顶管施工在大型水利引水工程中的应用分析

马江红，李宗蔚，杜荣波

（中电建路桥集团有限公司，北京 100160）

0 引言

顶管法施工是现代水利施工中的一种管道施工方法。在修建地下工程时，为了避免管道施工对地面建筑物以及周围环境的扰动破坏，顶管施工这种施工方法逐渐在国内外广泛运用。

顶管法的首次出现和使用在美国19世纪末期北太平洋铁路敷设工程中，自此顶管法施工开始进入施工领域，并逐渐发展成为一门新的具有其独特优势的施工方法。由于经济条件的限制，我国直到1950年前后才首次开始对顶管施工法的研究。随着经济的发展，北京、上海等地开始从国外引进先进设备，并进行相关研究，极大地促进了顶管施工技术在我国的应用[1-7]。

到21世纪，我国在顶管施工技术和理论领域的研究逐渐处于世界领先水平。截至目前，顶管法施工在我国各项国家级重点工程得到广泛运用和发展，解决了部分施工问题[8]。本文依托陕西斗门水库引水工程，总结了顶管施工在工程中的运用，对以后有相同工况的工程提供了参考。

1 工程运用

1.1 项目概况

斗门水库总库容5052万m³，总面积 10.4km²，总长度 14.9km。按南、北池布置，南、北池之间设双向挡水隔坝，南池为城市供水水源，调蓄引汉济渭南干线水源供沣东、沣西新城的生活用水，南池总库容2897万m³，面积3.4km2，其中水面面积 3.0km2，设计向沣东、西新城年平均供水8773万m³；北池为生态水源地，兼顾沣河防洪，蓄滞沣河洪水和城市雨洪，北池总库容2155万m³，面积7.0km2，其中水面面积 6.4km2，每年可向西安生态水系中的汉城湖、汉护城河、高新湖3个湖泊补给生态用水1456万m³，如图1。

图1 斗门水库

斗门水库管线工程主要由引水、供水、南池退水等工程组成，主要包括引水管道、供水管道、分水管道、退水管道及北池太平河补水管道5部分。

1.2 工程概况

工程湖库区位于西安市长安区马王镇东南约1.5km，地形相对较平缓，大体上东南高，西北低，一级阶地分布于湖库区东北方向，阶地高程介于397.00～404.00m，湖区石匣口西南有部分为二级阶地，阶面高程403.00～410.00m。

据勘探揭露，地层自上而下如下：

①-1人工堆积（Q4s），杂色，主要由建筑垃圾、生活垃圾及粘性土等组成，厚度0.5～1.5m，分布于库区各居民点，在南部石匣口、浦阳等村庄附近，最大厚度可达2～4m；

②-1壤土（Q41al+pl），褐黄色，粉粒结构，土质不均，潮湿，可塑，分布于一级阶地上部，勘探范围内厚度8～11m，最大厚度可达17m左右；

③-2中砂（Q41al+pl），灰黄～灰色，长石-石英质，级配不良，含零星的中粗砾。其分布有三层分述如下：第一层分布于整个湖区，深度1.2～2m，夹层层 厚 0.2～0.4m，透 镜 体 层 厚 0.8～1.4m；第二层呈透镜体状分布，主要有太平-谷雨村-杨家庄-齐曹村及太平-五星村两条砂带，埋深3.6～7.5m，夹层层 厚 0.4m 左 右 ，透 镜 体 层 厚 1.2～3.5m，局部最厚可达5m左右；第三层埋深9～12m，夹层厚0.2m左右，透镜体层厚1.2～2m，分别分布于西北部马营寨、东北部太平庄及中部谷雨庄附近。

⑤-3粉土（Q41al+pl），黄色，可塑～硬塑，薄层夹层状，零星见于新堡子村附 近 ，埋 深 5.2m～9.4m，厚 度 1.3～1.6m；

⑥淤泥质土（Q4l），灰褐色，湿，可塑，具水平层理，结构紧密，有腥臭味，粉粒为主。分布于湖库区西北部，东至袁旗寨-常家滩一带，南至杨家庄-谷雨庄一带，埋深 0～3.7m，厚度 1.7～2.6m，局部为透镜体分布；

⑦黄土（Q3eol），褐黄色，土质均匀，具虫孔及大孔隙，含少量蜗壳碎片，可塑状态，分布于二级阶地上部，层厚9.8～13.6m；

⑧-1粉质粘土（Q3al），棕黄色～灰黄色，含氧化铁条纹及铁锰质斑点，可塑，该层未穿透，最大揭露层厚8.6m，广泛分布于库区渭河二级阶地、一级阶地下部；

图2 水库工程地质图

⑧-2中砂（Q3al），灰黄色～浅黄色，长石～石英质，级配良好，含零星中粗砾，饱和，中密～密实状态。分布于二级阶地下部，主要位于堰下张村附近，KZK18，KZK11，KZK27与库区连通，未穿透，最大揭露厚度6.6m，库区其他部位局部呈透镜体分布，透镜体层厚0.4～1.2m。如图2。

