隧洞变顶管设计方案研究

王宝存

（安徽省水利水电勘测设计研究总院有限公司 合肥 230088）

1 概述

1.1 工程概况

港口湾灌区工程是纳入国务院172 项重大节水供水工程的新建大型灌区项目，位于安徽省宣城市。其中佟李干渠L6+772～7+204 采用隧洞方式通过，并通过16m 暗涵与上下游渠道相连，隧洞纵坡1 ∶5000，断面形式为马蹄形，孔口尺寸3.8m×3.8m（宽×高），设计水深2.25m，设计灌溉流量8.20m3/s，加大水深2.68m，加大流量10.25m3/s。

隧洞围岩为泥质砾卵石、砂砾卵石层及泥质粉砂岩，围岩级别V 级，成洞困难，变形严重。初步设计阶段，洞口采用除底板外全环大管棚进行超前支护，洞外为60cm 厚混凝土明拱，明拱内置三榀钢拱架，洞口坡面进行挂网喷护；洞内采用超前注浆小导管加固顶拱并对强透水卵砾石层进行压力注浆，隧洞开挖后立即进行初期喷护，再用钢拱架锚喷网联合支护。

1.2 顶管设计缘由

（1）隧洞进口征地范围内有7座坟墓，拆迁困难。

（2）隧洞进口附近有水塘一处，而明渠段暂未招标实施，村民因附近水田灌溉需要，不同意施工期间放干水塘。

（3）该段围岩条件差，洞挖施工风险较高。

因前期征地拆迁等占用较多时间，为保证工程按期完工，拟将隧洞施工方案调整为顶管施工，加快施工进度。物理力学指标见表1。

表1 物理力学指标表

2 顶管方案设计

2.1 水力计算

根据水工隧洞设计规范，对长度大于或等于洞前渠道正常水深15 倍的长洞，洞身过流能力按明渠均匀流公式计算：

式中：Q—过水流量（m³/s）；

A—过水断面面积；

n—糙率，取0.014；

i—洞底坡降，1/5000；

R—水力半径，m；

A—过水断面面积，m2。

进口水面降落、出口水面回升根据能量方程按照以下公式计算：

Z1=（1+ξ1）（V2-V12）/2g

Z2=（1-ξ2）（V2-V22）/2g

式中：Z1—进口水面跌落，m；

Z2—出口水面回升，m；

V、V1、V2—洞内流速、上游渠道流速、下游渠道流速，m/s；

ξ1，ξ2—进、出口水头损失系数，分别取0.2、0.5。

顶管洞身采用两根内径为3m 的钢筋混凝土圆管，分别与上游渠道、下游箱涵设置长21m、9m 衔接段，故衔接段局部水头损失需一并计算考虑，进口衔接段局部水头损失0.016m，出口衔接段局部水头损失0.026m。

为避开隧洞进口段坟墓和水塘，顶管段往明渠段延伸，经布置顶管段长度516m。顶管段纵坡取1/6000，经计算圆管断面、水面以上净空面积，净空高度均可以满足过流及横断面净空面积及高度要求，见表2。

表2 水力计算复核成果表

2.2 管道结构计算

本次顶管管道为内径D0=3000mm 的钢承口管，壁厚t=300mm。结构计算包含二种计算工况，每个工况均进行承载能力极限状态强度计算和正常使用极限状态验算。

工况1：空管期（管自重+竖向、侧向土压力+外水压力+地面堆积荷载或地面车辆轮压传递荷载）。

工况2：使用期（管自重+竖向、侧向土压力+外水压力+内水压力+地面堆积荷载或地面车辆轮压传递荷载）。

2.2.1 顶管管道上竖向土压力标准值

式中：

Fsv—管顶竖向土压力标准值（kN/m2）；

Cj—竖向土压力系数；

γsi—管道上部i 层土层重度，单位kN/m3，地下水位以下应取有效重度；

Bt—管顶上部土层压力传递至管顶处的影响宽度，m；

D1—管道外径，取3.6m；

φ—管顶土的内摩擦角（°），取14°；

C—土的粘聚力，取地质报告中的最小值，为29.4kN/m2；

Hs—管顶至原状地面埋置深度，约22m；

Kau—原状土的主动土压力系数和内摩擦系数的乘积。

根据上述公式计算得出管顶最大竖向土压力标准值Fsv=167.3kN/m2。

2.2.2 顶管管道侧向土压力标准值

式中：Fhv—管道侧向土压力标准值（kN/m2），作用于管中心；

ka—主动土压力系数。

2.2.3 地面堆积荷载以及地面车辆轮压传递荷载

地面堆积荷载按照10kN/m2计算，因工程处无车辆通行，忽略地面车辆轮压传递荷载。

根据计算荷载，采用《给水排水工程顶管技术规程》附录B 圆形刚性管道在各种荷载作用下的内力系数计算管顶、管底、管侧断面内力值。经计算截面尺寸既满足基本构造要求，配筋率与管道标准配筋率相近，截面尺寸合适，计算的结果见表3。

