沉井法與逆作法在頂管工程中的應用分析

駱橋紀

(長江大學城市建設學院,湖北 荊州 434023)

隨著城市不斷的發展建設,城市人口的逐步增長,為滿足市民日常需求,城市地下工程項目建設越來越多,地下管網也越來越復雜。傳統的開挖施工技術污染環境、影響交通、極易破壞其他地下管線設施。已經不再適用于交通復雜,人員密集的城市建設。相比于開挖施工,頂管技術作為一種非開挖技術對居民生活環境影響小,對周圍建筑損害程度小,能減輕交通壓力,且施工不受氣候和環境的影響[1]。近年來常用于地下管道鋪設工程,其中工作井和接收井的制作與選取又直接影響頂管工程的施工進度、成本與安全。所以本文結合具體實例,對頂管工程中常用的兩種做井方法:沉井法和逆作法進行全面分析并對比,根據多因素比較結果對后續井位的施工方案給出建議。

1 工程概況及地質情況

中國南方地區某市某水廠出廠管道工程,采用頂管施工,工程設計管道總長約1 802 m,其中DN2 200管307 m第一段頂管施工為一條DN2 200的供水管,長307 m。涉及到一個工作井與一個接收井的制作(以下簡稱1號工作井、1號接收井)。其中1號工作井采用沉井法施工、1號接收井采用逆作法施工,井的內徑均為12 m。

根據現場實際勘察,1號工作井與1號接收井主要土層分布有:①素填土:褐黃色、褐紅色,褐色,主要由砂質黏性土、粉質黏土回填而成,局部夾少許碎石。②碎石素填土:灰白色、灰色,松散—稍密狀,土質不均一,主要由碎石、混凝土塊、磚塊等硬質物回填。③粉(砂)質黏土:黃褐色、褐紅色、淺灰白色,軟可塑—硬可塑狀,土質較均勻,局部含少量砂粒,黏性較高。④淤泥質土:灰色、灰黑色,流塑—軟塑狀,土質均勻,黏性極高,局部含少量砂粒及有機質。⑤中粗砂:褐黃色、淺灰白色、灰黑色,稍密狀,飽和,巖芯不成形,黏粒含量(質量分數)約占5%,分選性中等,局部夾薄層細砂。⑥粉細砂:褐黃色,松散狀為主,局部稍密狀,飽和,巖芯略成形。⑦殘積土(花崗巖):棕紅、紫紅色夾褐黃色,可塑—硬塑狀,由花崗巖風化殘積而成,為礫質黏性土,長石顆粒手捻呈粉狀。

其中各土層在1號工作井與1號接收井分布情況如表1所示。

表1 土層分布情況表

1號工作井設計深度為10.29 m(深度指地面到底板的距離),底部持力層為殘積土(花崗巖);1號接收井設計深度為11.65 m,底部持力層為中粗砂,承載力均滿足設計要求。

兩座井地層穩定性差,直立開挖不能自穩,周邊環境較為復雜,不具備放坡開挖條件,故需支護直立開挖。由于圓形支護結構上的主動土壓力較常規的直線形支護結構上的土壓力小[2],所以1號工作井與1號接收井均設計為圓形結構。

2 沉井施工

2.1 沉井設計

沉井法是指在地面上對沉井主體進行鋼筋綁扎和混凝土澆筑,待到沉井主體達到設計要求,利用井身自重配合機械挖土根據現場情況進行一次或多次下沉,直到穩定到達設計標高的一種深基礎結構[3]。

1號工作井下沉高度12.99 m,入土高度12.99 m。底板到地面高度為10.29 m,井壁厚1 m,內徑為12 m。地下水位埋深4.6 m,刃腳高度3.39 m。

排水下沉法適用于滲水量不大的黏土層和排水不困難的砂礫層[4-5]。1號工作井周圍建筑物較多,考慮到大量排水會影響附近建筑物,本工程沉井采用不排水下沉。分兩次澆筑,兩次下沉,第一次下沉5.4 m,第二次下沉7.59 m。

