沉井技術(shù)在威海市河庫水系連通工程中的應(yīng)用

王 波，李 陽，魯召朋

（山東省水利工程建設(shè)監(jiān)理有限公司，山東 濟(jì)南 250013）

威海市河庫水系連通工程工程等級為Ⅴ等，工程規(guī)模為?。?）型。主要任務(wù)是將黃壘河地下水庫工程、母豬河地下水庫工程攔蓄的地表水和地下水調(diào)往米山水庫。在輸水線路上預(yù)留分水口，后期可與南海新區(qū)水廠供水線路聯(lián)通，實(shí)現(xiàn)南海新區(qū)水廠多水源供水。工程主要建設(shè)內(nèi)容包含泵站工程、管道工程、取水井工程。其中管道工程部分起自小觀泵站，止于母豬河泵站，管道線路長18 643 m，設(shè)計(jì)輸水流量2 m3/s，采用1 根DN1400 管道，管材選用離心球墨鑄鐵管。進(jìn)行頂管施工時(shí)應(yīng)考慮黏性土的縮孔和砂性土的塌方問題，做好安全防護(hù)，保證順利施工。

1 穿河道頂管施工工藝

小觀泵站至母豬河泵站段中的穿金花河段采用頂管-沉井施工工藝進(jìn)行施工。穿金花河頂管設(shè)計(jì)斷面如圖1 所示。

圖1 穿金花河頂管設(shè)計(jì)斷面圖

2 頂管作業(yè)

2.1 設(shè)備選型

工程涉及穿河道頂管采用DN1400 泥水平衡頂管機(jī)。該類頂管機(jī)一般由發(fā)動機(jī)、主機(jī)殼體、液壓裝置、計(jì)算機(jī)操控裝置、泥水等部分構(gòu)成，是集機(jī)械、水力、電控（含PLC）、激光和檢測等多種技術(shù)于一身的新型非開挖技術(shù)裝備，特別適合在黏土質(zhì)、砂土質(zhì)等土壤條件下作業(yè)。在土層中可自行穩(wěn)定切削面土體荷載，有效避免場地下沉，施工安全性高、效率高。

2.2 頂管洞口施工技術(shù)措施

依據(jù)頂管進(jìn)展?fàn)顩r，為確保掘進(jìn)機(jī)順利進(jìn)入接受井，并盡量避免掘進(jìn)機(jī)在出洞后，水土沿工具管和井圈間的施工縫隙進(jìn)入接受井內(nèi)，以確保井中接頭能順暢施工。一旦遇到不良地質(zhì)情況，掘進(jìn)機(jī)到達(dá)接收井之前，可對洞口土體進(jìn)行注漿處理，加固范圍在洞口前5 m 區(qū)域內(nèi)，或在洞內(nèi)四周距套管外2～3 m。

該工藝的洞門止水裝置一般采用橡膠止水圈，具體做法為：先在工作井上的預(yù)留孔上，將洞門止水法蘭通過膨脹螺栓緊固在工作井上，接著將橡膠止水圈和壓板采用高強(qiáng)度螺栓緊固在洞門止水法蘭上，然后再裝設(shè)第2 道止水圈。裝置的法蘭與止水橡膠圈的裝配要與導(dǎo)軌上的管道主軸保持一致，最大偏差要低于2 mm。

2.3 頂進(jìn)操作程序

開啟旁通閥門（此時(shí)止水閥封閉）→開啟排泥泵→開啟進(jìn)泥泵→刀盤轉(zhuǎn)動→開啟止水閥門→封閉旁通閥門→將主頂油缸頂進(jìn)。一節(jié)推進(jìn)完畢后，按以下程序停止頂進(jìn)：主頂油缸停車頂進(jìn)→刀盤暫停轉(zhuǎn)動→開啟旁通閥門→封閉止水閥門→旁路系統(tǒng)轉(zhuǎn)動數(shù)分后→進(jìn)泥泵暫停運(yùn)轉(zhuǎn)→排泥泵暫停運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.4 泥水管理

施工時(shí)在工作井旁邊的空地上設(shè)置泥漿池。泥漿池分三倉設(shè)置，并在上方留置孔洞，將三倉相連。一倉用作泥漿池，另一倉作過濾池，第三倉用作清水池。流出的泥水先進(jìn)入泥漿池，再經(jīng)過初步沉淀，最后排入清水池，進(jìn)行循環(huán)利用。

2.5 質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

頂管工程施工質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)須依據(jù)《水利工程輸水管道施工質(zhì)量驗(yàn)收評定規(guī)范》（DB37/T 4447-2021）中的規(guī)定。工程采用DN1400 管道，頂管樁號X6+023-X6+103.9，頂進(jìn)長度不足300 m，頂管水平軸線符合“頂進(jìn)長度＜300 m，允許偏差50 mm”的要求。頂管內(nèi)底高程符合“頂進(jìn)長度＜300 m，管道內(nèi)徑＜1 500 mm，允許偏差-40～30 mm”的要求，相鄰管間錯(cuò)口偏差小于2 mm，對頂時(shí)兩端錯(cuò)口符合偏差不大于50 mm 的要求。

