某水庫輸水涵管工程頂管設計與施工要點分析

彭智聰

（江門市新會區(qū)水利水電勘測設計有限公司，廣東 江門 529000）

五指尖水庫是一座集雨面積為1.01km2，總庫容為103.48萬m3，以灌溉為主，結(jié)合防洪的小型水庫。該水庫工程等別為Ⅳ等，永久性主要建筑物為4級，永久性次要建筑物為4級，臨時建筑物為5級；設計洪水標準為30年一遇，校核洪水標準為500年一遇，溢洪道消能防沖為20年一遇洪水設計，施工洪水采用5年一遇標準設計。但在近期的水庫安全鑒定中，該水庫評為三類壩，需要進行除險加固，并針對輸水涵管內(nèi)壁腐蝕，涵管老化，滲漏嚴重的問題提出重建要求[1]。

1 五指尖水庫涵管工程概況及存在的問題

1.1 工程概況

工程項目名稱：新會區(qū)雙水鎮(zhèn)五指尖水庫除險加固工程。

工程地址：廣東省江門市新會區(qū)雙水鎮(zhèn)。

工程規(guī)模：重建輸水涵管90m，輸水管材料為φ800無縫鋼管，壁厚14mm，采用頂管方式進行施工。

概算投資：436.93萬元。

建設工期：6個月。

1.2 水文地質(zhì)概況

據(jù)勘察，庫區(qū)地下水主要來自基巖裂隙水，而基巖裂隙水又主要儲藏在基巖風化的裂隙之中。從總體上來講，該庫區(qū)地下水是受地表水和降水給予補給。其具體路徑有兩條：一是區(qū)域內(nèi)補給的地下水路徑是沿著溝谷排入陰峪河的 ；二是由壩體回填土中的潛水給予補給[2]。據(jù)勘察，工程所在地屬相對穩(wěn)定地塊，該地區(qū)抗震設防烈度為7度，壩址區(qū)域的庫岸和壩基的土質(zhì)穩(wěn)定性比較好，沒有發(fā)現(xiàn)軟弱夾層、破碎帶和構(gòu)造帶斷裂的情況，整個大壩均為回填土構(gòu)筑而成，土質(zhì)以砂質(zhì)粘性土為主，而且在構(gòu)筑過程中的壓實度還是比較好的。從對土質(zhì)檢測的情況來看，土質(zhì)的滲透性等級為中等，滲透性系數(shù)是（2.90～7.60）×10-4cm/s。從水庫蓄水后的情況來看，整個壩體沒有發(fā)現(xiàn)有規(guī)模滲水的情況，沒有發(fā)現(xiàn)潛在滲水的風險情況可能。壩址區(qū)中間溝谷內(nèi)的殘積土層及兩岸山體的風化巖體厚度大，殘積土層主要由細粒土質(zhì)砂組成，多呈中密～密實狀，為弱透水體，壩基下基巖為弱透水巖體[3]。

1.3 輸水涵管的現(xiàn)狀與問題

從對水庫安全鑒定的情況來看，五指尖水庫輸水涵管存在三個方面的問題：一是涵管進口混凝土老化嚴重；二是輸水涵管內(nèi)壁存在一定程度的腐蝕；三是輸水涵管出口段存在向反濾體滲漏的現(xiàn)象[4]。

2 頂管法施工原理概述

這些年，頂管法技術在地下工程施工中，如市政、水利、鐵路、公路等工程施工中得到了廣泛的運用。所謂頂管法就是指在非土方開往施工中，從施工區(qū)域的一端（工作坑）借助頂油缸和中繼間的推動力，將頂管（如鋼管、混凝土預制管、塑料管等）推向另一端（接受坑），然后，從接受坑將土層起吊外運，并將頂管即管道埋設在兩坑之間，這樣一種施工的過程就是頂管法施工[5]，具體頂管施工程序詳見圖1。頂管法施工的主要優(yōu)點有：一是機械化作業(yè)程度高，但施工方便且工藝簡單；二是涵管埋設深度較大，不用破土，不會損壞地面建筑物；三是施工噪聲小，對周邊環(huán)境影響?。凰氖怯欣诠こ淘靸r和施工成本的降低。頂管法施工避免了開挖施工的眾多麻煩和經(jīng)濟方面的支出，比如地面建筑物的拆遷、土方外運和土方回填等；五是有利于施工進度的推進。頂管法施工相對于土方開挖施工而言，人為因素、經(jīng)濟因素等減少了許多，為施工進度的提速提供了便利條件[6]。

