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頂管在水利取水工程中的應(yīng)用

文檔作者：賴真義文檔來源：廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院		點擊數(shù)：	更新時間： 2024年06月07日
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第54卷第2期
2018年2月
甘肅水利水電技術(shù)
GANSU WATER尉隅DURCES ANDHYDROPOWER TECⅡNOLOGY
V01．54．No．2
Feb．．2018
DOl：10．19645／j．issn2095—0144．2018．02．0012．
頂管在水利取水工程中的應(yīng)用
賴真義
(廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院，廣東廣州510635)
摘要：頂管法施工技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用越來越廣泛，對于一些施工時存在地質(zhì)斷層、庫區(qū)水位高、圍巖不穩(wěn)定等施
工條件限制大的有壓隧洞取水工程，采用頂管法進(jìn)行施工對于解決工程中所遇的難點有良好的效果。結(jié)合工程實例，介
紹了頂管法的應(yīng)用及相關(guān)設(shè)計過程，對于同類型工程具有很大的可參考性。
關(guān)鍵詞：頂管；地質(zhì)斷層；庫區(qū)水位高；圍巖不穩(wěn)定
中圖分類號：Tv674；Tv52 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號：2095一0144(2018)02一0046—04
1 工程概況
河源市區(qū)水源工程是以生活用水、生產(chǎn)用水為
主的城區(qū)供水工程。本工程是河源市十項民心工程
之一。工程輸水規(guī)模為64萬m3／d。新豐江水庫原水
自取水口進(jìn)人取水隧洞，取水口設(shè)一座單孔取水
閘，閘孔尺寸為3．0 m×3．6 m(寬×高)，設(shè)計運(yùn)行
水位為116．00 m，閘底板高程為86．20 m，設(shè)計運(yùn)行
水深29．80 m，取水隧洞全長l 788 m，洞徑3 600
mm，為圓形有壓過水隧洞。隧洞出口接入主干管，主
干管長588 m，沿著桂山公路一側(cè)布置，管徑為DⅣ
3 600 mm；主干管末端接入分水口，分水口位于緊
靠南水廠的桂山大道。分水口至北水廠管線，為北
支管；至南水廠管線，為南支管。
由于供水對象河源市屬大城市，重要性屬于
“重要”。同時，隧洞取水口在水庫內(nèi)，新豐江水庫屬
I等大(1)型工程，取水口為大壩外獨(dú)立建筑物，按
照供水工程進(jìn)水口重要性屬于“重要”。因此本工程
等別為Ⅱ等，工程規(guī)模為大(2)型，建筑物級別為2
級。
2取水口工程地質(zhì)
2．1 地質(zhì)分類
根據(jù)對應(yīng)地質(zhì)鉆孔，取水隧洞進(jìn)口段圍巖為全
風(fēng)化花崗巖、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，局部穿越中風(fēng)化、微風(fēng)
化花崗巖、孤石；地質(zhì)復(fù)雜多變、軟硬夾雜交替。表
層有2—3 m厚的坡積層粉質(zhì)黏土；進(jìn)口處有5條
斷層通過，寬度為o．5～3 m不等，影響帶寬為2。4
m，擠壓破碎，石英脈充填，膠結(jié)較差，延伸較長；其
中3條斷層與隧洞軸線交角較小，對隧洞進(jìn)口工程
地質(zhì)條件影響較大。取水隧洞進(jìn)口段圍巖穩(wěn)定性差，
抗沖刷能力弱，圍巖等級為V類。
2．2水文地質(zhì)條件
取水隧洞內(nèi)地下水以基巖裂隙水為主，少部分
為孑L隙性潛水。基巖裂隙水賦存于各種基巖裂隙之
