樊秉更 李生惠

（呂梁市水利局）

1 頂管穿越技術(shù)及其發(fā)展

頂管穿越是一種不開挖或者少開挖的管道埋設(shè)施工技術(shù)，其要義就是在設(shè)定的工作坑內(nèi)，借助于專用設(shè)備產(chǎn)生的頂力，克服管道與周圍土體的摩擦力，將需要埋設(shè)的管道按設(shè)計(jì)的坡度頂入土中，然后將管內(nèi)的土方去除，從而完成工程施工。這種施工技術(shù)，通常稱為非開挖技術(shù)，屬國際上近20多年來才興起的一種地下管線施工新技術(shù)。其最大特點(diǎn)是，在施工過程中對地表擾動范圍小，經(jīng)濟(jì)節(jié)省，生態(tài)環(huán)保。

20世紀(jì)90年代中期以來，頂管穿越技術(shù)在我國應(yīng)用發(fā)展很快，特別是在沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，廣泛應(yīng)用于城市地下排水管道、天然氣與石油管道、通訊電纜等鋪設(shè)工程施工中。經(jīng)過不斷研究探索，無論在工程技術(shù)上、頂管設(shè)備上，還是在施工工藝上，均取得了很大的發(fā)展與進(jìn)步，在某些方面甚至已達(dá)到了世界領(lǐng)先水平?，F(xiàn)已在我國水利輸水、天然氣輸送、交通通訊等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，且保持著高速增長勢頭。

2 研究目的及意義

淤地壩是黃土高原地區(qū)小流域綜合治理中的一項(xiàng)重要溝道攔擋工程，也是最后一道防線，起著滯洪攔泥、淤地造田、控制溝蝕等不可替代的作用。目前，呂梁市的大中型淤地壩，大部分樞紐組成為大壩、放水建筑物“兩大件”，由于地基的不均勻沉陷、有壓過水等原因，部分淤地壩出現(xiàn)泄水涵洞剛性損毀，呈現(xiàn)病險狀況，致使涵洞不能正常出流，嚴(yán)重威脅安全運(yùn)行。針對呂梁市淤地壩輸水涵洞毀壞狀況，通常采用壩體大開挖的方式進(jìn)行修復(fù)。但這種修復(fù)方法，存在三大問題：一是開挖工程量大，修復(fù)造價較高，不經(jīng)濟(jì)；二是施工期較長，影響已成壩地的耕作生產(chǎn)；三是在施工過程中存在著安全隱患。為此，探求新的淤地壩損毀涵洞快速修復(fù)技術(shù)必要而迫切。據(jù)調(diào)查，國內(nèi)已有將頂管穿越技術(shù)應(yīng)用于病險淤地壩改造的先例。為了快速、經(jīng)濟(jì)、有效地解決我市淤地壩輸水涵洞損毀修復(fù)問題，保證防汛安全，達(dá)到正常運(yùn)行的目的，開展頂管穿越涵洞試驗(yàn)研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

3 立項(xiàng)背景與過程

2013年以來，我省對已建成運(yùn)行的大中型淤地壩進(jìn)行了安全普查認(rèn)定工作，確認(rèn)有1 020座淤地壩處于病險狀態(tài)，其中骨干壩729座，中型壩291座，涉及全省9市48縣。在1 020座病險淤地壩中，放水建筑物完整性發(fā)生變化或局部損毀的有204座，占到20%。山西省的淤地壩工程，主要分布在以呂梁山為主體的晉西黃土丘陵區(qū)，呂梁市是最為主要的區(qū)域。據(jù)調(diào)查，呂梁市共有大中型病險淤地壩488座，其中骨干壩312座，中型壩176座，涉及全市的10個縣。在全市的病險淤地壩中，由于各種原因，輸水涵洞完整性發(fā)生變化或局部損毀的有120座，占到27%。若不及時修復(fù)，將會影響淤地壩的安全運(yùn)行，由此造成的經(jīng)濟(jì)損失與負(fù)面影響將難以預(yù)料。

