顶管技术在均质土坝除险加固中的应用

黎桂林

(江西省水利水电建设有限公司，江西 南昌 330025)

20世纪50年代到60年代之间，出于工农业发展需要，我国大力出资修建了许多中小型水库。由于理论与技术尚且处于落后状态，大多数工程施工质量差，建设标准低，投资回报不高[1- 4]。水库水坝运用至今已逾50年，建筑物存在一定的工程隐患。水库系统运行中发现的许多问题亟待解决，其中土坝输水涵管破损，相当部分出现裂缝漏水情况最为危急，严重影响大坝与周围山体安全。目前，存在相当多的小型水库工程的输水涵管内径在0.5m以下，因管径太小根本无法维修加固施工。众多工程师与学者努力致力于将顶管技术合理应用到水利工程中来[5- 6]。因此，立足于上述基本情况，基于顶管技术经济、对周围环境和主坝体影响小[7]、可穿越障碍物的优点，如何将顶管技术高效的应用到水利工程中，已经越来越成为一个迫切解决的问题。

1 工程概况

尧渡水库位于安徽省池州市东至县西南隅，是一宗具有防洪、灌溉、养殖等综合效益的小(Ⅱ)型水库。大坝最大坝高15.0m，坝长约50.0m，建于1968年，为均质土坝。水库建有卧管式混凝土结构输水涵洞1座，管径0.6m。由于年代较久远以及受当地气候影响，在某次安全检查中，发现洞身内壁有环状裂缝、侧向裂缝数条，裂缝宽度1～2cm，水库坝体存在一定的安全隐患。因此，为了确保水库水坝的安稳运行，合理发挥其工程效益，经过当地政府决议，拟对水库除险加固工程进行更新。图1为水坝剖面图。

图1 尧渡水坝剖面图

2 方法比较

2.1 开挖法

开挖法具有施工简单、快捷、经济、安全的优点，但是其缺点也是巨大的。首先，开挖对坝体其他部分会造成不良影响；其次，开挖法浪费大量人力财力，为当地财政造成负担；最后，开挖法对周围环境影响较大。尧渡水坝工程位于安徽某山之间，地处长江中下游区域。直接开挖对周围山体影响较大，会为当地发生滑坡、泥石流等地质灾害留下隐患。

2.2 顶管技术

顶管施工是继盾构施工之后而发展起来的一种地下管道施工方法，它不需要开挖面层，并且能够穿越公路、铁道、河川、地面建筑物、地下构筑物以及各种地下管线等。顶管施工借助于主顶油缸及管道间中继间等的推力，把工具管或掘进机从工作井内穿过土层一直推到接收井内吊起。与此同时，也就把紧随工具管或掘进机后的管道埋设在两井之间，以期实现非开挖敷设地下管道的施工方法。相比开挖法，顶管技术具有以下优点：

(1)采用机械化施工，工艺简单，施工方便。

(2)可以在很深的地下铺设管道，不需破坝，对原坝体基本不产生整体扰动，施工速度快，效果好。

(3)对施工区域周围环境的影响很小，施工噪音和振动都很小。

3 顶进力计算

根据相关地质报告，沿大坝轴线土的主要成分为粉质黏土，土的容重γ为18.0kN/m3，内摩擦角φ为25.0°，黏聚力c为10.0kPa。

现有工程相关信息如下，顶管以上覆土的厚度约为13.0m，顶进长度约55.0m。管材选用外径1000mm壁厚100mm工厂化预制专用高强度承插式钢筋混凝土管。

3.1 一般公式

F=PA+Pf

(1)

式中，PA—顶进正面阻力，kN；Pf—顶管周摩阻力，kN。

顶进正面阻力计算公式：

PA=γHKaA

(2)

式中，γ—土的容重，kN/m3；H—顶管上覆土层厚度，m；Ka—主动土压力系数，无量纲；A—顶管正面横截面面积，m2。

顶管周摩阻力计算公式：

Pf=πDLf

(3)

式中，f—单位面积土与管的摩擦力，取f=8.0kPa；L—顶管顶进长度，m。

解得：

F=PA+Pf=1381.2kN

3.2 北京市经验公式

对于黏性土，有：

F=K1(22D1-10)L

(4)

