頂管工程工作井及接收井施工方案技術經濟分析

趙 勇

(太原市建設工程預結算審核中心，山西太原 030002)

1 概述

1.1 工程概況

某污水處理廠外管網主線管道工程，鋼筋混凝土圓管管徑DN2 800，DN3 000，全線采用頂管施工工藝，管底埋深介于6.6 m～12.0 m，沿線設置工作井與接收井，鋼筋混凝土檢查井做在工作井或接收井內，工作井(接收井)與檢查井之間用土方回填。

1.2 工程地質和水文地質條件

工程地質條件:土層以粉土和粉細砂為主，兩種土層交替出現，頂管基本上位于該兩層土中。水文地質條件:主干管線沿線揭露地下水類型為孔隙潛水，靜止水位埋深約為2.5 m～1.5 m。

1.3 方案分析

該工程地下水位較高且管道埋深較深，確定管道施工采用泥水平衡頂管工藝。本文主要對頂管工作井及接收井的施工方案進行技術經濟分析。經過初選，工作井及接收井的備選方案有兩種:方案一采用鋼筋混凝土沉井支護，沉井周邊設雙排雙軸止水帷幕;方案二采用SMW工法樁支護，在工法樁周邊設單排三軸止水帷幕。

1.4 方案介紹

沉井是井筒狀的結構物，將位于地下一定深度的建筑物或建筑物基礎，先在地表制作成一個沉井，然后在井壁的圍護下通過從井內不斷挖土，依靠自身重力克服井壁摩阻力后下沉到設計標高，達到預定設計標高后，再進行封底，構筑內部結構。技術上比較穩妥可靠，挖土量少，對鄰近建筑物的影響比較小，沉井基礎埋置較深，穩定性好，能支承較大的荷載。

SMW是Soil Mixing Wall的縮寫。SMW工法是以多軸型鉆掘攪拌機在現場向一定深度進行鉆掘，同時在鉆頭處噴出水泥系強化劑而與地基土反復混合攪拌，在各施工單元之間則采取重疊搭接施工，然后在水泥土混合體未結硬前插入H型鋼或鋼板作為其應力補強材，至水泥結硬，便形成一道具有一定強度和剛度的、連續完整的、無接縫的地下墻體。H型鋼可回收，利于降低工程成本。

2 施工方案設計

2.1 鋼筋混凝土沉井方案

鋼筋混凝土沉井采用C30鋼筋混凝土井壁和刃腳，下設砂墊層及混凝土墊層，以便于鋼筋混凝土沉井的預制。矩形工作井壁厚0.9 m，接收井壁厚0.7 m;圓形工作井壁厚0.7 m，接收井壁厚0.5 m。刃角寬出壁厚0.1 m，高度2.5 m。預留管道進出洞口采用磚墻臨時封堵。C20素混凝土封底。基坑深度為管底埋深加刃角高度2.5 m。深井四周設雙排雙軸水泥攪拌樁φ600@400 mm，有效樁長為管底埋深加7.0 m，水泥摻入量不小于18%(見圖1，圖2)。

2.2 SMW工法方案

SMW工法方案基坑深度為管底埋深加軌道高度500 mm和基礎厚度500 mm。現分別對基坑深度8.5 m和10 m的工作井及接收井進行方案設計。

圖2 圓形沉井平面、立面圖

基坑開挖深度為8.5 m，坑外超載考慮為15 kPa。SMW工法中型鋼規格500 mm×200 mm×10 mm×16 mm，有效樁長為14.0 m。水泥土攪拌樁為φ650@900 mm，有效樁長為13.5 m，水泥摻入量不小于20%，地面以下1.5 m設置鋼筋混凝土冠梁1 200 mm×600 mm。另外多加一排三軸水泥土攪拌樁為φ650@900 mm，有效樁長為8.4 m，水泥摻入量不小于20%，樁頂位于地面以下2.1 m(見圖3)。

