頂管技術在均質土壩除險加固中的應用

黎桂林

(江西省水利水電建設有限公司，江西 南昌 330025)

20世紀50年代到60年代之間，出于工農業發展需要，我國大力出資修建了許多中小型水庫。由于理論與技術尚且處于落后狀態，大多數工程施工質量差，建設標準低，投資回報不高[1- 4]。水庫水壩運用至今已逾50年，建筑物存在一定的工程隱患。水庫系統運行中發現的許多問題亟待解決，其中土壩輸水涵管破損，相當部分出現裂縫漏水情況最為危急，嚴重影響大壩與周圍山體安全。目前，存在相當多的小型水庫工程的輸水涵管內徑在0.5m以下，因管徑太小根本無法維修加固施工。眾多工程師與學者努力致力于將頂管技術合理應用到水利工程中來[5- 6]。因此，立足于上述基本情況，基于頂管技術經濟、對周圍環境和主壩體影響小[7]、可穿越障礙物的優點，如何將頂管技術高效的應用到水利工程中，已經越來越成為一個迫切解決的問題。

1 工程概況

堯渡水庫位于安徽省池州市東至縣西南隅，是一宗具有防洪、灌溉、養殖等綜合效益的小(Ⅱ)型水庫。大壩最大壩高15.0m，壩長約50.0m，建于1968年，為均質土壩。水庫建有臥管式混凝土結構輸水涵洞1座，管徑0.6m。由于年代較久遠以及受當地氣候影響，在某次安全檢查中，發現洞身內壁有環狀裂縫、側向裂縫數條，裂縫寬度1～2cm，水庫壩體存在一定的安全隱患。因此，為了確保水庫水壩的安穩運行，合理發揮其工程效益，經過當地政府決議，擬對水庫除險加固工程進行更新。圖1為水壩剖面圖。

圖1 堯渡水壩剖面圖

2 方法比較

2.1 開挖法

開挖法具有施工簡單、快捷、經濟、安全的優點，但是其缺點也是巨大的。首先，開挖對壩體其他部分會造成不良影響；其次，開挖法浪費大量人力財力，為當地財政造成負擔；最后，開挖法對周圍環境影響較大。堯渡水壩工程位于安徽某山之間，地處長江中下游區域。直接開挖對周圍山體影響較大，會為當地發生滑坡、泥石流等地質災害留下隱患。

2.2 頂管技術

頂管施工是繼盾構施工之后而發展起來的一種地下管道施工方法，它不需要開挖面層，并且能夠穿越公路、鐵道、河川、地面建筑物、地下構筑物以及各種地下管線等。頂管施工借助于主頂油缸及管道間中繼間等的推力，把工具管或掘進機從工作井內穿過土層一直推到接收井內吊起。與此同時，也就把緊隨工具管或掘進機后的管道埋設在兩井之間，以期實現非開挖敷設地下管道的施工方法。相比開挖法，頂管技術具有以下優點：

(1)采用機械化施工，工藝簡單，施工方便。

(2)可以在很深的地下鋪設管道，不需破壩，對原壩體基本不產生整體擾動，施工速度快，效果好。

(3)對施工區域周圍環境的影響很小，施工噪音和振動都很小。

3 頂進力計算

根據相關地質報告，沿大壩軸線土的主要成分為粉質黏土，土的容重γ為18.0kN/m3，內摩擦角φ為25.0°，黏聚力c為10.0kPa。

現有工程相關信息如下，頂管以上覆土的厚度約為13.0m，頂進長度約55.0m。管材選用外徑1000mm壁厚100mm工廠化預制專用高強度承插式鋼筋混凝土管。

3.1 一般公式

F=PA+Pf

(1)

式中，PA—頂進正面阻力，kN；Pf—頂管周摩阻力，kN。

頂進正面阻力計算公式：

PA=γHKaA

(2)

式中，γ—土的容重，kN/m3；H—頂管上覆土層厚度，m；Ka—主動土壓力系數，無量綱；A—頂管正面橫截面面積，m2。

頂管周摩阻力計算公式：

Pf=πDLf

(3)

式中，f—單位面積土與管的摩擦力，取f=8.0kPa；L—頂管頂進長度，m。

解得：

F=PA+Pf=1381.2kN

3.2 北京市經驗公式

對于黏性土，有：

F=K1(22D1-10)L

(4)