圖1 輸水涵管頂管施工作業(yè)圖

3 五指尖水庫輸水涵管工程頂管設計

根據(jù)五指尖水庫除險加固地質(zhì)勘察報告和水文地質(zhì)的具體情況，本文對其輸水涵管的頂管工程設計如下。

3.1 輸水涵管頂管結(jié)構(gòu)設計

3.1.1 五指尖水庫輸水涵管頂管頂力估算

頂力估算公式見公式（1）：

說明：式中，D1為涵管外徑；L為頂進長度；Fk管外壁與土的平均摩阻力；Nf為頂管機正迎面阻力。

3.1.2 頂管最大允許頂力計算

本文采用的是鋼管頂管，按公式（2）進行計算。

說明：式中M1為材料受壓強度折減系數(shù)可取0.90；M2為偏心受壓強度提高系數(shù)取1.05；M3為材料脆性系數(shù)，可取0.85；Ms為強度標準調(diào)整系數(shù)，可取0.75；Yqb為頂力分項系數(shù)，可取1.3；Fc為受壓強度設計值；Ap為管道的最小有效傳力面積。

3.1.3 計算頂管結(jié)構(gòu)

頂管的材質(zhì)為鋼管，內(nèi)徑為0.8m，管道強度的計算方法是，按照管道的承載能力極限狀態(tài)來進行計算，按照管道的正常使用狀態(tài)來進行驗算。

3.2 輸水管涵管中繼間設計

3.2.1 工作原理簡述

輸水管頂管的頂進距離會受到多種因素的牽制和制約：一是頂管頂進的迎面阻力加頂管管壁周圍的摩擦阻力；二是頂管千斤頂在工作過程中的極限頂力；三是工作井背靠土體的最大被動土壓力；四是頂管管道的最大壓力。如果頂管頂進的阻力大于除第一項之外的任何一項時，則應采取中繼間頂管技術來降低管道的頂力，進行有效頂進。所謂中繼間技術，就是將輸水管分成若干個小段進行頂進，以減小頂管的頂進頂力。具體講就是將頂管分割成前后若干個部分，安裝中繼間油缸，然后按照安裝的順序進行啟動，將前面的管段向前方推進，將后面的管段作為后座向前推進。

3.2.2 中繼間安裝數(shù)量與安裝位置的設計

中繼間頂管的安裝位置和安裝數(shù)量，要依據(jù)頂管與周圍土層的摩阻力來進行計算確定。從本工程的實際情況來看，每排管道可以增設1個中繼間，具體的安裝位置可以放于距頂管節(jié)起點56m的地方，就能滿足所有頂管頂進的需求。

3.2.3 頂管中繼間施工方案的設計

在頂管中繼間的頂進施工中，其頂進方案是：

其一，首先頂前區(qū)段的管道，然后再頂后區(qū)段的管道，但需要注意的是，在頂后區(qū)段管道的時候，需要換上主千斤頂。

其二，按中繼間頂進的工作順序進行施工。在中繼間管道頂完之后，要立即卸下油壓，然后再轉(zhuǎn)向?qū)ぷ骺拥墓艿理斶M。在所有程序走完后，就可以進行第一輪的循環(huán)頂進施工。

其三，要嚴格掌握中繼間每次頂進的長度，每次頂進的長度只能限制在20cm～30cm之間。

4 五指尖水庫輸水涵管工程頂管施工要點

4.1 編制五指尖水庫輸水涵管頂管專項施工方案

輸水涵管頂管施工方案的主要內(nèi)容應包括：頂管施工工藝的應用；頂管施工工序；頂管施工機具的設置安排；施工質(zhì)量和施工進度的控制；施工安全的管理；勞動力的組織；施工現(xiàn)場和文明施工管理等。輸水涵管頂管專項施工方案一經(jīng)工程監(jiān)理機構(gòu)審批，就必須按此方案執(zhí)行，不得隨意更改。

