城市暗涵施工技術(shù)研究

(1.河南省白龜山水庫(kù)管理局，河南 平頂山 467000；2.平頂山市孤石灘水庫(kù)管理局，河南 平頂山 467233)

城市地下暗涵管網(wǎng)是城市水、電、氣、通信等基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，對(duì)城市地下暗涵管網(wǎng)等市政設(shè)施進(jìn)行改建、新建、擴(kuò)建，就需要對(duì)施工方案進(jìn)行充分論證，確定最優(yōu)的施工方法。目前，傳統(tǒng)的挖槽埋管地下管線施工技術(shù)對(duì)地面交通和周邊環(huán)境影響較大，特別是在城市和施工區(qū)域狹小的地區(qū)及不允許開(kāi)挖的地段，這類(lèi)矛盾尤為突出。而且，傳統(tǒng)的施工方法在河道岸邊施工時(shí)，由于荷載巨大易造成河坡失穩(wěn)而發(fā)生安全事故。因此，市政工程如何在保證工程正常進(jìn)展的同時(shí)最大限度地減少施工占地，降低對(duì)現(xiàn)有生態(tài)的破壞，減少對(duì)人們?nèi)粘Ｉ畹挠绊?，已?jīng)成了一個(gè)急需解決的問(wèn)題。本文通過(guò)平頂山市湛河治理項(xiàng)目工程實(shí)例，對(duì)城市暗涵施工技術(shù)進(jìn)行分析研究，較好地解決了城市施工與環(huán)境及安全之間的問(wèn)題。

1 城市暗涵工程概況

研究依托平頂山市湛河治理項(xiàng)目，以建設(shè)生態(tài)城市為目標(biāo)，在內(nèi)河段的南岸新建一條排污管道——湛南暗涵，工程線路見(jiàn)圖1，通過(guò)收集內(nèi)河南岸污水，截流現(xiàn)狀排入內(nèi)河的雨、污合流管道，防止污染內(nèi)河，對(duì)這條城區(qū)內(nèi)河實(shí)現(xiàn)綜合生態(tài)整治。

圖1 湛南暗涵工程整體路線圖

平頂山市湛河，流經(jīng)平頂山市區(qū)，全長(zhǎng)42.30km，其中，主城區(qū)段為內(nèi)河，全長(zhǎng)6km，在內(nèi)河段的南岸新建的排污暗涵管道全長(zhǎng)5774m，具體分布見(jiàn)表1，施工總體平面布置(W2～W7部分)見(jiàn)圖2。

表1 頂管施工段設(shè)計(jì)概況

注上表中未列出的W1～W2、W7～W8、W21～W22穿越既有橋梁，地下管線、管道等障礙物較多，采用明挖施工。

圖2 施工總體平面布置圖(W2～W7部分)

2 研究解決的關(guān)鍵問(wèn)題

2.1 確定頂進(jìn)施工技術(shù)和方法

沿途地面多為岸坡綠化植被與堤頂公園，為減少開(kāi)挖對(duì)交通的影響和生態(tài)的破壞，計(jì)劃采用頂管施工。頂管段全長(zhǎng)5496.60m，管段設(shè)計(jì)采用柔性接頭鋼承口管，混凝土強(qiáng)等級(jí)不低于C50，抗?jié)B等級(jí)不低于P8。管道傳力面上用膠黏劑黏環(huán)形木墊圈，橡膠圈柔性接口，鋼承口接頭的鋼套管與混凝土的接縫采用聚硫密封膏勾縫。頂管設(shè)計(jì)直徑為2200mm、2400mm，最大埋深12.50m，一次頂進(jìn)距離最長(zhǎng)240m。

由于該項(xiàng)目沿線障礙物管線較多，為保證施工安全，避免地勘物探資料偏差造成頂進(jìn)事故，同時(shí)又要確保頂進(jìn)質(zhì)量、進(jìn)度，需對(duì)有障礙物管線的段落和無(wú)障礙物管線的段落采用不同的施工方法。

