北京富水砂卵石地層電力豎井鉆孔漂浮沉管施工工法研究

何齊海

（中鐵二局工程有限公司 四川 成都 610032）

北京富水砂卵石地層電力豎井鉆孔漂浮沉管施工工法研究

何齊海

（中鐵二局工程有限公司 四川 成都 610032）

通過(guò)本電力井工程實(shí)踐，詳細(xì)介紹了北京富水砂卵石地層電力豎井鉆孔漂浮沉管施工工法研究，明確了該施工工法的適用范圍，詳細(xì)總結(jié)了該施工工法的工藝原理、主要施工工藝流程、施工步驟及施工控制要點(diǎn)，對(duì)今后類(lèi)似條件下的電力豎井施工有很好的借鑒作用。

電力；豎井；鉆孔漂浮沉管；施工工法

1 本工法適用范圍說(shuō)明

（1）適用于電力、熱力、污水等施工豎井、檢查井等的工法，當(dāng)?shù)叵滤挢S富、且常規(guī)地下水處理措施失效或成本太高時(shí)使用此施工工法可節(jié)約工期和成本。

（2）本施工實(shí)例成孔直徑2.2m、外管外徑1800mm，根據(jù)實(shí)際需要采用反循環(huán)回旋成孔鉆機(jī)可成孔4.2m，甚至更大直徑的井室。

2 工程概述

（1）概況

團(tuán)結(jié)湖220千伏送電工程（第三標(biāo)段）工程4#中間檢查井需與盾構(gòu)豎井接口，4#中間檢查井中心里程2+083.384，井對(duì)應(yīng)盾構(gòu)環(huán)號(hào)為327-332環(huán)。

本中間檢查井深度31.162m，共分為7層，主體結(jié)構(gòu)為現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，地下一層至四層結(jié)構(gòu)凈空尺寸為 6.4m*4m，初支采用倒掛井壁法開(kāi)挖，初支厚度為350mm，主體結(jié)構(gòu)為現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，厚度700mm。

（2）地質(zhì)情況

0-0.7 m城市道路面層，0.7-3.5m素填土，3.5-12.5m粘土，12.5-15.3m粉細(xì)砂，15.3-15.8m粘土，15.8-16.5m粉細(xì)砂，16.5-18m圓礫層，18-23m卵石（最大6cm），23-26m粘土，26-35m粉細(xì)砂。

（3）地下水情況

基坑開(kāi)挖到19m深度時(shí)，位于圓礫卵石層中，地下水巨豐富，每天抽水逾5000立方米，經(jīng)過(guò)20天降水，地下水位無(wú)明顯下降，需進(jìn)行工法變更。

3 工法變更

上部已采用倒掛井壁法開(kāi)挖及初支的部分底板厚度為 600mm，側(cè)墻厚度500mm，三層結(jié)構(gòu)，兩層中板厚度為200mm，頂板厚度為400mm，中板和頂板上設(shè)置人孔。詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下圖所示：

結(jié)構(gòu)剖面圖

C-C剖面圖

4 工藝原理

本施工工法用于電力隧道中間檢查井永久結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)類(lèi)型為雙層預(yù)制鋼筋混凝土管，外管外徑1800mm、壁厚150mm，內(nèi)管外徑960mm、壁厚80mm，兩層管之間現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。由于地層為富水圓礫砂卵石地層，常規(guī)地下水處理措施不能達(dá)到良好的效果，采用沖擊鉆孔后漂浮沉管，防止坍塌。

5 施工工藝流程及施工步驟

5.1 施工工藝流程

鉆孔漂浮沉管施工工藝流程圖

5.2 主要施工步驟及工序施工方法

5.2.1 對(duì)管片進(jìn)行型鋼支撐加固

對(duì)盾構(gòu)隧道內(nèi)327#～332#共6環(huán)盾構(gòu)管片采用工25b型鋼支架支頂，型鋼支架須與盾構(gòu)管片頂緊。

5.2.2 鉆進(jìn)成孔

5.2.2.1 孔口鋼護(hù)筒

由于本中間檢查井基坑已開(kāi)挖到19m深度，孔口為圓礫砂卵石地層，不具有穩(wěn)定性，考慮地下水具有承壓性，泥漿護(hù)壁系統(tǒng)必須埋設(shè)鋼護(hù)筒，鋼護(hù)筒直徑2220mm，壁厚10mm，埋入2m；保證護(hù)壁泥漿的壓力足以抵抗水壓，護(hù)筒高度達(dá)到地面。