3 沉井作業(yè)

沉井屬于臨時(shí)性建筑，主要為頂管工作服務(wù)，當(dāng)頂管作業(yè)完畢后，再回填原沉井恢復(fù)地貌。如果井底滲水量較大，井內(nèi)排水不能滿足施工需要，且影響周圍道路及建筑物沉降，則采用排水法下沉，長臂挖機(jī)挖土。井底滲水較小，甚至無水時(shí)采用不排水法下沉，如有少量滲水，封底前在井底挖集水坑將地下水降至井底以下50 cm 后再進(jìn)行封底混凝土施工。頂管工作井分兩段下沉，每段高度為總高度的1/2，接收井整體分兩段下降，每段高度為總高度的1/2。

3.1 沉井結(jié)構(gòu)形式

設(shè)計(jì)采用C30 鋼筋混凝土矩形構(gòu)筑物。作為臨時(shí)建筑物，根據(jù)工程實(shí)際情況結(jié)合施工經(jīng)驗(yàn)，該工程沉井平面尺寸設(shè)計(jì)為長9.7 m，寬6.2 m。

3.2 降水施工

在基坑附近，通過井點(diǎn)降水的方法使水位下降至坑底1 m 以下。工作流程：平整場地→鉆機(jī)土中成孔→下管→為管井四周填濾料→清洗管井→降水。

3.3 刃腳制作

沉井的施工荷載都壓在沉井刃腳下C20 素混凝土墊層、砂墊層及土基礎(chǔ)上，因此地基的設(shè)計(jì)加固計(jì)算應(yīng)根據(jù)沉井的澆筑方式和下沉高度計(jì)算沉井的總重量。

3.4 沉井下沉

當(dāng)?shù)谝还?jié)沉井砼達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的100%，第二節(jié)沉井砼達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的75%時(shí)才能進(jìn)行沉降，在沉降時(shí)必須對沉井井壁、底梁等銜接處進(jìn)行鑿毛。預(yù)留口、孔洞、預(yù)埋工作管宜采用臨時(shí)密封防滲漏水，在下沉井壁上安裝觀測標(biāo)尺、中線樁和垂線樁。

沉井采用排水下沉和不排水下沉相結(jié)合的方法。采用排水下沉法時(shí)，在沉降過程中必須實(shí)現(xiàn)連續(xù)排水，將沉井范圍內(nèi)地層的水疏排干凈。井內(nèi)取土采用長臂挖掘機(jī)完成，挖土?xí)r應(yīng)分層、平均、對稱展開，相鄰隔倉高差不得大于50 cm，土方開挖應(yīng)依據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)情況、沉降過程、沉降狀態(tài)綜合判斷，且嚴(yán)禁超挖。

終沉控制方法為當(dāng)沉井刃腳踏面距基底設(shè)計(jì)高程還剩1 m 左右時(shí)，隨即進(jìn)入終沉階段，以免刃腳下土體大量涌入井中，造成沉井的突然傾斜或超沉。一般先挖出刃腳附近的土體，之后根據(jù)現(xiàn)場情況再挖出中間土體，掌握好沉降速率，使沉井緩緩擠土沉降即可。

3.5 沉井封底

如果地下水滲流量較小時(shí)采取干封底，封底前要清理基坑并清除浮砂，超挖的應(yīng)回填砂石達(dá)到設(shè)計(jì)高程。如果沉井下部涌水量很大，或沉井內(nèi)的集水坑抽水無法滿足施工要求，可采取濕封底。濕封底的施工條件為沉降至施工位置，經(jīng)觀測8 h 累計(jì)沉降量不大于10 mm，保證井內(nèi)水位不低于井外水位。清除井底浮泥的超吸部分后，用塊石回填至設(shè)計(jì)井底高程以下，試配水下混凝土?xí)r要選擇具有早強(qiáng)、緩凝、抗?jié)B、抗水下分離、混凝土坍落率較大等特點(diǎn)的混凝土。灌注水下混凝土應(yīng)從最低部位開始，逐步向周圍擴(kuò)展，一次連續(xù)澆筑完畢。

4 主要監(jiān)理控制措施

4.1 質(zhì)量監(jiān)理措施

1）審查工程承包單位是否具備相關(guān)專業(yè)資格和施工經(jīng)驗(yàn)，以及能否形成健全的工程質(zhì)量管理制度和質(zhì)量檢驗(yàn)管理體系，從事特種工程作業(yè)的技術(shù)人員是否具有資格證和上崗證，審查進(jìn)場機(jī)具能否滿足施工要求。

2）審查頂管-沉井專項(xiàng)施工方案，審核頂管頂力估算是否滿足設(shè)備頂進(jìn)長度的要求。審核沉井鋼筋制安、模板工藝、砼澆筑工序是否符合規(guī)范要求；審核沉井制作時(shí)的穩(wěn)定計(jì)算，以及下沉、止沉、封底等控制措施是否滿足規(guī)范要求。

