顶管法在花石冲水库输水涵管改造中的应用

张守峰

（衡阳市水利水电规划设计院衡阳市421008）

顶管法在花石冲水库输水涵管改造中的应用

张守峰

（衡阳市水利水电规划设计院衡阳市421008）

为解决花石冲水库输水涵管漏水问题，采取顶管法施工新建输水涵管改造的方案。文章重点介绍了人工顶管施工的方法、工序及注意事项等,实践证明顶管法在中小型水库输水涵管改造中的应用是可行的。

中小型水库输水涵管改造顶管设计施工

1 工程概况

花石冲水库工程位于衡阳市衡山县贺家乡花石村，坝址以上控制流域面积1.02 km2，干流长度1.25 km，干流平均坡降23.5‰，水库总库容63.23万m3，正常库容55.4万m3，死库容2万m3，有效库容53.4万m3。该工程于1958年动工，1959年10月竣工，水库枢纽由大坝、溢洪道、输水涵洞等建筑物组成，是一座以防洪、灌溉为主，兼顾养殖效益的综合性小（Ⅱ）型水利工程。

水库大坝为均质土坝，大坝坝顶高程102.30 m，坝顶宽4 m，最大坝高为20.5 m，坝顶轴线长120 m，溢洪道位于大坝左岸，为宽顶堰，堰宽5.0 m，堰顶高程99.66 m，边墙高1.5 m，长185 m，下游无消力池段，泄水渠没衬砌。输水涵洞位于大坝坝体左侧，为1.0 m×1.0 m的三合土砌石箱涵。

原箱涵砌石主要为紫红色泥岩，泥岩块石抗风化性差，加上水流冲刷，墙体有多处漏水，渗漏较严重。1997年在运行过程中，距输水涵管进口5 m处，因渗漏发生了塌孔现象，严重影响到大坝蓄水及稳定安全，已不能继续使用,必须弃管重建。

2 方案选择

根据大坝探明的地质条件，输水涵洞改造不适宜在两岸新建隧洞，因此本次比较只考虑破坝法和顶管法施工新建涵管两种方案。

方案一：破坝法方案。

即在原涵管处开挖坝体，重建钢筋混凝土箱涵，出口与原灌溉渠道连接，涵管重建后，再回填土夯实，恢复大坝断面。

方案二：顶管法方案。

即采用顶管法在大坝坝底新建一条涵管，并对原输水涵管进行封堵。涵管采用人工挖土顶管法进行施工，管材为预制钢筋混凝土管。

附表为涵管改造投资比较。

附表涵管改造投资比较表

方案一施工技术简单，但施工受雨季影响较大，新、老土层接触面难处理，且工程工期较长。方案二施工技术要求较高，但施工工期短，造价比方案一节省9.3万元。因此，输水涵管改造最终选用方案二，即采用顶管法新建输水涵洞。

3 顶管方案设计

3.1 管线布置

管线应尽可能选在土质比较坚硬且有一定粘性的地基上，以防止顶管过程中发生塌方或管基不均匀沉降。同时还要满足管段的运输、吊装、顶管基坑、出土弃土等施工场地和排水布置的需要。根据花石冲水库的实际地形条件，选定在大坝左坝肩距老涵管轴线6 m处为新建输水涵管轴线，进口设斜拉钢闸门，出口与原灌溉渠道连接。

3.2 管道设计

3.2.1 管材选择

顶管所用管道分为预制钢筋混凝土管和钢管。考虑相同条件下选择造价低的材料，因此选用预制钢筋混凝土管作为本次顶管材料。钢筋混凝土管应分节预制，为了便于运输，每节长2 m左右。根据《给水排水工程顶管技术规程》4.3.1规定，预制钢筋混凝土管强度为III级加强管，混凝土强度等级为C50，抗渗等级为S8。因管身两端承受顶力，为防止断头破裂，两端内外层应配置受顶力的钢筋。考虑管节连接之间不漏水，管口设计为双胶圈钢承接插口。3.2.2管径选择

