復雜環境下頂管井土體塌陷處置技術研究

虞英賦

(上海市基礎工程集團有限公司,上海 200433)

0 引言

頂管施工技術與傳統的明開挖埋管方法相比,是一種環保的施工方法,對周圍的環境影響較少。工作井是安放頂管設備的場所,也是頂管掘進機的始發地,同時又是承受主頂油缸反作用力的構筑物。接收井則是接收頂管掘進機的場所。工作井和接收井的構筑方法主要有沉井法、鉆孔灌注樁圍護法、SMW工法、地下連續墻法等。各自圍護形式都具有各自的特點及適用性。但在圍護方法選擇時均應注重其擋土止水的性能,防止開挖過程中的流土滲水[1]。

1 工程介紹

1.1 工程背景

背景工程為上海地區某新建污水管道,采用頂管施工工藝,其中頂管接收井頂管管徑為φ3 500 mm,外徑為φ4 140 mm,頂管長度為1 257.5 m。工作井直徑9.6 m,外側圍護采用φ1 200@1 400 mm鉆孔灌注樁,深度30 m。止水帷幕采用φ2 000@1 500 mm MJS樁,深度43.0 m,水泥摻量40%。坑底以下7 m采用φ2 000@1 500 mm MJS樁滿堂加固。洞口加固采用φ2 000@1 500 mm MJS樁,深度12.14 m。頂管接收井圍護結構平面圖見圖1。

1.2 周邊環境條件

頂管接收井北側為高架橋,高架橋承臺距離基坑5.3 m。南側為居民樓,小區距離基坑10.75 m。西側為2.2 m寬10 kV電力箱體,箱體距離基坑2.9 m,距離頂管中心2.2 m,DN500燃氣管、DN300燃氣管距離基坑11.89 m,距離頂管中心3.5 m。東側為電力拖拉管,距離基坑5.2 m。

1.3 工程水文地質條件

經勘察查明,在本次勘察深度范圍(最深45.00 m)內的地基土為第四紀全新世Q34—上更新世Q23的沉積層,主要由填土、粉性土、淤泥質土及黏性土組成。

擬建場地地下水由淺部土層中的潛水和深部粉(砂)性土層中的承壓(微承壓)水組成,地下水補給來源主要為大氣降水與地表涇流。上海潛水年均水位埋深一般為0.5 m～1.5 m。微承壓水分布在⑤-1t、⑤-2層和⑤-32層粉性土中。承壓水賦存在⑦(包括⑦-1和⑦-2)層粉(砂)土中,⑦層頂埋深約30 m,⑦1地下承壓水位埋深在6.54 m,標高為-2.05 m(見圖2)。

2 工程問題及原因分析

2.1 工程問題

在2023年5月17日中午11:30左右,進洞口處涌入泥土,方量約為150 m3,導致基坑北側地面出現局部坍塌,塌陷深度約2.0 m～3.0 m,面積約20 m2。頂管接收井基坑外側發生塌陷時,基坑內涌進的是泥土,無水源涌入(見圖3)。

2.2 原因分析

1)頂管接收井頂管中心位置距離地面約17.4 m,在頂管即將進洞,機頭貼近進洞口灌注樁位置時,此時井下正在進行洞門內灌注樁鑿除工作(洞口范圍內灌注樁有4根,中間2根已鑿除上半部分,外側2根灌注樁只鑿除鋼筋保護層)。灌注樁鑿除工程中,圍護結構強度逐漸降低直至消失,洞口加固土體不足以承受巨大的水土壓力,洞口加固土體被破壞,造成泥土涌入基坑內部[2-3]。

2)從涌進基坑內的泥土分析可知,為灰色淤泥質粉質黏土,該土層壓縮性高,呈流塑狀態,在側向壓力下容易發生流動變形。

3 事故處置關鍵技術

事故發生后采取了應急處置措施,首先對影響范圍內的非機動車道臨時封閉,協助交通疏導,然后在基坑內回填土,對塌方處填埋黃沙,注漿加固,再對燃氣管線進行開挖裸露布置直接監測點,對管線、高架橋、居民小區加密監測,監測間隔2 h。后期對于頂管接收井洞口涌土事故處置流程如圖4所示[4]。

3.1 地面塌陷區壓密注漿

基坑北側塌陷區采用黃沙回填并壓密注漿加固,為保證塌陷區周邊土體整體穩定性,在塌陷區周邊同樣采用壓密注漿使土體固結。可通過坑外回灌部分抬升地下水位,減小與控制環境變形。