表3 管道结构计算成果表

2.3 顶管施工

2.3.1 工作机设计

工作井的最小内净长度按顶管机长度或下井管节长度进行确定，并取二者的较大值：

①L = L1+ L3+ k

②L = L2+ L3+ L4+ k

式中：L—工作井的最小内净长度，m；

L1—顶管机下井时的最小长度，选用复合

式泥水平衡顶管机长5.4m；

L2—下井管节长度，钢筋混凝土管单节长度2.5m；

L3—千斤顶长度，一般可取2.3m；

L4—留在井内的管道最小长度，可取0.5m；

k—后座和顶铁的厚度及富裕安装量。顶进前可利用两侧支撑先将顶管机提前顶进一段距离，再安装后座和顶铁等，以减小工作井内净尺寸，本次取0.3m。

工作机内净宽度按下式进行计算：

B=2·D1+△D+2×（1.0～1.2）

式中：

B—工作井的内净宽度，m；

△D—顶进管道水平净距，不小于一倍管道外径，取△D=3.6m；

D1—管道外径，m。

工作井底板面深度应按下列公式计算：

H=Hs+ D1+ h

式中：

H—工作井底板面最小深度，m；

Hs—沉井处管顶覆土层厚度，为减小沉井高度，施工前将现状地面降低至27.0m；

h—管底操作空间，钢筋混凝土管可取0.5m 左右。

经计算，工作井的主要尺寸为：L=8.0m，B=13.0m，H=9.6m。

参考类似工程，沉井平面为双格形，每格内净长度L=6.2m，宽度B=8.0m；外总长L11=15.0m，外总宽L21=9.0m，结构高度H=11.9m，沉井顶面高出地面1.0m，最高地下水位位于地面（▽27.0m）以下0.5m。井壁厚t=1000mm，中隔墙厚t0=600mm，刃脚踏面宽度a=400mm，斜面宽度b=600mm，刃脚斜面高度h1=1000mm，刃脚根部与板底间距c=500mm，底板厚度h=800mm。

2.3.2 主要施工方法

（1）顶管机选型

由于顶进过程中需穿越⑤1层重粉质壤土、⑤2层泥质砾卵石和⑥层泥质砂岩层，顶进距离长且顶管阻力较大，基于以上特点，本次顶管采用岩石破碎复合式机械顶管机头，切削下来的泥土在泥土仓内形成塑性体，以平衡土压力，而在泥水仓内建立高于地下水压力10～20kPa 的泥水、泥浆，以平衡地下水压力。通过把进水添加粘土等成分的比重调整到一定范围内，即使挖掘面是砂性土质，也可形成一层结实的不透水泥膜，同时平衡地下水压力和土压力。

（2）顶管出洞口技术措施

本工程不设接收井，顶管机头到达终点应做好以下工作：

①在顶管接收端应结合明渠设暗涵并提前施工，预留好机头出洞口并安置好接收导轨，主要防止进洞后的前面几节管子产生扭曲、“磕头”等现象。

②将顶进机徐徐推入接收段内已铺设好的接收导轨上，直至混凝土管出控制线外150mm 为止。

③起重机从接收处吊出掘进机。

2.4 工程投资

隧洞方案中隧洞长度432m，工程可比投资2432.84 万元，每延米投资5.02 万元；顶管方案中顶管长度512m，工程可比投资2816.24 元，每延米投资4.95 万元。按单位长度计算二者投资相当，工程可比投资对比见表4。

表4 工程可比投资对比表

3 结论与建议

安徽省港口湾水库工程佟李干渠暗挖段由隧洞施工方案改为顶管施工方案基本可行，二者单位长度投资相当。参考设计结果总结如下：

（1）顶管方案延长了暗挖长度，相比隧洞方案减少了拆迁工作量，社会影响较小。

（2）考虑到该段围岩条件差，洞挖施工风险较高，若改为顶管施工方案可减少施工风险，节约施工工期。

（3）该施工方案变更属于重大设计变更，需报水利部重新审批，手续相对复杂。鉴于施工单位已进场，工程施工条件无明显变化，建议推迟施工工期，做好征地拆迁工作，结合隧洞进口明渠段一并施工■