1.3 施工

按照设计要求，顶管施工采用人工洞挖，液压千斤顶进的方式进行。根据设计图纸描述的地质情况，顶管工程管道轴线处于⑤-2中砂层，原土基础稳定性较差，不能作为顶管靠背，拟采用钢筋混凝土靠背提供刚度及强度支撑，原土作为重力支撑。

1.3.1 施工准备

①依据设计图纸进行测量放线，做好所需各项数据的测量。

②重新检查并测量原始桩。如果原始桩丢失或移位，则进行补充校正。

③测定管道中心线时，在起点、终点测设中心桩。

1.3.2 坑面开挖

①开挖工作面之前，要综合考虑各种因素例如工作面宽度、施工环境、顶管直径。顶管长度、设备规格等。

②为了保证充足的工作空间，工作坑面按下式计算：

底宽：B=D1+2S+2C

底长：L=L1+L2+L3+L4

式中：B——工作坑底宽(m）；

L——工作坑底长(m）；

S——管道两侧的操作宽度(m），一般为每侧1.2m～1.6m；

C——撑板厚度(m），一般采用0.2m；

D1——管外径(m）；

L1——管子顶进后，顶钢筋混凝土管取0.3m～0.6m；机械挖土、挤压出土及管前使用其他工具管时，工具管长度如大于上述铺轨长度的要求，L1应取工具管长度；L2——管节长度(m）；L3——液压油缸长度(m）；L4——后背所占工作坑长度。

工作坑深度符合下式：

H1=h1+h2+h3

H2=h1+h2(无基础及垫层时）

式中：H1——顶进竖井地面至竖井底的深度(m）

h1——接受竖井地面至竖井底的深度(m）

h2——管道外缘底部至导轨底面的高度(m）

h3——基础及其垫层的厚度，不应小于该处井室的基础及垫层厚度(m）。

③按照设计图纸及相关数据计算工作坑开挖尺寸如下：

底 宽 ：B=1.8+0.21×2+2×1.6+2×0.2=5.82m；

底长：L=0.5+3+0.6+3.1=7.2m；

工作坑深度 H1=3.196+1.8+0.21×2+0.05×2+0.37=5.89m。

布置参见图3、图4。

图3 工作坑断面

图4 工作坑平面

1.3.3 设备安装

①采用50#轨钢作为导轨，因工作坑底土质松软、管径较大，在工作坑地面浇筑30cm厚C25混凝土基础，并将导轨埋设于基础混凝土中。

②保证两根导轨平直，中距计算如下：

A0=A+a

式中：A0——两导轨中距(mm）；

A——两导轨上部的净距(mm）；

a——导轨的上顶宽度(mm）；

D——管外径(mm）；

h——导轨高度(mm）；

e——管外底距枕铁(枕木）面的距离(一般为10 mm～25 mm）。

③安装设备

a.先对高压油泵等设备进行检查，检查没有问题后方可安装。

b.根据竖井的设计，进行设备安装。

按照竖井的施工设计，安装高压油泵、管路及控制系统。

1.3.4 管道顶进

①顶进施工前要检查下列事项，在检查符合规范的情况下方可施工。

a.施工前检查所有设备，试运行正常后方可施工；

b.制定相应措施，保证流动性土和地下水不会从洞口进入工作坑。

②在顶进5～10m后，将测量侧频次加多，施工中首节管的允许偏差范围：轴线位置3mm，高程0～3mm。

③要保证施工的连续性，除非出现不可抗拒因素，否则中途不得停止作业。

④测量与纠偏

a.设置测量点时，点位宜设置在方便检测和相对稳定的地方。

b.施工过程中，要按时监测，发现偏差后要立即纠正。

c.如果顶管出现偏差，其纠偏可采取挖土法、支顶法。

⑤顶进过程中减小阻力可采用触变泥浆。

1.3.5 管道接口

施工完成后，其管道接口要按照规范处理。

1.4 建议与优化

①不同的土质对顶管的施工有较大的影响。在施工过程中，要根据不同土质的特性制定相应的工艺参数，有针对性地进行施工。

②在降水施工过程中，要随时注意水位的变化，防止水位过低对周围建筑造成破坏。

③在采用顶管法施工时，设备的保养至关重要。如果顶进过程中出现故障，将影响全线的进度。故要做到在施工中保护设备、在平日里按时养护设备，保证设备能够正常运行。

2 结论

本文以陕西斗门水库为背景，从工程施工条件、施工设计、机械设备选型等方面总结了长距离输水管线顶管法施工工艺，为之后相同工况条件的工程提供了参考。