顶涵施工技术在耿庄水库中的应用

2016-12-14吕庆平

水利水电工程设计 2016年4期

吕庆平

顶涵施工技术在耿庄水库中的应用

吕庆平

耿庄水库泄水线路需穿越现有平朔—秦皇岛专用铁路，为保证工程顺利进行，同时要确保铁路安全运行，经分析决策后对穿越铁路段箱涵决定采用顶涵施工技术。从工程简介、顶涵工作坑布置、顶涵施工以及顶涵质检等方面对顶涵施工技术作了较为详细说明，对类似工程有一定的借鉴意义。

顶涵工作坑后靠背

耿庄水库是万家寨引黄北干线向朔州市供水线路末端的调节水库，位于朔州市朔城区陡沟村南、秋寺院村东，南连大同—运城二级公路，东北紧邻平朔—秦皇岛专用铁路。耿庄水库的任务是年调节、事故调节、水量平衡以及沉积处理泥沙，同时兼有反调节功能。

朔州供水线路末端设有调压井，调压井断面为长方形，其间设隔墙将调压井分隔成前后2个竖井，进水口与调压井竖井衔接，位于水库北部；出水口位于水库南部，采用坝下廊道内套管型式，考虑到水库出现事故时能快速放空，设置了泄水口，与出水口共用，水流出泄水阀后经泄水暗涵穿过铁路送入刘家口干渠。

本工程顶涵施工是指泄水暗涵穿越平朔—秦皇岛专用铁路路基工程，箱涵采用钢筋混凝土结构，尺寸为2.4 m×2.4 m，壁厚50 cm。

1　顶涵施工工作坑布置与设计

1.1工作坑位置的选择

工作坑位置的选择应便于施工排水、出土和运输；对地上和地下建筑物、构筑物采取易于保护和安全施工的措施；距电源和水源较近，交通方便；单向顶进时宜设在下游一侧。根据本工程顶涵施工现场的实际地形及其他条件，综合考虑各方面的综合因素，拟设2个工作坑，分别布置在穿越段进口和出口。

1.2工作坑的尺寸设计

工作坑包括顶进坑和接收坑，工作坑的尺寸设计包括长度和深度，根据上述布置原则，结合工程现场实际情况具体确定。

1.2.1工作坑长度确定

根据本工程的具体情况，宜采用矩形工作坑，其短边与长边的比例一般为2∶3，此种工作坑布置后背方便，坑内空间能充分利用，其计算公式如下：

式中L——工作坑底的长度，m；

L1——箱涵长度，m；

L2——主推力油缸长度，m；

L3——后背厚度，m；

S1——顶进箱涵预留在导轨上的最小长度，视管节长度而定；

S2——箱涵内出土操作在尾部留出的空间长度，视出土工具而定：出土斗0.6～1.0 m，手推车1.2～1.8 m；

S3——调头顶进时的附加长度，一般要大于0.5 m，单向顶进时S3=0。

1.2.2工作坑深度确定

工作坑深度应符合下列公式要求：

式中H1——顶进坑地面至坑底的深度，m；

H2——接受坑地面至坑底的深度，m；

h1——地面至箱涵底部外缘的深度，m；

h2——箱涵外缘底部至导轨底面的高度，m；

h3——基础及其垫层的厚度，但不应小于该处井室的基础及垫层厚度，m。

1.2.3顶进坑的实际尺寸确定

根据上述公式及计算原则，结合本工程具体情况，计算顶进坑的长度L=L1+L2+L3+S1+S2+S3=1.5 m+1.0 m+0.2 m+0.5 m+1.8 m+0 m=5.0 m；宽度取3.5 m；

1.2.4接收坑的实际尺寸确定

根据本工程实际情况，接收坑的长度取4.0 m，宽度取3.0 m，即可满足施工要求。

深度按上述公式计算为H2=h1+h3=4.4 m+0.2 m= 4.6 m。

2　工作坑的附属设施及安装

工作坑附属设施包括：上下工作坑的扶梯、箱涵接口操作井、集水井、进土口装置、排水沟、工作棚、工作平台以及测量标志等。

2.1扶梯安装

工作坑必须设置扶梯，扶梯必须坚固、锚定，梯凳间距不大于30 cm，踏板宽度为60～80 cm，沿外侧设栏杆。

2.2接口工作井

焊接口或承插口管节接口需要进行焊接或填打石棉水泥，要求接口底部留有一定操作空间，作为接口工作井，若本工程采用外钢套环接口则不需有接口工作井。

2.3集水井

主要用于地上水的排除，采用钢筋混凝土管、埋设于坑内一角。

2.4顶进口安装

在坑壁的顶进口处，局部浇筑素混凝土井壁，在混凝土壁中预埋钢环及螺栓，安装处留有混凝土台，台厚最少为橡胶垫厚度与外部安装环厚度之和，在安装环上将螺栓紧固压紧橡胶板以止水，混凝土台的隅角须用钢材保护。

