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顶管在水利取水工程中的应用

文档作者：赖真义文档来源：广东省水利电力勘测设计研究院		点击数：	更新时间： 2024年06月07日
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第54卷第2期
2018年2月
甘肃水利水电技术
GANSU WATER尉隅DURCES ANDHYDROPOWER TECⅡNOLOGY
V01．54．No．2
Feb．．2018
DOl：10．19645／j．issn2095—0144．2018．02．0012．
顶管在水利取水工程中的应用
赖真义
(广东省水利电力勘测设计研究院，广东广州510635)
摘要：顶管法施工技术在水利工程中的应用越来越广泛，对于一些施工时存在地质断层、库区水位高、围岩不稳定等施
工条件限制大的有压隧洞取水工程，采用顶管法进行施工对于解决工程中所遇的难点有良好的效果。结合工程实例，介
绍了顶管法的应用及相关设计过程，对于同类型工程具有很大的可参考性。
关键词：顶管；地质断层；库区水位高；围岩不稳定
中图分类号：Tv674；Tv52 文献标志码：B 文章编号：2095一0144(2018)02一0046—04
1 工程概况
河源市区水源工程是以生活用水、生产用水为
主的城区供水工程。本工程是河源市十项民心工程
之一。工程输水规模为64万m3／d。新丰江水库原水
自取水口进人取水隧洞，取水口设一座单孔取水
闸，闸孔尺寸为3．0 m×3．6 m(宽×高)，设计运行
水位为116．00 m，闸底板高程为86．20 m，设计运行
水深29．80 m，取水隧洞全长l 788 m，洞径3 600
mm，为圆形有压过水隧洞。隧洞出口接入主干管，主
干管长588 m，沿着桂山公路一侧布置，管径为DⅣ
3 600 mm；主干管末端接入分水口，分水口位于紧
靠南水厂的桂山大道。分水口至北水厂管线，为北
支管；至南水厂管线，为南支管。
由于供水对象河源市属大城市，重要性属于
“重要”。同时，隧洞取水口在水库内，新丰江水库属
I等大(1)型工程，取水口为大坝外独立建筑物，按
照供水工程进水口重要性属于“重要”。因此本工程
等别为Ⅱ等，工程规模为大(2)型，建筑物级别为2
级。
2取水口工程地质
2．1 地质分类
根据对应地质钻孔，取水隧洞进口段围岩为全
风化花岗岩、强风化花岗岩，局部穿越中风化、微风
化花岗岩、孤石；地质复杂多变、软硬夹杂交替。表
层有2—3 m厚的坡积层粉质黏土；进口处有5条
断层通过，宽度为o．5～3 m不等，影响带宽为2。4
m，挤压破碎，石英脉充填，胶结较差，延伸较长；其
中3条断层与隧洞轴线交角较小，对隧洞进口工程
地质条件影响较大。取水隧洞进口段围岩稳定性差，
抗冲刷能力弱，围岩等级为V类。
2．2水文地质条件
取水隧洞内地下水以基岩裂隙水为主，少部分
为孑L隙性潜水。基岩裂隙水赋存于各种基岩裂隙之
中，岩体主要通过断层、裂隙储存和导送地下水。冲
沟底部基岩裂隙中常有少量水渗出，基岩面潮湿。地
下水的补给来源以大气降水为主，水位随季节的变
化而变化。由于受到裂隙和断层的控制，基岩裂隙含
水不均，局部具微承压现象。
3取水口段隧洞方案比选
3_1 施工条件
由于取水口受新丰江库区控制影响，根据施工
进度安排，取水口段施工宜安排全年施工。故取水
口施工水位为5年一遇全年最高库水位113．0 m。
取水口闸室(闸室进口桩号0+005．000)闸底高程
86．20 m，施工竖井(施工竖井出口桩号0+089．250)
井底高程85．69 m。取水闸至施工竖井距离84．25
m，两者连接隧洞长度73．0 m。取水闸采用灌注桩
地下连续墙结构已施工完毕，施工竖井于施工
0+089．250之后隧洞时先前施工完毕。平面布置如
图1所示。
收稿日期：2018—02—07
作者简介：赖真义(1986一)，男，广东梅州人，工程师，学士，主要从事水利工程设计，E—mail：lai．zy@gpdiwe．com。
·46·
万方数据
第2期赖真义：顶管在水利取水工程中的应用第54卷
图1 取水口O+005．000～O+089．250段平面布置
3．2方案对比
由于取水口0+005．000～0+089．250段工程特
殊及地质条件复杂，施工时库区水深较高，达26．80
