顶管技术在东圳灌区排水涵管施工中的应用

陈 锋

(福建省莆田市东圳水库管理局，福建莆田 351137)

顶管技术在东圳灌区排水涵管施工中的应用

陈 锋

(福建省莆田市东圳水库管理局，福建莆田 351137)

顶管施工技术具有不开挖地面，缩短管道铺设工期等优点，该技术在道路、市政工程中应用较普遍，但在水利工程较少采用。通过福建省莆田市东圳灌区干渠水利工程顶管施工技术的实践应用，分析和总结了顶管施工工序、施工技术要点等施工技术及若干事故问题的处理方法。

渠道;顶管技术;施工工序;总推力;东圳灌区

0 引言

福建省莆田市东圳灌区渠系工程于1959年动工兴建，1960年4月建成通水，1979年进行渠系改造扩建，灌区总耕地面积3.17万hm2，设计灌溉面积20万hm2，有效灌溉面积1.5万hm2，灌区受益范围包括：秀屿区、荔城区、城厢区的17个乡镇，250多个行政村，受益人口158万人。渠系工程包括一条长89 km的干渠和24条总长242 km的支渠，其中大部分骨干渠道工程盘山而建，穿越沟壑采用开挖的砂质黏土人工夯填而成，造成内山坡部分土地、建筑物、居民区和单位地面高程低于渠堤而成低洼地，其区间径流采用穿渠排水涵洞排洪，因近些年灾害性天气引起的超设计洪水频繁发生，为解决渠道内山坡居民区和有关单位经常受淹问题，需要对排水涵洞增扩建，在这些工程建设中，相关建设单位采用了道路、市政工程建设的顶管施工新技术，值得我们学习、借鉴和探讨。

1 工程实例

1.1 延寿山庄排水顶管涵管

该涵管位于东圳灌区干渠4K+300处，因渠道内坡莆田市延寿山庄酒店开发，需改变原山坡径流走向而增建。涵管下穿的渠道水力要素为：Q设=30 m3/s，i=1.5/10 000，内边坡m=1.5，外边坡m=2.0，渠底宽b=5.8 m，渠顶宽B=5.0 m，h设=3.4 m，△h超=0.75 m，H总=4.15 m。工程地质为坡残积砂质黏土，外堤为利用渠道开挖的砂质黏土人工夯填而成。涵管管材为玻璃钢管成品，涵管内径1.6 m，外径1.7 m，每节长3.0 m，总长度33.0 m，涵管管顶距渠底2.5 m，工作坑形状为圆形，采用沉井法施工，后座墙采用现场浇筑整体式混凝土墙，施工顶进方向从接收井向集水井进行。施工中碰到的问题：施工中遇到“孤石”障碍无法穿过使涵管被迫改线。

1.2 广化寺排水顶管涵管

该涵管位于东圳灌区干渠10K+550处，因保护渠道内坡广化寺宋代释迦文佛塔而扩建。涵管下穿的渠道水力要素为：Q设=30 m3/s，i=1.5/10 000，内边坡 m=1.5，外边坡 m=2.0，渠底宽b=5.8 m，渠顶宽B=5.0 m ，h设=3.4 m，△h超=0.75 m，H总=4.15 m。管线地质为利用渠道开挖的砂质黏土人工夯填而成，涵管管材为混凝土管成品，涵管内径1.0 m，外径1.2 m，每节长2.0 m，总长度40.0 m，涵管管顶距渠底2.5 m，工作坑形状为圆形，采用沉井法施工，后座墙采用整体式现场浇筑的混凝土，施工顶进方向从集水井向接收井进行。施工中碰到的问题：①施工因中途过春节停顿，渠道水下渗引起渠底坍塌;②进洞洞口没有对土体进行封门加固，使涵管进洞时管顶带出土方，造成渠堤有一深8 m左右的不规则坍洞，较难修复，影响了涵管施工进度，给渠道留下安全隐患。

2 采用主要施工技术

顶管施工是一种不开挖沟槽而敷设管道的工艺，它运用液压传动产生强大的推力使管道克服土壤摩阻力顶进的施工技术，以上两顶管施工均采用手掘式顶管作业，主要难点是临近渠道水体，渠道水下渗引起的开挖面涌水或塌方破坏问题。