針對這種情況，2016年11月29日，呂梁市水利局以呂水技術(shù)[2016]281號《關(guān)于申報山西省水利科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目計(jì)劃的請示》，向省水利廳申報了《呂梁山區(qū)淤地壩頂管穿越涵洞試驗(yàn)》科技項(xiàng)目。2017年7月12日，山西省水利廳以晉水財(cái)務(wù)[2017]239號文件，將《呂梁山區(qū)淤地壩頂管穿越涵洞試驗(yàn)》列為2017年度重點(diǎn)水利技術(shù)研究與推廣項(xiàng)目計(jì)劃，安排研究經(jīng)費(fèi)35萬元，由呂梁市水土保持技術(shù)推廣服務(wù)站實(shí)施。

4 試驗(yàn)研究內(nèi)容與方法

4.1 研究內(nèi)容

淤地壩頂管穿越涵洞實(shí)驗(yàn)，是針對輸水涵洞剛性變形后，洞身出現(xiàn)裂縫或涵洞側(cè)墻沉陷現(xiàn)象，將鋼管焊接后穿入損壞的涵洞，在涵洞與鋼管之間的空間分?jǐn)?shù)次灌漿封閉，以鋼管代替涵洞恢復(fù)其功能。具體研究內(nèi)容包括以下方面：

（1）針對均質(zhì)土壩不同壩型（大、中）的損毀涵洞修復(fù)，頂管施工工作坑開挖形狀與斷面尺寸；

（2）損毀涵洞修復(fù)的頂管設(shè)備選型與管徑選擇；

（3）適宜于鋼管連接的焊接方法；

（4）頂管施工工藝操作技術(shù)；

（5）頂管施工結(jié)束后，管周與涵洞之間的灌漿封閉工藝方法。

通過以上內(nèi)容的試驗(yàn)，提出淤地壩頂管穿越修復(fù)損毀涵洞的一整套施工技術(shù)，為眾多淤地壩損毀涵洞修復(fù)提供技術(shù)支撐。

4.2 研究方法

開展淤地壩頂管穿越修復(fù)損毀涵洞技術(shù)試驗(yàn)研究，宜采用調(diào)查研究與定位實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法與技術(shù)路線。據(jù)調(diào)查了解，在淤地壩損毀涵洞修復(fù)中，孝義市曾采用過鋼管穿洞，我們組織相關(guān)研究人員前往實(shí)地調(diào)研，具體了解了有關(guān)情況與施工技術(shù)參數(shù)，為完善研究思路與方法做好儲備。在定位試驗(yàn)上，經(jīng)過實(shí)地考察，考慮到交通、水電等施工因素，選定地處黃土丘陵溝壑區(qū)第一副區(qū)的呂梁市柳林縣王家溝鄉(xiāng)楊家溝村的骨干淤地壩作為試驗(yàn)壩，壩名為楊家溝骨干壩。

5 試驗(yàn)淤地壩簡況

試驗(yàn)淤地壩—楊家溝骨干壩，始建于1998年11月，先是一座小型淤地壩，后在運(yùn)行的基礎(chǔ)上改建為骨干壩，并于2000年9月竣工投入運(yùn)行。壩控流域面積3.42 km2，壩型為均質(zhì)土壩，樞紐由大壩、放水建筑物、溢洪道“三大件”組成，放水建筑物和溢洪道均布置在右岸。洪水標(biāo)準(zhǔn)為20 a（P=5%）一遇設(shè)計(jì)，200 a（P=0.5%）一遇校核。壩高15 m，壩頂（高程865 m）寬度4 m，壩頂長96.5 m，上游壩坡1.0∶2.0，下游壩坡1.0∶1.5。設(shè)計(jì)總庫容58.1萬m3（相應(yīng)高程863 m），其中攔泥庫容50.62萬m3（相應(yīng)高程862 m），設(shè)計(jì)淤積年限15 a，可淤地7.2 hm2。臥管完好，凈高10 m，坡比1.0∶2.0，斷面尺寸（寬×高）1.0 m×0.6 m；臺階高0.5 m，共20個臺階。涵洞長46 m，斷面尺寸（寬×高）0.8 m×1.2 m，拱頂，涵洞與臥管消力池夾角107°。出口明渠長29 m，斷面尺寸（寬×高）0.8 m×0.8 m。溢洪道基本完好，寬頂堰型式，斷面（高×寬）3.1 m×7.0 m，分陡坡段和緩坡段，建成后未溢流過水。據(jù)觀察，該壩涵洞中間部位有20 m拱頂出現(xiàn)裂縫，縫寬10-15 mm；底板沉陷10 cm，沉陷部位地基為小型淤地壩運(yùn)行時的淤泥。試驗(yàn)前對該壩進(jìn)行重新調(diào)洪計(jì)算，確定總庫容69.56萬m3，依據(jù)《水土保持工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB51018-2014），工程等級屬于Ⅰ級，主要建筑物級別為2級。試驗(yàn)結(jié)束后，對壩體要進(jìn)行培厚加高處理。