4.2 嚴格按照施工規(guī)范和施工程序施工

輸水涵管頂管施工的基本程序是：第一，充分做好施工前的準備工作。主要有熟悉圖紙，制定方案，配置機具，勘察現(xiàn)場；第二，測量高程，復核軸線；第三，開挖頂管工作坑；第四，設置頂管頂進后背；第五，鋪設頂管導軌；第六，安裝頂管設備，吊放管節(jié)；第七，挖土頂進；第八，在頂進過程中進行測量糾偏；第九，清理管中土，繼續(xù)頂進；第十，測量循環(huán)作業(yè)直至完成頂進；第十一，填充灌漿；第十二，管口封堵。

4.3 施工測量控制

施工測量是輸水管道頂進施工的關鍵工序，必須要嚴格加以控制。本工程可從三個方面進行：第一，嚴格控制地面控制網(wǎng)精度。按國家有關規(guī)定本工程地面控制網(wǎng)的精度級別為三、四級。第二，嚴格按施工測量的原則進行施工。這就是“兩勤一薇”的原則，即勤測量、勤糾偏、薇糾偏，就是說在頂管施工過程中要定時定距離進行復測，發(fā)現(xiàn)有偏差要及時糾正，而且這個偏差的幅度還不能太大。第三，在輸水管道頂管施工開始之前，要對測量基準控制點進行復核，在頂管施工過程中要對管道的高程、水平軸線以及主千斤頂?shù)陌惭b姿態(tài)進行不間斷的測量，發(fā)現(xiàn)有偏差情況要及時進行整改。第四，必須按國家質(zhì)量控制標準進行嚴格控制。主要是：頂管中線貫通允許誤差為±100mm；頂管高程貫通允許高差為＜50mm；地下坐標傳遞允許誤差為±3mm，而且要復核三次。

4.4 頂進設備安裝

本工程主頂鎬選用200t，行程為1.1m的單級雙作用活塞式千斤頂，每個工作坑設置4臺，滿足頂進要求。頂鎬須與油泵并聯(lián)連接，保證頂鎬產(chǎn)生的頂力相同。油泵控制箱設置在頂鎬附近，方便操作。油泵與頂鎬應配套，油管順直，減少彎角。頂鎬須固定在特制的頂鎬架上，位置與頂管中心線對稱。

4.5 涵管頂管接頭的控制

輸水涵管頂管接頭的焊接質(zhì)量關系到管道是否會發(fā)生滲漏的重大問題，必須嚴加控制。由于管道在直線頂進時和方向改變頂進時所傳遞的用力方向是不一樣的，前者是縱向力傳遞，后者是橫向力傳遞，因此，對管道接頭的焊接質(zhì)量必須控制好。具體來講：一是管道接頭采用坡口焊，角度控制在55°～65°之間；二是縱向焊縫為一類，橫向焊縫為二類；三是焊縫外觀要符合驗收規(guī)范要求，即無咬邊、夾渣、裂紋等現(xiàn)象。

4.6 回填灌漿

在輸水管道頂進施工全部完成后，就可進入回填灌漿的施工工序?；靥罟酀{就是用水泥加粘土攪拌成漿液，對管壁與土體之間的空隙進行灌漿，并對頂管端頭的接頭處用漿液進行封堵。漿液的配比是1：3：15，即水泥1，粘土3，水15。但要注意的是，灌漿使用的工具必須是高壓灌漿泵，灌漿壓力要在0.2NPa～0.4NPa之間，灌漿的次數(shù)不得少于三次，而且每次灌漿的間隔時間為12小時。

5 結(jié)語

綜上所述，本文在對五指尖水庫涵管工程概況及存在的問題進行陳述、對頂管法施工原理進行探討的基礎上，從輸水涵管頂管結(jié)構(gòu)設計、輸水管涵管中繼間設計兩個方面，對五指尖水庫輸水涵管工程頂管進行了設計，最后從編制五指尖水庫輸水涵管頂管專項施工方案，嚴格按照施工規(guī)范和施工程序施工，從施工測量控制頂進設備安裝、涵管頂管接頭的控制、回填灌漿等方面，對五指尖水庫輸水涵管工程頂管施工要點進行了探討和研究。本文研究的對象雖是指五指尖水庫輸水涵管頂管工程，但其研究的內(nèi)容對類似輸水涵管的頂管施工卻具有一定的普遍指導意義。