對于砂性土，有：

F=K2(34D1-21)L

(5)

式中，K1—黏性土系數，取值在1.0～1.3之間；K2—砂性土系數，取值在1.0～1.5之間。

針對該項目土壩均為粉質黏土，得頂進力F為858.0kN。

3.3 《市政工程施工手冊》規范

對于鋼筋混凝土管，有：

F=nGL=1100.0kN

(6)

式中，n—土質系數，黏性土取1.5～2.0，砂性土取3.0～4.0；G—單位長度頂管自重，取10kN/m。

各方法所得頂力計算結果見表1。

表1 各方法所得頂力計算結果表 單位:kN

綜上，出于安全以及工作效益考慮，取頂進力F=1381.2kN。

4 施工要點

4.1 建材選擇

根據施工和今后運行檢修要求，管材選用外徑1000mm壁厚100mm工廠化預制專用高強度承插式鋼筋混凝土管。

4.2 施工準備

(1)由于大壩位置偏遠，相關機器設備的運輸前需要對大壩附近路段進行一定程度的平整與改造。

(2)處理好原有閘門漏水，并利用老涵洞做頂管施工期導流。

(3)測出涵洞中心位置，以利于新涵洞軸線定位。

(4)在大壩背水坡護壩平臺上設置好頂管工作坑。工作平面尺寸為5m×3m，坑底用混凝土澆筑，并安裝頂管路軌，坑的左、右、前三面均用方木支護，以防坍塌。(5)根據設計計算結果，頂管動力采用2000kN液壓頂管機，要求后座墻要牢固，以便承受頂管的反力[8]。

4.3 施工要點與質量控制

(1)控制好挖土與頂進速度。管內向前挖土掘進過程中，每前進2～3m，棄土經定制的小拖車向后送至工作坑并吊出坑外。挖土與頂管要嚴格按照“少挖勤頂”的原則，每次掘進與頂管進度至少為30cm左右。

(2)注意及時糾正偏斜。在頂管過程中多測量及時糾正偏斜，當地質條件較好時，每2m左右測量一次；遇到土質不均情況時，每頂進50～100cm測量一次；當出現偏差時，每頂進30cm左右測量一次。當偏差在1～3cm時應及時糾正。糾偏應在頂管行進過程中，嚴禁在停止狀態下進行。較大偏差需分次逐步進行修正。

(3)消除誤差后再頂進過程中應注意不要碰到測量儀器，同時應注意后座的工作情況，不能有裂縫、位移、變形等。

5 結語

目前，由于設備制作工藝以及技術理論發展限制，頂管技術尚未在我國市政工程以及水利工程中得到大規模的應用。從本文設計結果以及安全角度看，頂管技術應用在水利工程均質土壩的除險加固中是十分合理、安全且經濟的。利用頂管技術對均質土壩的老涵洞進行更新，這樣不僅對周遭環境的影響很小，不會引發周圍山體滑坡；同時對壩體本身的影響也是微弱的，以免破壞主壩體的完整性與安全性；最后，利用頂管技術避免了大面積的開挖，從而達到經濟高效的目的。因此，將頂管技術應用在水利工程中大有可為。

[1] 余彬泉, 陳傳燦. 頂管施工技術, 北京: 人民交通出版社, 2003.

[2] JC/T 640- 1996. 頂進施工法用鋼筋混凝土排水管標準[S].

[3] 高鵬舉. 頂管技術在市政地下管道施工中的應用技術[J]. 科技資訊, 2010(30): 110.

[4] 李敏. 頂管技術在排水管道施工中的應用[J]. 科技資訊, 2010(19): 130.

[5] 汪海洋. 湛江供水樞紐管道穿越南三河段設計與施工[J]. 水利規劃與設計, 2015(09): 124- 127.

[6] 李德文. 長距離PCCP頂管的設計和應用[J]. 水利規劃與設計, 2017(06): 99- 103.

[7] 夏永發. 輸水管道頂管施工在不同因素下的地表沉降分析[J]. 水利技術監督, 2017, 25(04): 108- 110.

[8] 韓艷麗. 南水北調配套工程頂管內力及配筋計算[J]. 水利技術監督, 2017, 25(04): 128- 131.