管線溝槽開挖支護設計及關(guān)鍵技術(shù)綜合應用

張亦弛 呂旻 王旭明 王洪

【摘要】 城市污水管道串聯(lián)起了整個城市的給排水系統(tǒng)，它關(guān)乎污水的治理排放，是城市供水建筑施工時重要的一部分。然而在當下給排水建筑的施工過程中，地下管道越來越多樣化、復雜化，城市更新多變性導致施工難度逐漸增高，對施工中的安全性帶來更高的挑戰(zhàn)，同時隨著市政工程各項驗收標準的完善，對施工質(zhì)量也提出了更高的要求。本文結(jié)合竹園污水處理廠四期工程1.5標工程，重點闡述根據(jù)巖土工程勘察報告及現(xiàn)場勘探情況，針對復雜多樣的地下管道而設計出的三種不同管道施工圍護形式——拉森鋼板樁施工圍護;PC鋼管工法樁施工圍護;橫列板施工圍護。同時本文也會對不同圍護形式的施工要點，例如工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件、周邊環(huán)境、基坑挖深深度，分段支護等，逐一進行探討、分析。

【關(guān)鍵詞】：管道施工圍護;拉森鋼板樁施工;PC鋼管工法樁施工技術(shù);橫列板施工;分段支護

1、前言

在城市排水管道施工過程中，存在著施工環(huán)境等因素的限制，管線溝槽支護形式復雜，地質(zhì)條件較差以及埋深較深導致施工困難等諸多問題。而軟土土質(zhì)給管線溝槽的開挖施工帶來了明顯的危害，例如在開挖過程中，容易出現(xiàn)的溝槽邊坡滑坡甚至塌方，還有基礎處理不妥導致的不均勻沉降等。而為了保障施工安全及質(zhì)量，需要有完善的、合理的溝槽支護方案來保證工程施工的進度、安全及質(zhì)量。

2、工程概況

2.1 工程簡介

竹園污水處理廠四期工程位于浦東高東鎮(zhèn)，用地南至華東路，東至洲海路，西至規(guī)劃高東二路，北至外高橋船廠。竹園污水處理廠四期工程用地面積58.70h㎡，工程規(guī)模120萬m3/d，本標段為竹園污水處理廠四期工程的ZYSQ1.5標，位于70萬m3/d廠區(qū)（東側(cè)地塊）內(nèi)，具體內(nèi)容包括新建70萬m3AAO生物反應池、平流式二沉池、雨水泵房、污水泵房、碳源投加間及本標段范圍內(nèi)管道及箱涵等構(gòu)筑物。

2.2 管線溝槽設計方案概況

本工程涉及室外管道種類繁多，包括：雨水管、污水管、污泥管、反沖洗廢水管、工藝管等。

其中雨污水及工藝管道采用開槽埋管形式施工，根據(jù)設計圖紙要求，管徑≤300的管道采用白色 HDPE 排水管，φ500～φ1200 的排水管采用承插式鋼筋砼管，使用“O”形橡膠圈接口。廠區(qū)雨污水泵房出水管和特殊注明的管道采用球墨鐵管或鋼管。

同時，埋深在3m以內(nèi)采用了橫列板樁的圍護形式，在 3 米～7m 之間的采用拉森鋼板樁圍護，埋深在 7米以上則采用 PC 鋼管工法樁圍護。管道底部采用 5 米深的φ800@500 高壓旋噴樁地基加固，兩側(cè)采用 1.5 米寬的雙液注漿作為止水帷幕。

2.3 水文地質(zhì)條件

本工程場地潛水主要存在淺部土層（①1層填土和②3 層粉性土厚度較大，富水性強）中。⑤2 層為微承壓含水層，⑦1層、⑦lt 層承壓水含水層。（微）承壓水位年呈季節(jié)性變化;水位埋深一般在 3m～11m 左右為微承壓含水層，水位埋深一般在 3m～12m為承壓水含水層。

3、管線溝槽基坑難特點

3.1 管線種類多且復雜

作為市政污水處理廠，工程室外管線種類多，長度長，標高多。管線交錯復雜，其中加藥管約長533m、消防管長約 1.7km、給水管約2.2km長、回水管約2.2km長、雨水管約 2.1km長，各類管線埋深均不相同，位于1.6m～5.8m處。