2.2 對(duì)工作豎井支護(hù)體系進(jìn)行優(yōu)選

為保證2400mm管道頂進(jìn)，應(yīng)采取適當(dāng)工藝，以確保陡峭河坡邊進(jìn)行大尺寸工作井施工的安全；對(duì)于2400mm的大管徑，進(jìn)行240m長(zhǎng)距離頂進(jìn)時(shí)，頂力較高，需設(shè)計(jì)合適的工作井參數(shù)，提供足夠的支撐力，以保證管道頂進(jìn)安全。

3 頂進(jìn)施工技術(shù)和方法的選擇

3.1 有障礙物管線的段落

機(jī)械頂管方法以泥水平衡、土壓平衡兩種方法使用得最為廣泛。采用泥水平衡頂管，龐大的地面泥漿池及配套處理設(shè)施無(wú)法布置；而土壓平衡地面設(shè)備簡(jiǎn)單、占地少，場(chǎng)地經(jīng)簡(jiǎn)單平整后即可使用，減少了對(duì)周邊生態(tài)環(huán)境的破壞。泥水平衡的棄渣呈流態(tài)，市區(qū)運(yùn)輸及施工過(guò)程中，大面積泥漿池的安全防護(hù)以及施工完畢后泥漿池的回填處理成本較高；而土壓平衡產(chǎn)生的棄渣為自然土方，直接外運(yùn)即可，施工方便且成本低廉。泥水平衡整體設(shè)備多、耗電量大，作業(yè)時(shí)噪聲大；而土壓平衡功耗低，小功率的發(fā)電機(jī)、泥漿攪拌機(jī)即可滿足要求，整體噪聲小。因此，土壓平衡比泥水平衡更適合在城市中進(jìn)行施工。

3.2 無(wú)障礙物管線的段落

無(wú)障礙物管線的段落，采用頂進(jìn)面敞開(kāi)的非機(jī)械頂進(jìn)。該方案包括人工頂管和半機(jī)械(扒渣機(jī))頂管。人工頂管勞動(dòng)強(qiáng)度大、施工安全性差、效率低。半機(jī)械頂管在人工頂管的基礎(chǔ)上，輔以扒渣機(jī)進(jìn)行土方開(kāi)挖，開(kāi)挖速度快、效率高，當(dāng)障礙物管線位置與地勘物探資料不符，出現(xiàn)偏差且位于頂進(jìn)截面時(shí)，便于采取應(yīng)急處理措施，安全性高，適宜于大管徑頂管。

4 工作井的選擇

4.1 工作井尺寸及形式

工作井尺寸應(yīng)便于頂管施工需要，根據(jù)相關(guān)頂管施工技術(shù)及驗(yàn)收規(guī)范計(jì)算。

按照頂管長(zhǎng)度確定工作井長(zhǎng)度計(jì)算公式見(jiàn)式(1)：

L≥L1+L3+K

(1)

式中L——工作井的最小內(nèi)凈長(zhǎng)度,m；

L1——頂管機(jī)下井時(shí)最小長(zhǎng)度,m，本頂管采用DK型土壓平衡刀盤(pán)，取4.5m；

L3——千斤頂長(zhǎng)度,m，一般可取2.5m；

K——后座和頂鐵的厚度及安裝富余量，取2m，以便頂管配套設(shè)備安裝。

此時(shí)，L≥4.5+2.5+2=9m。

按照下井管節(jié)長(zhǎng)度確定工作井長(zhǎng)度計(jì)算公式見(jiàn)式(2)：

L≥L2+L3+L4+K

(2)

式中L——工作井的最小內(nèi)凈長(zhǎng)度,m；

L2——下井關(guān)節(jié)長(zhǎng)度,m，一般可取2.5m；

L3——千斤頂長(zhǎng)度,m，一般可取2.5m；

L4——留在井內(nèi)的管道最小長(zhǎng)度,m，一般可取0.5m；

K——后座和頂鐵的厚度及安裝富余量，取2m，以便頂管配套設(shè)備安裝。

此時(shí)，L≥2.5+2.5+0.5+2=7.5m。

綜合上述兩種情況，工作井在頂進(jìn)方向上最小長(zhǎng)度應(yīng)取9m，屬于大尺寸、大埋深工作井。目前，常用工藝有沉井法和豎井法。但由于本研究項(xiàng)目沉井布置在河道大堤上，過(guò)分靠近邊坡，沉井的巨大重量作用在坡頂，易使邊坡失穩(wěn)，沉井將向河道傾斜而發(fā)生質(zhì)量與安全事故。因此，豎井更適合作為內(nèi)河岸坡內(nèi)頂管工程工作井。同時(shí)，考慮到工作井的穩(wěn)定性，頂管工作井的形狀宜采用圓形。

