黎桂林

(江西省水利水電建設(shè)有限公司，江西 南昌 330025)

20世紀(jì)50年代到60年代之間，出于工農(nóng)業(yè)發(fā)展需要，我國(guó)大力出資修建了許多中小型水庫。由于理論與技術(shù)尚且處于落后狀態(tài)，大多數(shù)工程施工質(zhì)量差，建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低，投資回報(bào)不高[1- 4]。水庫水壩運(yùn)用至今已逾50年，建筑物存在一定的工程隱患。水庫系統(tǒng)運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)的許多問題亟待解決，其中土壩輸水涵管破損，相當(dāng)部分出現(xiàn)裂縫漏水情況最為危急，嚴(yán)重影響大壩與周圍山體安全。目前，存在相當(dāng)多的小型水庫工程的輸水涵管內(nèi)徑在0.5m以下，因管徑太小根本無法維修加固施工。眾多工程師與學(xué)者努力致力于將頂管技術(shù)合理應(yīng)用到水利工程中來[5- 6]。因此，立足于上述基本情況，基于頂管技術(shù)經(jīng)濟(jì)、對(duì)周圍環(huán)境和主壩體影響小[7]、可穿越障礙物的優(yōu)點(diǎn)，如何將頂管技術(shù)高效的應(yīng)用到水利工程中，已經(jīng)越來越成為一個(gè)迫切解決的問題。

1 工程概況

堯渡水庫位于安徽省池州市東至縣西南隅，是一宗具有防洪、灌溉、養(yǎng)殖等綜合效益的小(Ⅱ)型水庫。大壩最大壩高15.0m，壩長(zhǎng)約50.0m，建于1968年，為均質(zhì)土壩。水庫建有臥管式混凝土結(jié)構(gòu)輸水涵洞1座，管徑0.6m。由于年代較久遠(yuǎn)以及受當(dāng)?shù)貧夂蛴绊懀谀炒伟踩珯z查中，發(fā)現(xiàn)洞身內(nèi)壁有環(huán)狀裂縫、側(cè)向裂縫數(shù)條，裂縫寬度1～2cm，水庫壩體存在一定的安全隱患。因此，為了確保水庫水壩的安穩(wěn)運(yùn)行，合理發(fā)揮其工程效益，經(jīng)過當(dāng)?shù)卣疀Q議，擬對(duì)水庫除險(xiǎn)加固工程進(jìn)行更新。圖1為水壩剖面圖。

圖1 堯渡水壩剖面圖

2 方法比較

2.1 開挖法

開挖法具有施工簡(jiǎn)單、快捷、經(jīng)濟(jì)、安全的優(yōu)點(diǎn)，但是其缺點(diǎn)也是巨大的。首先，開挖對(duì)壩體其他部分會(huì)造成不良影響；其次，開挖法浪費(fèi)大量人力財(cái)力，為當(dāng)?shù)刎?cái)政造成負(fù)擔(dān)；最后，開挖法對(duì)周圍環(huán)境影響較大。堯渡水壩工程位于安徽某山之間，地處長(zhǎng)江中下游區(qū)域。直接開挖對(duì)周圍山體影響較大，會(huì)為當(dāng)?shù)匕l(fā)生滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害留下隱患。

2.2 頂管技術(shù)

頂管施工是繼盾構(gòu)施工之后而發(fā)展起來的一種地下管道施工方法，它不需要開挖面層，并且能夠穿越公路、鐵道、河川、地面建筑物、地下構(gòu)筑物以及各種地下管線等。頂管施工借助于主頂油缸及管道間中繼間等的推力，把工具管或掘進(jìn)機(jī)從工作井內(nèi)穿過土層一直推到接收井內(nèi)吊起。與此同時(shí)，也就把緊隨工具管或掘進(jìn)機(jī)后的管道埋設(shè)在兩井之間，以期實(shí)現(xiàn)非開挖敷設(shè)地下管道的施工方法。相比開挖法，頂管技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)采用機(jī)械化施工，工藝簡(jiǎn)單，施工方便。

(2)可以在很深的地下鋪設(shè)管道，不需破壩，對(duì)原壩體基本不產(chǎn)生整體擾動(dòng)，施工速度快，效果好。

(3)對(duì)施工區(qū)域周圍環(huán)境的影響很小，施工噪音和振動(dòng)都很小。

3 頂進(jìn)力計(jì)算

根據(jù)相關(guān)地質(zhì)報(bào)告，沿大壩軸線土的主要成分為粉質(zhì)黏土，土的容重γ為18.0kN/m3，內(nèi)摩擦角φ為25.0°，黏聚力c為10.0kPa。

現(xiàn)有工程相關(guān)信息如下，頂管以上覆土的厚度約為13.0m，頂進(jìn)長(zhǎng)度約55.0m。管材選用外徑1000mm壁厚100mm工廠化預(yù)制專用高強(qiáng)度承插式鋼筋混凝土管。

3.1 一般公式

F=PA+Pf

(1)

式中，PA—頂進(jìn)正面阻力，kN；Pf—頂管周摩阻力，kN。

頂進(jìn)正面阻力計(jì)算公式：

PA=γHKaA

(2)

式中，γ—土的容重，kN/m3；H—頂管上覆土層厚度，m；Ka—主動(dòng)土壓力系數(shù)，無量綱；A—頂管正面橫截面面積，m2。

頂管周摩阻力計(jì)算公式：

Pf=πDLf

(3)

式中，f—單位面積土與管的摩擦力，取f=8.0kPa；L—頂管頂進(jìn)長(zhǎng)度，m。

解得：

F=PA+Pf=1381.2kN

3.2 北京市經(jīng)驗(yàn)公式

對(duì)于黏性土，有：

F=K1(22D1-10)L

(4)