對此，本工程采用分區(qū)分段施工，隨著污水處理池主體結(jié)構(gòu)施工，溝槽開挖穿插進行。盡量減少基坑開挖過程中，對周邊臨時道路及主體結(jié)構(gòu)施工的影。具體實施細節(jié)為先開挖施工最深處管道，待回填后開挖施工橫向的淺層管道，淺層管道基礎也按先深后淺的原則進行開挖施工。

3.2 同截面多根管道，施工要求高

本工程管線存在多種情況，同一截面處有多根管道，有垂直排布及水平排布，且挖深不一致，所以支護形式需要有多種形式。

對此，采用了不同的溝槽支護形式，如埋深在3m以內(nèi)采用了橫列板樁，在 3 米～7m 之間的采用拉森鋼板樁圍護，埋深在 7米以上的采用 PC 鋼管工法樁圍護。三種不同的基坑支護形式，在兼顧經(jīng)濟基礎上，不僅滿足施工進度的要求，同時保證了基坑開挖過程中的安全性。

3.3 施工區(qū)域廣，不良地基影響大

本工程的部分施工區(qū)域存在圍護結(jié)構(gòu)邊界長且情況復雜的問題。填土層、明暗浜、地下管線、老基礎復雜地分布在不同區(qū)域，不同埋深處，這些情況各異且不良的地基對圍護結(jié)構(gòu)的形式及施工質(zhì)量提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。

對此，本工程預先對不良的施工區(qū)域進行清障施工，清障深度至地下3米處。針對場地內(nèi)存在明暗浜的情況，采取了管道施工前進行開挖清淤處理并使用高優(yōu)質(zhì)粘土回填、壓實的措施。

4、支護方案對比選擇

針對軟土地基，挖深相對較淺的基坑，有如下幾種常用的支護形式：放坡開挖、水泥攪拌土重力壩、型鋼支護、SMW工法樁、灌注樁加止水帷幕等。

結(jié)合本工程地下水位較高，以淤泥質(zhì)土、軟粘土為主的地質(zhì)特點，考慮到現(xiàn)場施工的安全性、可靠性以及經(jīng)濟合理性，本工程使用了以下三種支護方案。

4.1 PC鋼管工法樁

本工程最大挖深為8.73m，對于挖深大于 7m 的溝槽，工程采用PC鋼管工法樁進行圍護施工。鋼管樁與拉森Ⅳ型鋼板樁相互扣打， 規(guī)格為 12m鋼管樁+9mⅣ拉森鋼板樁;雙拼36b鋼支撐、圍檁;溝槽兩側(cè)采用雙液分層注漿、底部Φ800@500高壓旋噴樁進行加固。

4.2 拉森鋼板樁

對于挖深在3 米～7m 之間的溝槽，工程采用規(guī)格為12m的拉森Ⅳ鋼板樁，雙拼36b槽鋼圍凜、支撐。并且溝槽底部使用Φ800@500高壓旋噴樁，兩側(cè)采用雙液分層注漿，以此進行加固。

4.3 橫列板樁

挖深在3m以內(nèi)的管道溝槽采用了橫列板樁，規(guī)格采用了橫列版、豎列板及 @3000鐵撐柱支撐。并且溝槽底部使用Φ800@500高壓旋噴樁，兩側(cè)采用雙液分層注漿，以此進行加固。

5、關(guān)鍵施工技術(shù)

5.1 施工部署

5.1.1 施工總體部署

本工程管道沿污水池周邊布置，部分穿插進池壁內(nèi)，具體管道設計布置見圖6，其中考慮到結(jié)構(gòu)施工階段，與污水池穿插施工，分為12個區(qū)，施工順序依次為A 區(qū)→B 區(qū)→I、L 區(qū)→H 區(qū)→G 區(qū)→C 區(qū)→D 區(qū)→J、K 區(qū)→F、E區(qū)。

本工程管道施工共有三個階段。第一階段：施工溝槽圍護范圍內(nèi)及永久廠區(qū)道路投影下的管線（工藝、污水及雨水等）。A-H，JK 區(qū)上部均有廠區(qū)永久道路，埋管完成后先施工至 C25 鋼筋砼路面層（除瀝青層），便于后續(xù)翻交及臨時交通。第二階段：非永久道路區(qū)域，室外場地回填至 4.65m 后，開挖敷設淺埋管線（中水、給水、消防及電纜溝等）。第三階段：與本標段或非本標段構(gòu)筑物連接管線通管施工。開挖并鑿除圍護 prc 管樁埋管接入構(gòu)筑物后回填。

