沉井法在輸水管道頂管施工中的應用

馬斌

（寧夏水利水電工程局有限公司，寧夏 銀川 751400）

0 引言

在城市基礎設施不斷完善的背景下，環境保護問題成為輸水管道頂管施工中需要考慮的重要內容。受城市建設以及規劃布局的影響，對于部分無法實行封閉開挖的地段，需要同時結合沉井法等先進技術展開施工。沉井法是深基礎施工的常見結構，沉井基礎即井筒狀結構物，施工過程中依靠結構物自身重量下沉，達到目標高度后，再進行后續操作。頂管施工最初應用在美國的一項鐵路工程中，我國于1953年在北京展開首次試驗。頂管施工的最大特點就是采取不開槽的暗挖模式，這樣能將對地面建筑的影響降到最低。在輸水管道工程中，防止水泄露以及保證工人安全是關鍵，因此將沉井法應用在輸水管道頂管施工中有重要意義。

1 工程概況

因市政工程需要，需要在某路段增設輸水管道，該項目采用了沉井法。該路段位于市中心西北方向，基礎參數如表1 所示。

表1 施工路段基礎參數

由于該路段的位置相對特殊，在挖深約5m 處，就遇到了巖石層。因此，除表1 涉及的施工路段基礎參數外，該次施工大約有120m 的輸水管道將在巖石層內施工。結合頂管深度，在管道的頂端和底部分別打造一個沉井，以便后續施工。在兩個沉井自動下沉的過程中，大部分土壤會因受到沉井自重的擠壓而出現破裂。擠土過程的作用原理如圖1 所示。

圖1 擠土過程的作用原理示意圖

從圖1 可知，在不考慮注漿壓力的情況下，挖掘機的頂進作用力是擠土效應的主要構成要素。在施工過程中，只有部分吸水性較弱且土質較為堅硬的土層需要額外采取破壁措施。通常情況下，當頂端和底部沉井均勻破土下沉時，周圍的土壤會自動形成一個密度較高的后背墻。在沉井下沉到一定高度之后，對兩端進行封底，便可為頂管施工創造更便利的操作空間。此外，還需要額外清理2.5～3m 高的混凝土，為后續的管道安裝提供空間。

2 明確沉井參數

2.1 高度

輸水管道的管涵實際深度決定了兩端沉井的各項參數。結合施工地區域的地質條件，得出沉井高度的計算公式：

式（1）中：為施工套管的直徑與管涵的實際深度總和；為施工套管頂端到地面的距離；為沉井過程中的刃腳高度。

根據公式（1）的計算結果可以確定沉井的具體高度，該項目中第一節井為3.5m，總高度為8.5m。但是在實際施工過程中，為避免該工程步驟的返工，通常需要為沉井高度預留0.3～0.5m 的空間。此外，當輸水管道的地下水位較高時，必須同步調整沉井高度。

2.2 井壁厚度

受巖體力學的影響，沉井的鵝頸比厚度無法像高度一樣直接計算，通常由施工人員根據經驗進行估算。先是選取一個擬定值，然后驗證該擬定值的可靠性。受空間結構不均勻性的影響，需要同時考慮正面附加力以及管道與土體之間的摩擦力，井壁厚度擬設定為0.75m。

在挖掘機與土體的接觸面積較大時，管道內的土體移動范圍也會相應變大，因此要對沉井的井壁厚度進行反復驗算。在刃腳高度確定為0.5m 的條件下，其他面寬的取值范圍在0.15m 以內。如果井壁厚度無法滿足實際的施工需求，則需要在擬定值的基礎上，按照倍數放大。

2.3 平面尺寸

在確定沉井平面尺寸之前，需要實地考察施工地周邊是否存在光纜和電纜，并精準測算電纜和光纜的分布范圍。同時，由于輸水管道管涵穿越深度較為特殊，沉井的長度和寬度必須保證在合理范圍內。根據施工標準，不同直徑的頂管對應不同尺寸的沉井。通常情況下，頂管直徑范圍為700～1200mm，頂進管道的工作坑長度保持在5.3～6.3m 之間，寬度在2.5～3m 范圍內。

3 優化工藝流程

3.1 測量放線

結合沉井法的工藝流程可知，測放沉井中心線及界線需要嚴格按照管涵在井內的穿越長度確定。工作井的類型包括頂進井和接收井，在采用土壓平衡頂管進行施工時，需要對沉井的中心線和邊界線進行重新測量。此外，在輸水管道頂管施工過程中，沉井放線還會受到土體開挖卸載和管道外徑擴大的影響，還必須排除土體不排水的條件。在僅考慮施工期間土體變形的情況下，最終確定沉井的中心線及界線。

3.2 開挖工作坑

在利用高強度鋼筋混凝土澆筑井壁后，采用分層的方式將土體運輸出去。由于不需要借助額外設備，也不需要板樁維護，所以沉井法在輸水管道頂管施工中的工藝流程既具備地下工程施工的普遍特征，也具備占地面積小和土方量相對較小的獨特性，但沉井法的施工步驟相對復雜。需要先根據沉井的實際規格，制定首節沉放工作坑的操作順序。同時，工作坑開挖作業必須結合當地的地形和土質條件開展。在壓力流管道選址方面，需要選在上游區域，避免輸水管道的水源逆流。在幾何形狀層面，沉井工作坑包括圓形和矩形，這兩種類型的工作坑的適用條件不同，也各有優勢。相對來說，圓形工作坑的占地面積較小，而矩形工作坑的短邊與長邊比值需要保持在2∶3左右。在操作空間方面，矩形工作坑對覆土厚度基本沒有要求，并且在工作坑的后背設置方面更有優勢。在此基礎上，計算輸水管道頂管施工中沉井的底部寬度：

