沙漠地区顶管工作井施工方法

李秉坤，李永彪，曹广勇

(安徽建筑大学建筑结构与地下工程安徽省重点实验室，安徽 合肥 230601)

1 工程概况

本工程为乌兰布和生态沙产业示范区建设的重要引水工程，从乌兰湖接出，由南向北穿越乌兰布和沙漠带，顶管工作地质条件几乎全为砂层条件。工程采用的施工方法为顶进法施工，设计DN3000mm单管供水，终点接至巴音湖，线路总长1.52km。管道的最大埋深达48m，共设临时顶管井9座，其中工作井4座、接收井5座，单段最长顶距为423.3m。施工总平面图如图1所示。

图1 施工总平面图

2 砂层工作井施工关键技术

在本工程中，在不同段区域内采用不同的工作井施工方法。现有工作井施工中，1#、4#、9#井为接收井，内径6.5m，2#、7#井为顶管工作井，内径10m，该四座工作井施工方法采用旋喷桩逆作法，2#工作井采用沉井法进行施工。

2.1 旋喷桩逆作法

逆作法是指在进行工作井旋喷桩施工的过程中，按照与常规施工顺序相反的方式，不需要架设临时支撑，以结构本身同时作为支撑和挡土墙，从上而下依次开挖的施工方法。

2.1.1 工作井支护结构

针对采用普通法施工深厚砂层工作井易坍塌的特点，提出了钻孔灌注桩加钢筋混凝土内衬、旋喷桩封底的工作井支护结构。每座顶管井支护结构相同：外侧为φ1.2m钻孔灌注，底板下4m范围内为φ0.6m搭接0.2m的高压旋喷桩加固。灌注桩桩顶设置2.2m宽×3.0m高冠梁连续结构，桩身自上而下每5m分层设置 0.5m×0.7m暗梁，并浇筑 0.5m厚钢筋混凝土内衬，井底浇筑0.2m厚素混凝土垫层及1m厚钢筋混凝土底板。结构简图如图2所示。

图2 结构简图

2.1.2 旋喷桩施工工艺

在进行钻孔过程中，钻机必须要牢固坚实，不在坑洼条件下进行工作，保证钻机能够顺利进入钻孔。在钻空过程中若遇到岩石等坚硬物块时，需用钻头或者开挖的方式清除物块，回填压实后继续工作，以避免刀盘损坏。

钻孔准备就绪后，进行旋喷桩施工前需要将注浆管顺利置入预定位置，下管过程中防止泥块堵塞喷嘴。同时需要注意检查注浆的初凝时间、注浆流量、注浆压力以及选装和提升速度等参数。

2.1.3 逆作法施工工艺流程

第一板土方开挖→人工修整→钢筋制作安装→模板制作安装→井壁混凝土浇注→模板拆除→下一板土方开挖→下一板钢筋制作安装→下一板模板制作安装→下一板井壁混凝土浇注→井底封底。

2.1.4 工作井施工方法

①冠梁基坑土层为松散、中密的砂土，坡顶无荷载，开挖深度为3m，采用放坡开挖，放坡比为1∶1。冠梁横向主筋采用焊接连接，箍筋采用绑扎连接，保护层厚度为40mm；模板使用木模双面搭设，拼接处用木方钉牢，梁壁用Q235 M 14型对拉螺栓 (带3片3mm止水钢片)间距400×400mm加固；冠梁外部采用双排落地脚手架，内部采用满堂式脚手架施工，用扣件式脚手架搭设。

②井内土方开挖。地面以下15m内的基坑土方采用长臂挖机直接开挖，挖出的土方用推土机推至场外；地面以下深度大于15m的基坑土方采取人工配合小型挖掘机开挖的方式开挖，选用1台 WY15液压反铲挖掘机（0.3m3），基坑的土方开挖主要采用挖掘机开挖，人工配合挖除机械挖不到的地方。一次性开挖深度控制在1.8m以内，在松散砂层区每节高度不宜大于1m，先从中部开挖，然后向四周开挖。

③内衬结构采用逆作法施工。安装下节内衬模板时，上节内衬混凝土已浇筑完毕，所以需对上下接缝做特殊处理，为方便下节混凝土料投入模板内，在接缝处侧模上口设一杯形投料口，高出上下节接缝300mm，宽出井内衬250mm，混凝土由投料口入料。

④内衬结构采用暗梁支撑。内衬机构每 4.5m设置一道高 700mm宽500mm的环形暗梁。暗梁预埋铁与冠梁预埋铁埋设方式相同，且在同一垂线上。暗梁厚度与内衬结构相同，钢筋比内衬增加的纵横向箍筋，混凝土强度为C35。