5.1.2 施工機具選擇

工程采用2臺PC200（1m3）挖掘機以及1臺PC200（0.4m3）挖掘機進行管道溝槽的開挖。同時，為現(xiàn)場施工方便，使用三輛HLJ560（10t）自卸車，2臺切割機以及5臺4BA-18的水泵進行輔助施工。

5.1.3 施工總體工況

根據(jù)本污水處理廠主體結(jié)構(gòu)施工的進展，管道附屬設施將逐步推進施工，總體工況共可以分為以下這四個工況，分別為：

（1）施工工況1：場地清障整平后打設圍護樁及底（側(cè)）加固，隨后開挖較深溝槽。

（2）施工工況2：由深至淺依次埋管，待較深側(cè)溝槽回填完成后，開挖淺側(cè)溝槽埋管。

（3）施工工況3：本場永久道路底部管道敷設并回填完成后，拔除圍護樁，對樁孔進行灌漿處理，隨后向上施工路面結(jié)構(gòu)至C25混凝土路基層。

（4）施工工況4：非永久道路區(qū)域，室外場地回填至4.64m后，開挖敷設淺埋管線。

5.2 拉森鋼板樁施工技術(shù)

拉森鋼板樁主要針對于本工程中開挖在7m以下的溝槽支護情況。

施工流程：首先定位放線確定鋼板樁位置，接著開挖溝槽、安裝導梁。施工拉森鋼板樁，施工樁完成后拆除導梁，進行挖土工作，完成管線安裝后可回填土方，最后拔除拉森鋼板樁并進行注漿處理。

拉森鋼板樁施工工況：

（1）第一種圍護形式施工：拉森鋼板樁施工、PC鋼管樁施工。

（2）第二種圍護形式施工：高壓旋噴樁施工。

（3）土方開挖：首先開挖至第一道支撐以下1m，第一道支撐完成后再進行土方開挖至設計底標高。

（4）管道施工：管道施工原則為先深后淺，此處直接施工φ600污水管道，施工完成后回填土。

（5）回填完成后，將拉森鋼板樁拔出，并使用壓密注漿進行封堵。

5.3 PC鋼管工法樁施工技術(shù)

針對埋深于7m以上的管線溝槽支護的情況，采用 PC 鋼管工法樁圍護。由于同截面管道中分布形式的不同，本工程中PC鋼管工法樁技術(shù)主要存在兩種形式，同截面單管支護和同截面多管支護。

5.3.1 施工流程：

PC鋼管工法樁施工流程為，先進行樁基放樣，同時完成樁位復測，隨后開槽、設置導向架，插入鋼管樁并進行位移控制與垂直度檢測，進行管線施工，最后將鋼管樁拔除并且注漿壓至密實完成施工。

5.3.2 同截面單管支護施工技術(shù)

（1）第一種圍護形式施工：拉森鋼板樁施工、PC鋼管樁施工。

（2）第二種圍護形式施工：高壓旋噴樁施工。

（3）土方開挖：首先開挖至第一道支撐以下1m，完成第一道支撐后開挖土方至第二道支撐，完成第二道支撐后開挖至第三道支撐，最后開挖至設計底標高。

（4）管道施工：管道施工原則為先深后淺，單管支護直接施工φ600工藝管道，施工完成后回填土。

（5）回填完成后，將拉森鋼板樁及PC鋼管樁拔出，拔出后使用壓密注漿進行封堵。

5.3.3 同截面多管施工技術(shù)

（1）第一種圍護形式施工：拉森鋼板樁及PC鋼管樁施工。

（2）第二種圍護形式施工：兩側(cè)采用高壓旋噴樁進行土體加固，基地采用高壓旋噴樁進行土體加固。

（3）土方開挖：開挖至第一道支撐以下0.5m，第一道支撐完成后再進行土方開挖至第二道支撐，第二道支撐完成后開挖至設計底標高。

（4）管道施工：對于同截面多管支護，首先施工φ1000污水管，完成后進行回填。再施工DN800污水管，同樣完成后就進行回填。最后施工φ1350雨水管，最后進行土方回填。

