頂管施工在水庫除險加固工程輸水涵管重建中的應用

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的相關內容，先介紹了頂管工程施工技術的主要技術手段，包括頂管工程在施工中的主要技術應用、以及在施工應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的質量事故、安全事故，介紹了幾種控制措施，希望能對相關人員工作有所幫助。

關鍵詞：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，結合供水、發電等綜合效益的中型水庫。灌區分為水庫上游黃巖坑引水渠沿線兩側、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，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用水的需要，供水流量僅0.166 m3/s；捍衛下游區政府所在地、各分場及12000多人的安全。工程除險加固可對現有機組及電站廠房進行技術改造，裝機容量為2臺共820kW，加固后多年平均發電量132.40萬kW.h。

根據國家《防洪標準》（GB502012014）及《水利水電工程等級劃分及洪水標準》（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。水庫輸水涵管進水口底板高程為42.00m，死水位45.70m，相應庫容201.75萬m3；水庫正常蓄水位55.70 m，相應庫容1123.00萬m3；水庫除險加固工程的設計洪水標準為50年一遇，設計洪水位56.01m，相應庫容為1170.65萬m3，校核洪水標準為1000年一遇，校核洪水位56.32m，相應庫容為1217.26萬m3。泄洪涵管最大泄量為10m3/s。

2 頂管施工技術

2.1 概述

因穿越大壩的老輸水涵管滲漏嚴重，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徑2200mm、壁厚14mm的鋼管，采用頂管法施工，從堤下游往上游頂進，位置是壩下0+6～0+52.1米，單向頂進長度46.1m，新輸水涵管施工完成后對老涵管進行封堵。

2.2 工作坑及鎮墩基礎土方開挖

工作坑及鎮墩基礎土方在表面砌石等障礙物清除后采用反鏟挖掘機直接挖土裝入自卸汽車運至指定地點堆放。工作坑是頂管施工的臨時設施，其后部設有鎮墩、后背墻、千斤頂導軌、排水坑等設施。在頂進過程中是管節、土方運輸的出入口，因此工作井對頂進長度、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墩的墻體結構。在頂進過程中，后靠板中、下、左、右不均勻位移，是頂進管道出現偏差的誘因。鎮墩后靠板鋼筋砼施工時確保后靠板與管道頂進方向垂直。后靠板安設允許偏差：垂直度0.1%H、水平扭轉度：0.1%L、H為后背墻的高度（mm）、L為后背墻的長度（mm）。

2.3 頂管設備的選擇和安裝

2.3.1 導軌

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

2.3.2 千斤頂，頂力計算

頂管在穩定土層中采用人工掘進，管底高程以上土層為穩定土層且覆蓋土層的深度滿足卸力拱的要求，允許超挖，采用有關地區經驗公式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驗公式為Pj=（8～12）Πd1L取最大參數計算得出頂力為946t。

2.3.3 千斤頂選擇和安裝

考慮地下工程的復雜性及不可預見因素的影響，頂進設備考慮頂進能力的儲備，設備頂進能力按1000t，采用6個300t的千斤頂可滿足要求。千斤頂安裝時，使頂力合力作用點與管壁反作用力作用點在同一軸線，防止產生頂時力偶，造成頂進偏差。根據施工經驗，采用人工挖土方，管上半部管壁與土壁有間隙時，千斤頂的著力點作用在鋼管垂直直徑的1/4～1/5為宜。

2.3.4 高壓油泵

由電動機帶動油泵工作，選定額定壓力為100Mpa的柱塞泵，經分配器、控制閥進入千斤頂，各千斤頂的進油管并聯在一起，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件。特點是承受頂壓力而不變形、便于搬運。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，將千斤頂的頂推力傳遞給兩側的縱向方頂鐵上，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的鋼管之間，與頂力方向平行，起柱的作用，在頂管過程中調節間距，長度取決于千斤頂的行程、管節長度、出土設備等，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，以防作業時頂鐵發生外彈。

因管徑較大，U型頂鐵采用環形頂鐵，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偏差。

頂鐵安裝時首先檢查頂鐵與導軌之間、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

2.4.1 挖土與運土

頂管在較密實的回填土體中施工，土質易塌方，自穩一般。采用先挖后頂、隨挖隨頂的方法，人工挖土，手推車運輸出工作坑外，挖掘機裝自卸汽車運至指定地點。管前挖土深度視土質情況和千斤頂的工作行程而定，一般為千斤頂的出鎬長度，開挖管前端迎面土體時，不論是粘性土、強風化巖層，都自上而下分層開挖。土層挖掘時在允許超挖的穩定土層中正常頂進時，管下部1350范圍內不得超挖，管頂以上超挖不得大于1.5cm。