中，巖體主要通過斷層、裂隙儲存和導(dǎo)送地下水。沖
溝底部基巖裂隙中常有少量水滲出，基巖面潮濕。地
下水的補(bǔ)給來源以大氣降水為主，水位隨季節(jié)的變
化而變化。由于受到裂隙和斷層的控制，基巖裂隙含
水不均，局部具微承壓現(xiàn)象。
3取水口段隧洞方案比選
3_1 施工條件
由于取水口受新豐江庫區(qū)控制影響，根據(jù)施工
進(jìn)度安排，取水口段施工宜安排全年施工。故取水
口施工水位為5年一遇全年最高庫水位113．0 m。
取水口閘室(閘室進(jìn)口樁號0+005．000)閘底高程
86．20 m，施工豎井(施工豎井出口樁號0+089．250)
井底高程85．69 m。取水閘至施工豎井距離84．25
m，兩者連接隧洞長度73．0 m。取水閘采用灌注樁
地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)已施工完畢，施工豎井于施工
0+089．250之后隧洞時先前施工完畢。平面布置如
圖1所示。
收稿日期：2018—02—07
作者簡介：賴真義(1986一)，男，廣東梅州人，工程師，學(xué)士，主要從事水利工程設(shè)計，E—mail：lai．zy@gpdiwe．com。
·46·
萬方數(shù)據(jù)
第2期賴真義：頂管在水利取水工程中的應(yīng)用第54卷
圖1 取水口O+005．000～O+089．250段平面布置
3．2方案對比
由于取水口0+005．000～0+089．250段工程特
殊及地質(zhì)條件復(fù)雜，施工時庫區(qū)水深較高，達(dá)26．80
m，為確保取水口段隧道施工的安全性和穩(wěn)定性，必
須采取可靠的安全技術(shù)方案。若按常規(guī)開挖、支護(hù)
方法施工，施工過程中將面臨突水的施工風(fēng)險，同時
施工方法復(fù)雜并且施工進(jìn)度慢。因此主要從安全、
進(jìn)度、投資三方面對各方案經(jīng)行對比。
方案一：常規(guī)隧洞開挖。該方案采用新奧法施
工，隧洞開挖臨時支護(hù)后用筑模臺車進(jìn)行砼襯砌。
安全上，若不采取有效的防滲措施，開挖后裂隙水帶
走裂隙里的泥砂，并在水庫水壓力的作用下，裂隙就
變成流水通道，水庫水大量涌入開挖隧洞，易發(fā)生涌
水和隧洞塌方，出現(xiàn)突水事故，安全風(fēng)險很大；進(jìn)度
上，該段施工地質(zhì)斷層多，滲水量大或遇孤石等，為
盡可能確保安全，只能采取短進(jìn)尺和及時初期支護(hù)，
平均每天進(jìn)尺30—40 cm，進(jìn)度緩慢；投資上，需增
加管棚或超前預(yù)支護(hù)等措施。
方案二：灌注樁連續(xù)墻加固。該方案先采用灌
注樁連續(xù)墻加固隧洞兩側(cè)后再進(jìn)行隧洞開挖施工
(新奧法)。安全上，由于增加了灌注樁連續(xù)墻具有
很好的防滲效果，能有效控制突水風(fēng)險，與方案一相
比，安全風(fēng)險降低很多。施工安全風(fēng)險為中等；進(jìn)度
上，由于灌注樁連續(xù)墻防滲效果好結(jié)構(gòu)性強(qiáng)，施工速
度略快于方案一，但灌注樁連續(xù)墻占用施工工期。
投資上，由于灌注樁連續(xù)墻費(fèi)用大，故該方案投資較
大。
方案三：泥水平衡頂管。該方案以施工豎井作
為工作井，取水閘作為接收井，采用泥水平衡式頂
管，管材采用鋼管。安全上，使用泥水平衡頂管，可
有效解決滲水和坍塌的問題，有效避免發(fā)生突水等
事故。對比方案一及方案二可有效降低安全風(fēng)險，
安全風(fēng)險為極??；進(jìn)度上，正常每天進(jìn)尺大于3 m，
但因地質(zhì)因素或施工過程遇孤石造成刀盤磨損嚴(yán)
重時，存在刀盤難于更換問題。投資上，費(fèi)用比方案
一稍高。
方案四：鋼管作為內(nèi)襯開挖。該方案先采用旋噴
樁在隧洞兩側(cè)形成止水帷幕后再進(jìn)行隧洞開挖施
工。安全上，該段隧洞處于斷層破碎帶(采取鋼管襯
