王寶存

（安徽省水利水電勘測設計研究總院有限公司 合肥 230088）

1 概述

1.1 工程概況

港口灣灌區工程是納入國務院172 項重大節水供水工程的新建大型灌區項目，位于安徽省宣城市。其中佟李干渠L6+772～7+204 采用隧洞方式通過，并通過16m 暗涵與上下游渠道相連，隧洞縱坡1 ∶5000，斷面形式為馬蹄形，孔口尺寸3.8m×3.8m（寬×高），設計水深2.25m，設計灌溉流量8.20m3/s，加大水深2.68m，加大流量10.25m3/s。

隧洞圍巖為泥質礫卵石、砂礫卵石層及泥質粉砂巖，圍巖級別V 級，成洞困難，變形嚴重。初步設計階段，洞口采用除底板外全環大管棚進行超前支護，洞外為60cm 厚混凝土明拱，明拱內置三榀鋼拱架，洞口坡面進行掛網噴護；洞內采用超前注漿小導管加固頂拱并對強透水卵礫石層進行壓力注漿，隧洞開挖后立即進行初期噴護，再用鋼拱架錨噴網聯合支護。

1.2 頂管設計緣由

（1）隧洞進口征地范圍內有7座墳墓，拆遷困難。

（2）隧洞進口附近有水塘一處，而明渠段暫未招標實施，村民因附近水田灌溉需要，不同意施工期間放干水塘。

（3）該段圍巖條件差，洞挖施工風險較高。

因前期征地拆遷等占用較多時間，為保證工程按期完工，擬將隧洞施工方案調整為頂管施工，加快施工進度。物理力學指標見表1。

表1 物理力學指標表

2 頂管方案設計

2.1 水力計算

根據水工隧洞設計規范，對長度大于或等于洞前渠道正常水深15 倍的長洞，洞身過流能力按明渠均勻流公式計算：

式中：Q—過水流量（m3/s）；

A—過水斷面面積；

n—糙率，取0.014；

i—洞底坡降，1/5000；

R—水力半徑，m；

A—過水斷面面積，m2。

進口水面降落、出口水面回升根據能量方程按照以下公式計算：

Z1=（1+ξ1）（V2-V12）/2g

Z2=（1-ξ2）（V2-V22）/2g

式中：Z1—進口水面跌落，m；

Z2—出口水面回升，m；

V、V1、V2—洞內流速、上游渠道流速、下游渠道流速，m/s；

ξ1，ξ2—進、出口水頭損失系數，分別取0.2、0.5。

頂管洞身采用兩根內徑為3m 的鋼筋混凝土圓管，分別與上游渠道、下游箱涵設置長21m、9m 銜接段，故銜接段局部水頭損失需一并計算考慮，進口銜接段局部水頭損失0.016m，出口銜接段局部水頭損失0.026m。

為避開隧洞進口段墳墓和水塘，頂管段往明渠段延伸，經布置頂管段長度516m。頂管段縱坡取1/6000，經計算圓管斷面、水面以上凈空面積，凈空高度均可以滿足過流及橫斷面凈空面積及高度要求，見表2。

表2 水力計算復核成果表

2.2 管道結構計算

本次頂管管道為內徑D0=3000mm 的鋼承口管，壁厚t=300mm。結構計算包含二種計算工況，每個工況均進行承載能力極限狀態強度計算和正常使用極限狀態驗算。

工況1：空管期（管自重+豎向、側向土壓力+外水壓力+地面堆積荷載或地面車輛輪壓傳遞荷載）。

工況2：使用期（管自重+豎向、側向土壓力+外水壓力+內水壓力+地面堆積荷載或地面車輛輪壓傳遞荷載）。

2.2.1 頂管管道上豎向土壓力標準值

式中：

Fsv—管頂豎向土壓力標準值（kN/m2）；

Cj—豎向土壓力系數；

γsi—管道上部i 層土層重度，單位kN/m3，地下水位以下應取有效重度；

Bt—管頂上部土層壓力傳遞至管頂處的影響寬度，m；

D1—管道外徑，取3.6m；

φ—管頂土的內摩擦角（°），取14°；

C—土的粘聚力，取地質報告中的最小值，為29.4kN/m2；

Hs—管頂至原狀地面埋置深度，約22m；

Kau—原狀土的主動土壓力系數和內摩擦系數的乘積。

根據上述公式計算得出管頂最大豎向土壓力標準值Fsv=167.3kN/m2。

2.2.2 頂管管道側向土壓力標準值

式中：Fhv—管道側向土壓力標準值（kN/m2），作用于管中心；

ka—主動土壓力系數。

2.2.3 地面堆積荷載以及地面車輛輪壓傳遞荷載

地面堆積荷載按照10kN/m2計算，因工程處無車輛通行，忽略地面車輛輪壓傳遞荷載。

根據計算荷載，采用《給水排水工程頂管技術規程》附錄B 圓形剛性管道在各種荷載作用下的內力系數計算管頂、管底、管側斷面內力值。經計算截面尺寸既滿足基本構造要求，配筋率與管道標準配筋率相近，截面尺寸合適，計算的結果見表3。