4.2 工作井結(jié)構(gòu)

目前，豎井圍護(hù)體系常有旋噴樁、鉆孔灌注樁、SMW工法樁等。旋噴樁施工占地少、噪聲污染較低，但漿體不易控制，易造成漫流而污染環(huán)境，成本較高，樁體強(qiáng)度相對(duì)較低；SMW工法樁是在旋噴樁的基礎(chǔ)上內(nèi)插型鋼進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，以提升井壁整體強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，施工時(shí)也易污染環(huán)境；鉆孔灌注樁作為圍護(hù)體系，其強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性均明顯高于旋噴樁和SMW工法樁，但鉆孔灌注樁配套的泥漿池占地較大，不適用于本研究項(xiàng)目的狹小場(chǎng)地。

通過(guò)上述比較，三類(lèi)樁體均不宜用作豎井圍護(hù)體系，但綜合三類(lèi)樁體的特點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)、優(yōu)化、創(chuàng)新可得到良好的支護(hù)體系，即型鋼支撐鋼筋混凝土井壁，該支護(hù)體系在鋼筋混凝土井壁內(nèi)輔以型鋼進(jìn)行支撐，是一種新型結(jié)構(gòu)型式，其特點(diǎn)是：井壁采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度高、無(wú)污染；鋼筋混凝土井壁內(nèi)部輔以型鋼進(jìn)行支撐，提高井體穩(wěn)定性；型鋼在現(xiàn)場(chǎng)直接采用機(jī)械打入土體，快捷方便，占地少，且能立即提高強(qiáng)度，提高豎井施工速度，符合現(xiàn)場(chǎng)施工條件見(jiàn)圖3。

圖3 頂管工作井新型結(jié)構(gòu)型式

4.3 井壁參數(shù)設(shè)計(jì)

4.3.1 工作井參數(shù)

井壁根據(jù)頂力計(jì)算結(jié)果，采用C35P8鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，由上向下厚度分別為45cm、60cm、80cm，每層高度4m，井壁下方再采用80cm厚底板、10cm墊層進(jìn)行封底。由于每個(gè)工作井深度不同，進(jìn)行分層高度設(shè)定時(shí)，依照由下向上依次滿足的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，即：由底板向上先設(shè)置4m高度的80cm厚井壁；剩余高度再設(shè)置60cm厚井壁；仍未富余時(shí)，全部設(shè)置為45cm厚井壁；井壁頂部再設(shè)1條40cm×100cm的L形冠梁見(jiàn)圖4。

圖4 內(nèi)徑9m工作井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖(單位：mm)

4.3.2 接收井參數(shù)

與工作井類(lèi)似，分層高度均為4m，由上向下厚度分別為40cm、50cm、60cm，分層高度標(biāo)準(zhǔn)與工作井相同，依據(jù)實(shí)際井深設(shè)定見(jiàn)圖5。

圖5 接收井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖(單位：mm)

工作井和接收井井體施工時(shí)，鋼筋綁扎、模板安裝、混凝土澆筑振搗作業(yè)等均采用人工分層作業(yè)，將高支模施工化解為普通鋼筋混凝土作業(yè)，且隨著豎井逐層加深，重心逐漸下移，井體更趨穩(wěn)定，確保了大深度頂管工作井施工安全。

4.4 型鋼參數(shù)設(shè)計(jì)

豎井采用逆作法由上向下施工，當(dāng)每層井壁下方承重土體被挖空，沒(méi)有型鋼支撐，僅依靠井壁與周邊土體的摩擦提供豎向支撐時(shí)，根據(jù)井壁厚度與配筋計(jì)算型鋼參數(shù)如下：

深12m、內(nèi)徑9m工作井完成10m井壁，挖空最后2m井壁和80cm底板的土方后，自重6068kN。安全系數(shù)為1.5時(shí)，需要的最少豎向支撐為9102kN。