3）對頂管（沉井）后背土體進(jìn)行允許抗力的驗(yàn)算，驗(yàn)算結(jié)果不通過的，應(yīng)對后背土體進(jìn)行加固處理，使之達(dá)到建筑安全、環(huán)境保護(hù)要求；背墻結(jié)構(gòu)承載力和剛性必須達(dá)到頂管的最高容許頂力和要求；背墻構(gòu)造水平和掘進(jìn)方向軸線應(yīng)當(dāng)保證相互垂直，外表應(yīng)當(dāng)密實(shí)平順，能有效地傳遞作用力。

4）監(jiān)督施工單位制作沉井施工的專用記錄表，動態(tài)記錄沉井下沉過程中的偏斜狀況，并指導(dǎo)施工。

4.2 安全監(jiān)理措施

沉井周邊應(yīng)設(shè)置安全防護(hù)欄桿，井內(nèi)水泵、管件等設(shè)施必須架設(shè)牢固，防止墜落傷人。下沉過程中遇到淤泥質(zhì)黏土?xí)r，井內(nèi)工作平臺應(yīng)采用活動平臺，嚴(yán)禁固定在井壁、隔墻上，以便沉井突然下沉?xí)r，工作平臺能隨井內(nèi)涌土上升。下沉出現(xiàn)大量流砂、嚴(yán)重涌水時(shí)，應(yīng)先進(jìn)行處理后再施工。電纜線路應(yīng)采用“三相五線”接線，電纜線路及電氣設(shè)備必須絕緣良好。工作井開挖前應(yīng)對附近房屋及地下管線進(jìn)行排查，確定無造成危害的因素，制定相應(yīng)保護(hù)措施，減少對附近建筑物的危害。

5 結(jié) 語

威海市河庫水系連通工程施工過程交叉穿越金花河、母豬河2 次，由于穿越母豬河的區(qū)域中第四系厚度很大，且可能由于地層起伏會處在黏性土與砂性土等不同巖性地基上，埋深通常在5.01～9.50 m，局部埋深超過10 m，沉井不能沉降或達(dá)不到設(shè)計(jì)高程而導(dǎo)致無法頂管。最后通過改變施工工藝，采用填筑圍堰、明渠開挖方式完成管道鋪設(shè)施工。通過威海市河庫水系連通工程頂管-沉井施工，積累了施工監(jiān)理經(jīng)驗(yàn)。

一是頂管施工應(yīng)考慮黏性土的縮孔和砂性土的塌孔問題，做好護(hù)壁措施，工作井做好降水及基坑安全防護(hù)，按監(jiān)理審批后的專項(xiàng)施工方案進(jìn)行施工。

二是要重視前期地質(zhì)勘察工作。對沉井重要關(guān)鍵部位要開展細(xì)致的地質(zhì)鉆孔勘察，以全面了解整個(gè)沉井范圍內(nèi)的詳細(xì)地質(zhì)狀況，并提出切實(shí)可行的設(shè)計(jì)方案。

三是應(yīng)認(rèn)真熟悉設(shè)計(jì)圖紙、規(guī)范和地質(zhì)勘察報(bào)告，充分了解地質(zhì)情況，檢查實(shí)際地質(zhì)情況是否與地勘報(bào)告相符。若直接采用沉井施工，一旦沉井無法下沉，失去基坑支護(hù)作用將無法進(jìn)行頂管作業(yè)。

四是在沉井施工前，應(yīng)提前考慮沉井下沉可能出現(xiàn)的常見問題，比如遇到沉井刃腳發(fā)現(xiàn)異物、沉井偏位及傾斜、沉井不下沉、沉井突沉，提前制定監(jiān)理預(yù)防措施和解決方案。

五是當(dāng)頂管作業(yè)的頂進(jìn)長度超過100 m 時(shí)，應(yīng)采用中繼間技術(shù)。確定好中繼間距離后，一定要有足夠的頂力安全系數(shù)，第一個(gè)中繼間距離應(yīng)參照實(shí)際情況選擇并及時(shí)安裝，并注意正面的阻力反彈，以避免地面沉降。遇到復(fù)雜地質(zhì)情況時(shí)，頂進(jìn)阻力很大時(shí)，要及時(shí)增加第二節(jié)中繼間，加快管道頂進(jìn)進(jìn)度。

頂管-沉井穿越河道施工工藝現(xiàn)已廣泛應(yīng)用在水利、市政、交通等領(lǐng)域中，前期地質(zhì)勘察和施工前的鉆孔勘探尤為重要，查看地質(zhì)條件是否適合沉井施工。沉井地基通常應(yīng)用在非巖石土的覆蓋層中，而不適宜穿透巖層、膠結(jié)的卵石層和大漂石。綜上，完成沉井（工作井）施工是前提保證，否則不能確保穿河道頂管工程順利進(jìn)行。特別對于地質(zhì)條件較為復(fù)雜，河道較窄、分期導(dǎo)流實(shí)施困難，需要安全支護(hù)措施的工程，明挖費(fèi)用較高，頂管-沉井方案更經(jīng)濟(jì)實(shí)用。