5.2.2.2 制備泥漿

本工程鉆孔最大深度達(dá)9m左右，各道工序施工時(shí)間長(zhǎng)，在槽孔長(zhǎng)時(shí)間暴露中容易引起沉渣增厚和孔段失穩(wěn)等問(wèn)題，因此本工程要適當(dāng)提高泥漿的粘度和比重，以增加泥漿懸浮沉渣能力，降低沉渣厚度，并保證孔壁穩(wěn)定。由于本工程與樁基的要求有所不同，只要能保證預(yù)制混凝土管能沉到預(yù)定深度，泥漿濃度無(wú)限制，按照膨潤(rùn)土泥漿的試驗(yàn)，本工程護(hù)壁泥漿濃度1.33kg/L。

5.2.2.3 鉆進(jìn)成孔

由于成孔直徑較大，并且地層為砂卵石地層，分兩次成孔：第一次采用1500mm鉆頭，在成孔的同時(shí)將砂卵石地層向周邊擠密；第二次采用改造擴(kuò)大的 2000mm鉆頭成孔。

分兩次成孔能達(dá)到如下效果：

（1）成孔過(guò)程中未進(jìn)行泥漿循環(huán)，成孔過(guò)程中未造成地層流失。相反的是，第一次成孔只能將圓礫砂卵石向周?chē)鷶D密，改變了地層骨架，使得粗顆粒更緊密，細(xì)顆粒的流動(dòng)通道減小，護(hù)壁泥漿更容易形成泥殼；

（2）由于2000mm直徑的沖擊鉆頭使用較少，本工程鉆孔采用1500mm鉆頭改造而成，鉆頭的焊接質(zhì)量、重量等均存在不足，如果采用一次成孔，一方面可能無(wú)法有效成孔；另一方面將加大對(duì)地層的擾動(dòng)，即使成孔完成，也可能塌孔。

5.2.2.4 檢孔及清孔

（1）鉆孔深度達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高后,應(yīng)對(duì)孔深、孔徑進(jìn)行檢查，符合設(shè)計(jì)要求后方可清孔。

（2）清孔方法應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況采取掏渣的方法進(jìn)行清孔，孔后泥漿指標(biāo)和沉渣厚度應(yīng)滿足下放鋼護(hù)筒深度要求。

（3）為保護(hù)洞內(nèi)管片步受破壞，不得用加深鉆孔深度的方式代替清孔。

5.3.2.5 全孔安裝鋼護(hù)筒

2200 mm孔完成后立即全孔范圍安裝直徑2020mm，壁厚t=10mm螺旋焊鋼管。

5.3 漂浮沉管及固井施工

5.3.1 沉管裝置

在沉管施工前先將混凝土管運(yùn)輸至施工場(chǎng)地指定擺放位置，在豎井井底搭設(shè)平臺(tái)上安裝沉管下放裝置。沉管下放裝置具體有支撐架、橫撐加鋼筒組成。

5.3.2 井管選擇

（1）本工程沉管有內(nèi)外兩層管，外襯采用內(nèi)徑為1500mm、壁厚150mm企口管，內(nèi)襯采用內(nèi)徑為800mm、壁厚80mm承插口管。

（2）在沉管過(guò)程中為保證施工方便，內(nèi)襯承插管可直接使用，但外側(cè)企口管上下兩管鏈接沉管時(shí)鋼絲吊繩與井管無(wú)法直接固定。所以必須在每節(jié)企口管預(yù)制時(shí)井管兩端外側(cè)必須預(yù)埋200mm寬鋼板和φ32鋼筋吊耳，以保證上下兩節(jié)井管可靠連接和鋼絲吊繩與井管可靠連接固定。

5.3.3 沉管施工

（1）當(dāng)井管、井管下放裝置、卷?yè)P(yáng)機(jī)、鋼絲繩等準(zhǔn)備齊全之后，進(jìn)行沉管施工。

（2）在最下層井管底部焊接20mm厚鋼板，并用防水膠將底部鋼板于井管縫隙封堵，形成底部封閉管以便沉管施工時(shí)在內(nèi)加水增加自重，沉管至設(shè)計(jì)標(biāo)高。

