顶管技术在水利工程中的应用

王 伟 王贤忠 王静斋 丁兆亮

1 工程概况

杨凌供水工程从石头河水库向西安输水的干线上取水，通过输水管道向杨凌示范区供水，设计输水规模10万m3/d。输水管线采用埋地式DN1 200 mm（有压段）和DN1 600 mm（无压段）两种预应力钢筒混凝土管（简称PCCP），单管输水，管线设计总长约18.26 km。输水管线需穿越渭河、关中环线公路、西宝南线公路、陇海铁路（含渭惠渠、西宝中线公路）、西宝高速公路（扩建）、西兰城际铁路（在建）、高干渠。其中，西兰城际铁路正在建设，该处输水管线可以考虑与交叉工程同步建设；关中环线、西宝南线公路和西宝高速公路交通流量较大，陇海铁路为电气化复线铁路，运输繁忙，高干渠为水电站引水渠道常年过水，且下游建有水电站，这些建筑物施工期间不能中断交通或断水。因此，关中环线、西宝南线、西宝高速、陇海铁路（含渭惠渠、西宝中线公路）、高干渠穿越方式按顶管施工考虑，即采用顶管技术顶进混凝土管穿越上述建筑物，然后在混凝土管内安装输水钢管，混凝土管直径为DN2 200 mm。由于上述顶管长度均较短，且穿越的土层自稳性较好，故采用顶工具管、人工开挖掘进的方式施工。

2 顶管工程布置

根据《顶管施工技术及验收规范》（试行）顶管的覆土厚度不小于3 m或1.5倍管径。

工作坑与接收坑的位置根据输水管线走向及临近建筑物分布情况，遵照确保临近建筑物安全、与输水管线衔接顺畅、便于工程施工的原则进行布置。

2.1 穿越关中环线公路

顶管管线沿输水管线走向布置，穿越关中环线公路顶管段总长度59.00 m。顶管进口内底高程536.35 m（工作坑一侧），顶管出口内底高程536.50 m（接收坑一侧），顶管管顶距关中环线公路路面平均厚度6.10 m。工作坑布置在下游侧，距公路约20.00 m，接收坑布置在上游侧，距公路约12.00 m。

2.2 穿越西宝南线公路

顶管管线沿输水管线走向布置，穿越西宝南线公路顶管段总长度49.00 m。顶管进口内底高程483.83 m（工作坑一侧），顶管出口内底高程483.98 m（接收坑一侧），顶管管顶距西宝南线公路路面平均厚度3.75 m。工作坑布置在下游侧，距公路约7.67 m，接收坑布置在上游侧，距公路边的预制厂约7.00 m。

2.3 穿西宝（连霍）高速

穿西宝高速顶管管线沿输水管线走向布置，穿越西宝高速公路顶管段总长度约98.25 m，进、出口内底高程451.22 m，顶管管顶距西宝高线公路路面平均厚度约10.80 m。工作坑距公路约30.00 m，接收坑距公路边约21.00 m。

2.4 穿越陇海铁路、渭惠渠及西宝中线

陇海铁路段铁路与渭惠渠及西宝中线公路在工程区并行，因此，穿越陇海铁路与穿越渭惠渠、西宝中线公路段顶管统一考虑，顶管顶高程由渭惠渠底高程控制。

工作坑布置在渭惠渠南侧，接收坑设在陇海铁路北侧。顶管管线沿输水管线走向布置，顶管段总长度95.00 m。顶管进、出口底高程450.36 m（工作坑、接收坑），顶管管顶距渭惠渠底约5.00 m，南侧工作坑距渭惠渠10.00 m，北侧接收坑距陇海铁路路基18.00 m。

2.5 穿越高干渠

考虑不影响高干渠输水功能，穿越高干渠施工采用顶管方案。顶管管线沿输水管线走向布置，顶管段总长度65.00 m。顶管进口底高程462.68 m（工作坑），出口底高程462.53 m，顶管管顶距高干渠底约8.50 m，工作坑距高干渠约24.80 m，接收坑距高干渠约32.00 m。

3 管道设计

根据《顶管施工技术及验收规范》（试行），DN2 200 mm壁厚建议取值为220 mm，根据施工期混凝土管所能承受的最大顶推力对混凝土管壁厚进行复核，混凝土管所能承受的最大推力必须大于最大顶进阻力。