式（2）中：為下沉過程中，被頂進管道的外徑擴展寬度；為管道背后的操作空間；為內模的高度與內支撐的立柱厚度之和。

在式（2）的基礎上，得出沉井工作坑深度的計算公式：

式（3）中：,,分別為管道覆土的厚度、施工場地的基礎厚度以及墊木層的厚度；為管道外壁與沉井頂端的相對距離。

根據公式（3）的計算結果，推測出后坐力在千斤頂和后背墻之間的傳導過程。這也表明，沉井施工工作坑設置對荷載剛度和強度都有要求。

3.3 沉井下沉施工

受地下水的水位以及海水潮汐變化的影響，普通機械無法滿足沉井下沉施工要求，需要借助長臂抓斗設備實現安全施工的目的。同時，在深井內部開展挖土作業時，由于無法及時排水，必須采取由中心點向四周遞進的挖土方式。同時，為了避免下沉速度過快，需要將挖土厚度控制在0.45m 左右。與此同時，沉井刃腳的臺階位置要保留1.25m 左右，以防土層下沉過程不均勻。

當挖土過程中遇到障礙物時，必須及時清理，以保證沉井土體均勻、穩定。此外，由于施工地理環境較為復雜，一些巖體運動也會影響下沉效果，受土體顆粒運動特性的影響，土體下沉過程中會呈現出一定的規律，因此可結合隨機介質理論，將沉井下沉施工看作是一項隨機因素，而后計算得出井內的下沉區間。

3.4 頂管及輸水管道安裝

混凝土澆筑封底施工完成后，需要在一周時間內保持管道周邊環境干燥，然后結合工程的實際情況選擇合適的頂管方案。制作鋼筋能夠確保鋼筋的尺寸和長度都符合施工要求。模板制備環節，并在模板制備結束后直接安裝第一節外模。在完成混凝土配制和土方試塊制作的基礎上，澆筑沉井的第一節井身。完成上述步驟后，確定沉井的井身等參數，并抽出墊木。然后在井內展開挖土下沉的操作，并一次澆筑第一節至第三節的井身，直至達到預定標高。在完成基底清理以及澆筑混凝土的基礎上，抽干沉井內的積水，最后澆筑底板和頂板兩端。充分利用氣壓和土壓平衡法，防止地下水或流砂入侵，之后根據管道長度，劃分管道施工步驟。由于管道安裝操作涉及大量的工程細節，因此需要沿著頂管的軸線方向加設高壓水銀燈等供電照明設施，并在保證施工人員安全的前提下設置扶梯。此外，為了避免干擾，供氣管線和供電電纜等設備都要安裝在管道兩側。在完成頂管施工和輸水管道安裝之后，需要采取必要的回填措施，降低對環境的干擾。

3.5 地貌恢復

在正常的施工情況下，頂管是在結構相對固定的土壤中呈直線形式頂進的，對土體摩擦力進行簡化處理后，可以將總摩擦力進行疊加處理。在施工過程中若遇到不明障礙物，或者頂到土層交界處，遇到土壤結構較為復雜的情況，為避免推進力波動，需要拆除沉井上端的混凝土結構。在實際施工過程中，需要先平整地基并夯實施工場地，在必要的情況下，需在施工前鋪設一層墊木。安裝完支撐排架和施工底模，需要先加工刃腳，再拼裝刃腳。同時，在設立第一節內模和內支撐之前，需要制備對應的模板，以保證施工效果。另外，包括管道試壓在內的一系列焊接工作，都必須在水下井內完成，這樣才能保證施工質量。假設主供應管道的長度在10～15m 范圍內，則需要預先將管道平均分成兩段或者三段，以保證井上坡口加工效率不受影響。在地貌恢復作業中，依次回填中砂和固砂。如果施工場地周圍出現虛坑，則需要額外搬運碎石填補，以保證路面密實度。

4 應用分析

利用內層和外層兩部分鋼筋結構布設斷面監測點，并在施工場地四周分別配置鋼筋應力傳感器，以便獲取施工數據。在該次測試場景中，按照順序將掘進機的第一、二節管道分別作為注漿管和試驗管。受工作坑面積影響，該次施工的最佳頂力值應該在14～16MPa，在管道頂進距離分別為4m、8m、12m 的時候，得出最佳施工頂力值。測試結果如圖2 所示。

由圖2 可知，當管道頂進距離分別為4m、8m、12m時，頂力值為：9.889MPa、15.526MPa、19.344MPa。說明在管道頂進距離為12m 時，符合測試要求。由測試結果可知，除了吊管機裝置外，還要同時配備臨時性的剛性后座支墩，以提高井內的負載壓力閾值。

圖2 頂力值測試結果

5 結語

此次研究既結合了沉井法的技術特征，也詳細闡述了該項技術在輸水管道頂管施工中的具體應用過程。同時，由于沉井施工所需的施工設備較少，在節約成本支出和縮短工期兩方面有一定的優勢，且大多施工步驟在井下展開，對井上的環境影響較小。綜上，說明在輸水管道頂管施工中應用沉井法能夠有效推動工程建設。