沙漠地區頂管工作井施工方法

李秉坤，李永彪，曹廣勇

(安徽建筑大學建筑結構與地下工程安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230601)

1 工程概況

本工程為烏蘭布和生態沙產業示范區建設的重要引水工程，從烏蘭湖接出，由南向北穿越烏蘭布和沙漠帶，頂管工作地質條件幾乎全為砂層條件。工程采用的施工方法為頂進法施工，設計DN3000mm單管供水，終點接至巴音湖，線路總長1.52km。管道的最大埋深達48m，共設臨時頂管井9座，其中工作井4座、接收井5座，單段最長頂距為423.3m。施工總平面圖如圖1所示。

圖1 施工總平面圖

2 砂層工作井施工關鍵技術

在本工程中，在不同段區域內采用不同的工作井施工方法。現有工作井施工中，1#、4#、9#井為接收井，內徑6.5m，2#、7#井為頂管工作井，內徑10m，該四座工作井施工方法采用旋噴樁逆作法，2#工作井采用沉井法進行施工。

2.1 旋噴樁逆作法

逆作法是指在進行工作井旋噴樁施工的過程中，按照與常規施工順序相反的方式，不需要架設臨時支撐，以結構本身同時作為支撐和擋土墻，從上而下依次開挖的施工方法。

2.1.1 工作井支護結構

針對采用普通法施工深厚砂層工作井易坍塌的特點，提出了鉆孔灌注樁加鋼筋混凝土內襯、旋噴樁封底的工作井支護結構。每座頂管井支護結構相同：外側為φ1.2m鉆孔灌注，底板下4m范圍內為φ0.6m搭接0.2m的高壓旋噴樁加固。灌注樁樁頂設置2.2m寬×3.0m高冠梁連續結構，樁身自上而下每5m分層設置 0.5m×0.7m暗梁，并澆筑 0.5m厚鋼筋混凝土內襯，井底澆筑0.2m厚素混凝土墊層及1m厚鋼筋混凝土底板。結構簡圖如圖2所示。

圖2 結構簡圖

2.1.2 旋噴樁施工工藝

在進行鉆孔過程中，鉆機必須要牢固堅實，不在坑洼條件下進行工作，保證鉆機能夠順利進入鉆孔。在鉆空過程中若遇到巖石等堅硬物塊時，需用鉆頭或者開挖的方式清除物塊，回填壓實后繼續工作，以避免刀盤損壞。

鉆孔準備就緒后，進行旋噴樁施工前需要將注漿管順利置入預定位置，下管過程中防止泥塊堵塞噴嘴。同時需要注意檢查注漿的初凝時間、注漿流量、注漿壓力以及選裝和提升速度等參數。

2.1.3 逆作法施工工藝流程

第一板土方開挖→人工修整→鋼筋制作安裝→模板制作安裝→井壁混凝土澆注→模板拆除→下一板土方開挖→下一板鋼筋制作安裝→下一板模板制作安裝→下一板井壁混凝土澆注→井底封底。

2.1.4 工作井施工方法

①冠梁基坑土層為松散、中密的砂土，坡頂無荷載，開挖深度為3m，采用放坡開挖，放坡比為1∶1。冠梁橫向主筋采用焊接連接，箍筋采用綁扎連接，保護層厚度為40mm；模板使用木模雙面搭設，拼接處用木方釘牢，梁壁用Q235 M 14型對拉螺栓 (帶3片3mm止水鋼片)間距400×400mm加固；冠梁外部采用雙排落地腳手架，內部采用滿堂式腳手架施工，用扣件式腳手架搭設。

②井內土方開挖。地面以下15m內的基坑土方采用長臂挖機直接開挖，挖出的土方用推土機推至場外；地面以下深度大于15m的基坑土方采取人工配合小型挖掘機開挖的方式開挖，選用1臺 WY15液壓反鏟挖掘機（0.3m3），基坑的土方開挖主要采用挖掘機開挖，人工配合挖除機械挖不到的地方。一次性開挖深度控制在1.8m以內，在松散砂層區每節高度不宜大于1m，先從中部開挖，然后向四周開挖。

③內襯結構采用逆作法施工。安裝下節內襯模板時，上節內襯混凝土已澆筑完畢，所以需對上下接縫做特殊處理，為方便下節混凝土料投入模板內，在接縫處側模上口設一杯形投料口，高出上下節接縫300mm，寬出井內襯250mm，混凝土由投料口入料。

④內襯結構采用暗梁支撐。內襯機構每 4.5m設置一道高 700mm寬500mm的環形暗梁。暗梁預埋鐵與冠梁預埋鐵埋設方式相同，且在同一垂線上。暗梁厚度與內襯結構相同，鋼筋比內襯增加的縱橫向箍筋，混凝土強度為C35。