3.1 混凝土管许用顶力

混凝土管许用顶力[Fr]按下式计算：

[Fr]=σcA/S

式中 [Fr]——混凝土管许用顶力，kN；

σc——管体抗压强度，kPa，C50混凝土抗压强度23 100 kPa；

A——加压面积，m2；

S——安全系数，取S=2.5～3.0；

计算得DN2 200 mm混凝土管[Fr]=11 123 kN。

3.2 最大顶进阻力计算

最大顶进阻力为主千斤顶顶进最长距离时的阻力，杨凌供水工程共有5处顶管，分别为穿越关中环线公路、西宝南线公路、西宝高速公路、渭惠渠和陇海铁路，高干渠最长顶进距离L分别为59.00、49.00、98.25、95.00、65.00 m，按不设中继站进行复核最大顶进阻力Fp。最大顶进阻力按下式计算：

式中 Fp——顶进阻力，kN；

D0——管道的外径，m；

L——管道设计顶进长度，m；

fk——管道外壁与土的单位面积平均摩阻力，kPa，根据地质勘探可知，这5段顶管穿过的土层主要为黄土状壤土，按采用触变泥浆注浆后考虑，取8 kPa；

NF——顶管机的迎面阻力，kN；

Dg——顶管机刀盘外径，m；

t——工具管刃脚厚度，m；

R——挤压阻力，kPa，一般取R=300～500 kPa。

最大顶进阻力计算结果见表1。

表1 最大顶进阻力计算表

从表1中可以看出，[Fr]＞Fp。管壁厚度满足顶管顶进所需推力要求。

顶管用钢筋混凝土圆管结构计算参照传统的钢筋混凝土计算方法，此处不再详述。

4 工作坑和接收坑设计

工作坑是安放顶进设备的场所，也是顶管掘进机或工具管的始发地，同时又是承受主顶油缸反作用力的构筑物；接收坑是接收顶管掘进机或工具管的场所。

4.1 工作坑和接收坑结构形式

工作坑和接收坑按其结构分为：钢筋混凝土坑、钢板桩坑等。

杨凌供水工程顶管项目穿越的交叉建筑物两侧地势平坦，无坑、塘等不利因素，土层主要为黄土状壤土，工作坑和接收坑深度不大，故可采用钢板桩构筑工作坑和接收坑。钢板桩工作坑和接收坑施工成本低、构筑容易且施工速度快，是使用最为普遍的一种。

杨凌供水工程顶管项目都是顶单根管，采用矩形工作坑比较适合，底部平面构造布置灵活，利用率高。

4.2 工作坑和接收坑尺寸拟定

4.2.1 工作坑底部尺寸确定

工作坑长度L和宽度B计算如下：

L=L1+L2+L3+L4+L5

B=D1+S

式中 L——矩形工作坑底部长度，m；

L1——管节顶进后，尾端压在导轨上的最小长度，对于混凝土管不宜小于0.3 m，本项目取0.5 m；

L2——管节长度，取2.5 m；

L3——输土工作间长度，为1.0 m；

L4——千斤顶长度，取2.0 m；

L5——后座墙厚度，取1.0 m；

D1——管道外径，DN2 200 mm为2.64 m；

S——操作宽度，取2.4～3.2 m。

则计算得L=7.0 m，B=5.0 m。

DN2 200 mm顶管的工作坑底部净尺寸按7 m×5 m（长×宽）考虑。

4.2.2 接收坑底部尺寸

DN2 200 mm顶管的接收坑底部净尺寸按5 m×5 m（长×宽）考虑。

5 后座反力计算

后座墙是顶进管道时为千斤顶提供反作用力的一种结构。在由钢板桩构筑的工作坑内，后座墙采用钢筋混凝土整体浇筑。

根据工作坑内部尺寸和所顶管道外径，后座墙尺寸初步拟定如下：

穿关中环线、西宝南线、西宝高速顶管后座墙尺寸：5.0 m×4.0 m×1.0 m（宽×高×厚）；

其他两处顶管后座墙尺寸：4.0 m×4.0 m×1.0 m（宽×高×厚）；

后座反力R可采用下式计算：

式中 R——后座反力，kN；

α——系数，取1.5～2.5；

B——后座墙的宽度，m；

γ——土的容重，kN/m3；

H——后座墙的高度，m；

Kp——被动土压力系数；

c——土的黏聚力，kPa；

h——地面到后座墙顶部土体高度，m。

计算结果见表2。

表2 后座反力计算表

为了确保后座墙在顶进过程中的安全，后座反力应为总顶进力的1.2～1.6倍，从上面计算表中可以看出，后座反力均满足一次顶进的要求，不用设置中继站。

6 结语

工程实施过程中，除穿关中环线公路由于所穿越地层出现大粒径卵石不宜顶管施工外，其它顶管工程均顺利实施，效果良好。非开挖铺管顶管技术在杨凌供水工程中的成功应用，对今后水利工程顶管技术推广具有参考价值。