頂管技術(shù)在水利工程施工中的應(yīng)用研究

胡 志

(江西贛禹工程建設(shè)有限公司，江西 南昌 330038)

頂管施工技術(shù)是一種始于19世紀(jì)末的表土層地下工程的非開挖施工技術(shù)，具有很多其他開挖技術(shù)所不具備的優(yōu)點(diǎn)，能穿越地面建筑物、道路、河流以及位于地表以下的各種管線等，對地面的擾動小。頂管施工一般包括工作井、推進(jìn)系統(tǒng)、注漿系統(tǒng)、定位糾偏系統(tǒng)以及輔助系統(tǒng)等，采用液壓千斤頂或具有頂進(jìn)、牽引功能的設(shè)備，以頂管工作井作為承壓壁，將管子按設(shè)計(jì)高程、方位、坡度逐根頂入土層直至到達(dá)目的地[1- 5]。

王曉峰等[6]依托我國某城市地下綜合管廊項(xiàng)目，對頂管技術(shù)在市政工程建設(shè)中的關(guān)鍵技術(shù)、重要參數(shù)及應(yīng)用前景展開了深入探討，并認(rèn)為其在綜合管廊工程中具有寬闊的應(yīng)用前景。丘慶輝[7]以我國某水利堤壩工程為例，通過探討在該工程中頂管技術(shù)的應(yīng)用情況及關(guān)鍵工藝，認(rèn)為頂管技術(shù)具有節(jié)約工期的特殊優(yōu)勢。黃必成[8]以莆田市東圳灌水區(qū)排水涵管工程為依托，根據(jù)東圳灌區(qū)涵管施工實(shí)際情況，分析了施工準(zhǔn)備、工藝流程、總推力復(fù)核和控制難點(diǎn)等內(nèi)容，為頂管技術(shù)在灌區(qū)涵管施工中得以推廣使用提供一定科學(xué)依據(jù)。

頂管技術(shù)在各種工程領(lǐng)域，如水利工程，均得到了很好的應(yīng)用[9- 15]，研究其在水利工程中的應(yīng)用有助于解決施工中遇到的技術(shù)難題，以及帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。本文以某水利工程為背景，介紹頂管施工技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，對其他工程具有借鑒意義。

1 工程概況

某水利引水隧洞工程全長1015m，隧址區(qū)地形相對平緩，入口處巖體風(fēng)化程度較高，以侏羅紀(jì)角礫巖為主，裂隙發(fā)育，巖體較為破碎；洞身段以黏性土和砂性土為主，黏土具有低液限、結(jié)構(gòu)較密實(shí)等特點(diǎn)，砂土較為松散。部分線路穿越區(qū)域有較多構(gòu)筑物，地下水較豐富，對于施工過程中地面沉降的要求較高。將線路分成三部分，設(shè)置兩座頂進(jìn)井和兩座接收井，由兩座頂進(jìn)井向接收井頂進(jìn)，以頂進(jìn)距離為357m的頂進(jìn)段為例，此段頂管埋深在7.57～10.95m之間。

2 施工設(shè)計(jì)

綜合考慮隧址區(qū)所處位置土層的性質(zhì)、水文地質(zhì)條件、附近地上及地下建筑物和其他因素后選用頂管施工技術(shù)。頂管口徑為DN2200mm，采用泥水平衡式頂管機(jī)，這種頂管機(jī)具有平衡效果好、施工速度快、對土質(zhì)的適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，操作人員不必進(jìn)入管道，采用激光連續(xù)測量管道軸線和標(biāo)高，能及時糾偏，很好地控制頂進(jìn)質(zhì)量。頂管材料選用鋼筋混凝土，管材允許頂力經(jīng)測定為16000kN。