（3）將井管用25t吊車(chē)吊運(yùn)至護(hù)筒內(nèi)高出護(hù)筒300mm后換4根直徑43mm的6×37+1鋼絲繩，破斷拉力139500Kg（起重吊裝常用計(jì)算手冊(cè)查得），故抗拉強(qiáng)度為975.5MPa，并在下方裝置鋼桶上纏繞4至5圈后連接與卷?yè)P(yáng)機(jī)上。在將吊耳、鋼絲吊繩以及鋼桶纏繞時(shí)必須保證鋼絲吊繩軸向受力，不受剪。具體如下圖所示：

沉管施工過(guò)程圖

（4）將鋼絲吊繩與下節(jié)井管固定好之后，吊車(chē)將第二節(jié)管吊至第一節(jié)管上方，緩慢下降并人工幫扶將上節(jié)管插入下節(jié)管內(nèi)。當(dāng)上節(jié)井管完全插入下節(jié)井管之后在兩節(jié)管接頭環(huán)向六個(gè)方向用1000mm*200mm*10mm弧形鋼板與井管兩端環(huán)向預(yù)埋鋼板焊接連接。

（5）當(dāng)上節(jié)井管與下節(jié)井管用鋼板焊接連接好后，4臺(tái)卷?yè)P(yáng)機(jī)同時(shí)同步驟同長(zhǎng)度緩慢下放鋼絲吊繩進(jìn)行沉管。依次通過(guò)以上步驟將后續(xù)井管相繼沉到設(shè)計(jì)標(biāo)高，即盾構(gòu)隧道管片頂部以上1.5m標(biāo)高。如果當(dāng)孔內(nèi)浮力與井管重力相等無(wú)法下沉?xí)r向井管內(nèi)加水增加井管自重繼續(xù)下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高盾構(gòu)隧道管片頂部以上1.5m。

5.3.4 固井施工

（1）固井混凝土澆筑

井管沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高后，在井管外側(cè)與孔壁之間空隙四周打設(shè)導(dǎo)管從下往上依次后退式澆筑水下混凝土。

（2）注漿固井

拆除護(hù)筒，對(duì)井管背后3m、井管底部與盾構(gòu)隧道管片之間范圍進(jìn)行注漿固井施工。

按照本工程盾構(gòu)始發(fā)井注漿加固經(jīng)驗(yàn)、地質(zhì)情況及地下水情況，原則上常規(guī)注漿方案是不可行的，但是鉆孔漂浮沉管工法注漿又是必不可少的一道工序，如何保證注漿的成功至關(guān)重要。

①首次注漿效果不佳

第一次注漿注漿孔直接設(shè)置在外管與鋼護(hù)筒之間，第一次注漿整過(guò)過(guò)程中均無(wú)壓力。

②第二次注漿

A、保證材料質(zhì)量，避免材料凍結(jié)；

D、改變布孔位置，同時(shí)改變漿液種類(lèi)，先注改性水玻璃漿液，后注水泥-水玻璃雙液漿。

為保證管底破除后，間隙被徹底封堵，經(jīng)重新對(duì)地層進(jìn)行模擬分析，盾構(gòu)隧道頂與圓礫砂卵石層之間有約 3m厚的粘土層，漿液在粘土層中有足夠的膠凝時(shí)間，并且地下水對(duì)漿液的化學(xué)反應(yīng)影響較小，在粘土層注漿采用向周邊擴(kuò)散擠壓的方式封堵間隙，在護(hù)筒外1m圓形輪廓線共布置8個(gè)孔，深度為9m～9.5m，孔與孔的間距保持均勻。

E、第二次注漿嚴(yán)格檢測(cè)水玻璃質(zhì)量，保證濃度，原液與水泥漿時(shí)間控制在20s以內(nèi)。

F、加大水泥漿濃度，井口往井下注漿，漿液在保證能注入的情況下比重越大越好，最終注入水灰比為0.5。

G、4號(hào)中間檢查井對(duì)應(yīng)管片環(huán)號(hào)為330環(huán)，注漿終孔壓力設(shè)定為2Mpa，為保證洞內(nèi)管片安全洞內(nèi)、始發(fā)井口、4號(hào)井地面各設(shè)1名技術(shù)人員，通過(guò)對(duì)講機(jī)進(jìn)行監(jiān)控施工。

