頂管施工中工作井施工技術(shù)與方法探討

楊宗亮

（甘肅中東建設(shè)工程管理咨詢（集團(tuán)）有限公司白銀分公司,甘肅 白銀 730600）

1 引言

近年來，頂管技術(shù)由于其施工精度高，使用土質(zhì)廣，管徑范圍大，綜合投資少有利于環(huán)保等特點(diǎn)，同時(shí)能穿越城市、村莊、水下等建筑物或障礙物廣泛應(yīng)用。供水管道、(雨)污水管道、長距離天燃?xì)夤艿?、中水回收等民生工程如采用以往開挖再覆土的方式，不僅會(huì)造成水土流失、環(huán)境破壞等，而且不經(jīng)濟(jì)，因而頂管工程技術(shù)成為發(fā)展的必要。本文以現(xiàn)有工程為依托，結(jié)合我國現(xiàn)有頂管理論、技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，借鑒國內(nèi)外對頂管工程技術(shù)的研究成果，對頂管工程工作井施工中關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行交流探討。

2 工作井計(jì)算

甘肅省靖遠(yuǎn)縣五合鎮(zhèn)農(nóng)村飲水安全鞏固提升工程位于甘肅省白銀市靖遠(yuǎn)縣，向北灘鄉(xiāng)缺水的4.5 萬人畜提供飲用水源，解決了當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)用水高峰期的人飲水供給不足的問題，為實(shí)現(xiàn)區(qū)內(nèi)精準(zhǔn)扶貧、全面脫貧提供保障。

工程輸水線路由管渠以及頂管等輸水建筑物組成，頂管進(jìn)過國道109 線，共布置1#、2#兩個(gè)工作井，1#、2#兩個(gè)接收井，本文以1#工作井為例進(jìn)行頂管計(jì)算，其他工作井及接收井與1#工作井計(jì)算方法相似。

2.1 工作井尺寸計(jì)算

工作井尺寸的計(jì)算主要是確定工作井的內(nèi)徑，其大小由工作井的設(shè)計(jì)要求及頂管操作技術(shù)要求共同決定[1]。工作井最小內(nèi)徑確定根據(jù)式(1)進(jìn)行計(jì)算。即：

式中：L 為工作井的小內(nèi)徑長度，m；l2為下井管節(jié)長度，m；不同材質(zhì)的下井管長度取值見表l，取3.0 m；l3為千斤頂長度，m，取2.5 m；l4為留在井內(nèi)的管道最小長度，m，取0.74 m；k 為后座和頂管的厚度及安裝富余量，m，取1.6 m。

表1 不同材質(zhì)下井管節(jié)長度取值表

因此，確定本工程工作井的底部尺寸為L≥3+3.0+0.74+1.6=8.34 m。綜上所述L 取最大值8.34 m，即設(shè)計(jì)工作井最小內(nèi)徑8.34 m，本工程設(shè)計(jì)工作井內(nèi)徑為9.0 m，符合規(guī)范要求。

2.2 砂墊層厚度計(jì)算

工作井埋深為11.5 m～26.3 m，本工程1 層素填土埋深較淺，考慮不作為沉井起沉平臺，井底主要置于2-2 層粘土、3 硬塑性粘土層，工程性質(zhì)好，可作為工作井持力層，適于機(jī)械頂管法施工，工作井、接收井設(shè)計(jì)采用沉井。根據(jù)第一節(jié)沉井重量和墊層底部地基土的承載力，砂墊層的厚度按式（2）計(jì)算。各巖土層承載力特征值fak選取見表2。

表2 各巖土層承載力特征值fak、壓縮模量ES1-2 及沉井參數(shù)

式中：h 為粗砂墊層厚度，m；Fd為地基承載力，參照表2 根據(jù)土層分別取值，2-2 粉質(zhì)粘土層取200 kPa，3 硬塑性粘土層取250 kPa；Gk為第一節(jié)沉井沿井壁長度單位長度的重量標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m，按照φ9.0 m 工作井計(jì)算，Gk=595.8 kN/m；φ 為砂墊層擴(kuò)散角，≯45°，一般取φ=42.5°。