采用底部帶有活動閥且在離注漿管底端30 cm帶有小孔的注漿管,此種注漿管有利于漿液的均勻分布[5]。施工用水為自來水,水泥為普硅P42.5級,并加入1%速凝劑(水玻璃),施工中盡量保持場地干燥,有益土壤吃漿,注漿漿液初凝時間為1 h～2 h,壓密注漿參數表見表1。

表1 壓密注漿參數表

3.2 洞口高壓旋噴樁加固

由于頂管接收井洞口已發生泥土進洞現象,周邊土體已發生較大擾動。頂管機刀盤目前已頂進至灌注樁位置,洞口范圍內灌注樁部分已經鑿除。因此需先對進洞口周邊擾動土體進行加固后清除基坑內土體繼續進行剩余灌注樁鑿除[6]。

進洞口采用旋噴樁體加固。頂管北側旋噴樁加固按照樁位圖紙施工,端部孔位進行封堵。進洞口加固采用φ1 000@600 mm高壓旋噴樁,樁體長度為5 m～13 m,其中頂管機正上方樁體長度為5 m,頂管機兩側樁體長度為13 m。頂管機兩側樁體底部位置為頂管機下方4 m,旋噴樁加固位置見圖5,圖6。高壓旋噴樁施工參數表見表2。

表2 高壓旋噴樁施工參數表

3.3 頂管機殼底部小導管注漿

考慮到頂管機正下方部位不能通過兩側樁體進行加固(見圖7),擬在頂管內進行開孔注漿,注漿漿液采用雙液漿,頂管機頭長5.2 m,寬4.2 m,通過頂管機底部機殼開孔注漿,采用DN25小導管,導管長度1.5 m,開孔位為梅花形布置,間距80 cm,共計3排,導管安裝球閥(見圖8)。

漿液及注漿水泥漿水灰質量比為0.5∶1,水泥∶水玻璃∶水泥漿=1∶1∶0.8(體積比)。注漿初壓0.3 MPa,終壓為0.6 MPa,注漿壓力不超過0.6 MPa。通過加入少量的磷酸氫鈉來控制初凝時間,控制在8 min～10 min左右。

3.4 取土拆除

待加固土體達到強度后方可進行井內取土,加固體強度需達到1 MPa,采用鉆孔取芯方式檢測。洞口范圍內土的高度約為4.5 m,分3層取土,每次取土后人工對洞圈內剩余灌注樁及洞口周邊多余混凝土進行清除。

由于頂管接收井內襯結構施工時未設置進洞止水洞圈,因此每一層取土完成后,需首先在洞口范圍內襯墻上采用膨脹螺絲分塊安裝洞圈鋼板。洞圈鋼板完成后人工鑿除洞口范圍內灌注樁。

灌注樁鑿除后清理取土區域內洞口處的水泥土及頂管機刀盤四周水泥土,分塊安裝條形鋼板(見圖9),條形鋼板頂部及腰部分塊長度為1 m,底部分塊長度為1.5 m,每個條形鋼板沿頂管軸線長度設置為3.3 m,鋼板厚度為2.0 cm。條形鋼板內側與頂管機殼體外側進行搭接(搭接長度為50 cm),采用加設鋼筋塞焊形式焊接連接,條形鋼板外側與洞圈鋼板進行焊接連接(見圖10)。條形鋼板安裝完成后,通過封板(月亮板)上預留的注漿孔采用注入速凝水泥進行空隙填充。

每層取土區域內的施工順序為從上到下、從左向右分區域進行。重復上述工作,直至洞圈范圍內條形鋼板形成一個鋼套管支撐結構。待圓形套管形成整體后對頂管機刀盤進行分塊割除。

4 工程監測

根據監測報表(見表3),自5月17日地面塌陷至5月26日,燃氣管最大累計沉降-1.5 mm,電力箱體累計沉降-3.34 mm,高架橋墩累計沉降+2.18 mm,日平均沉降量不足1 mm,周邊管線及建構筑基本無影響,同時燃氣監護單位已現場確認場內燃氣管安全。

表3 沉降數據監測情況 mm

5 結論

本文結合頂管接收井土體塌陷事故實例,就事故原因進行了分析,詳細介紹了事故處置技術措施,首先在塌陷區及周邊區域壓密注漿,使周邊土體固結,在進洞口處土體采用旋噴樁重新加固、頂管機底部開孔壓漿加固;然后在基坑內土體分層取出、分層清理洞口內剩余灌注樁、分塊安裝鋼板,對進洞口剩余灌注樁及周邊混凝土進行清理;最后在套管與內襯墻之間