水利工程中顶管施工技术的应用分析——以民兵水库涵管更换施工为例

蒋建华 江西省乐平市水利局

现阶段顶管施工技术的发展已经十分成熟，顶管施工按照施工方式可以具体分为手掘式、挤压式、泥水平衡式、三段两铰型水力挖土式、多刀盘土压平衡式，通常情况下如果顶管施工作业超过100m就必需采用注浆的方式减小土层对顶管的摩擦力，或顶进阻力大于顶进力时也需要采用管边注浆法来降低顶进阻力。在民兵水库大坝水利水电的顶管施工中，因民兵水库建设年限十分久远，沿涵管渗漏极为严重，加之涵管破损严重，急需更换，且民兵水库坝顶是205省道，车流量较大。如果采用开挖换涵管必然造成阶段性的断路，给当地生产、生活带来较大的不便。因此在进行顶管施工作业时要严格控制顶管施工的动作幅度，避免对水库大坝整体稳定性造成影响。

1.工程概况

民兵水库位于我国江西省乐平市南部的接渡镇，水库与1958年7月开始兴建到1958年年底建成并投入使用。水库建设之初只有少数地区进行清基处理但是清基很不彻底，虽然该水库在1959年、1966年、1975年、1980年和1983年进行过坝体的加固和泄洪口增设，但是水库整体仍呈现十分危险的态势，特别是主坝的整体结构已经出现长达242m的渗漏区，排水滤层全部失效，且坝体蚁害情况严重，一旦出现决堤情况将会威胁到下游2万亩农田、67个村庄和3.27万人。因水库效益问题当地省水利厅以停止对其的资金投入，只由嫩江县采取一些必要的加固措施，截止到1985年该水库大坝全长270米，坝高11米可容水730万/m3。

2.顶管施工技术的设备与系统选择

2.1 顶管施工设计

为解决部分坝体涵管顶管破损等问题，当地政府正筹备进行水库大坝的水利水电工程改造，并设计以下顶管施工工艺作为水库坝体施工的整体架构。为更快的缩短顶管施工工期，该工程采用泥水平衡的机械顶管施工法进行施工，工程整体流程如图1所示。

图1 水库大坝顶管施工流程

2.2 顶管机及管材选择

2.2.1 顶管施工工具的选型

由施工前垂直采样得到民兵水库坝体下及周边土质岩层的数据信息为，顶管施工区域下为黏土，采用人工进行掘进。同时为保障顶管掘进的精准度还会配置倾斜度检测仪和主顶进速度检测仪，以方便施工人员实时监控顶管掘进轨迹，及时纠偏，防止偏离顶管轨迹现象的发生。

2.2.2 顶进系统选择

该施工因顶管选址特殊且周边地区土质不牢固，所以需要将顶管机的主顶装置安放在工作井内部，主顶装置下的千斤顶应按照并行排布的方式布置两列，顶进系统设计如图2所示。因顶管施工范围内土质问题，主顶系统下的千斤顶应当使用单冲程液压式千斤顶，为此在顶管顶进过程中需要安排施工人员时刻对千斤顶油压进行控制。

图2 顶管施工示意图

3.注浆减阻与涵管坡度设计

3.1 注浆减阻

在该顶管施工中因施工长度与土质的问题影响，注浆减阻工作将成为整个工程中最重要的施工环节之一，因此本文将对注浆减阻在顶管施工中的应用进行重点分析。通常情况下水利水电工程的机械顶管施工会使用全水泥注浆的方式降低顶管中的摩擦力，而全水泥注浆还可分为管道补浆和有机头同步注浆两种方式，若作为润滑功效的泥浆在注入顶管外壁之后能够形成一个较为完整的浆套，那么泥浆将会极大的降低顶管与土层间的摩擦，实现将摩擦阻力控制最佳顶管力的范围内。民兵水库大坝的水利整改工程标段使用首尾同步注浆法实现泥浆均匀分布，在中继环之后的管段将使用补浆的方式来实现顶管减磨减阻的效果。民兵水库的顶管施工下砂浆灌浆将通过地面液压注浆设备以管路的方式压送到各个注浆孔，为监控压浆时的压力可在地面上压浆机头处设置安装一个隔膜式压力表，以方便压浆管理人员能够时刻对注浆量与压浆压力进行检测，实现与井下顶管施工人员的协调配合。另外，压浆管线中每个注浆孔内都需要设置一个球阀装置，并设置软管和接头处的压力额定负载为6MPa。同时，若施工场地和施工技术允许的情况下，还可以在顶管工作井下止水设备前方位置设置2 个能够自由活动的注浆孔，让管道还未进入到顶管预期位置时，四周土层就已经浸满事先注入的水泥浆液。因全水泥触变泥浆在灌浆的过程中会不断随着管外壁向周边墙体侵蚀，所以在顶管过程中还需要不断对管道进行补浆，补浆应当按照科学的方式进行填充，且每次填充循环次数应当不少于2次，并保证每次压注泥浆能够相同。在初次顶进过程中实际泥浆的推送量应当为管道外壁与墙体空隙的3倍，持续注浆量应当保持在1.2m3/min。顶管顶进施工全部完成之后，需要使用水泥砂浆替换已经成型的全水泥泥浆套，泥浆配置成分主要包括：自来水900kg、CMC3kg、纯碱6.5kg，砂浆配比完成之后的粘稠度应当能够达到12～14/N,水泥泥浆的压浆替换压力应当控制在0.18MPa～0.2MPa之内，当压浆水泥砂浆体凝结24h之后需将管路进行拆除并对封盖进行更换以封堵孔口。

3.2 涵管顶管的坡度定位

在充分了解民兵水库大坝的地下构成之后，对涵管顶管的设计应当遵从前高后低的原则进行设计，以该水库的实际情况设定涵管顶管坡度为3°。若涵管顶管施工需要在地下水范围进行作业时，还需要使用逆管道方向顶管施工的作业方式来解决顶管施工期间管道排水能力不足的问题。若需要使用手工掘进方式来标定顶管方向时，应当秉持先管前挖土后顶进顶管和自上而下的原则进行手工开挖作业，人工挖掘的误差范围应当控制在中心轴线的0.2m以内，并且开挖面的坡度应当控制为1∶0.75之间，顶管管节上超挖量的允许误差范围在≤15mm，渠底下管节的开挖误差可以结合实际而定。但是以民兵水库的地质情况出发，对管节下部的超挖应当不能超过135°，以预防对深处的基底土壤造成破坏性的影响，同时在涵洞顶管顶进的过程中，施工人员应当时刻遵循勤测量、多微调、紧封闭和随挖随测随顶的原则，以避免出现前后顶管衔接误差的问题。

4.结语

本文采用人工挖掘，通过配备速度检测装置和倾斜度检测仪的方式来提高顶管施工整体的精准程度，通过重点分析顶管施工中注浆与涵洞顶管技术的方式，解决民兵水库大坝本体结构不稳定的情况。经上述顶管施工后的民兵水库大坝整体结构十分稳定，施工区域未出现渗水或开裂等现象，由此可以为其它水库大坝的顶管施工提供借鉴经验。