2.2 沉井施工工藝

本項目所用沉井施工工藝如圖1所示。

2.3 下沉穩定性驗算

本文依據劉祺、嚴邵峰等[6-8]論文中的經驗計算公式結合本項目實際情況對1號工作井沉井的下沉系數以及穩定性進行驗算。

2.3.1 計算公式

井壁與土層的總摩阻力按照式(1)—式(3)計算:

Q=Cfa

(1)

fa=(H-2.5)fkH>5 m

(2)

(3)

其中,Q為總摩阻力;C為井壁外周長;fa為單位面積摩阻力;H為下沉高度;fk為各土層單位摩阻力加權平均值;fki為井壁與各土層間的單位摩阻力;hi為各土層厚度。

下沉系數Kst計算式見式(4),式(5):

Kst=G-Ffwk/Q

(4)

G=G1+G2+G3

(5)

其中,G為沉井下沉重力荷載;Ffwk為地下水浮力;G1為沉井混凝土產生的荷載;G2為沉井鋼筋產生的荷載;G3為沉井頂部附加荷載,本文附加荷載取值為0。

下沉穩定系數Kst.s計算式見式(6),式(7):

(6)

R=(b+c)π(D-t)fak

(7)

其中,R為刃腳反力;b為刃腳寬度;c為刃腳斜面水平投影寬度;D為沉井外徑;fak為土層地基承載能力特征值。

2.3.2 計算結果

根據式(1)—式(7)計算可得沉井下沉系數與下沉穩定系數如表2所示。

表2 下沉系數與下沉穩定性系數計算結果

為保證沉井能夠順利下沉根據規范[9]相關規定,下沉系數Kst>1.05,兩次下沉均滿足要求;同時為了防止自重過大發生自沉,下沉穩定性系數需滿足Kst.s<1,由表2可知,兩次下沉均滿足穩定性要求。

2.4 沉井下沉過程分析

2.4.1 問題分析

沉井糾偏:沉井下沉是否滿足要求,關鍵在于糾偏[10]。第二次下沉1 m后沉井開始發生傾斜,圖2中3號觀測點處下沉速度相較其他點位有明顯停滯, 1號點和3號點最大高程差超過30 cm,現場馬上進行糾偏,采用靜力壓樁機對3號點側進行插打,并只對3號點位側單獨取土,保證4點位同步下沉。同時對4個點位同步實時檢測,持續下沉2 m后,4個點位高層差恢復允許范圍,直至到達設計標高,期間最大高程差為40 mm。

沉井下沉困難:第二節沉井下沉過程中由于土層變化以及地下水浮力的影響,下沉較為困難,采用觸變泥漿助沉。注入觸變泥漿段單位摩阻力標準值取10 kPa計算,此時下沉系數為1.38,下沉穩定系數為0.63,滿足要求。

2.4.2 進度分析

高壓旋噴樁:1號工作井高壓旋噴樁共計313根(其中洞口加固樁68根),一臺高壓旋噴樁機施工,共用時42 d。

沉井:沉井共用時77 d,包括腳手架施工、鋼筋安裝、模板安拆、混凝土澆筑、下沉五道工序。

2.4.3 成本分析

1號工作井主體成本分析表見表3。

1號工作井所產生的直接成本如表3所示,地基處理花費1 042 750元、1號工作井主體花費2 361 482元。

由于地基處理工程量取決于各井位的地質情況,所產生的金額不計入方案比選的經濟比選項。

1號工作井主體中腳手架及配件材料共花費130 000元,相關地方政策中安全文明施工要求嚴格。為保障安全,實際施工采用內外雙排腳手架,中間滿堂腳手架的方案。該方案確實起到了降低施工風險,提高沉井施工質量的作用。但也增加了成本支出。腳手架結構示意以及現場施工圖見圖3。

3 逆作法施工

3.1 逆作法井設計

逆作法是指一種從上至下,逐層開挖逐層澆筑的施工方法。逆作法無需放坡、無需做臨時支護[11]。施工方便也更節約成本。1號接收井選用逆作法施工,設計井深11.65 m,分13序施工,每序1 m。底部采用C20素混凝土澆筑,高度1 m。地面到底板距離11.62 m。井壁采用C30混凝土現場澆筑的方式,厚1 m。井壁上預留泄水孔用于施工排水。