2.1 施工工序

现场调查→工程降水→测量放线→工作坑定位与开挖→工作坑基础、导轨及附属设施施工→后背设计与施工→顶进设备与设施准备→渠道必要的加固或停水→下管→挖土→顶进→测量校对→接口→附属工程施工→压浆。

2.2 施工准备

顶管施工属于地下工程，影响施工的因素很多，施工前应探明地质，组织施工人员认真学习施工技术文件，了解施工范围、管道沿线的地形、地质水文地质条件，完成作业范围内地下管线等调查并保护，编写好顶管施工技术组织设计，制定好可靠的进洞措施。

顶进施工前应根据设计资料，结合地形、地质情况，对涵管位置、方向、长度、出入口高程等进行校对，施工期应避开渠道供水高峰期和雨期。

顶进设备应做预顶试验。

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制定好防止开挖面涌水或塌方的防范和应急措施。

工作坑要保证施工期间连续排水要求，顶进作业应采取降水措施，地下水位应降至基底以下0.5～1.0 m，经常保持顶管掘进机底部无积水现象，如遇积水，应及时排除，以防止土体基底软化，雨期施工还应做好地面排水。

对涵管轴线左右各5 m范围内的渠道边坡和渠底采用100 mm厚的C20钢筋混凝土衬砌加固，钢筋直径8 mm，采用200 mm×200 mm网格布设，同时布置监测点，必要时监测顶进施工期间的渠底沉降量。

管道接口形式选择钢承口管(F型)接口形式，钢套环与混凝土管(玻璃钢管)处采用水膨胀橡胶止水圈止水，以防止结合面产生渗漏。施工前应检查管道接口处护口铁和承插口，钢套环接口无疵点，焊接接缝平整，并经防腐处理，承插口处不得有缺棱掉角，对外观质量及回弹强度不合格的管材应予立即退场。

2.3 总推力复核

总推力的大小确定，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顶进所必须具有的推力这三者中的最小值为依据的，顶进施工前应进行复核。

根据地质勘探的结果确定管线穿越的土层的最大顶力计算公式为：

式中：P为计算总顶力，kN;r为管道所处土层的重力密度，kN/m3;D为管道的外径，m;H为管道顶部以上覆盖土层的厚度，m;φ为管道所处土层的内摩擦角，°;ε为管道单位长度的自重，kN/m;L为管道的计算顶进长度，m;f为管壁与土间的摩擦系数。

核算后背1 m宽度上土壤的总被动土压力，使土壁单宽上受力不大于土壤的总被动土压力，1 m宽度土壤的总被动土压力计算公式为：

式中：r为土壤的重度，kN/m3;h为天然土壁后背的高度，m;φ为土壤的内摩擦角，°;C为土壤的黏聚力，kN/m2。

管材所能承受的最大顶进力(许用顶力)计算公式为：

式中：［Fr］为许用顶力，kN;σc为管体抗压强度，kN/m2;A为加压面积，m2;S为安全系数，取S=2.5～3.0。

2.4 施工技术要点

管涵顶进采用前高后低，坡度控制在3%左右，地下水位以下顶进时，工作坑要设在涵管下游，逆管道坡度方向顶进，有利于施工期间管道排水需要。

顶管采用在管前先挖土，后顶进的手工掘进顶管法作业，开挖从上往下开挖，开挖面的坡度控制在1∶0.75，轴线超挖量≤0.3 m，渠底下适当减短，管节上部超挖量≤15 mm，管节下部135°范围内不应超挖，严禁扰动基底土壤，在顶进过程中应采取随挖随顶的原则和“勤测量、多微调、紧封闭”的操作方法。

为控制顶进方向，应在涵管外50～100 m处设置导向墩，控制点应设在不易扰动、视线清楚、方便校核、易于保护处。管节顶进中，每一顶程都要对中线和高程进行观测，发现偏差及时纠正，左右偏差可采用挖土校正法和千斤顶校正法调整，上下偏差可采用调整刃脚挖土量或铺筑石料等方法调整。