對(duì)于砂性土，有：

F=K2(34D1-21)L

(5)

式中，K1—黏性土系數(shù)，取值在1.0～1.3之間；K2—砂性土系數(shù)，取值在1.0～1.5之間。

針對(duì)該項(xiàng)目土壩均為粉質(zhì)黏土，得頂進(jìn)力F為858.0kN。

3.3 《市政工程施工手冊(cè)》規(guī)范

對(duì)于鋼筋混凝土管，有：

F=nGL=1100.0kN

(6)

式中，n—土質(zhì)系數(shù)，黏性土取1.5～2.0，砂性土取3.0～4.0；G—單位長(zhǎng)度頂管自重，取10kN/m。

各方法所得頂力計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 各方法所得頂力計(jì)算結(jié)果表 單位:kN

綜上，出于安全以及工作效益考慮，取頂進(jìn)力F=1381.2kN。

4 施工要點(diǎn)

4.1 建材選擇

根據(jù)施工和今后運(yùn)行檢修要求，管材選用外徑1000mm壁厚100mm工廠化預(yù)制專用高強(qiáng)度承插式鋼筋混凝土管。

4.2 施工準(zhǔn)備

(1)由于大壩位置偏遠(yuǎn)，相關(guān)機(jī)器設(shè)備的運(yùn)輸前需要對(duì)大壩附近路段進(jìn)行一定程度的平整與改造。

(2)處理好原有閘門漏水，并利用老涵洞做頂管施工期導(dǎo)流。

(3)測(cè)出涵洞中心位置，以利于新涵洞軸線定位。

(4)在大壩背水坡護(hù)壩平臺(tái)上設(shè)置好頂管工作坑。工作平面尺寸為5m×3m，坑底用混凝土澆筑，并安裝頂管路軌，坑的左、右、前三面均用方木支護(hù)，以防坍塌。(5)根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果，頂管動(dòng)力采用2000kN液壓頂管機(jī)，要求后座墻要牢固，以便承受頂管的反力[8]。

4.3 施工要點(diǎn)與質(zhì)量控制

(1)控制好挖土與頂進(jìn)速度。管內(nèi)向前挖土掘進(jìn)過程中，每前進(jìn)2～3m，棄土經(jīng)定制的小拖車向后送至工作坑并吊出坑外。挖土與頂管要嚴(yán)格按照“少挖勤頂”的原則，每次掘進(jìn)與頂管進(jìn)度至少為30cm左右。

(2)注意及時(shí)糾正偏斜。在頂管過程中多測(cè)量及時(shí)糾正偏斜，當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件較好時(shí)，每2m左右測(cè)量一次；遇到土質(zhì)不均情況時(shí)，每頂進(jìn)50～100cm測(cè)量一次；當(dāng)出現(xiàn)偏差時(shí)，每頂進(jìn)30cm左右測(cè)量一次。當(dāng)偏差在1～3cm時(shí)應(yīng)及時(shí)糾正。糾偏應(yīng)在頂管行進(jìn)過程中，嚴(yán)禁在停止?fàn)顟B(tài)下進(jìn)行。較大偏差需分次逐步進(jìn)行修正。

(3)消除誤差后再頂進(jìn)過程中應(yīng)注意不要碰到測(cè)量?jī)x器，同時(shí)應(yīng)注意后座的工作情況，不能有裂縫、位移、變形等。

5 結(jié)語

目前，由于設(shè)備制作工藝以及技術(shù)理論發(fā)展限制，頂管技術(shù)尚未在我國(guó)市政工程以及水利工程中得到大規(guī)模的應(yīng)用。從本文設(shè)計(jì)結(jié)果以及安全角度看，頂管技術(shù)應(yīng)用在水利工程均質(zhì)土壩的除險(xiǎn)加固中是十分合理、安全且經(jīng)濟(jì)的。利用頂管技術(shù)對(duì)均質(zhì)土壩的老涵洞進(jìn)行更新，這樣不僅對(duì)周遭環(huán)境的影響很小，不會(huì)引發(fā)周圍山體滑坡；同時(shí)對(duì)壩體本身的影響也是微弱的，以免破壞主壩體的完整性與安全性；最后，利用頂管技術(shù)避免了大面積的開挖，從而達(dá)到經(jīng)濟(jì)高效的目的。因此，將頂管技術(shù)應(yīng)用在水利工程中大有可為。

[1] 余彬泉, 陳傳燦. 頂管施工技術(shù), 北京: 人民交通出版社, 2003.

[2] JC/T 640- 1996. 頂進(jìn)施工法用鋼筋混凝土排水管標(biāo)準(zhǔn)[S].

[3] 高鵬舉. 頂管技術(shù)在市政地下管道施工中的應(yīng)用技術(shù)[J]. 科技資訊, 2010(30): 110.

[4] 李敏. 頂管技術(shù)在排水管道施工中的應(yīng)用[J]. 科技資訊, 2010(19): 130.

[5] 汪海洋. 湛江供水樞紐管道穿越南三河段設(shè)計(jì)與施工[J]. 水利規(guī)劃與設(shè)計(jì), 2015(09): 124- 127.

[6] 李德文. 長(zhǎng)距離PCCP頂管的設(shè)計(jì)和應(yīng)用[J]. 水利規(guī)劃與設(shè)計(jì), 2017(06): 99- 103.

[7] 夏永發(fā). 輸水管道頂管施工在不同因素下的地表沉降分析[J]. 水利技術(shù)監(jiān)督, 2017, 25(04): 108- 110.

[8] 韓艷麗. 南水北調(diào)配套工程頂管內(nèi)力及配筋計(jì)算[J]. 水利技術(shù)監(jiān)督, 2017, 25(04): 128- 131.