6 實(shí)驗(yàn)施工過程與技術(shù)工藝方法

6.1 試驗(yàn)總體設(shè)計(jì)

針對楊家溝骨干壩的具體情況，結(jié)合調(diào)研獲得的相關(guān)參數(shù)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)在46 m損毀涵洞內(nèi)：穿越內(nèi)徑Φ700螺旋焊管，連接消力池，穿管縱坡1/100；每節(jié)鋼管長6.0 m，共需8節(jié)；拱涵與螺旋焊管之間，用M7.5水泥砂漿填至600 mm，剩余500 mm填入C25泵用砼。試驗(yàn)時間從2018年3月下旬開始，直至完成頂管并密封固定，待鋼管替代涵洞正常輸水運(yùn)行時，拆除蓄水圍堰，加高培厚壩體，整理好壩坡，試驗(yàn)結(jié)束。

6.2 圍堰設(shè)計(jì)與施工

因壩上游有煤礦排水及小泉小水，流量0.05m3/s，為了不影響試驗(yàn)施工，需筑圍堰。設(shè)計(jì)圍堰高7.5 m，長50 m，上下邊坡1.0∶1.0，頂寬4.0m，均質(zhì)碾壓，工程量4 086 m3，容重15.5 kN/m3以上。施工時考慮到淹沒區(qū)有農(nóng)民的很多棗樹，為了不影響農(nóng)民當(dāng)年收益，將圍堰高度下調(diào)至5 m，其他參數(shù)不變，工程量隨之降至2 475 m3。為了保證順利進(jìn)行試驗(yàn)施工，采用2臺1.5英寸柴油機(jī)泵抽除圍堰內(nèi)蓄水進(jìn)行排水。

6.3 涵洞底板現(xiàn)澆砼施工

涵洞全長中：0+000—0+010段，淤泥厚10 cm；0+010-0+030段，沉陷10 cm，淤泥厚25 cm；0+030—0+046段，淤泥厚15-20 cm。首先，清理涵洞內(nèi)淤泥及雜質(zhì)，整平；然后，在洞底現(xiàn)澆C20砼10 cm厚，使涵洞底坡準(zhǔn)確達(dá)到i=1/100；緊接著，在底板中央用油漆劃出頂管穿越涵洞中心線，并將中心線延長于洞外，在涵洞的上下游埋設(shè)固定樁，樁上釘鐵釘。

6.4 開挖作業(yè)坑頂管準(zhǔn)備

作業(yè)坑分發(fā)送坑和接收坑，坑形為長方形，機(jī)械施工。

設(shè)計(jì)發(fā)送坑場地位于涵洞下游出口處，坑底尺寸（長×寬）9 m×7 m，坑深按“管道埋深+1.5 m+墊層厚度”計(jì)算為2 m。實(shí)際完成坑底尺寸（長×寬）為10 m×5 m，坑深為2 m。

設(shè)計(jì)接收坑位于涵洞上游出口處，坑底尺寸（長×寬）2 m×2 m，坑深4.55 m。因涵洞上游是淤泥，設(shè)計(jì)開挖邊坡1.0∶2.0。由于對淤泥問題認(rèn)識不足，采用1.0 m3的挖掘機(jī)挖淤泥時，因淤泥流動，使挖掘機(jī)陷在了淤泥中。為此，采用兩種措施解決淤泥流動：一是加固圍堰，確保上游的長流水不進(jìn)入接收坑；二是在消力池側(cè)墻上開了3個直徑10 cm孔，排除淤泥中的水。施行措施半個月后，人工開挖作業(yè)坑順利進(jìn)行。

