頂管技術(shù)在東圳灌區(qū)排水涵管施工中的應(yīng)用

陳 鋒

(福建省莆田市東圳水庫(kù)管理局，福建莆田 351137)

頂管技術(shù)在東圳灌區(qū)排水涵管施工中的應(yīng)用

陳 鋒

(福建省莆田市東圳水庫(kù)管理局，福建莆田 351137)

頂管施工技術(shù)具有不開(kāi)挖地面，縮短管道鋪設(shè)工期等優(yōu)點(diǎn)，該技術(shù)在道路、市政工程中應(yīng)用較普遍，但在水利工程較少采用。通過(guò)福建省莆田市東圳灌區(qū)干渠水利工程頂管施工技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用，分析和總結(jié)了頂管施工工序、施工技術(shù)要點(diǎn)等施工技術(shù)及若干事故問(wèn)題的處理方法。

渠道;頂管技術(shù);施工工序;總推力;東圳灌區(qū)

0 引言

福建省莆田市東圳灌區(qū)渠系工程于1959年動(dòng)工興建，1960年4月建成通水，1979年進(jìn)行渠系改造擴(kuò)建，灌區(qū)總耕地面積3.17萬(wàn)hm2，設(shè)計(jì)灌溉面積20萬(wàn)hm2，有效灌溉面積1.5萬(wàn)hm2，灌區(qū)受益范圍包括：秀嶼區(qū)、荔城區(qū)、城廂區(qū)的17個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，250多個(gè)行政村，受益人口158萬(wàn)人。渠系工程包括一條長(zhǎng)89 km的干渠和24條總長(zhǎng)242 km的支渠，其中大部分骨干渠道工程盤(pán)山而建，穿越溝壑采用開(kāi)挖的砂質(zhì)黏土人工夯填而成，造成內(nèi)山坡部分土地、建筑物、居民區(qū)和單位地面高程低于渠堤而成低洼地，其區(qū)間徑流采用穿渠排水涵洞排洪，因近些年災(zāi)害性天氣引起的超設(shè)計(jì)洪水頻繁發(fā)生，為解決渠道內(nèi)山坡居民區(qū)和有關(guān)單位經(jīng)常受淹問(wèn)題，需要對(duì)排水涵洞增擴(kuò)建，在這些工程建設(shè)中，相關(guān)建設(shè)單位采用了道路、市政工程建設(shè)的頂管施工新技術(shù)，值得我們學(xué)習(xí)、借鑒和探討。

1 工程實(shí)例

1.1 延壽山莊排水頂管涵管

該涵管位于東圳灌區(qū)干渠4K+300處，因渠道內(nèi)坡莆田市延壽山莊酒店開(kāi)發(fā)，需改變?cè)狡聫搅髯呦蚨鼋ā：芟麓┑那浪σ貫椋篞設(shè)=30 m3/s，i=1.5/10 000，內(nèi)邊坡m=1.5，外邊坡m=2.0，渠底寬b=5.8 m，渠頂寬B=5.0 m，h設(shè)=3.4 m，△h超=0.75 m，H總=4.15 m。工程地質(zhì)為坡殘積砂質(zhì)黏土，外堤為利用渠道開(kāi)挖的砂質(zhì)黏土人工夯填而成。涵管管材為玻璃鋼管成品，涵管內(nèi)徑1.6 m，外徑1.7 m，每節(jié)長(zhǎng)3.0 m，總長(zhǎng)度33.0 m，涵管管頂距渠底2.5 m，工作坑形狀為圓形，采用沉井法施工，后座墻采用現(xiàn)場(chǎng)澆筑整體式混凝土墻，施工頂進(jìn)方向從接收井向集水井進(jìn)行。施工中碰到的問(wèn)題：施工中遇到“孤石”障礙無(wú)法穿過(guò)使涵管被迫改線。