管径选择首先应满足输水流量要求，其次考虑施工和以后维修方便。因采用人工在管道内部完成挖土和运土作业，管径选择应不小于1 m。水库灌溉最大流量只有0.25 m3/s，因此选用直径为1.0 m的预制钢筋混凝土管。

3.3 顶力计算

不同的顶管方式有不同的顶力计算理论，对于开放式人工挖土后方顶入法，顶力作为基本荷载加以考虑，一般采用松动介质平衡理论计算。

根据花石冲水库工程地质条件和松动介质平衡理论采用下式计算顶力：

式中P——总顶力（kN）；

f——管道表面与其周围土层之间的摩擦系

数,取0.6；

gt——垂直土压力（t/m2）；

gv——水平土压力（t/m2）；

D1——管道外径（m），1.2 m；

L——管道顶进总长度（m）,110 m；

W——管道总重（t）。

经计算，当发生洞壁全部塌方时，总顶力为460 t。考虑实际施工情况：①顶力作用点不在管轴上或不与轴平行；②钢筋混凝土管表面比较粗糙；③顶进过程中有石块存在；④管道偏位。这些情况均会引起顶力增大，因此，最终选用千斤顶型号按1.2倍总顶力为佳，本工程选用550 t千斤顶，工程实施过程中未发生卡管现象。

3.4 后墩设计

后墩是承受主油缸顶力反作用力的基础。后墩的结构在受力过程中不应当被破坏，也不允许出现受力不均匀压缩，否则会造成顶进偏差。

后墩受力根据经验取最大顶力的1.5倍考虑。本工程后墩采用浆砌石挡墙加钢筋混凝土面板结构，墙后填土接强风化山体。浆砌石挡墙高2.8 m，宽4.0 m，顶厚1.0 m，前面垂直，后面边坡1∶0.4；钢筋混凝土面板厚0.8 m，宽4.0 m，高1.8 m，配置Φ12@200的双向构造筋。

3.5 工作坑设计

工作坑考虑后墩布置、每节管长度、千斤顶长度、出土、顶进和测量等因素综合考虑。根据经验，工作坑长度按下式计算：

式中L——工作坑长度（m）；

L1——后墩长度（m）；

L2——每节管段长度（m）；

L3——千斤顶长度（m）；

L4——顶铁长度（m）；

L5——出土长度（m）；

L6——安全长度（m）。

工作坑宽度按下式计算：

式中B——工作坑宽度（m）；

B1——管道外径（m）；

B2——通风、排水机械安装宽度（m）；

B3——安全宽度（m）。

根据以上公式计算及实践经验，工作坑尺寸长×宽为7.3 m×4.0 m。

3.6 防渗处理设计

（1）管身与进口建筑物连接部位的防渗。

管身顶进完毕后，管进口与进口建筑物连接处嵌塞沥青麻绳防渗材料，以适应地基不均匀沉降和管身温度变形伸缩。

（2）管壁与坝体接触部位防渗。

为了加强涵管外壁与坝体的结合，防止出现沿管道外壁的接触渗漏，在管身进水端设置两道截水环，第一道布置在进口5 m处，第二道布置在进口15 m处，截水环断面尺寸为2.5 m×2.5 m，厚0.8 m。除了设截水环外，在全管段预留回填灌浆孔，在全部涵管顶进完成后对管外壁与涵洞四周坝体接触部位进行水泥回填灌浆处理。

（3）管段接头防渗。

工程设计顶管采用双胶圈钢承接插口，在顶进时在管口设置（3～4）mm的沥青浸透麻绳，然后继续顶进，把接缝挤紧。涵管全部顶进结束后，在接口处采用钢丝网环氧树脂砂浆进行缝口防渗。