（5）回填完成后，將拉森鋼板樁及PC鋼管樁拔出，拔出后使用壓密注漿進行封堵。

（6）為緩解現(xiàn)場交通壓力，先施工永久道路中15cm礫石砂及30cmC25鋼筋砼，且在最底層鋪設80cm石灰土。

5.4 橫列板施工

橫列板施工主要針對于本工程挖深小于3m的溝槽支護情況。其施工方法為，首先開挖土方至 1.2m深度，使用撐頭擋板對土壁進行及時支撐，且撐板的高度一般控制在 0.8m左右。在支護時，橫列板要求水平放置，其深度應確保到基礎面。若有橫穿溝槽的地下管線的情況，則管線上下方的撐板一般離管線 0.1m，對管線應視具體情況可分別采用吊、撐、托、包等保護措施。

6、基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

本工程在基準點、測點、監(jiān)測原件完好以及觀測工作條件優(yōu)良的情況下對管道工程進行每日監(jiān)測，并有詳細數(shù)據(jù)體現(xiàn)管道溝槽圍護的安全性以及可靠性。

在溝槽基坑開挖以及降水施工過程中，基坑周圍地基土、基坑側(cè)壁土體應力的變化是導致基坑支護結(jié)構(gòu)變形的因素之一。這將直接危及基坑的穩(wěn)定性和附近建（構(gòu)）筑物的安全。因此在施工過程中，需要通過監(jiān)測，時刻掌握溝槽基坑的變形情況，并且對此進行分析，同設計要求進行比較，及時調(diào)整，確保施工安全。

在本工程管道溝槽施工中，一共有八處監(jiān)測點，分別為：CX1、CX2、CX3、CX4、SW1、SW2、SW3、SW4。并且經(jīng)過嚴格的監(jiān)測，有以下監(jiān)測數(shù)據(jù)如下圖所示。

在開挖過程中，基坑內(nèi)側(cè)水平位移變化最大，累計達到54..8mm，同時數(shù)據(jù)顯示冠梁、支撐、圍檁無裂縫產(chǎn)生;墻后土體無沉陷、裂縫及滑移現(xiàn)象產(chǎn)生。

縱向的基坑邊緣處受到橫向結(jié)構(gòu)的支撐擠壓，垂直位移受土體阻力的減小，因此有向上抬升，輕微隆起現(xiàn)象的發(fā)生，垂直位移累計變化為-88.4mm，然而這一數(shù)值在規(guī)定范圍內(nèi)，支撐、立柱并無變形產(chǎn)生;并且溝槽底部無涌土、流沙或管涌等現(xiàn)象產(chǎn)生。周邊建筑、道路無裂縫產(chǎn)生且未有異常沉陷情況。

同時經(jīng)過嚴格的監(jiān)測，地表水、地下水狀況未發(fā)現(xiàn)異常;且基坑降水設施運轉(zhuǎn)正常。管道溝槽開挖及施工過程中，管道無破損等異常情況且未有泄漏情況發(fā)生。

因此，經(jīng)過嚴格的數(shù)據(jù)監(jiān)測，本工程使用的三類圍護結(jié)構(gòu)：橫列板樁、拉森鋼板樁圍護及 PC 鋼管工法樁圍護均未出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形、破壞、滲漏水等情況，對臨邊道路建筑影響較小，具有優(yōu)秀的安全性與可靠性保障。

7、結(jié)語

綜上所述，本工程室外管道開挖支護應用了三種不同形式的圍護形式，經(jīng)過實際現(xiàn)場施工取得了良好的效果。本工程中所采用的拉森鋼板樁、PC鋼管工法樁及橫列板樁這三類管線溝槽圍護施工技術(shù)可以應對不同開挖深度的需求，同時在各自相對應的開挖深度中均具有優(yōu)異的可靠性、安全性及有效性。這三種管線溝槽圍護施工技術(shù)進一步提高了溝槽開挖的效率，為施工后續(xù)階段的施工打下了良好的堅實基礎。本工程對城市污水管道鋪設工藝進行優(yōu)化，解決城市復雜多變的給排水難題，為建設合理、穩(wěn)定、高效的城市給排水系統(tǒng)添磚加瓦。

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作者簡介：張亦弛（1994-），碩士，助理工程師。

通訊地址：上海市河間路2號（200090）。