对于砂性土，有：

F=K2(34D1-21)L

(5)

式中，K1—黏性土系数，取值在1.0～1.3之间；K2—砂性土系数，取值在1.0～1.5之间。

针对该项目土坝均为粉质黏土，得顶进力F为858.0kN。

3.3 《市政工程施工手册》规范

对于钢筋混凝土管，有：

F=nGL=1100.0kN

(6)

式中，n—土质系数，黏性土取1.5～2.0，砂性土取3.0～4.0；G—单位长度顶管自重，取10kN/m。

各方法所得顶力计算结果见表1。

表1 各方法所得顶力计算结果表 单位:kN

综上，出于安全以及工作效益考虑，取顶进力F=1381.2kN。

4 施工要点

4.1 建材选择

根据施工和今后运行检修要求，管材选用外径1000mm壁厚100mm工厂化预制专用高强度承插式钢筋混凝土管。

4.2 施工准备

(1)由于大坝位置偏远，相关机器设备的运输前需要对大坝附近路段进行一定程度的平整与改造。

(2)处理好原有闸门漏水，并利用老涵洞做顶管施工期导流。

(3)测出涵洞中心位置，以利于新涵洞轴线定位。

(4)在大坝背水坡护坝平台上设置好顶管工作坑。工作平面尺寸为5m×3m，坑底用混凝土浇筑，并安装顶管路轨，坑的左、右、前三面均用方木支护，以防坍塌。(5)根据设计计算结果，顶管动力采用2000kN液压顶管机，要求后座墙要牢固，以便承受顶管的反力[8]。

4.3 施工要点与质量控制

(1)控制好挖土与顶进速度。管内向前挖土掘进过程中，每前进2～3m，弃土经定制的小拖车向后送至工作坑并吊出坑外。挖土与顶管要严格按照“少挖勤顶”的原则，每次掘进与顶管进度至少为30cm左右。

(2)注意及时纠正偏斜。在顶管过程中多测量及时纠正偏斜，当地质条件较好时，每2m左右测量一次；遇到土质不均情况时，每顶进50～100cm测量一次；当出现偏差时，每顶进30cm左右测量一次。当偏差在1～3cm时应及时纠正。纠偏应在顶管行进过程中，严禁在停止状态下进行。较大偏差需分次逐步进行修正。

(3)消除误差后再顶进过程中应注意不要碰到测量仪器，同时应注意后座的工作情况，不能有裂缝、位移、变形等。

5 结语

目前，由于设备制作工艺以及技术理论发展限制，顶管技术尚未在我国市政工程以及水利工程中得到大规模的应用。从本文设计结果以及安全角度看，顶管技术应用在水利工程均质土坝的除险加固中是十分合理、安全且经济的。利用顶管技术对均质土坝的老涵洞进行更新，这样不仅对周遭环境的影响很小，不会引发周围山体滑坡；同时对坝体本身的影响也是微弱的，以免破坏主坝体的完整性与安全性；最后，利用顶管技术避免了大面积的开挖，从而达到经济高效的目的。因此，将顶管技术应用在水利工程中大有可为。

[1] 余彬泉, 陈传灿. 顶管施工技术, 北京: 人民交通出版社, 2003.

[2] JC/T 640- 1996. 顶进施工法用钢筋混凝土排水管标准[S].

[3] 高鹏举. 顶管技术在市政地下管道施工中的应用技术[J]. 科技资讯, 2010(30): 110.

[4] 李敏. 顶管技术在排水管道施工中的应用[J]. 科技资讯, 2010(19): 130.

[5] 汪海洋. 湛江供水枢纽管道穿越南三河段设计与施工[J]. 水利规划与设计, 2015(09): 124- 127.

[6] 李德文. 长距离PCCP顶管的设计和应用[J]. 水利规划与设计, 2017(06): 99- 103.

[7] 夏永发. 输水管道顶管施工在不同因素下的地表沉降分析[J]. 水利技术监督, 2017, 25(04): 108- 110.

[8] 韩艳丽. 南水北调配套工程顶管内力及配筋计算[J]. 水利技术监督, 2017, 25(04): 128- 131.