6.5 鋼管管徑及設(shè)備選擇

6.5.1 管徑選擇

原涵洞為漿砌石拱涵，斷面尺寸（寬×高）0.8 m×1.2 m。試驗(yàn)設(shè)計(jì)在涵洞內(nèi)穿越鋼管，管徑的選擇考慮三個因素：一是臥管的放水流量Q放，據(jù)計(jì)算為0.525 m3/s；二是涵洞的斷面尺寸大??；三是運(yùn)行管理環(huán)境（壩控流域發(fā)洪水，水內(nèi)有淤泥、柴草等雜物）。

根據(jù)涵洞的斷面尺寸，我們選擇內(nèi)徑Φ700 mm和Φ600 mm兩種型號的螺旋焊管（壁厚10 mm）進(jìn)行計(jì)算分析確定。

計(jì)算參數(shù)：縱坡=1/100，鋼管糙率=0.012，放水流量Q放=0.525 m3/s，管內(nèi)徑d=0.7 m。按曼寧公式計(jì)算管內(nèi)水深，結(jié)果為：Φ700 mm鋼管內(nèi)的水深為0.359 m，Φ600 mm鋼管內(nèi)的水深為0.403 m，二者均屬于無壓出流。

雖然內(nèi)徑Φ700 mm和Φ600 mm兩種型號管徑都能無壓流過0.525 m3/s流量，但由于淤地壩所瀉洪水和常規(guī)水庫的放水不一樣，水庫放的是清水，淤地壩所瀉洪水內(nèi)攜帶大量柴草、土石等雜質(zhì)，為安全起見，確定采用內(nèi)徑Φ700 mm型鋼管。

6.5.2 鋼管穿越涵洞頂管設(shè)備選擇

原設(shè)計(jì)先用兩個平臺式千斤頂，放置即將連接的鋼管，調(diào)整鋼管的高低及方向，再用千斤頂和拉緊器推進(jìn)管道穿越涵洞。

施工時通過觀察，涵洞只有46 m，且洞身較直，涵洞底部又襯砌了10 cm厚的C20砼墊層，故鋼管穿越的阻力較小。經(jīng)試驗(yàn)，用挖掘機(jī)的拉力與頂力，就能將鋼管穿越進(jìn)去。故最后采用了挖掘機(jī)頂拉結(jié)合穿越，施工成功。其方法簡單易行。

6.6 預(yù)頂穿越鋼管的焊接方法

所選穿越鋼管在校正高程、方向準(zhǔn)確無誤后，采用內(nèi)外焊（精焊）的工藝，可在最佳位置實(shí)現(xiàn)焊接，不易出現(xiàn)錯邊、焊偏和未焊透等缺陷，容易控制焊接質(zhì)量。在具體順序上，先焊接圓管最上面的縫隙，再焊接圓管兩邊的縫隙，最后焊接圓管下面的縫隙。用這種方法焊接鋼管，效果良好。

6.7 頂管施工工藝操作技術(shù)

6.7.1 安裝施工方向

穿越鋼管從壩下游逆水流方向安裝施工。

6.7.2 具體安裝操作方法

第一節(jié)鋼管用吊車送到涵洞出口位置，人工借用吊車的力量將其推到預(yù)定位置，推進(jìn)涵洞5 m，涵洞口外留1 m；臨時固定鋼管，根據(jù)已經(jīng)復(fù)核的基準(zhǔn)臺進(jìn)行中心線及高程的調(diào)整，使鋼管達(dá)到預(yù)定高程及坐標(biāo)，經(jīng)檢查合格后方可安裝第二節(jié)鋼管。在第一節(jié)鋼管進(jìn)涵洞前，先進(jìn)洞一個工人，其作用是當(dāng)?shù)谝还?jié)管道進(jìn)洞后，用鋼棍撬動鋼管，用鉛垂線檢驗(yàn)，調(diào)整鋼管方向，以確保鋼管中心線與底板上確定的中心線重合。

