先鑿V形槽，埋入導水水管，用快凝水泥封閉管周，待水泥有一定強度后，用手動泵壓入水泥水玻璃漿液封堵。

（3）頂管內通風。

頂管內進人之前需要通風，采用強制性通風措施，用風機通過1.5″鐵管向頂管工具頭壓風。

（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、工具頭、管道照明采用（12～ 24）V低壓電源供電。

4 頂管施工設計（附圖）

附圖水庫頂管施工示意圖

4.1 施工準備

施工準備主要包括場地平整、測量放線、工作坑及后墩施工、設備安裝調試等工作。

4.2 頂進工作

4.2.1 穿墻初始頂進

用風鎬在井壁開孔（需要預備充分的水泵抽水），吊下工具頭，頂出推進千斤頂，前環(huán)形頂鐵對準工具頭尾部，將工具頭緩緩推進穿墻管內，當工具頭的最前部到達沉井的外側時，停止頂進，調整好工具頭的方向、標高，開始頂進，進入初始頂進工序。

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

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

在確認初始頂進過程無大的偏差后，開始正常頂進程序。

4.2.2 正常頂進

（1）測量工具頭的偏位、作好記錄、糾偏。

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

（2）糾偏方法。

采用小角度、頂進中逐漸糾偏的原則：

①挖土校正法：即在管子偏向一側少挖土，而在另一側多超挖些，強制管節(jié)在前進時向另一方面一側偏移。適用于偏差為（10～20）mm時。頂進中發(fā)現(xiàn)管位偏差5 mm左右，即應進行校正。糾偏校正應緩緩進行，使管節(jié)逐漸復位，不得猛糾硬調。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為一個單元，再頂進1 m時，如果根據工具頭的測斜低度及激光經緯儀測量偏位趨勢沒有減少時，增大糾偏力度（以5 mm為一個單元），如果根據工具頭的測斜儀及激光經緯儀測量偏儀趨勢穩(wěn)定或減少時，保持該糾偏力度，繼續(xù)頂進，當偏位趨勢相反時，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)生錯口時，可采用木杠支撐強制抬升法，在頂進過程中讓管節(jié)恢復正常位置。

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1個小千斤頂進行校正。

1個行程頂完后，整體式頂進構架調節(jié)頂塊當頂完1個行程后（1 m），停止頂進，調節(jié)整體式頂進構架頂塊，繼續(xù)頂進下一個行程。

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

5 結語

花石沖水庫除險加固工程于2014年4月完工，經過了兩個汛期的蓄水檢驗，目前度汛運行安全，證明在水庫輸水涵管改造中采用頂管技術施工是切實可行的。

目前湖南省還有大批中、小型水庫需要除險加固，若能總結經驗，結合工程地形、地質條件，因地制宜地采用頂管技術對水庫輸水涵管進行改造，可以有效加快施工進度，節(jié)省工程投資。

2016-10-17）

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