m，为确保取水口段隧道施工的安全性和稳定性，必
须采取可靠的安全技术方案。若按常规开挖、支护
方法施工，施工过程中将面临突水的施工风险，同时
施工方法复杂并且施工进度慢。因此主要从安全、
进度、投资三方面对各方案经行对比。
方案一：常规隧洞开挖。该方案采用新奥法施
工，隧洞开挖临时支护后用筑模台车进行砼衬砌。
安全上，若不采取有效的防渗措施，开挖后裂隙水带
走裂隙里的泥砂，并在水库水压力的作用下，裂隙就
变成流水通道，水库水大量涌入开挖隧洞，易发生涌
水和隧洞塌方，出现突水事故，安全风险很大；进度
上，该段施工地质断层多，渗水量大或遇孤石等，为
尽可能确保安全，只能采取短进尺和及时初期支护，
平均每天进尺30—40 cm，进度缓慢；投资上，需增
加管棚或超前预支护等措施。
方案二：灌注桩连续墙加固。该方案先采用灌
注桩连续墙加固隧洞两侧后再进行隧洞开挖施工
(新奥法)。安全上，由于增加了灌注桩连续墙具有
很好的防渗效果，能有效控制突水风险，与方案一相
比，安全风险降低很多。施工安全风险为中等；进度
上，由于灌注桩连续墙防渗效果好结构性强，施工速
度略快于方案一，但灌注桩连续墙占用施工工期。
投资上，由于灌注桩连续墙费用大，故该方案投资较
大。
方案三：泥水平衡顶管。该方案以施工竖井作
为工作井，取水闸作为接收井，采用泥水平衡式顶
管，管材采用钢管。安全上，使用泥水平衡顶管，可
有效解决渗水和坍塌的问题，有效避免发生突水等
事故。对比方案一及方案二可有效降低安全风险，
安全风险为极小；进度上，正常每天进尺大于3 m，
但因地质因素或施工过程遇孤石造成刀盘磨损严
重时，存在刀盘难于更换问题。投资上，费用比方案
一稍高。
方案四：钢管作为内衬开挖。该方案先采用旋喷
桩在隧洞两侧形成止水帷幕后再进行隧洞开挖施
工。安全上，该段隧洞处于断层破碎带(采取钢管衬
砌)，由于仍需采用新奥法进行施工。虽然采取了帷
幕止水，但在隧洞掌子面开挖作业至岩层破碎带时，
发生塌方事故的可能性依然存在。故该方案仅比方
案一安全。进度上，进度比方案三慢。投资上，费用比
方案三稍高。
方案五：手掘式顶管。该方案工作井、接收井布
置及管材与方案三一致，采用手掘式顶管。将工具管
端头用钢板纵横划分成9个网格，9个网格独立开
挖。工具管端头制作时，每格加上门边，并设9个封
门，如发生渗水等现象，可将封门关上，并可通过封
门的预留孑L进行注浆加固。工具管端头网格划分如
·47·
万方数据
2018年第2期甘肃水利水电技术第54卷
图2所示。安全上，在施工开挖时，先开挖第1—8
区，最后开挖第9区。可以有效解决孤石、开挖过程
中出现渗水和坍塌的问题，避免发生突水等事故。
对比方案一及方案二可有效降低安全风险，安全风
险为较小；进度上，每天进尺大于3 m，略慢与方案
三。投资上，费用较其他方案为最少。
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2 9 6
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图2工具管端头网格划分
通过以上对比，从安全、进度、投资三方面综合
考虑，方案五为最佳方案。因此该段施工采用手掘
式顶管方案。
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130
120
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90
80
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4顶管设计
4．1 取水口段顶管具体方案
顶笔箍工以隧恸缸[竖井(竖井电已哥癌号：0+093750)
作为工作井，取水闸(取水闸中心桩号：O+011．ooo)
作为接收井进行顶进。根据设计要求，顶管总长度为
73．80 m，顶进坡度为0．70％，顶管采用DⅣ3600钢
管，壁厚为40 mm，管材采用Q235B。因隧洞施工竖
井作为顶管工作井工作空间有所限制，故顶管管节
长度定为4 m。钢管的外防腐设计采用环氧玻璃鳞
片涂料，干膜厚度为O．6 mm；内防腐设计采用环氧
饮水涂料，干膜厚度为0．3 mm。顶管施工时如遇孤
石或弱风化岩石，则采用人工挖除掘进，同时为确保
掘进断面的稳定性，防止工作面发生大范围坍塌、减