2.5工作棚

为防止风雨侵袭和日晒，以利于操作，工作坑和接收坑上部应设工作棚，采用金属杆件制成的装配式工作棚。

2.6工作台

位于工作坑顶部的地面上，由型钢支架而成，上方铺设方木和木板，平台上安装有30 kN卷扬机1台，主要承担出土和顶进设备的吊运。

2.7后靠背

后靠背的结构形式可分为整体式和装配式两类，整体式多采用现场浇筑的混凝土。装配式后背是常用形式，具有结构简单、装拆方便、适用性强等优点，后背按材料分类有人工后背和天然后背，一般多利用原状土，安放方木和顶铁做成装配式后背，按土的性能分类，又可分为压缩式后背、拖拉式后背、重力式后背。

因目前顶力计算多采用经验公式，且系数的选择有很大的不确定性，再就是本工程的顶进规模较小，因此，根据经验采用钢筋混凝土整体式后背可满足要求，现场施工时，浇筑厚20 cm的C15混凝土，在实际顶进过程中后背安全可靠。

2.8基础与导轨

基础指工作坑坑底的部位。坑底除沉井或连续墙必须采用混凝土或钢筋混凝土封底外，开槽式工作坑的基础作法要取决于地基土的种类、管子负荷及地下水的高低。

导轨是安装在基础上的轨道。箱涵在顶进前，安放在导轨上。在顶涵入土前，导轨承担导向功能，以保证箱涵按设计高程和方向前进。

本工程采用混凝土木枕基础，在坑底浇筑C10混凝土，厚度为20 cm，在混凝土内埋15 cm×15 cm方木作轨枕。

按导轨的使用材料分铁导轨和木导轨2种。铁导轨是利用轻型或重型钢轨作导轨，具有耐磨和承载力大的特点，本工程采用重型导轨。

2.9导轨安装

为保证导轨的稳定性和准确导向，安装必须满足下列要求：按箱涵设计高程、方向及坡度铺设道轨，要求两轨平行，各点轨距相等；导轨面应光滑，以减少箱涵前行时的阻力，装好的轨顶面应与管节接触密切；导轨本身应平直，并有足够的刚度和强度；导轨安装要牢固，防止在顶进过程中产生跳动和位移。

用于钢筋混凝土管的导轨长4 m，2根，用道钉固定在枕木上。

导轨安装好后，应按设计要求检查轨面高程、坡度及方向。检查高程时在每条轨道的前后各选6～8点测其高程，允许误差不高于3 mm，不低于2 mm，稳定首节箱涵后应测量其负荷后的变化，并加以校正还应校核检查轨距。

3　顶涵施工

根据本工程中的特点顶涵采用单向人工掘土顶涵法。采用单向顶涵法，从下游侧向上游侧顶进。

（1）采用500 kN汽车吊1台，用于吊运箱涵和垫铁。首先将工具箱涵放于导轨上与箱涵相连，箱涵节端头垫好垫铁、将工具箱涵推入进口装置，这时应测量校正工具管的高程和方向，然后拆除进口内侧的砖墙，边顶进边挖土，顶进30 cm后，再次测量，将轴线偏差控制在3 mm以内，高程偏差控制在±3 mm以内。首节箱涵顶进过程中每进30 cm测量1次，以后正常顶进，每进1.0 m测量1次。

（2）箱涵内挖土要自上而下分层开挖，箱涵下部不得超挖，箱涵上部超挖量不得大于1.5 cm，通过铁路主基时，箱涵外均不得超挖（纠偏时除外）。

（3）顶进选用行程为500 mm、推力为2 000 kN的主推力油缸4台。液压泵站选用和主推力油缸相匹配的液压泵2台，工作压力不小于32 MPa，流量5～15 L/min。顶进过程中，要时刻注意液压泵站压力表的变化，当发现压力表突然上升时，应查找上升原因及时处理。

（4）控制主推力油缸活塞杆的外伸长度，不要超出临界冲程以免损坏设备。

（5）要连续顶进，不能停滞不前。由于停工时间长，地下水渗透量增加，土拱容易坍塌，再开顶时顶力将会大幅度上升。

（6）根据不同的土质情况，坚持挖土后立即顶进，随挖土随顶进，以免坍方。

（7）将顶速控制在适当范围内，顶速过快产生偏差后不易纠正；顶速过慢箱涵前进速度小于工作面稳定的时间就会坍方。

（8）要时刻注意工作箱涵的高程和轴线的变化，变化微小时用掘土方法校正，变化较大时，调整纠偏油缸校正。

（9）为了减少顶进中的摩擦力和加固土壤，要按设计方案配制和灌注触变水泥，在通过铁路主路基时，要灌注自凝泥浆，以防止路面沉降和裂缝。

（10）为确保顶进箱涵的高程和轴线的正确性，为保证末节箱涵端面不受损坏，垫铁一定要两面平行、平整，应有足够的强度。在顶涵顶进全过程中，要有专职测量人员进行跟踪测量。

（11）顶进时要时刻注意后背墙的变化，特别是在顶进的箱涵较长时，要特别注意后背墙的变化，如变形严重，应立即采取加固措施。

（12）保证管内通风和照明，选用3 m3/min空压机1台，用于箱涵内送风或用于手风钻处理偶尔出现的大石。

（13）顶涵工序完成后，要将箱涵上的注浆孔全部密封，清扫管道，修复施工中损坏的部分。