1.2 廣化寺排水頂管涵管

該涵管位于東圳灌區(qū)干渠10K+550處，因保護(hù)渠道內(nèi)坡廣化寺宋代釋迦文佛塔而擴(kuò)建。涵管下穿的渠道水力要素為：Q設(shè)=30 m3/s，i=1.5/10 000，內(nèi)邊坡 m=1.5，外邊坡 m=2.0，渠底寬b=5.8 m，渠頂寬B=5.0 m ，h設(shè)=3.4 m，△h超=0.75 m，H總=4.15 m。管線地質(zhì)為利用渠道開(kāi)挖的砂質(zhì)黏土人工夯填而成，涵管管材為混凝土管成品，涵管內(nèi)徑1.0 m，外徑1.2 m，每節(jié)長(zhǎng)2.0 m，總長(zhǎng)度40.0 m，涵管管頂距渠底2.5 m，工作坑形狀為圓形，采用沉井法施工，后座墻采用整體式現(xiàn)場(chǎng)澆筑的混凝土，施工頂進(jìn)方向從集水井向接收井進(jìn)行。施工中碰到的問(wèn)題：①施工因中途過(guò)春節(jié)停頓，渠道水下滲引起渠底坍塌;②進(jìn)洞洞口沒(méi)有對(duì)土體進(jìn)行封門(mén)加固，使涵管進(jìn)洞時(shí)管頂帶出土方，造成渠堤有一深8 m左右的不規(guī)則坍洞，較難修復(fù)，影響了涵管施工進(jìn)度，給渠道留下安全隱患。

2 采用主要施工技術(shù)

頂管施工是一種不開(kāi)挖溝槽而敷設(shè)管道的工藝，它運(yùn)用液壓傳動(dòng)產(chǎn)生強(qiáng)大的推力使管道克服土壤摩阻力頂進(jìn)的施工技術(shù)，以上兩頂管施工均采用手掘式頂管作業(yè)，主要難點(diǎn)是臨近渠道水體，渠道水下滲引起的開(kāi)挖面涌水或塌方破壞問(wèn)題。

2.1 施工工序

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查→工程降水→測(cè)量放線→工作坑定位與開(kāi)挖→工作坑基礎(chǔ)、導(dǎo)軌及附屬設(shè)施施工→后背設(shè)計(jì)與施工→頂進(jìn)設(shè)備與設(shè)施準(zhǔn)備→渠道必要的加固或停水→下管→挖土→頂進(jìn)→測(cè)量校對(duì)→接口→附屬工程施工→壓漿。

2.2 施工準(zhǔn)備

頂管施工屬于地下工程，影響施工的因素很多，施工前應(yīng)探明地質(zhì)，組織施工人員認(rèn)真學(xué)習(xí)施工技術(shù)文件，了解施工范圍、管道沿線的地形、地質(zhì)水文地質(zhì)條件，完成作業(yè)范圍內(nèi)地下管線等調(diào)查并保護(hù)，編寫(xiě)好頂管施工技術(shù)組織設(shè)計(jì)，制定好可靠的進(jìn)洞措施。

頂進(jìn)施工前應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)資料，結(jié)合地形、地質(zhì)情況，對(duì)涵管位置、方向、長(zhǎng)度、出入口高程等進(jìn)行校對(duì)，施工期應(yīng)避開(kāi)渠道供水高峰期和雨期。

頂進(jìn)設(shè)備應(yīng)做預(yù)頂試驗(yàn)。

長(zhǎng)久以來(lái)，廣大的教育工作者一直在探索研究課堂教學(xué)模式，經(jīng)過(guò)一代代教育者不懈的努力，取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，傳統(tǒng)的教學(xué)模式逐漸發(fā)展為智慧課堂模式。

制定好防止開(kāi)挖面涌水或塌方的防范和應(yīng)急措施。

工作坑要保證施工期間連續(xù)排水要求，頂進(jìn)作業(yè)應(yīng)采取降水措施，地下水位應(yīng)降至基底以下0.5～1.0 m，經(jīng)常保持頂管掘進(jìn)機(jī)底部無(wú)積水現(xiàn)象，如遇積水，應(yīng)及時(shí)排除，以防止土體基底軟化，雨期施工還應(yīng)做好地面排水。