少爆破震动对围岩结构破坏影响，采用液压劈裂机
预裂或静态爆破施工工艺。顶管设计纵断面如图3
所示。
图3顶管设计纵断面图
4．2工作井允许顶力
工作井在顶力作用下，如顶力超过井后被动土
压力，工作井位移很大，就会造成顶管失稳，甚至发
生事故。因此需要核算井后土体允许顶力。土体允许
顶力R按参考文献【1】中下列公式进行核算。工作井
·48·
(圆形)竖截面尺寸如下图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=(危厂I危厂危。I)／hf
万方数据
第2期赖真义：顶管在水利取水工程中的应用第54卷
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呈阳
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会，U日&amp;amp;
图4工作井(吲形】竖截囱尺寸
ltFn|3
根据地质报告，该位置土体重度7=1 8．5 kN／m3，
凝聚力C=20 kPa，摩擦角币=25。。其中。厶为最大
被动土压力以=l 899．76 kN／m2如为最大主动土压
力／毒=277．11 kN／m2；亭为考虑合力作用点可能不一
致的折减系数，f=O．778；最后可得，R≤112 762 kN。
实际施工时，采用4个400 t的千斤顶作业，上下
左右各两个，额定最大顶力为1 600 t，即16 000 kN。
工作井土体最大允许顶力为112 762 kN>16 000 kN，
故满足施工要求。工作井结构计算一般采用计算程
序软件进行计算，也可按参考文献⋯中的方法进行
结构内力计算，不再赘述。
4．3管材允许最大顶力
钢管除进行运行使用下各工况结构验算外，同
时还需确定顶管施工时钢管结构允许的最大顶力。
钢管允许的最大顶力按照参考文献[2】中的以下公式
进行计算确定： 玩：掣斛。
yod
其中，西。为钢材受压强度折减系数，可取1．0；咖，为
钢材脆性系数，可取1．0；也为顶管稳定系数，可取
0．36；‘为钢材受压强度设计值，按照参考文献[31可查
得本方案对应强度设计值为205 N／mm2；A。为管道
最小有效传力面积，对于本方案An．4．57×105 mm2；
y州为顶力分项系数，可取1．3；以上数值代人式中，
B。=25 967．15 kN。
施工时顶进设备额定最大顶力为16 000 kN。
因此钢管允许的最大顶力满足实际施工要求。
4．4顶管施工总顶力估算
管道的总顶力可按参考文献12】中的下列算式估
算，算式适用于使用减阻泥浆的顶管。
P=盯DL100NF
，vF=(7r／4)D觥(网格端面)
其中，D。为管道外径，为3．68 m；￡为管道设计顶进
长度，取73．80 mi‘为管道外壁与土的平均摩阻力，
顶进时采用膨润土触变泥浆护壁，取值12 kN／mz；
D。为顶管机外径，为3．60 m；a为网格截面参数，取
0．8；R为挤压阻力，取400 kN／m2；以上数值代人式
中可得，P：13 495．68 kN。
施工时采用千斤顶设备额定最大顶力为
16 000 kN，则实际工作顶力约为额定最大顶力的
85％，故所选设备满足要求。施工总顶力小于工作井
允许顶力及管材允许最大顶力，因此不需要加设中
继间。
5结语
该取水口段隧洞采用手掘式顶管进行施工，能
较好解决取水口段在高水头压力下洞穿断层破碎带
从而带来的施工风险，并能确保工程施工进度。
顶管施工至桩号O+026．000～0+048．000段时，
遇孤石并出现了渗水与塌方，因此撤离人员并停止
了顶管施工。此段隧洞两侧采用旋喷桩止水帷幕及
洞内进行固结灌浆后继续施工，顶管施工如期完成。
现今该段隧洞已进行整体验收并通水，事实证明工
程采用手掘式顶管施工是成功的。
参考文献：
[1]葛春辉．顶管工程设计与施工[M】．北京：中国建筑工业出
版社，2012．
[2]cEcs 246：2008：给水排水工程顶管技术规程【s】．
[3]GB 50017—2003：钢结构设计规范【S】．
[4]余彬泉，陈传灿．顶管施工技术【M】．北京：人民交通出版
社，1998．
[5]陈希哲．土力学地基基础[M]．第4版一E京：清华大学出版
社．20()4．

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