顶管技术在土坝除险加固工程中的应用

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1、 334顶管技术在土坝除险加固工程中的应用 顶管技术在土坝除险加固工程中的应用 袁明道 杨光华 王士恩 曾进群 （广东省水利水电科学研究院， 广州，510610） 摘 要：摘 要：某水库土坝除险加固工程应用了顶管技术，通过对顶管内压外压稳定、顶管管体配筋设计、顶推力的计算、施工期新旧管稳定等关键问题的分析计算，确定了设计技术参数，工程实践表明，顶管技术在水利工程中是可行的。 关键词：关键词：顶管 顶推力 土坝 加固除险 设计 1 前言 1 前言 顶管技术1始于 1896 年美国的北太平洋铁路铺设工程，我国在 1953 年也有应用的记载。近年来发展较快，但作为一项十分复杂的地下工程，涉及面广，考

2、虑因素多，研究内容深，我国到 目前为止还没有相应的专门规范，大多是结合地下隧洞设计479、地下管设计2以及经验设计。在水利工程56的均质土坝中的顶管设计也面临同样的问题。 某水库是一宗具有灌溉、防洪、生活用水等综合效益的小（二）型水库，大坝为均质土坝，坝顶高程 121m，坝高 17.5m，原来的旧涵管底标高 105m，最大泄洪流量 0.2/sm3。大坝始建于1958 年，存在一定的隐患，为确保工程安全运行，发挥水库工程效益，水库除险加固工程拟更新， 采用顶管方案。但顶管技术在水利工程中的应用有其特点，因此，通过水利工程的顶管技术中关 键问题的解决，确定顶管方案，解决工程难题。 2 顶管设计方案

3、 2 顶管设计方案 2.1 基本设计方案 2.1 基本设计方案 图 1 为某水库输水涵管顶管（以下称顶管）平面布置图，图 2 为土坝顶管典型断面图。设计的顶管810为钢筋混凝土非标顶管：内径为 1000mm，壁厚为 100mm，纵向受力筋为 12 根10（冷拉）均布配筋，环向按双层505 . 6（冷拔）配筋，保护层均为 20mm，C50 混凝土。 加固方案中顶管长为 110m。顶管最大埋深 20m，正常运行的最大水头为 20m。 2.2 水力条件 2.2 水力条件 土坝引用流量为 0.2/sm3，则在有压流的情况下： m/s25. 0m/s31. 0 9 .42 . 0422= =dQ AQv

4、 满足给水管道的最小流速要求。 同时，在低流速、短管的情况下，不考虑水击的影响。 2.3 受力分析 2.3 受力分析 设计计算分析中需要分析以下几个问题： （1） 施工期外压稳定： 如图 2 中 A-A 剖面所示， 对于除险加固工程， 为了确保工程顺利进行， 拟在排水后（或在低水头下）进行施工，仅承受填土荷载为最不利工况； 3350（0,0） 1530457560153045-15-30-45Y（单位：米）YX（单位：米）D1D2海漫104.0消力池102.51：0.75107.1反滤体C1C21：2.0105引水渠110115120排水沟114.71：2.75B1A2排水沟1：0.51：0.

5、5A11：4.0118.7坝肩石1：2.5E2E11：2.5现坝轴线原坝轴线124.4123.7防良墙灌浆孔1：2.0118.0300300mm，M7.5 水泥砂浆砌石F2F1 迎水坡齿墙106.0放水涵1：0.51：0.51：0.51：0.51：0.51：0.5105110115120121122123124106110125120115110130图 1 某土坝顶管施工平面布置图 现坝坡线114.725001500107.11:1.11:2.036001:2.751:2.550005400123.7校核水位123.35设计水位122.31原坝顶高程121正常水位118.72400原坝坡线现