⑤暗梁、內襯墻施工至管道頂標高以上停止，將井墊層施工完成后再施工底板與剩余內襯墻、洞口加固。墊層、底板，基坑開挖到底后要及時進行封底施工，確保施工安全。

2.2 沉井法

沉井法又稱沉箱鑿井法。在不穩定含水地層掘進豎井時，在設計的井筒位置上預先制作一段井筒，井筒下端有刃腳，利用井筒的自重或略施加外力使之下沉，再將井筒內的巖土挖掘出的施工方法。挖掘與下沉交相進行，直到穿過不穩定地層。沉井施工不僅適應于軟土地層，在含有砂礫、硬土等底層上也可以應用。

2.2.1 沉井法的施工工藝

在采用沉井法施工時，一般可分為制作和下沉兩個階段，在不同的地質和外部條件下，地基承載力、沉井自身的高度以及機械設備的工作能力等，沉井下沉也會有不同的情況，可采取一直制作一次下沉、分段制作后拼在一起進行下沉或者制作與下沉交替進行等方式。在沙漠地區進行頂管法施工時，一般采用一次制作一次下沉的方式進行施工。在進行沉井法施工時，其施工順序一般如下：

①先在建筑地點平整場地或筑島，分段(或次)制作井筒；

②然后從井內不斷取土，隨著土體的挖深，沉井因自重作用克服井壁和土體之間的摩擦力和刃腳下土的阻力而逐漸下沉；

③達到設計標高后，用混凝土進行封底，并按使用要求對內部結構修筑；

④最后修筑頂蓋和出入口。

2.2.2 沉井施工中的問題和預防措施

①突然下沉

當在沉井施工過程中出現突然下沉的情況時，通過增大下沉系數；控制挖土的深度；結構上也要合理分隔，設置一定數量的底梁；采用泥漿套法或壁后壓氣法(見沉井基礎)，以減小摩擦力。

②涌砂

發生涌砂情況時，向井內灌水，保持井內水位高于井外地下水位。

③偏斜

可調整挖土先后次序和改變方法來降低偏斜；采取偏心壓重，部分壁外沖水。

④沉不下

沉井的設計和施工時通常用下沉系數(沉井施工階段自重與阻止下沉的井壁四周土的摩擦力、刃腳踏面阻力等的比值)來估算沉井是否能夠順利下沉，一般要求下沉系數為 1.10～1.25。當下沉系數不夠時，要采取上述減小摩擦力的方法，增加重量等措施。如在下沉中發生重量不夠時，也可采用壁外沖水和井內抽水、加壓重、接高井壁。

2.2.3 沉井法施工的優點

由于沉井法獨特的施工方式以及施工特點，使用沉井法不但適用于軟土地基上的施工，還能夠在硬土、砂礫石等地層中正常施工，除此之外，沉井法還具有以下特點：

①施工場地大大減少；

②由于沉井法施工是直接將井筒壓入地下，省去了開挖支護所需的費用；

③在地下水豐富的地區，沉井施工方法可以采用水下封底和地下水挖土等技術而節省了降水或者排水的費用。

④對于深基坑或深度較大的地下建筑物來說，大開挖方法耗費巨大，而使用沉井法進行施工，可以在經濟上節省。

3 方法比較

旋噴機+逆作法做頂管工作井更適合地質條件差的地層，因為在整個工作井施工過程中不涉及沉井下沉，所以可以不設置刃腳和素混凝土墊層。在混凝土的養護過程中逆作法工作井養護可以對井口進行封閉，對井內進行加熱，在低溫時期養生效果更好，有效提前工期，對道路建筑物、地下管線等周邊環境影響小而沉井的整體施工周期偏長，且由于土質及工藝的原因，在下沉的過程中沉井容易偏斜。就位存在一定的偏差沉井下沉過程中對周圍土體的擾動裹挾嚴重，沉降較為明顯。

4 總結

通過分析，與逆作法相比，沉井法施工需要占用較大的施工場地，因此它不適用于場地受限制的工程中，否則將會影響周邊交通。從沉井法的施工特點來看，沉井施工時對沉井的位置標高控制要求也十分嚴格，因為在砂層中很容易使沉井井身傾斜而不易糾正，容易出現超沉或下沉不到位的情況。而且在整個下沉過程中，沉井較容易對周圍土體產生擾動，最大影響范圍約是沉井深度的1～3倍。因此當工作井周圍構筑物離沉井邊距離在該擾動范圍內時就不宜選用沉井法。當工程地質條件較好且場地不受限制時，可考慮采用沉井法施工。