3.2 逆作法施工工藝

本項目所用逆作法施工工藝如圖4所示。

3.3 逆作法施工過程分析

3.3.1 問題分析

排水處理:1號接收井所在井位地下水位較高,且不良地質層數較多、厚度較高,同時1號接收井不僅作為本項目第一段管道的接收井使用,也是其他段管道的工作井,所以需對1號接收井位置施打兩排高壓旋噴樁用做止水帷幕,和一圈工字鋼作為地基加固措施,但是在實際施工過程中,還是出現積水嚴重問題,需要項目用水泵對施工井位進行24 h不間斷抽水工作,不僅影響取土工作面而且增加了額外成本。

3.3.2 進度分析

高壓旋噴樁:1號接收井共施工567根,兩臺高壓旋噴樁機施工。共用時58 d,其中洞口加固樁與雙排樁之間間隔11 d用于施打工字鋼,實際施工47 d,平均每天12根。

工字鋼:工字鋼與高壓旋噴樁交叉施工,共用時19 d,其中最后4 d與高壓旋噴樁洞口加固樁平行施工。

逆作法:逆作法井施工用時46 d,共計13序,平均3.5 d 1序。

3.3.3 成本分析

1號接收井主體成本分析表見表4。

表4 1號接收井主體成本分析表

1號接收井地基處理費用以及做井主體所需費用如表4所示,施打高壓旋噴樁預計花費2 444 779元,做井預計花費2 007 705元。同理地基處理工程量受井位地質情況影響,與施工方法本身并無多大關聯,不參與比較。僅將用作加固的工字鋼納入井身成本在方案比選中進行經濟對比。

4 方案比選

4.1 工藝對比

沉井法需在地面上對井身進行澆筑,待井身達到設計強度后再對其進行下沉施工,地面澆筑過程需搭設腳手架,整體施工工藝較為復雜,但是安全系數高。所需施工面積較大,不適合在作業面積小的空間內施工。

逆作法采用開挖一層澆筑一層的方式施工,工藝簡單,不需要搭設腳手架,井壁采用現澆混凝土,對環境影響較小,由于逆作法所有操作都在井內進行,無需大面積占用規劃井外空間,可在小作業面空間施工。

4.2 進度對比

沉井法與逆作法成井工期對比見表5。

表5 沉井法與逆作法成井工期對比

如表5所示,1號工作井采用沉井法施工用時77 d,1號接收井采用逆作法施工用時46 d。僅對比成井施工時間,逆作法施工要比沉井法快31 d。沉井法進度慢的原因主要是地上澆筑井身過程中,腳手架和模板的安拆時間占比過大。

4.3 經濟對比

沉井法與逆作法成本對比見表6。

表6 沉井法與逆作法成本對比

如表6所示,1號工作井采用沉井法成井花費2 361 482元,1號接收井采用逆作法成井花費2 007 705元,逆作法施工所花費成本要比沉井法施工節約353 777元。

4.4 風險對比

如表7所示,沉井法施工成井共涉及13個風險點,而逆作法施工成井共涉及9個風險點。比沉井法施工少4個風險點,所以在本項目中采用逆作法施工安全性要高于沉井法。

表7 沉井法與逆作法施工風險點對比

5 結語

從本項目實際的施工效果來看,在兩種施工方法都允許的地質條件下,逆作法無論是從工藝、工期進度、經濟、風險等多個方面都要優于沉井法,再加上后續井位的施工面積有限,且周邊環境復雜,綜合考慮下采用逆作法施工是最優解。同時本文得出的結論也為類似工程提供了參考意見,頂管工程用井一般作為臨時性支護使用,而沉井法更適合作為永久性結構使用,若在地下管線鋪設過程中施工用井無需作為永久性結構,且地質情況滿足的情況下,沉井法和逆作法相比,采用逆作法施工是最佳選擇。