6、坝轴线灌浆孔灌浆孔原坝轴线103.51:2.5死水位105.91990522497830047039106735ABB顶管图 2 土坝顶管典型断面图 （2）运行期尾水段内压稳定：如图 2 中 B-B 剖面所示，加固达标后可能的最大水头超过了 20m，常规的顶管工艺能否承受，内压稳定将可能成为控制因素； （3）施工期顶推力破坏：顶管施工过程中，推力的大小及方向，以及接触面的多少，直接影 响顶管的长度及可行性。 （4）施工期新旧管的稳定：施工期顶管的施工是否受旧涵管的影响，以及如何消除其影响， 是一个复杂的空间问题，尤其是原来的旧管已运行多年，需作必要的定性分析，研究其空间效应。 3 顶管技术设计

7、的关键问题 3 顶管技术设计的关键问题 在土坝顶管技术中的关键问题主要有：顶管内压外压稳定、顶管管体配筋设计、施工期的信 息化监控、顶推力的计算、顶管施工等。同时，顶管的施工还受现场的施工条件，施工工艺，设 备，以及连接段的接缝处理等各种因素的影响。本文重点讨论内压稳定、外压稳定、管体配筋设 计、顶推力值的确定等。 3.1 施工期外压稳定计算 3.1 施工期外压稳定计算 3.1.1 稳定计算简图 如图 3 所示为计算工况简图，施工时拟在原涵管排空后进行，因此仅承受填土荷载，其中0=水下H。顶管埋置于地下 20m 处，顶管将形成拱效应，所受的土压力仅为部分填土，相当于图 4336中所示水上缩H，

8、此时，HH=水上缩。 顶管在顶进过程中的支承条件为图 5 所示，结合工程实际取01202=。 3.1.2 弯矩计算 顶管所受荷载：顶管自重WF；顶管上覆填土垂直土压力vF；顶管上覆填土水平土压力HF。在以上荷载作用下，同时考虑支承条件时，在顶管的不同位置所受的弯矩组合如表 1 计算中所示。表中：F为各荷载项的计算荷载量，f为各荷载项的计算系数3， f F为相应的计算弯矩值。 H水上.H水下0D内.D外.r内.r外.r中.米海拔地面.米海拔荷载极限H缩.H水上.缩H水下0内p最大.米水柱.米水柱最小p内H总.图 3 施工期外压稳定计算简图 D外H H缩hD外2 BH45S 22S45 直 直 图

9、 4 水上缩H的计算简图 p.cos p.cos 图 5 施工中支承条件简图 337表 1 外压稳定计算弯矩值（单位：KN.m/m） 管顶 管侧 管底 荷载 荷载量(F) ff Fff F f f F1 自重WF =W中R2 1.510.350.53 -0.40 -0.61 0.40 0.612 垂直土压力vF =水上中R2 水上缩H 55.07 0.25 13.81 -0.25 -13.90 0.24 13.073 水平土压力HF =水上中R2( 水上缩H+外D/2)17.56 -0.23 -4.07 0.23 4.00 -0.19 -3.284 小计 10.26 -10.51 10.39其

10、中：m98. 7)1 ()2/45(5 . 0)2/45(5 . 0 =+=+tgtg DH etgtg DH外外则：m58. 998. 72 . 1=HH水上缩 式中：H：最大填土深度，取 20.2m；W：管子自重，取 5.0KN； ：内摩擦角，取经验值为 220 ；：侧向土压力系数，取经验值为 0.3； 水上：按粘土计，取为 193KN/m；中R：平均管径，取为 0.55m。 因此，取mKNMy=39.10，mKNMl=51.10。 3.1.3 配筋计算 顶管配筋按钢性管考虑6。单宽mmb1000=，内壁 100mm，保护层 20mm，双层505 . 6。经计算，中性轴至受压边缘距离mmx