對(duì)涵管軸線左右各5 m范圍內(nèi)的渠道邊坡和渠底采用100 mm厚的C20鋼筋混凝土襯砌加固，鋼筋直徑8 mm，采用200 mm×200 mm網(wǎng)格布設(shè)，同時(shí)布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，必要時(shí)監(jiān)測(cè)頂進(jìn)施工期間的渠底沉降量。

管道接口形式選擇鋼承口管(F型)接口形式，鋼套環(huán)與混凝土管(玻璃鋼管)處采用水膨脹橡膠止水圈止水，以防止結(jié)合面產(chǎn)生滲漏。施工前應(yīng)檢查管道接口處護(hù)口鐵和承插口，鋼套環(huán)接口無(wú)疵點(diǎn)，焊接接縫平整，并經(jīng)防腐處理，承插口處不得有缺棱掉角，對(duì)外觀質(zhì)量及回彈強(qiáng)度不合格的管材應(yīng)予立即退場(chǎng)。

2.3 總推力復(fù)核

總推力的大小確定，是以工作井能承受的最大推力、管材所能承受的最大推力和全程頂進(jìn)所必須具有的推力這三者中的最小值為依據(jù)的，頂進(jìn)施工前應(yīng)進(jìn)行復(fù)核。

根據(jù)地質(zhì)勘探的結(jié)果確定管線穿越的土層的最大頂力計(jì)算公式為：

式中：P為計(jì)算總頂力，kN;r為管道所處土層的重力密度，kN/m3;D為管道的外徑，m;H為管道頂部以上覆蓋土層的厚度，m;φ為管道所處土層的內(nèi)摩擦角，°;ε為管道單位長(zhǎng)度的自重，kN/m;L為管道的計(jì)算頂進(jìn)長(zhǎng)度，m;f為管壁與土間的摩擦系數(shù)。

核算后背1 m寬度上土壤的總被動(dòng)土壓力，使土壁單寬上受力不大于土壤的總被動(dòng)土壓力，1 m寬度土壤的總被動(dòng)土壓力計(jì)算公式為：

式中：r為土壤的重度，kN/m3;h為天然土壁后背的高度，m;φ為土壤的內(nèi)摩擦角，°;C為土壤的黏聚力，kN/m2。

管材所能承受的最大頂進(jìn)力(許用頂力)計(jì)算公式為：

式中：［Fr］為許用頂力，kN;σc為管體抗壓強(qiáng)度，kN/m2;A為加壓面積，m2;S為安全系數(shù)，取S=2.5～3.0。

2.4 施工技術(shù)要點(diǎn)

管涵頂進(jìn)采用前高后低，坡度控制在3%左右，地下水位以下頂進(jìn)時(shí)，工作坑要設(shè)在涵管下游，逆管道坡度方向頂進(jìn)，有利于施工期間管道排水需要。

頂管采用在管前先挖土，后頂進(jìn)的手工掘進(jìn)頂管法作業(yè)，開(kāi)挖從上往下開(kāi)挖，開(kāi)挖面的坡度控制在1∶0.75，軸線超挖量≤0.3 m，渠底下適當(dāng)減短，管節(jié)上部超挖量≤15 mm，管節(jié)下部135°范圍內(nèi)不應(yīng)超挖，嚴(yán)禁擾動(dòng)基底土壤，在頂進(jìn)過(guò)程中應(yīng)采取隨挖隨頂?shù)脑瓌t和“勤測(cè)量、多微調(diào)、緊封閉”的操作方法。