求得：①2-2 粉質(zhì)粘土層作起沉平臺h=0.66 m；②3 硬塑性粘土層作起沉平臺h=0.46 m。按照2-2 粉質(zhì)粘土層及3 硬塑性粘土層作為起沉平臺，計(jì)算砂墊層厚度均小于設(shè)計(jì)值0.8 m，符合規(guī)范要求。

2.3 沉井自重計(jì)算

由于沉井配筋比例較高，參照C30 鋼筋砼比重2.367 t/m3，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙地面高程及沉井內(nèi)底標(biāo)高程，選取1#圓形工作井驗(yàn)算沉井下沉情況。1#工作井高度18.5 m，刃腳入土層為粉質(zhì)粘土層。工作井自重計(jì)算如下：

刃腳高度H1=3.6 m，G1=3.14×3.6×(5.7×5.7-4.5×4.5)×2.367×9.8=3209.50 kN；

中段高度H2=5.0 m，G2=3.14×5.0×(5.5×5.5-4.5×4.5)×2.367×9.8=3641.87 kN；

頂段高度H3=9.9 m，G3=3.14×9.9×(5.3×5.3-4.5×4.5)×2.367×9.8=5653.34 kN；

頂管位置G4=3.14×1.0×1.42×1.42×2.367×9.8×2=293.74 kN;

刃腳位置G5=1.2×0.8/2×(3.14×5.1×2)×2.367×9.8=356.61 kN;

工作井自重G=3209.50+3641.87+5653.34-293.74-356.61=12585.09 kN。

2.4 沉井下沉計(jì)算

2.4.1 沉井下沉井壁摩阻力計(jì)算

根據(jù)設(shè)計(jì)施工經(jīng)驗(yàn)[2]，沉井在下沉至5 m 左右摩阻力達(dá)到最大，沉井在5 m 以下摩阻力取一常數(shù)，5 m 以上摩阻力呈直線變化，本文工作井結(jié)構(gòu)見圖1(b)模型，截面均為變截面，根據(jù)各土層摩阻力加權(quán)平均確定，沉井下沉?xí)r，土壤與井壁的總摩阻力值按式(3)計(jì)算。

圖1 摩阻力沿井壁外側(cè)分布圖

式中：Tf為井壁與土的總摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值；U 為沉井井壁外圍周長，工作井取35.79 m；A 為單位周長的摩阻力，由于本工程沉井均為變截面，故A=[(H+H1-2.5)/2]F，由于沉井穿越土層不同F(xiàn)取各土層摩阻力的加權(quán)平均值即F=（Σfi×hi）/Σhi，各穿越土層摩阻力取值見表3，本工程沉井穿越土層主要硬塑狀態(tài)粘性土，取30 kN/m2。

表3 土壤與井壁的單位面積摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值

根據(jù)工作近結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算Tf=[(18.5+3.6-2.5)/2]×25×35.79=12275.97kN；

2.4.2 沉井下沉刃腳正截面阻力計(jì)算

沉井下沉刃腳正截面阻力計(jì)算參照式（4）：

式中：R刃為刃腳正截面阻力標(biāo)準(zhǔn)值，kN；U 為沉井井壁外圍周長，工作井取35.79 m；c 為刃腳踏面寬度，取值參照設(shè)計(jì)圖，取值0.4 m；n 為刃腳斜面與井內(nèi)土壤接觸面的水平投影寬度，取值參照設(shè)計(jì)圖，取值0.8 m；fak為地基土承載力特征值，取值參照表2。