砌)，由于仍需采用新奧法進(jìn)行施工。雖然采取了帷
幕止水，但在隧洞掌子面開挖作業(yè)至巖層破碎帶時，
發(fā)生塌方事故的可能性依然存在。故該方案僅比方
案一安全。進(jìn)度上，進(jìn)度比方案三慢。投資上，費(fèi)用比
方案三稍高。
方案五：手掘式頂管。該方案工作井、接收井布
置及管材與方案三一致，采用手掘式頂管。將工具管
端頭用鋼板縱橫劃分成9個網(wǎng)格，9個網(wǎng)格獨(dú)立開
挖。工具管端頭制作時，每格加上門邊，并設(shè)9個封
門，如發(fā)生滲水等現(xiàn)象，可將封門關(guān)上，并可通過封
門的預(yù)留孑L進(jìn)行注漿加固。工具管端頭網(wǎng)格劃分如
·47·
萬方數(shù)據(jù)
2018年第2期甘肅水利水電技術(shù)第54卷
圖2所示。安全上，在施工開挖時，先開挖第1—8
區(qū)，最后開挖第9區(qū)?？梢杂行Ы鉀Q孤石、開挖過程
中出現(xiàn)滲水和坍塌的問題，避免發(fā)生突水等事故。
對比方案一及方案二可有效降低安全風(fēng)險，安全風(fēng)
險為較??；進(jìn)度上，每天進(jìn)尺大于3 m，略慢與方案
三。投資上，費(fèi)用較其他方案為最少。
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2 9 6
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圖2工具管端頭網(wǎng)格劃分
通過以上對比，從安全、進(jìn)度、投資三方面綜合
考慮，方案五為最佳方案。因此該段施工采用手掘
式頂管方案。
140
130
120
110
E
犁100
齷
90
80
70
60
4頂管設(shè)計
4．1 取水口段頂管具體方案
頂筆箍工以隧慟缸[豎井(豎井電已哥癌號：0+093750)
作為工作井，取水閘(取水閘中心樁號：O+011．ooo)
作為接收井進(jìn)行頂進(jìn)。根據(jù)設(shè)計要求，頂管總長度為
73．80 m，頂進(jìn)坡度為0．70％，頂管采用DⅣ3600鋼
管，壁厚為40 mm，管材采用Q235B。因隧洞施工豎
井作為頂管工作井工作空間有所限制，故頂管管節(jié)
長度定為4 m。鋼管的外防腐設(shè)計采用環(huán)氧玻璃鱗
片涂料，干膜厚度為O．6 mm；內(nèi)防腐設(shè)計采用環(huán)氧
飲水涂料，干膜厚度為0．3 mm。頂管施工時如遇孤
石或弱風(fēng)化巖石，則采用人工挖除掘進(jìn)，同時為確保
掘進(jìn)斷面的穩(wěn)定性，防止工作面發(fā)生大范圍坍塌、減
少爆破震動對圍巖結(jié)構(gòu)破壞影響，采用液壓劈裂機(jī)
預(yù)裂或靜態(tài)爆破施工工藝。頂管設(shè)計縱斷面如圖3
所示。
圖3頂管設(shè)計縱斷面圖
4．2工作井允許頂力
工作井在頂力作用下，如頂力超過井后被動土
壓力，工作井位移很大，就會造成頂管失穩(wěn)，甚至發(fā)
生事故。因此需要核算井后土體允許頂力。土體允許
頂力R按參考文獻(xiàn)【1】中下列公式進(jìn)行核算。工作井
·48·
(圓形)豎截面尺寸如下圖4所示。
R≤f(O．8艮一E哪t)
Epk=(3／4)7r航f^
E吼k_(3／4)7r瓶f矗k
亭=(危廠I危廠危。I)／hf
萬方數(shù)據(jù)
第2期賴真義：頂管在水利取水工程中的應(yīng)用第54卷
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呈陽
1笛
會，U日&amp;amp;
圖4工作井(吲形】豎截囪尺寸
ltFn|3
根據(jù)地質(zhì)報告，該位置土體重度7=1 8．5 kN／m3，
凝聚力C=20 kPa，摩擦角幣=25。。其中。厶為最大
被動土壓力以=l 899．76 kN／m2如為最大主動土壓
力／毒=277．11 kN／m2；亭為考慮合力作用點可能不一
致的折減系數(shù)，f=O．778；最后可得，R≤112 762 kN。