2.4.2 頂進

頂進操作過程：

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，使千斤頂進油，活塞伸出一個行程，將鋼管推進一段距離。

②操縱控制閥，使千斤頂反向進油，活塞回縮。

③安裝頂鐵，重復上述操作，直到管端與千斤頂之間可以放下一節鋼管為止。

④卸下頂鐵，下管焊接。

⑤重新裝好頂鐵，重復上述操作。

頂進要連續作業，盡量避免中途停止，如發現管前坍塌、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，查明原因，排除故障后再繼續頂進。

2.4.3 頂進施工測量

開始頂進時，每頂進30cm應測量1次，進入正常頂進作業后，測量頻率為頂進1.0m檢測一次，遇松散的土層頂進0.6m測量一次，每次測量以管前端為測量點。采用水平儀、經緯儀觀測。頂進時，依據頂進記錄，將頂力與頂進長度關系繪成曲線。

軸線測量：根據工作坑內設置的中心樁，將激光準直儀的吊錘對準中心樁，使激光準直儀發射的激光經過中心樁，通過在洞口的吊錘調整激光準直儀發射的激光的左右方向，使激光準直儀發射的激光經過洞口的中心吊錘線，該激光線為設計的標準線，頂進過程中，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：首先在工作坑內建立水準點，也采用激光準直儀進行測量，激光準直儀的光束的高程與設計坡度線保持常數，如管前接收靶中心偏離光束，說明管道高程也出現識誤差。高程和軸線可采用激光準直儀同時測量。

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，在頂進中出現偏差時需即時進行校正，可采用人工和機械方法進行校正。

①挖土校正法：偏差值為10～20mm時采用此法。當鋼管偏離設計中心一側時，在鋼管中心的另一側適當超挖，而在偏離一側少挖或留臺，繼續頂進時借預留的土體迫使管首逐漸回位。

②頂木強制校正法：當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

為減小頂力及保護鋼管外壁，采用觸變泥漿作減阻泥漿，通過壓漿孔向管節外壓注一定壓力數量的泥漿，及時填充管節外壁與土體之間的空隙形成漿套，減小管節與土體間的摩擦力，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，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，攪拌均勻，放置12小時后即可使用。泥漿儲于儲漿罐內，由活塞泵加壓經輸泥管輸送到工具管的泥漿封閉環內，再由封閉環上開設的注漿孔注入到坑壁與管壁之間的孔隙中，形成泥漿套。鋼管注漿孔利用設計作為施工后灌注水泥漿的現成的孔。

2.4.6 頂管作業面通風

為保證作業人員的安全，采用壓入式強制性通風措施，用風機通過1.5英寸鐵管向工作面壓風。

2.4.7 鋼管現場連接

鋼管在加工廠加工成3m管節的半成品運到工地，當頂完一段管，空出位置，將下段管吊下，調整好焊縫間隙，錯口在2mm以內，兩管中心線偏差<2mm，四周點焊牢固，復查后方可焊接，環縫焊接采用外側坡口焊，焊完檢查，焊縫的質量要求及檢驗方法見鋼管加工章節部分，頂管、循環到下一段管施工。

2.4.8 圍堰施工及堰內抽水

頂管出口在水庫的上游庫區，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，水下部分用小船運至水庫水上拋填、水上部分用人工按設計坡度堆砌。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，立即進行回填灌漿，確保頂管與土體緊密結合，并達到防滲漏要求。灌漿孔為頂管預留孔，注漿孔孔徑為φ1寸，注漿設備采用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。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。在灌漿壓力達到設計值，灌漿孔停止吸漿后，延續5min，結束灌漿。灌漿結束后，用δ=18鋼板補平電焊封閉灌漿孔。

3 結論與建議

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

參考文獻：

[1]頂管施工技術及驗收規范.

[2]楊伸義.搞好洪水調度工作 發揮水利工程更大的綜合經濟效益[J].江西水利科技，1985（01）.[3]顧建國.頂水灌漿法——介紹一種土石壩涵管止漏技術[J].水利天地，1987（03）.