為控制頂進(jìn)方向，應(yīng)在涵管外50～100 m處設(shè)置導(dǎo)向墩，控制點(diǎn)應(yīng)設(shè)在不易擾動(dòng)、視線清楚、方便校核、易于保護(hù)處。管節(jié)頂進(jìn)中，每一頂程都要對(duì)中線和高程進(jìn)行觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)偏差及時(shí)糾正，左右偏差可采用挖土校正法和千斤頂校正法調(diào)整，上下偏差可采用調(diào)整刃腳挖土量或鋪筑石料等方法調(diào)整。

頂進(jìn)施工前應(yīng)先在頂管尾部安裝承口鋼環(huán)，防止管端面的破壞。

液壓設(shè)備啟動(dòng)時(shí)應(yīng)空轉(zhuǎn)一段時(shí)間，檢查系統(tǒng)無(wú)異常后試頂，頂進(jìn)開(kāi)始時(shí)，應(yīng)緩慢進(jìn)行，待各接觸部位密合后，再按正常頂進(jìn)速度頂進(jìn)，液壓千斤頂頂緊后(頂力約為0.1倍結(jié)構(gòu)自重)，應(yīng)檢查頂進(jìn)設(shè)備、后背設(shè)施和工作坑周?chē)馏w穩(wěn)定情況，無(wú)異常后分級(jí)加壓(5～10 MPa為一級(jí))試頂，并嚴(yán)密監(jiān)測(cè)，當(dāng)頂力達(dá)到0.8倍結(jié)構(gòu)自重時(shí)涵管未啟動(dòng)，應(yīng)停止頂進(jìn)，待找出原因采取措施后才可以重新加壓頂進(jìn)，頂進(jìn)中若發(fā)現(xiàn)油壓突然增高，應(yīng)立即停止頂進(jìn)，檢查原因并經(jīng)處理后方可繼續(xù)頂進(jìn)，頂進(jìn)作業(yè)面上還應(yīng)設(shè)專(zhuān)人監(jiān)護(hù)。

頂進(jìn)作業(yè)應(yīng)晝夜三班不間斷連續(xù)進(jìn)行，不得長(zhǎng)期停頓，防止造成阻力增大，增加頂進(jìn)難度，或因中途停置地下水滲出，造成坍塌破壞。涵管頂進(jìn)作業(yè)停頓時(shí)應(yīng)使刃角有足夠的吃土量，當(dāng)停頓時(shí)間較長(zhǎng)，為防止開(kāi)挖面的松動(dòng)或坍塌，應(yīng)對(duì)挖掘面及時(shí)采取正面支撐或全部封閉措施。

在管道頂進(jìn)施工中，應(yīng)不間斷的測(cè)量并詳細(xì)記錄以下工藝參數(shù)：①頂進(jìn)力;②管道在垂直高程和側(cè)向位置的偏離情況;③管道頂進(jìn)長(zhǎng)度等。記錄數(shù)據(jù)中必須包括如下信息：施工時(shí)間、施工現(xiàn)場(chǎng)的詳細(xì)位置、地層和地下水條件等，異常應(yīng)停止頂進(jìn)，分析原因并處理后方可繼續(xù)頂進(jìn)。頂進(jìn)中的施工記錄是提高頂進(jìn)質(zhì)量的保證，每班組按規(guī)范要求真實(shí)、清晰、完整地填寫(xiě)好頂管記錄表格和施工中的情況，交接班時(shí)，必須認(rèn)真交接清楚記錄，交清管道軌跡和糾偏趨向，并說(shuō)明在頂進(jìn)操作中所出現(xiàn)的問(wèn)題及處理情況。

