頂管施工在大型水利引水工程中的應用分析

馬江紅，李宗蔚，杜榮波

（中電建路橋集團有限公司，北京 100160）

0 引言

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

頂管法的首次出現和使用在美國19世紀末期北太平洋鐵路敷設工程中，自此頂管法施工開始進入施工領域，并逐漸發展成為一門新的具有其獨特優勢的施工方法。由于經濟條件的限制，我國直到1950年前后才首次開始對頂管施工法的研究。隨著經濟的發展，北京、上海等地開始從國外引進先進設備，并進行相關研究，極大地促進了頂管施工技術在我國的應用[1-7]。

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

1 工程運用

1.1 項目概況

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、北池之間設雙向擋水隔壩，南池為城市供水水源，調蓄引漢濟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，設計向灃東、西新城年平均供水8773萬m3；北池為生態水源地，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，每年可向西安生態水系中的漢城湖、漢護城河、高新湖3個湖泊補給生態用水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水管道5部分。

1.2 工程概況

工程湖庫區位于西安市長安區馬王鎮東南約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東北方向，階地高程介于397.00～404.00m，湖區石匣口西南有部分為二級階地，階面高程403.00～410.00m。

據勘探揭露，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，分布于庫區各居民點，在南部石匣口、浦陽等村莊附近，最大厚度可達2～4m；

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

③-2中砂（Q41al+pl），灰黃～灰色，長石-石英質，級配不良，含零星的中粗礫。其分布有三層分述如下：第一層分布于整個湖區，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淤泥質土（Q4l），灰褐色，濕，可塑，具水平層理，結構緊密，有腥臭味，粉粒為主。分布于湖庫區西北部，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，土質均勻，具蟲孔及大孔隙，含少量蝸殼碎片，可塑狀態，分布于二級階地上部，層厚9.8～13.6m；

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

圖2 水庫工程地質圖

⑧-2中砂（Q3al），灰黃色～淺黃色，長石～石英質，級配良好，含零星中粗礫，飽和，中密～密實狀態。分布于二級階地下部，主要位于堰下張村附近，KZK18，KZK11，KZK27與庫區連通，未穿透，最大揭露厚度6.6m，庫區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

按照設計要求，頂管施工采用人工洞挖，液壓千斤頂進的方式進行。根據設計圖紙描述的地質情況，頂管工程管道軸線處于⑤-2中砂層，原土基礎穩定性較差，不能作為頂管靠背，擬采用鋼筋混凝土靠背提供剛度及強度支撐，原土作為重力支撐。

1.3.1 施工準備

①依據設計圖紙進行測量放線，做好所需各項數據的測量。

②重新檢查并測量原始樁。如果原始樁丟失或移位，則進行補充校正。

③測定管道中心線時，在起點、終點測設中心樁。

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、施工環境、頂管直徑。頂管長度、設備規格等。

②為了保證充足的工作空間，工作坑面按下式計算：

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——管道兩側的操作寬度(m），一般為每側1.2m～1.6m；

C——撐板厚度(m），一般采用0.2m；

D1——管外徑(m）；

L1——管子頂進后，頂鋼筋混凝土管取0.3m～0.6m；機械挖土、擠壓出土及管前使用其他工具管時，工具管長度如大于上述鋪軌長度的要求，L1應取工具管長度；L2——管節長度(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(無基礎及墊層時）

式中：H1——頂進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——管道外緣底部至導軌底面的高度(m）

h3——基礎及其墊層的厚度，不應小于該處井室的基礎及墊層厚度(m）。

③按照設計圖紙及相關數據計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 設備安裝

①采用50#軌鋼作為導軌，因工作坑底土質松軟、管徑較大，在工作坑地面澆筑30cm厚C25混凝土基礎，并將導軌埋設于基礎混凝土中。

②保證兩根導軌平直，中距計算如下：

A0=A+a

式中：A0——兩導軌中距(mm）；

A——兩導軌上部的凈距(mm）；

a——導軌的上頂寬度(mm）；

D——管外徑(mm）；

h——導軌高度(mm）；

e——管外底距枕鐵(枕木）面的距離(一般為10 mm～25 mm）。

③安裝設備

a.先對高壓油泵等設備進行檢查，檢查沒有問題后方可安裝。

b.根據豎井的設計，進行設備安裝。

按照豎井的施工設計，安裝高壓油泵、管路及控制系統。

1.3.4 管道頂進

①頂進施工前要檢查下列事項，在檢查符合規范的情況下方可施工。

a.施工前檢查所有設備，試運行正常后方可施工；

b.制定相應措施，保證流動性土和地下水不會從洞口進入工作坑。

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

③要保證施工的連續性，除非出現不可抗拒因素，否則中途不得停止作業。

④測量與糾偏

a.設置測量點時，點位宜設置在方便檢測和相對穩定的地方。

b.施工過程中，要按時監測，發現偏差后要立即糾正。

c.如果頂管出現偏差，其糾偏可采取挖土法、支頂法。

⑤頂進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范處理。

1.4 建議與優化

①不同的土質對頂管的施工有較大的影響。在施工過程中，要根據不同土質的特性制定相應的工藝參數，有針對性地進行施工。

②在降水施工過程中，要隨時注意水位的變化，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，設備的保養至關重要。如果頂進過程中出現故障，將影響全線的進度。故要做到在施工中保護設備、在平日里按時養護設備，保證設備能夠正常運行。

2 結論

本文以陜西斗門水庫為背景，從工程施工條件、施工設計、機械設備選型等方面總結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。