(1)工作井施工

工作井包括頂進(jìn)井和接收井，其中頂進(jìn)井又叫始發(fā)井，為頂管掘進(jìn)的出發(fā)處，在頂進(jìn)井中有用于頂進(jìn)的千斤頂、頂鐵、導(dǎo)軌等設(shè)備，在頂進(jìn)井的外面還應(yīng)設(shè)置起吊運(yùn)輸設(shè)備，用于起吊開挖出來的土等[5]。相比于頂進(jìn)井，接收井結(jié)構(gòu)和布置的設(shè)備相對簡單，用于接收頂管機(jī)和工具管等。工作井選用矩形形狀，構(gòu)筑方式采取沉井的施工方式。工作井的尺寸由下式確定：

L=L1+L2+L3+L4+L5

(1)

B=D1+S

(2)

H1=h1+h2+h3

(3)

H2=h1+h3+h4+h5

(4)

式中，L—工作坑長度；B—工作坑寬度；L1—管節(jié)頂進(jìn)后，尾端壓在導(dǎo)軌上的最短距離；L2—管節(jié)長度；L3—輸土工作長度；L4—后座墻厚度；L5—頂鎬機(jī)長度；D1—管道外徑；S—操作寬度；H1—頂進(jìn)井深度；H2—接收井深度；h1—地面到管底外緣深度；h2—管底外緣至導(dǎo)軌底高度；h3—坑基礎(chǔ)厚度；h4—管壁厚度；h5—頂管機(jī)進(jìn)入井內(nèi)支撐墊板厚度。

最終確定頂進(jìn)井長度為7.5m、寬度為5m、深度為10m，接收井長度、寬度均為5m，深度為8m。沉井施工前應(yīng)該做好充分的施工準(zhǔn)備，地點(diǎn)的選取要合理，避免選擇一些不利于施工的地點(diǎn)，在沉井周圍布置降水點(diǎn)以防止施工過程中出現(xiàn)塌方。沉井開挖時從中間向四周均勻開挖，每層開挖半米左右，開挖出來的土應(yīng)及時清理。沉井的施工順序和施工示意圖如圖1—2所示。

圖1 沉井施工流程圖

圖2 沉井下沉示意圖

將工作井后方的墻壁作為后座墻，而不必單獨(dú)澆筑鋼筋混凝土墻，在后座墻與千斤頂之間還設(shè)置了厚度為350mm的鋼后靠，頂進(jìn)過程中的作用反力通過鋼后靠均勻傳遞到后座墻，最后傳遞到后方土體中。因此，要綜合考慮后座墻和后方土體所能承受的最大壓力，將其與頂管所能承受的最大頂力的最小值作為臨界頂力，防止頂進(jìn)過程中超出臨界值。此外在井壁施工前在沉井周圍預(yù)留注漿孔，通過注漿的方式對井壁四周的土體進(jìn)行加固處理，防止在頂進(jìn)過程中后座墻發(fā)生位移或者隆起。沉井分段下沉，下沉過程中用經(jīng)緯儀等監(jiān)測偏差，若產(chǎn)生偏差應(yīng)及時糾正，當(dāng)下沉到距離設(shè)計(jì)標(biāo)高2m時應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測，距離1m時采用人工緩慢挖掘直至下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高，防止超沉。

(2)頂管施工設(shè)計(jì)

在施工前應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場工程地質(zhì)情況及相關(guān)規(guī)范計(jì)算頂管的使用荷載和施工荷載，其中使用荷載包括垂直土壓力、水平土壓力、側(cè)向抗力以及管道自重等，施工荷載包括頂進(jìn)中的摩阻力F1和迎面阻力F2。由于頂進(jìn)距離較長，為減少頂進(jìn)過程中的摩阻力從而更好地頂進(jìn)，采用膨潤土作為潤滑材料，將其通過注漿孔注入土層中。注漿孔的布置為每隔4節(jié)設(shè)置一處注漿斷面。注漿之后的施工荷載可按式(5)、式(6)計(jì)算。

F1=f1πDl

(5)

(6)

式中，f1—單位摩阻力，軟土中一般可取8～12kN/m2；D—管道外徑；l—全部頂進(jìn)長度；Dj—頂管掘進(jìn)機(jī)外徑；Pt—機(jī)頭底部DT/3處的被動土壓力。