顶进施工前应先在顶管尾部安装承口钢环，防止管端面的破坏。

液压设备启动时应空转一段时间，检查系统无异常后试顶，顶进开始时，应缓慢进行，待各接触部位密合后，再按正常顶进速度顶进，液压千斤顶顶紧后(顶力约为0.1倍结构自重)，应检查顶进设备、后背设施和工作坑周围土体稳定情况，无异常后分级加压(5～10 MPa为一级)试顶，并严密监测，当顶力达到0.8倍结构自重时涵管未启动，应停止顶进，待找出原因采取措施后才可以重新加压顶进，顶进中若发现油压突然增高，应立即停止顶进，检查原因并经处理后方可继续顶进，顶进作业面上还应设专人监护。

顶进作业应昼夜三班不间断连续进行，不得长期停顿，防止造成阻力增大，增加顶进难度，或因中途停置地下水渗出，造成坍塌破坏。涵管顶进作业停顿时应使刃角有足够的吃土量，当停顿时间较长，为防止开挖面的松动或坍塌，应对挖掘面及时采取正面支撑或全部封闭措施。

在管道顶进施工中，应不间断的测量并详细记录以下工艺参数：①顶进力;②管道在垂直高程和侧向位置的偏离情况;③管道顶进长度等。记录数据中必须包括如下信息：施工时间、施工现场的详细位置、地层和地下水条件等，异常应停止顶进，分析原因并处理后方可继续顶进。顶进中的施工记录是提高顶进质量的保证，每班组按规范要求真实、清晰、完整地填写好顶管记录表格和施工中的情况，交接班时，必须认真交接清楚记录，交清管道轨迹和纠偏趋向，并说明在顶进操作中所出现的问题及处理情况。

管道顶进完成后，应对涵管与土体间缝隙采用水泥浆进行压浆充填施工，防止沿涵管外壁集中渗流破坏，消除因顶管施工造成的地面沉降，压浆通过每节管道预留的压浆孔进行，注浆材料以低标号水泥为主，为节约材料可适当添加粉煤灰，具体注浆材料的配比按水泥∶粉煤灰=1∶1(重量比)，加水量以目测稠度适当(约水∶灰=1∶1)，满足注浆泵注浆要求即可。水泥浆充填可以有效地补偿顶管管体外侧空隙部分，从而达到管体外侧土体密实。待压浆体凝结后(一般＞24 h)方可拆除注浆管路，并换上闷盖将注浆孔封堵。

为了顺利完成顶管接收工作，进洞口土体应采用门式加固法进行加固封门，即对所顶管道破堤处两侧和顶部一定宽度和长度范围内的土体进行加固，以提高这部分土的强度，从而使涵管在进洞中不发生坍洞或涵管管顶不带出土方现象。洞口加固采用低标号混凝土砌堵砖封门，也可用低标号的混凝土取代砖头，涵管到达时把封门拆除。

涵管顶进完成后应有专人进行全线巡查，顶进管道应满足管节不错口，管节接口内侧表面齐平，接口应填料饱满、密实，管道接头密封良好不渗水，遇有施工时造成的管材损坏应立即进行修补，管节接口的内侧间隙应用水泥砂浆密封，填塞物应抹平，不得突入管内。

对涵管进洞时管顶带出土方，造成渠堤有一深8 m左右的不规则坍洞问题，采用C20埋石混凝土挡土墙封闭后用砂土压实回填，并用水泥浆进行造孔补强灌浆。

每节管道顶进结束，必须进行复测，绘制管道顶进轨迹图(含管道高程、方向、顶进力曲线等)，填充完毕后，做好施工记录，并保存有关资料。

3 结语

顶管施工技术具有不开挖地面，缩短管道铺设工期，不破坏地面建筑物，不需要修建围堰或断水进行施工，不破坏环境，施工受气候和环境的影响较小，不影响管道的段差变形，降低工程造价显著等优点。顶管施工要有较详尽完整的地质勘探资料，防止遇“孤石”等障碍使工程失败;在下穿渠道工程时，涵管与土体间缝隙应加强水泥浆压浆充填施工，防止沿涵管外壁集中渗流对渠道工程的破坏;加强渠道水下渗水土流失观测控制，防止渠道水下渗使开挖面涌水对渠道造成破坏，影响管道施工;进洞洞口土体进行加固封门，防止产生坍洞破坏。

［1］中国非开挖技术协会.顶管施工技术及验收规范(试行)［S］.北京：人民交通出版社，2007.

TU992

B

1007-7596(2012)07-0033-03

2012-06-01

陈锋(1967-)，男，福建莆田人，工程师，从事水利工程建设与管理工作。