3.7 其他附属工程设计

（1）顶管工作面排水。

地下水由工作面流向工作井集水坑，再用15 kW水泵抽出。

（2）管道渗漏。

对管道渗水和漏水点，先凿V形槽，埋入导水水管，用快凝水泥封闭管周，待水泥有一定强度后，用手动泵压入水泥水玻璃浆液封堵。

（3）顶管内通风。

顶管内进人之前需要通风，采用强制性通风措施，用风机通过1.5″铁管向顶管工具头压风。

（4）照明及用电。

施工用电主干线采用380 V三相五线制，接通地面。工作井、管道内、工具头、管道照明采用（12～ 24）V低压电源供电。

4 顶管施工设计（附图）

附图水库顶管施工示意图

4.1 施工准备

施工准备主要包括场地平整、测量放线、工作坑及后墩施工、设备安装调试等工作。

4.2 顶进工作

4.2.1 穿墙初始顶进

用风镐在井壁开孔（需要预备充分的水泵抽水），吊下工具头，顶出推进千斤顶，前环形顶铁对准工具头尾部，将工具头缓缓推进穿墙管内，当工具头的最前部到达沉井的外侧时，停止顶进，调整好工具头的方向、标高，开始顶进，进入初始顶进工序。

出洞口后（5～10）m段为初始顶进范围，在初始顶进的过程中，应尽量在少用纠偏油缸校正的情况下保持高低、左右的准确性。

在初始顶进过程中特别要加强测量工作。如果发现误差，尽量采用挖土来校正。同时可以采用多种方法来测量，把测得的数据综合起来加以分析，以便采取措施纠正。

在确认初始顶进过程无大的偏差后，开始正常顶进程序。

4.2.2 正常顶进

（1）测量工具头的偏位、作好记录、纠偏。

测量方法，在工作井后座位置设置测量机座，测量基座由地面引入地下，避免工作井变形引起的误差。将激光经纬仪放置在其上调平后，使激光经纬仪发射的激光沿着顶进方向水平射出，打在工具头的测量靶位上，通过望远镜读出工具头的偏差。每隔0.5 m记录一次（辅以人工测量校对）。

（2）纠偏方法。

采用小角度、顶进中逐渐纠偏的原则：

①挖土校正法：即在管子偏向一侧少挖土，而在另一侧多超挖些，强制管节在前进时向另一方面一侧偏移。适用于偏差为（10～20）mm时。顶进中发现管位偏差5 mm左右，即应进行校正。纠偏校正应缓缓进行，使管节逐渐复位，不得猛纠硬调。校正方法采用工具头自身纠偏法：通过人工挖土量来控制工具头的状态（向下、向上、向左、向右），这种方法纠偏方法良好，每次纠偏的幅度以5 mm为一个单元，再顶进1 m时，如果根据工具头的测斜低度及激光经纬仪测量偏位趋势没有减少时，增大纠偏力度（以5 mm为一个单元），如果根据工具头的测斜仪及激光经纬仪测量偏仪趋势稳定或减少时，保持该纠偏力度，继续顶进，当偏位趋势相反时，则需要将纠偏力度逐渐减少。

②木杠支撑法：如管端下陷或管节发生错口时，可采用木杠支撑强制抬升法，在顶进过程中让管节恢复正常位置。

③在工具头后面安装校正环，在校正环的上下左右各安设1个小千斤顶进行校正。

1个行程顶完后，整体式顶进构架调节顶块当顶完1个行程后（1 m），停止顶进，调节整体式顶进构架顶块，继续顶进下一个行程。

顶完1节管后，撤出作业人员和运输工具及电缆等设备，千斤顶再卸压，拆去顶铁，再吊管、就位、安装，继续顶进。

5 结语

花石冲水库除险加固工程于2014年4月完工，经过了两个汛期的蓄水检验，目前度汛运行安全，证明在水库输水涵管改造中采用顶管技术施工是切实可行的。

目前湖南省还有大批中、小型水库需要除险加固，若能总结经验，结合工程地形、地质条件，因地制宜地采用顶管技术对水库输水涵管进行改造，可以有效加快施工进度，节省工程投资。

2016-10-17）

张守峰（1979-），男，江苏沛县人，大学本科，工程师，主要从事水工建筑物研究工作，手机：13762443545。