⑤暗梁、内衬墙施工至管道顶标高以上停止，将井垫层施工完成后再施工底板与剩余内衬墙、洞口加固。垫层、底板，基坑开挖到底后要及时进行封底施工，确保施工安全。

2.2 沉井法

沉井法又称沉箱凿井法。在不稳定含水地层掘进竖井时，在设计的井筒位置上预先制作一段井筒，井筒下端有刃脚，利用井筒的自重或略施加外力使之下沉，再将井筒内的岩土挖掘出的施工方法。挖掘与下沉交相进行，直到穿过不稳定地层。沉井施工不仅适应于软土地层，在含有砂砾、硬土等底层上也可以应用。

2.2.1 沉井法的施工工艺

在采用沉井法施工时，一般可分为制作和下沉两个阶段，在不同的地质和外部条件下，地基承载力、沉井自身的高度以及机械设备的工作能力等，沉井下沉也会有不同的情况，可采取一直制作一次下沉、分段制作后拼在一起进行下沉或者制作与下沉交替进行等方式。在沙漠地区进行顶管法施工时，一般采用一次制作一次下沉的方式进行施工。在进行沉井法施工时，其施工顺序一般如下：

①先在建筑地点平整场地或筑岛，分段(或次)制作井筒；

②然后从井内不断取土，随着土体的挖深，沉井因自重作用克服井壁和土体之间的摩擦力和刃脚下土的阻力而逐渐下沉；

③达到设计标高后，用混凝土进行封底，并按使用要求对内部结构修筑；

④最后修筑顶盖和出入口。

2.2.2 沉井施工中的问题和预防措施

①突然下沉

当在沉井施工过程中出现突然下沉的情况时，通过增大下沉系数；控制挖土的深度；结构上也要合理分隔，设置一定数量的底梁；采用泥浆套法或壁后压气法(见沉井基础)，以减小摩擦力。

②涌砂

发生涌砂情况时，向井内灌水，保持井内水位高于井外地下水位。

③偏斜

可调整挖土先后次序和改变方法来降低偏斜；采取偏心压重，部分壁外冲水。

④沉不下

沉井的设计和施工时通常用下沉系数(沉井施工阶段自重与阻止下沉的井壁四周土的摩擦力、刃脚踏面阻力等的比值)来估算沉井是否能够顺利下沉，一般要求下沉系数为 1.10～1.25。当下沉系数不够时，要采取上述减小摩擦力的方法，增加重量等措施。如在下沉中发生重量不够时，也可采用壁外冲水和井内抽水、加压重、接高井壁。

2.2.3 沉井法施工的优点

由于沉井法独特的施工方式以及施工特点，使用沉井法不但适用于软土地基上的施工，还能够在硬土、砂砾石等地层中正常施工，除此之外，沉井法还具有以下特点：

①施工场地大大减少；

②由于沉井法施工是直接将井筒压入地下，省去了开挖支护所需的费用；

③在地下水丰富的地区，沉井施工方法可以采用水下封底和地下水挖土等技术而节省了降水或者排水的费用。

④对于深基坑或深度较大的地下建筑物来说，大开挖方法耗费巨大，而使用沉井法进行施工，可以在经济上节省。

3 方法比较

旋喷机+逆作法做顶管工作井更适合地质条件差的地层，因为在整个工作井施工过程中不涉及沉井下沉，所以可以不设置刃脚和素混凝土垫层。在混凝土的养护过程中逆作法工作井养护可以对井口进行封闭，对井内进行加热，在低温时期养生效果更好，有效提前工期，对道路建筑物、地下管线等周边环境影响小而沉井的整体施工周期偏长，且由于土质及工艺的原因，在下沉的过程中沉井容易偏斜。就位存在一定的偏差沉井下沉过程中对周围土体的扰动裹挟严重，沉降较为明显。

4 总结

通过分析，与逆作法相比，沉井法施工需要占用较大的施工场地，因此它不适用于场地受限制的工程中，否则将会影响周边交通。从沉井法的施工特点来看，沉井施工时对沉井的位置标高控制要求也十分严格，因为在砂层中很容易使沉井井身倾斜而不易纠正，容易出现超沉或下沉不到位的情况。而且在整个下沉过程中，沉井较容易对周围土体产生扰动，最大影响范围约是沉井深度的1～3倍。因此当工作井周围构筑物离沉井边距离在该扰动范围内时就不宜选用沉井法。当工程地质条件较好且场地不受限制时，可考虑采用沉井法施工。