計(jì)算工作井R刃=35.79×(0.4+0.8/2)×250=7158.00 kN。

2.4.3 沉井下沉系數(shù)驗(yàn)算

工作井沉井施工過程中要將每一節(jié)井筒保持平穩(wěn)、均勻緩慢的下放到設(shè)計(jì)高程位置，不能出現(xiàn)快速、或者傾斜、傾覆等問題[3]。根據(jù)地質(zhì)勘察資料中每一層土質(zhì)情況、工作井自重、沉井施工方法等，進(jìn)行工作井沉井施工中下沉系數(shù)K1驗(yàn)算，根據(jù)式（5）進(jìn)行驗(yàn)算，即：

式中：K1為沉井下沉過程中下沉穩(wěn)定系數(shù)，當(dāng)K 值超過1.5 時(shí)，需要對沉井下沉的穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算；FK為沉井下沉過程中地下水的浮力標(biāo)準(zhǔn)值，本工程采用排水下沉，取值0；Tf為井壁與土的總摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值，取值參照上述計(jì)算。

經(jīng)計(jì)算，1#工作井K1=12585.09/8768.55=1.435＜1.5；滿足要求，無需進(jìn)行下沉穩(wěn)定性驗(yàn)算。

3 工作井制作與施工

3.1 工作井制作場地施工

工作井井筒應(yīng)預(yù)先在地面上預(yù)制，采用C30 鋼筋砼，制作沉井的場地應(yīng)預(yù)先進(jìn)行雜物清理、場地整平和壓實(shí)，為防止工作井在制作過程中產(chǎn)生不均勻沉降，應(yīng)將地基表層素填土采用砂進(jìn)行換填，為便于井筒制作，基坑平面尺寸至刃腳外壁的工作距離取1.1 m 為宜[4]。

3.2 工作井地基處理

根據(jù)本文計(jì)算可知，本工程沉井刃腳下墊層采用80 cm厚度的砂墊層及15 cmC15 素混凝土墊層，砂墊層的壓實(shí)度不小于90%。根據(jù)地勘資料，本工程地下水位在0.5 m 以下不均勻分布，在開挖好的基坑內(nèi)，鋪筑砂墊層前在基坑底部設(shè)置集水井，集水井的深度宜低于基底80 cm。基坑底部四周挖設(shè)排水溝，排水溝為0.3 m×0.3 m 的矩形斷面，采用C 20 砼襯砌厚20 cm，排水溝應(yīng)與基坑內(nèi)的集水井相通，將施工中產(chǎn)生地下水通過排水溝排至集水井內(nèi)，再使用排水泵排到遠(yuǎn)離基坑以外的地方。

3.3 工作井井筒的制作

本工程沉井高度為18.5 m，井筒制作采用分段制作、多次下沉的方式澆筑型，沉井井筒的制作分為兩部分，刃腳的制作和井壁的制作。第一節(jié)澆筑刃腳，高度為2.9 m～3.6 m 一次性澆筑成型，成型后以3 m～5 m 澆筑高度把剩余部分澆筑成型。具體施工技術(shù)和施工工序如下：

（1）沉井制作首先應(yīng)搭設(shè)腳手架，沉井制作采用18 mm 厚膠合板拼裝成整體模板，模板澆筑前應(yīng)涂刷脫模劑，至少涂2～3 遍。本工程有抗?jié)B要求，在對拉螺栓間設(shè)有止水板。模板及腳手架安裝示意圖見圖2。

圖2 模板及腳手架安裝示意圖

（2）施工過程中應(yīng)嚴(yán)格按照施工方案進(jìn)行，鋼筋應(yīng)按施工圖紙進(jìn)行綁扎并確保牢固，保證每根鋼筋位置準(zhǔn)確，對必需要采用點(diǎn)焊焊接的地方采用點(diǎn)焊焊接。混凝土拌合后商砼車運(yùn)輸至工作井施工地點(diǎn)，采用汽車泵入倉，澆筑方法采用分層平鋪法，每層澆筑厚度在30 cm～50 cm 均勻澆灌，澆筑砼時(shí)連續(xù)進(jìn)行，分層澆筑間隔不得超過初凝時(shí)間。分節(jié)制作時(shí)對施工接縫處進(jìn)行鑿毛處理，或?qū)⒔娱睹孀龀善罂谛问?。澆筑上?jié)混凝土?xí)r要徹底沖洗和濕潤，在澆混凝土前底部先鋪5 cm 厚1∶1 的水泥砂漿，以利于兩層混凝土的粘結(jié)。