井壁與周邊土體的摩擦力為5044.5kN，小于9102kN。

此時(shí)，井壁與周邊土體摩擦提供的豎向支撐無(wú)法保證井體穩(wěn)定，需要采取型鋼支撐以確保井體施工安全。

根據(jù)計(jì)算，采用新型的22b工字鋼進(jìn)行支撐，工字鋼位于井壁混凝土內(nèi)部，與井壁鋼筋焊接成整體。工作井采用8根22b工字鋼，均勻、對(duì)稱(chēng)布設(shè)于井壁內(nèi)，頂部與冠梁平齊，底部深入墊層以下6m。接收井采用6根22b工字鋼，布置方式與工作井類(lèi)似見(jiàn)圖6。

圖6 工作井、接收井22b工字鋼布置示意 (單位：mm)

深度較小、土質(zhì)較軟的井位，將挖掘機(jī)進(jìn)行改裝后即可進(jìn)行工字鋼試打；深度較大、土質(zhì)較硬的井位采用專(zhuān)用振動(dòng)錘試打即可保證施工質(zhì)量；工字鋼試打到位后即可為井位施工提供豎向支撐，高效、快捷。

通過(guò)以上分析，型鋼相比于以往的灌注樁、旋噴樁、SMW工法樁等豎井支護(hù)體系，現(xiàn)場(chǎng)采用挖掘機(jī)改裝的振動(dòng)錘即可施工，快捷、簡(jiǎn)便，成本低廉，且無(wú)泥漿、水泥漿對(duì)環(huán)境造成污染。

4.5 頂管施工工藝流程

經(jīng)過(guò)上述比選和設(shè)計(jì)，湛南頂管工程采用圓形型鋼支撐懸掛豎井作為井體結(jié)構(gòu)，根據(jù)障礙物管線情況，以土壓平衡頂管為主，配合半機(jī)械頂管，利用雙向頂進(jìn)的方式進(jìn)行頂管施工，施工工藝流程見(jiàn)圖7。

5 型鋼支護(hù)豎井體系應(yīng)用效果分析

a.型鋼支護(hù)豎井體系施工方便，現(xiàn)場(chǎng)采用由挖掘機(jī)改裝的振動(dòng)錘即可進(jìn)行施打，高效、快捷；強(qiáng)度形成快，高強(qiáng)度的型鋼施打完畢后即可為井壁提供有效支撐，相比傳統(tǒng)施工工藝，節(jié)省了樁體養(yǎng)護(hù)時(shí)間，使頂管井位施工工期明顯縮短。

b.型鋼支護(hù)豎井體系采用逆作法由上向下，將井體分為多層施工，將傳統(tǒng)沉井的高支模體系轉(zhuǎn)變?yōu)槠胀ㄤ摻罨炷磷鳂I(yè)，施工難度大幅降低，工效提高。

c.經(jīng)濟(jì)效益顯著。相比于傳統(tǒng)沉井，型鋼支護(hù)豎井體系不需要設(shè)置刃腳，僅刃腳這一部分就節(jié)省了大量的材料成本。

圖7 頂管施工工藝流程

d.相比傳統(tǒng)沉井、旋噴樁豎井、灌注樁豎井、SMW工法樁豎井，工期提前11天。湛南頂管31個(gè)井位，節(jié)約刃腳材料、高支模鋼管、人工等費(fèi)用115.2萬(wàn)元。

6 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)河道邊暗涵施工技術(shù)的分析，并充分考慮河道邊進(jìn)行大尺寸頂管工作井施工的安全問(wèn)題，采取型鋼支護(hù)豎井體系進(jìn)行頂管施工，解決了傳統(tǒng)沉井在河道邊施工容易因?yàn)樽灾卦斐珊悠率Х€(wěn)的問(wèn)題。型鋼支護(hù)豎井體系也將沉井的高支模施工化解為普通鋼筋混凝土作業(yè)，且隨著豎井逐層加深，重心逐漸下移，井體更趨穩(wěn)定，確保了陡峭河坡邊進(jìn)行大尺寸、大深度頂管工作井施工安全。同時(shí)，施工工藝的改進(jìn)保證了工程正常進(jìn)展，最大限度地減少了施工占地，降低了對(duì)現(xiàn)有生態(tài)的破壞，減少了對(duì)人們?nèi)粘Ｉ畹挠绊憽?/p>