11、1 .21=，截面惯性矩mmI61096.14=。 因此，混凝土受压应力： 22 66 /5 .23/6 .141096.141 .21104 .10mmNmmNIxMy y=。满足要求。 3.2.2 抗裂验算 按荷载效应的长期组合进行抗裂验算时计算，因此： 340NAEEbhfAfs cs tcttct5 01045. 1)(=+= 式中：ct：荷载效应的长期组合系数，取 0.7；tf：混凝土的抗拉设计强度值； 因此，NNNAftct55 01002. 11045. 1=，抗裂满足要求。 可以认为，作为一种偏于安全的不利工况组合，内水压力工况下的配筋是能够满足要求的； 其抗裂也是符合要求的。

12、 3.3 施工期顶推力破坏 3.3 施工期顶推力破坏 顶管施工过程中的推力是一项关键的参数。 3.3.1 采用土压式顶管施工法1 在考虑加入触变泥浆的条件下，顶推力为： LCDWqDNDLfFF )(2 .130000外外外+=+= 式中： 0N：标准贯入值，0N=5；外D ：管外径 1.2m；L：顶管长度 100m； ：管与土的摩擦系数，0.1943；C：管与土之间的粘着力，10KPa； q：土周边均布荷载，求得 29.48KPa；0W：每米管的重力，求得 8.64KN/m； 因此， NKNLCDWqDNDF62001079. 66786110102 . 11943. 0)64. 848.2

13、92 . 1(52 . 12 .13 )(2 .13=+=+=外外外3.3.2 采用手掘式顶管施工的经验计算 NKNRSLFF6 01018. 53 .517611077. 312200=+=+= 式中：R：综合摩擦阻力 12KPa；S：管外周长 3.77m；0F：初始推力 200KPa。 3.3.3 推力验算 通 过 对 土 压 式 顶 管 施 工 和 手 掘 式 顶 管 施 工 两 种 工 艺 的 对 比 计 算 ， 推 力 暂 取 为NF61079. 6=。 钢筋按 12 根10布置，29425 .7812mmAs=。若取 100mm 壁厚，则可承受的压力为： NNAfAfNsyc662

14、21079. 61036. 8942250)10001200(45 .23=+=+=cf、 yf ：混凝土、钢筋的抗压设计强度值。 3.3.4 推力分析 因此，满足要求。施工中应做好定位工作，确保在正常施工条件下，压力点落在压力核心内。341需要说明的是，按以上计算，内径与外径比：833. 02 . 1 0 . 1=，不会出现大偏心。 表 4 管长对顶推力影响分析表 （顶推力单位：N610） mL110= mL100=mL80= mL70= 土压式 6.79 6.18 4.96 4.35 手掘式 5.18 4.72 3.82 3.37 表 5 摩阻力对顶推力(手掘式)影响分析表 （顶推力单位：

15、N610） R(KPa) 14 12 10 8 F(mL80=) 4.42 3.82 3.22 2.61 表 4、表 5 表明，顶管长度、摩阻力对顶推力的影响是较大的。优化确定顶管的管长取 80m，采用手掘式施工工艺，顶推力值为 3.82N610。 3.4 施工期新旧管的稳定分析 3.4 施工期新旧管的稳定分析 图 8 相邻平行顶管推进的力学简图 图 9 不同管距时附加荷载的变化图 图 10 不同埋深时附加荷载的变化图 考虑两条邻近平行顶管施工引起的附加荷载，是一个十分复杂的动态三维过程。图 8，左侧 1#为旧管，右侧 2#为新管。其中：D 为管道直径；L 为管道间净距；h 为管道埋深；P 为管道正面 附加推力。 从图 9、图 10 中可以得知：新管的施工对于旧管的影响主要是在两管的管距，埋深的影响较 小。因此，本工程要求不得小于 6 m 进行顶管的施工，从理论和实践中，可以保证旧管不受影响。 4 结论 4 结论 顶管设计中的总体思路是可行的，对于解决除险加固工程是有实用意义的；通过对顶管内压342外压稳定、顶管管体配筋设计、顶推力的计算、施工期新旧管稳定等关键问题的分析计算，确定 了设计技术参数，工程实践表明，顶管技术