3.4 工作井下沉施工

當(dāng)工作井井筒的混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度時(shí)方可下沉施工[5]。下沉前對井壁全部預(yù)留孔洞進(jìn)行封堵，當(dāng)孔洞較大采用水泥砂漿磚砌封堵，并用水泥砂漿抹面。下沉過程中隨時(shí)注意土層變化情況，控制挖土速度，沉井下沉過程中要保持勻速、平穩(wěn)，施工技術(shù)人員隨時(shí)測量沉井底面標(biāo)高、井筒下沉量等，并觀察井筒下沉中是否傾斜、移位等，出現(xiàn)問題后分析原因并及時(shí)糾正沉井的偏斜，同時(shí)要認(rèn)真觀察沉工作井四周地面塌陷和開裂情況，做好應(yīng)對措施，確保附近施工人員和機(jī)械設(shè)施的安全。

根據(jù)工程土質(zhì)情況，在沉井制作時(shí)按2 m×2 m 間距預(yù)埋φ32 注漿管，當(dāng)沉井因摩阻力大下沉緩慢時(shí)可從注漿孔內(nèi)注入減阻泥漿。

3.5 工作井下沉降水排水

由于1#工作井高度為18.5 m，施工時(shí)需采用分節(jié)制作，多次下沉，一次封底的施工方法。本工程地下水位較高，考慮到施工便利性及本工程土質(zhì)滲透系數(shù)較小，地下水主要為上層滯水和潛水，且離水源點(diǎn)位置遠(yuǎn)，地下水不豐富，所以在沉井周邊2.5 m 外開挖一條寬1.0 m，深1.5 m 的排水溝，阻斷地表水對沉井基礎(chǔ)開挖的影響，再在井周圍用地質(zhì)鉆機(jī)造4 個(gè)220 mm 的孔，深度比沉井底板設(shè)計(jì)深度小2 m，里面放入200 mm 的鋼管，鋼管每隔10 mm 鑿一個(gè)孔，外面用土工布綁扎好。再放入潛水泵在鋼管里面進(jìn)行抽水，保持地下水位低于開挖基礎(chǔ)面1.0 m。管井降水見圖3。

圖3 工作井管井降水排水示意圖

3.6 沉井封底

沉井下沉后需經(jīng)過2 d～3 d 后待下沉量達(dá)到基本穩(wěn)定，或經(jīng)過觀測在8 h 內(nèi)累計(jì)下沉量不大于10 mm，便可進(jìn)行封底[6]。采用C20 混凝土澆筑封底厚1.7 m，下鋪塊石墊層后30 cm，對塊石進(jìn)行整理使之成鍋底形，經(jīng)觀測沉井無異常情況后可綁扎底板鋼筋，兩端伸入刃腳凹槽內(nèi)與預(yù)埋鋼筋焊接連接，澆筑底板C30 混凝土、厚80 cm。

4 結(jié)語

工作井、接收井等沉井施工在整個(gè)頂管工程中占用約90%的施工時(shí)間，是整個(gè)工程的重要工序，其施工的質(zhì)量與進(jìn)度關(guān)系著整個(gè)頂管工程的成敗，因此在施工中一定要準(zhǔn)確進(jìn)行工作井的尺寸、承載力以及下沉方面的計(jì)算，為沉井施工提供可靠的數(shù)據(jù)支撐，也要做好沉井施工中可能出現(xiàn)的滲水、突沉、傾斜以及傾覆等問題的處理措施及應(yīng)對辦法，本工程結(jié)合本文頂管設(shè)計(jì)施工技術(shù)，按進(jìn)度完成了頂管段的施工，避免了施工中可能出現(xiàn)的問題，保證施工人員和設(shè)備安全。