圖3 8.5 m基坑平面、立面圖

基坑開挖深度為10 m，坑外超載考慮為15 kPa。SMW工法中型鋼規格700 mm×300 mm×13 mm×24 mm，有效樁長為16.5 m。水泥土攪拌樁為φ850@1 200 mm，有效樁長為16.0 m，水泥摻入量不小于20%，地面以下1.5 m設置鋼筋混凝土冠梁1 200 mm×700 mm，鋼筋混凝土支撐700 mm×700 mm。另外多加一排三軸水泥土攪拌樁為φ850@1 200 mm，有效樁長為9.9 m，水泥摻入量不小于20%，樁頂位于地面以下2.1 m(如圖4所示)。

圖4 10 m基坑平面、立面圖

3 施工方案比較

3.1 從技術上比較分析

沉井方案的優點:結構剛度大，承載力高，抗滲耐久性好，結構本身可作為下沉中的維護掩體，對周圍環境影響小，施工時不需要復雜的機械設備。沉井方案的缺點:施工工序較多，工藝較復雜，技術要求高，質量控制要求嚴，工期長，沉井在下沉過程中易產生下沉緩慢、傾斜等。

SMW工法方案的優點:施工不擾動鄰近土體，不會產生鄰近地面下沉、房屋傾斜、道路裂損及地下設施移位等危害。水泥土的止水性能和H型鋼的高強度特性有機結合，抗滲性好，剛度高，型鋼可多次重復回收利用，經濟性好，施工簡便，工期短。SMW工法方案的缺點:軟土地區深基坑易發生圍護墻滲漏，基坑開挖使圍護墻變形，型鋼彎曲無法拔出等。

就本工程而言，地下水位高，止水帷幕及降水效果如達不到要求，容易造成沉井下沉傾斜，加大施工難度，工期難以保證。同時基坑深度超過一定范圍后SMW工法容易漏水，出現圍護墻變形、型鋼無法拔出等問題。另外單排三軸止水帷幕比雙排雙軸止水帷幕止水深度大、效果好。

3.2 從經濟上比較分析

選取鋼筋混凝土圓管管徑DN3 000，管底埋深7.5 m和9 m分別測算。

沉井方案包括沉井砂墊層、混凝土墊層、沉井制作、封底、鋼筋制安、預留洞口磚墻臨時封堵、井口磚墻砌筑、進出管洞口止水處理、沉井下沉、土方的開挖、吊運、出井堆放、模板安拆、腳手架安拆、止水帷幕等工作內容。內徑長6.5 m寬4.8 m的矩形井沉井方案綜合費用為48萬元;內徑長9.6 m寬5.6 m的矩形井沉井方案綜合費用為67萬元。

SMW工法方案包括:三軸水泥土攪拌樁、內插型鋼樁、封底混凝土、底板混凝土、樁頂冠梁及支撐、鋼筋制安、土方的開挖、吊運、出井堆放、止水帷幕等工作內容。內徑長6.5 m寬4.8 m的矩形井SMW工法方案綜合費用為35萬元;內徑長9.6 m寬5.6 m的矩形井SMW工法方案綜合費用為47萬元。

經過比較內徑長6.5 m寬4.8 m的矩形井SMW工法方案比沉井方案節約資金27%，內徑長9.6 m寬5.6 m的矩形井SMW工法方案比沉井方案節約資金30%，顯然使用SMW工法方案更為經濟。

3.3 比選結果

通過對頂管工作井及接收井施工方案的比選，可以得出SMW工法方案在經濟上有明顯的優勢，而且技術上可行，施工簡便、工期短，應優先選擇。但是SMW工法方案基坑深度超過一定范圍后會出現漏水、圍護墻變形、型鋼無法拔出增加施工費用等問題，并且三軸水泥土攪拌樁機外形較大需要有足夠的工作面來布置。考慮制約SMW工法方案的實施因素，得出結論:在頂管工作井及接收井基坑深度較淺、工作面足夠的情況下應采取SMW工法施工方案，相反在頂管工作井及接收井基坑深度較深、工作面不足以安排施工機械的情況下應采取沉井的施工方案。

4 結語

如今城市建設日趨完善，新工程項目實施受到周邊建筑環境以及地下管線影響，施工條件越來越差。如何確保工程項目順利實施，減少對周邊環境的影響，是我們現階段施工方案要解決的主要問題。施工方案的確定對工程項目實施至關重要，想要做到技術上科學，實施上可行，經濟上合理，就必須通過技術、組織、經濟、管理等方面的全面分析和綜合考慮，經過分析比較后選擇最佳的施工方案。