管道頂進(jìn)完成后，應(yīng)對(duì)涵管與土體間縫隙采用水泥漿進(jìn)行壓漿充填施工，防止沿涵管外壁集中滲流破壞，消除因頂管施工造成的地面沉降，壓漿通過(guò)每節(jié)管道預(yù)留的壓漿孔進(jìn)行，注漿材料以低標(biāo)號(hào)水泥為主，為節(jié)約材料可適當(dāng)添加粉煤灰，具體注漿材料的配比按水泥∶粉煤灰=1∶1(重量比)，加水量以目測(cè)稠度適當(dāng)(約水∶灰=1∶1)，滿(mǎn)足注漿泵注漿要求即可。水泥漿充填可以有效地補(bǔ)償頂管管體外側(cè)空隙部分，從而達(dá)到管體外側(cè)土體密實(shí)。待壓漿體凝結(jié)后(一般＞24 h)方可拆除注漿管路，并換上悶蓋將注漿孔封堵。

為了順利完成頂管接收工作，進(jìn)洞口土體應(yīng)采用門(mén)式加固法進(jìn)行加固封門(mén)，即對(duì)所頂管道破堤處兩側(cè)和頂部一定寬度和長(zhǎng)度范圍內(nèi)的土體進(jìn)行加固，以提高這部分土的強(qiáng)度，從而使涵管在進(jìn)洞中不發(fā)生坍洞或涵管管頂不帶出土方現(xiàn)象。洞口加固采用低標(biāo)號(hào)混凝土砌堵磚封門(mén)，也可用低標(biāo)號(hào)的混凝土取代磚頭，涵管到達(dá)時(shí)把封門(mén)拆除。

涵管頂進(jìn)完成后應(yīng)有專(zhuān)人進(jìn)行全線巡查，頂進(jìn)管道應(yīng)滿(mǎn)足管節(jié)不錯(cuò)口，管節(jié)接口內(nèi)側(cè)表面齊平，接口應(yīng)填料飽滿(mǎn)、密實(shí)，管道接頭密封良好不滲水，遇有施工時(shí)造成的管材損壞應(yīng)立即進(jìn)行修補(bǔ)，管節(jié)接口的內(nèi)側(cè)間隙應(yīng)用水泥砂漿密封，填塞物應(yīng)抹平，不得突入管內(nèi)。

對(duì)涵管進(jìn)洞時(shí)管頂帶出土方，造成渠堤有一深8 m左右的不規(guī)則坍洞問(wèn)題，采用C20埋石混凝土擋土墻封閉后用砂土壓實(shí)回填，并用水泥漿進(jìn)行造孔補(bǔ)強(qiáng)灌漿。

每節(jié)管道頂進(jìn)結(jié)束，必須進(jìn)行復(fù)測(cè)，繪制管道頂進(jìn)軌跡圖(含管道高程、方向、頂進(jìn)力曲線等)，填充完畢后，做好施工記錄，并保存有關(guān)資料。

3 結(jié)語(yǔ)

頂管施工技術(shù)具有不開(kāi)挖地面，縮短管道鋪設(shè)工期，不破壞地面建筑物，不需要修建圍堰或斷水進(jìn)行施工，不破壞環(huán)境，施工受氣候和環(huán)境的影響較小，不影響管道的段差變形，降低工程造價(jià)顯著等優(yōu)點(diǎn)。頂管施工要有較詳盡完整的地質(zhì)勘探資料，防止遇“孤石”等障礙使工程失敗;在下穿渠道工程時(shí)，涵管與土體間縫隙應(yīng)加強(qiáng)水泥漿壓漿充填施工，防止沿涵管外壁集中滲流對(duì)渠道工程的破壞;加強(qiáng)渠道水下滲水土流失觀測(cè)控制，防止渠道水下滲使開(kāi)挖面涌水對(duì)渠道造成破壞，影響管道施工;進(jìn)洞洞口土體進(jìn)行加固封門(mén)，防止產(chǎn)生坍洞破壞。

［1］中國(guó)非開(kāi)挖技術(shù)協(xié)會(huì).頂管施工技術(shù)及驗(yàn)收規(guī)范(試行)［S］.北京：人民交通出版社，2007.

TU992

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1007-7596(2012)07-0033-03

2012-06-01

陳鋒(1967-)，男，福建莆田人，工程師，從事水利工程建設(shè)與管理工作。