第一節(jié)鋼管穩(wěn)定后，用吊車將第二節(jié)鋼管吊至發(fā)送坑內(nèi)距第一節(jié)鋼管2-5 cm處。以第一節(jié)鋼管為基準(zhǔn)，經(jīng)測量調(diào)整第二節(jié)鋼管的中心線及高程，同時借助挖掘機(jī)的頂力與拉力調(diào)整相鄰兩管口的間隙至3 mm，焊接兩管接口，組成大節(jié)管道。然后，重新復(fù)核中心線偏差和傾斜度，將大節(jié)管道的上、下游管口的幾何中心誤差調(diào)整至5 mm以內(nèi)。經(jīng)復(fù)核無誤后，先用鋼絲繩栓在管道左側(cè)，挖掘機(jī)吊起鋼絲繩栓的管道螺旋式拉進(jìn)，再用挖掘機(jī)頂進(jìn)管道，在洞口預(yù)留1.0 m。

臨時固定管道，再用吊車吊送第三節(jié)鋼管，并重復(fù)第二節(jié)管道的安裝方法。如此施工至第八節(jié)鋼管，和前七節(jié)焊接組成管道后，將管道在接收坑伸出0.3 m，在涵洞出口預(yù)留1.7 m。

每次鋼管焊接后，要進(jìn)行2.5 MPa壓力試驗(yàn)，保持1 min無滲漏。

施工結(jié)束后，用M10漿砌石臨時固定管道。

6.8 涵洞與管周灌漿封閉工藝方法

穿越鋼管施工結(jié)束后，在管道兩旁穿插二道Φ20 mm的PVC管，每根長46m。先在PVC管上鉆間距10 cm、直徑2-5 mm小孔，然后再進(jìn)涵洞。

在涵洞進(jìn)口及出口建漿砌石擋墻，墻高100 cm，墻寬80 cm，用混凝土高壓輸送泵將M10砂漿從上、下游分別灌入60 cm高，待初凝固（7個工作日）。

所灌砂漿凝固后，在穿越鋼管兩旁再次穿插二道Φ20 mm的PVC管，在管壁上鉆同上間距和直徑的小孔。

用混凝土高壓輸送泵將C25泵用混凝土灌滿整個涵洞，待初凝固（7 d）后，再灌入水泥漿。最后，用漿砌石封閉涵洞進(jìn)口及出口，完成穿越鋼管及配套施工。

7 試驗(yàn)工程進(jìn)展及過水檢驗(yàn)

7.1 試驗(yàn)工程進(jìn)展

以楊家溝骨干壩作為頂管穿越損毀涵洞修復(fù)試驗(yàn)工程，2018年3月28日正式開工，先修筑攔水圍堰和涵洞清基處理，4月1日至2日完成鋼管穿越涵洞，4月4日完成涵洞灌漿，4月5日完成涵洞出口明渠修復(fù)，隨后實(shí)施完成大壩加固工程。

7.2 修復(fù)涵洞過水檢驗(yàn)

頂管穿越損毀涵洞修復(fù)試驗(yàn)工程完成，待洞內(nèi)水泥砂漿完全凝固達(dá)標(biāo)后，便拆除圍堰試通水。經(jīng)多次實(shí)地觀察，未發(fā)現(xiàn)漏水現(xiàn)象，運(yùn)行正常。

8 結(jié)論與建議

8.1 結(jié)論

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，說明頂管穿越技術(shù)用于黃土高原地區(qū)病險淤地壩損毀涵洞的修復(fù)是可行的。這種方法的主要特點(diǎn)：一是修復(fù)時間極短。一般不超過1個月；二是降低投資。據(jù)計(jì)算，試驗(yàn)壩若用大開挖方法修復(fù)需投資49.61萬元，而用頂管法僅需投資38.96萬元，可節(jié)省投資21.5%；三是操作簡單。所用設(shè)備為常規(guī)設(shè)備，技術(shù)簡單，操作方便，容易掌握。

8.2 建議

楊家溝骨干壩頂管穿越損毀涵洞雖然取得了成功，但由于損毀程度較低，不能代表涵洞大范圍塌方損毀嚴(yán)重的情況，更不能代表“悶葫蘆”壩新增輸水設(shè)施情況。為此建議，下一步繼續(xù)進(jìn)行深入試驗(yàn)研究，探尋不同情況下的系列技術(shù)指標(biāo)，提出比較完善的技術(shù)體系，以便于推廣應(yīng)用。