計(jì)算得出的摩阻力和迎面阻力分別為12500kN和15266kN，頂進(jìn)井的允許頂力為35000kN。在頂進(jìn)過程中，頂力不能超過管材的允許推力和后座墻的允許推力。頂管施工的流程圖如圖3所示。

圖3 頂管施工流程圖

頂管采用泥漿平衡土壓力和水壓力以保證開挖面的穩(wěn)定性，因此，要根據(jù)開挖面地質(zhì)情況適當(dāng)調(diào)節(jié)泥漿的稠度。刀盤前方的水壓力和土壓力之和應(yīng)該與泥漿壓力達(dá)到相對平衡，以避免工作面塌陷或者地表隆起。對于泥水的性質(zhì)要有充分的了解，加強(qiáng)對其各個方面的管理，泥漿的流速要控制在臨界流速以上，以防止泥漿在管道中沉淀下來而造成管道的堵塞，泥漿的臨界流速可由式(7)確定。

(7)

式中，VL—水平管內(nèi)固體顆粒的臨界流速，m/s；FL—由固體粒徑與濃度決定的系數(shù)，對于砂土，F(xiàn)L=1.33～1.36；g—重力加速度，m/s2；d—管內(nèi)徑，m；Gs—顆粒的相對密度；δ—液體的相對密度。

頂進(jìn)過程中應(yīng)加強(qiáng)對頂管的監(jiān)測，每隔30cm對頂管進(jìn)行測量，如頂管發(fā)生偏移應(yīng)及時進(jìn)行糾偏；由于頂進(jìn)過程中頂推力和刀盤前方的水土壓力相互平衡，若控制不當(dāng)容易發(fā)生地面塌陷或隆起，因此還應(yīng)該加強(qiáng)地面沉降的測量及變形情況，同時觀測后座墻的變形和位移情況，確保頂進(jìn)過程安全順利。

3 技術(shù)優(yōu)勢探討

前文主要描述了泥水平衡式頂管技術(shù)在水利工程的應(yīng)用及關(guān)鍵點(diǎn)的施工工藝，經(jīng)過在該水利工程中的有效實(shí)踐，得出頂管技術(shù)在水利工程特別是地形條件比較復(fù)雜的水利工程項(xiàng)目中，主要具有如下優(yōu)勢：

(1)能夠有效克服地形地勢，擺脫山區(qū)地貌局限性。我國大部分水利工程的施工地點(diǎn)均位于地勢不平的山區(qū)，采用傳統(tǒng)水渠開挖方法不僅施工難度大，且會浪費(fèi)大量的財(cái)力與人力，導(dǎo)致工程成本提高。

(2)工期短。采用原臨近地區(qū)水利工程開挖法建設(shè)的水利工程工期較長，而采用頂管施工則能夠快速完成水利工程建設(shè)，大大縮短工程建設(shè)周期，為工程整體的其他緊急項(xiàng)目帶來了極大的便利。

(3)頂管技術(shù)可以減少水利工程對周圍環(huán)境的影響，特別是對地面交通的影響，避免了地面交通疏導(dǎo)工作，節(jié)約了工程成本。

4 結(jié)論

本文介紹了泥水平衡式頂管機(jī)在某水利工程引水隧洞中的應(yīng)用，著重于工作井施工、頂進(jìn)施工及工程技術(shù)優(yōu)勢三個方面。工程實(shí)踐表明泥水平衡式頂管機(jī)適應(yīng)性強(qiáng)、頂進(jìn)速度快，能在工程地質(zhì)條件復(fù)雜的地方施工，在水利工程施工中取得了很好的效果；且采用頂管施工能減少對周圍環(huán)境的影響，節(jié)約工程成本。但要注意在頂管施工中應(yīng)加強(qiáng)施工時的監(jiān)測，及時進(jìn)行頂進(jìn)糾偏，同時控制頂進(jìn)速率，防止地面沉降或塌陷；施工中產(chǎn)生的泥漿也要進(jìn)行專門處理，盡量循環(huán)利用，減少對環(huán)境產(chǎn)生的破壞。