表3 管道結構計算成果表

2.3 頂管施工

2.3.1 工作機設計

工作井的最小內凈長度按頂管機長度或下井管節長度進行確定，并取二者的較大值：

①L = L1+ L3+ k

②L = L2+ L3+ L4+ k

式中：L—工作井的最小內凈長度，m；

L1—頂管機下井時的最小長度，選用復合

式泥水平衡頂管機長5.4m；

L2—下井管節長度，鋼筋混凝土管單節長度2.5m；

L3—千斤頂長度，一般可取2.3m；

L4—留在井內的管道最小長度，可取0.5m；

k—后座和頂鐵的厚度及富裕安裝量。頂進前可利用兩側支撐先將頂管機提前頂進一段距離，再安裝后座和頂鐵等，以減小工作井內凈尺寸，本次取0.3m。

工作機內凈寬度按下式進行計算：

B=2·D1+△D+2×（1.0～1.2）

式中：

B—工作井的內凈寬度，m；

△D—頂進管道水平凈距，不小于一倍管道外徑，取△D=3.6m；

D1—管道外徑，m。

工作井底板面深度應按下列公式計算：

H=Hs+ D1+ h

式中：

H—工作井底板面最小深度，m；

Hs—沉井處管頂覆土層厚度，為減小沉井高度，施工前將現狀地面降低至27.0m；

h—管底操作空間，鋼筋混凝土管可取0.5m 左右。

經計算，工作井的主要尺寸為：L=8.0m，B=13.0m，H=9.6m。

參考類似工程，沉井平面為雙格形，每格內凈長度L=6.2m，寬度B=8.0m；外總長L11=15.0m，外總寬L21=9.0m，結構高度H=11.9m，沉井頂面高出地面1.0m，最高地下水位位于地面（▽27.0m）以下0.5m。井壁厚t=1000mm，中隔墻厚t0=600mm，刃腳踏面寬度a=400mm，斜面寬度b=600mm，刃腳斜面高度h1=1000mm，刃腳根部與板底間距c=500mm，底板厚度h=800mm。

2.3.2 主要施工方法

（1）頂管機選型

由于頂進過程中需穿越⑤1層重粉質壤土、⑤2層泥質礫卵石和⑥層泥質砂巖層，頂進距離長且頂管阻力較大，基于以上特點，本次頂管采用巖石破碎復合式機械頂管機頭，切削下來的泥土在泥土倉內形成塑性體，以平衡土壓力，而在泥水倉內建立高于地下水壓力10～20kPa 的泥水、泥漿，以平衡地下水壓力。通過把進水添加粘土等成分的比重調整到一定范圍內，即使挖掘面是砂性土質，也可形成一層結實的不透水泥膜，同時平衡地下水壓力和土壓力。

（2）頂管出洞口技術措施

本工程不設接收井，頂管機頭到達終點應做好以下工作：

①在頂管接收端應結合明渠設暗涵并提前施工，預留好機頭出洞口并安置好接收導軌，主要防止進洞后的前面幾節管子產生扭曲、“磕頭”等現象。

②將頂進機徐徐推入接收段內已鋪設好的接收導軌上，直至混凝土管出控制線外150mm 為止。

③起重機從接收處吊出掘進機。

2.4 工程投資

隧洞方案中隧洞長度432m，工程可比投資2432.84 萬元，每延米投資5.02 萬元；頂管方案中頂管長度512m，工程可比投資2816.24 元，每延米投資4.95 萬元。按單位長度計算二者投資相當，工程可比投資對比見表4。

表4 工程可比投資對比表

3 結論與建議

安徽省港口灣水庫工程佟李干渠暗挖段由隧洞施工方案改為頂管施工方案基本可行，二者單位長度投資相當。參考設計結果總結如下：

（1）頂管方案延長了暗挖長度，相比隧洞方案減少了拆遷工作量，社會影響較小。

（2）考慮到該段圍巖條件差，洞挖施工風險較高，若改為頂管施工方案可減少施工風險，節約施工工期。

（3）該施工方案變更屬于重大設計變更，需報水利部重新審批，手續相對復雜。鑒于施工單位已進場，工程施工條件無明顯變化，建議推遲施工工期，做好征地拆遷工作，結合隧洞進口明渠段一并施工■