實際施工時，采用4個400 t的千斤頂作業(yè)，上下
左右各兩個，額定最大頂力為1 600 t，即16 000 kN。
工作井土體最大允許頂力為112 762 kN>16 000 kN，
故滿足施工要求。工作井結(jié)構(gòu)計算一般采用計算程
序軟件進(jìn)行計算，也可按參考文獻(xiàn)?中的方法進(jìn)行
結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算，不再贅述。
4．3管材允許最大頂力
鋼管除進(jìn)行運(yùn)行使用下各工況結(jié)構(gòu)驗算外，同
時還需確定頂管施工時鋼管結(jié)構(gòu)允許的最大頂力。
鋼管允許的最大頂力按照參考文獻(xiàn)[2】中的以下公式
進(jìn)行計算確定： 玩：掣斛。
yod
其中，西。為鋼材受壓強(qiáng)度折減系數(shù)，可取1．0；咖，為
鋼材脆性系數(shù)，可取1．0；也為頂管穩(wěn)定系數(shù)，可取
0．36；‘為鋼材受壓強(qiáng)度設(shè)計值，按照參考文獻(xiàn)[31可查
得本方案對應(yīng)強(qiáng)度設(shè)計值為205 N／mm2；A。為管道
最小有效傳力面積，對于本方案An．4．57×105 mm2；
y州為頂力分項系數(shù)，可取1．3；以上數(shù)值代人式中，
B。=25 967．15 kN。
施工時頂進(jìn)設(shè)備額定最大頂力為16 000 kN。
因此鋼管允許的最大頂力滿足實際施工要求。
4．4頂管施工總頂力估算
管道的總頂力可按參考文獻(xiàn)12】中的下列算式估
算，算式適用于使用減阻泥漿的頂管。
P=盯DL100NF
，vF=(7r／4)D觥(網(wǎng)格端面)
其中，D。為管道外徑，為3．68 m；￡為管道設(shè)計頂進(jìn)
長度，取73．80 mi‘為管道外壁與土的平均摩阻力，
頂進(jìn)時采用膨潤土觸變泥漿護(hù)壁，取值12 kN／mz；
D。為頂管機(jī)外徑，為3．60 m；a為網(wǎng)格截面參數(shù)，取
0．8；R為擠壓阻力，取400 kN／m2；以上數(shù)值代人式
中可得，P：13 495．68 kN。
施工時采用千斤頂設(shè)備額定最大頂力為
16 000 kN，則實際工作頂力約為額定最大頂力的
85％，故所選設(shè)備滿足要求。施工總頂力小于工作井
允許頂力及管材允許最大頂力，因此不需要加設(shè)中
繼間。
5結(jié)語
該取水口段隧洞采用手掘式頂管進(jìn)行施工，能
較好解決取水口段在高水頭壓力下洞穿斷層破碎帶
從而帶來的施工風(fēng)險，并能確保工程施工進(jìn)度。
頂管施工至樁號O+026．000～0+048．000段時，
遇孤石并出現(xiàn)了滲水與塌方，因此撤離人員并停止
了頂管施工。此段隧洞兩側(cè)采用旋噴樁止水帷幕及
洞內(nèi)進(jìn)行固結(jié)灌漿后繼續(xù)施工，頂管施工如期完成。
現(xiàn)今該段隧洞已進(jìn)行整體驗收并通水，事實證明工
程采用手掘式頂管施工是成功的。
參考文獻(xiàn)：
[1]葛春輝．頂管工程設(shè)計與施工[M】．北京：中國建筑工業(yè)出
版社，2012．
[2]cEcs 246：2008：給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程【s】．
[3]GB 50017—2003：鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范【S】．
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社，1998．
[5]陳希哲．土力學(xué)地基基礎(chǔ)[M]．第4版一E京：清華大學(xué)出版
社．20()4．

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