5.4 人工挖孔施做混凝土護(hù)壁至盾構(gòu)隧道頂部

待C15豆石混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，拆除鋼護(hù)筒，清除外襯管內(nèi)的泥漿、積水等，破除外襯管底結(jié)構(gòu)，繼續(xù)向下人工挖孔施做混凝土護(hù)壁至盾構(gòu)隧道頂部。

5.5 安裝兩層管之間鋼筋、預(yù)留管道

待護(hù)壁混凝土終凝24h之后，拆除護(hù)壁模板，在329#、330#盾構(gòu)管片頂部開(kāi)孔（孔徑1.5m），沿外襯內(nèi)壁施做防水層，安裝預(yù)留管道所需的DN125mm鍍鋅鋼管，制作安裝兩層襯砌管道之間鋼筋混凝土的鋼筋。

為保證結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量，兩層管之間混凝土在設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上增加單層鋼筋，混凝土采用細(xì)石自密實(shí)混凝土。

5.6 沿孔口施做加強(qiáng)環(huán)梁。

為保證接口的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性和與管片連接的可靠性，在管片上植筋與后澆鋼筋混凝土環(huán)梁連接，植筋膠使用進(jìn)口喜利得牌植筋膠。加固環(huán)梁采用植筋方式與管片連接。

5.7 安裝內(nèi)襯管

內(nèi)襯管安裝前首先安裝定位鋼筋后，采用汽車(chē)吊分節(jié)吊裝安裝到位，安裝過(guò)程中要嚴(yán)格控制管節(jié)之間的連接質(zhì)量。

5.8 防水施工

5.8.1 外包防水

待護(hù)壁混凝土終凝24h之后，拆除護(hù)壁模板，在329#、330#盾構(gòu)管片頂部開(kāi)孔（孔徑1.5m），沿外襯管內(nèi)壁施做防水層。外包防水采用電力工程慣用的聚乙烯丙綸防水卷材。

5.8.2 施工縫防水施工

根據(jù)預(yù)制鋼筋混凝土管的管長(zhǎng)尺寸，外襯管施工縫有7道，內(nèi)襯管施工縫有6道。

鉆孔漂浮沉管施工部分總長(zhǎng)11.612m，內(nèi)外兩層管施工縫之和為13道，如何做好此部分防水是關(guān)鍵。施工縫位置采用遇水膨脹止水條+遇水膨脹止水膠處理+注漿管注漿處理。

企口管橡膠圈接口應(yīng)在企口中放置止水橡膠圈，管壁應(yīng)有足夠的厚度。接口止水橡膠圈宜采用滑動(dòng)膠圈，其壓縮率可采用30%～45%，環(huán)徑系數(shù)可采用0.80～0.85。橡膠圈材質(zhì)的物理力學(xué)性能，應(yīng)符合給水排水管道用橡膠密封圈的有關(guān)規(guī)定。

6 類(lèi)似工程施工建議

（1）成孔方式的選擇要根據(jù)地層特點(diǎn)認(rèn)真分析，本工程案例在反循環(huán)和沖擊鉆孔兩種方式上進(jìn)行多次專(zhuān)題討論。

（2）護(hù)壁泥漿系統(tǒng)根據(jù)鉆孔用途的不同可以有所不同，例如泥漿比重可以比鉆孔灌注樁大，泥漿含砂率、沉渣厚度要求相對(duì)混凝土灌注可以放松。

（3）根據(jù)工期要求的不同，預(yù)制鋼筋混凝土上的預(yù)埋件可預(yù)埋、可采用植筋方式后加。

（4）上道工序不施工完成并經(jīng)驗(yàn)收合格，下道工序不施工，嚴(yán)格工序管理。

TU75

B

1007-6344（2017）02-0216-02

何齊海（1984年6月-），男，四川成都，工程師，學(xué)士學(xué)位，畢業(yè)于2008年6月，蘭州交通大學(xué)，土木工程，主要從事市政地下工程施工與研究。