王高偉

（中國(guó)水利水電第三工程局有限公司，陜西 西安 710000）

0 研究背景

在引水管線施工中，對(duì)埋深較深的管線，現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)多采用頂管是施工，頂管施工頂管井是施工的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)，頂管井的施工受深基坑空間狹小、勞動(dòng)強(qiáng)度大、安全系數(shù)低等問(wèn)題因素制約。因此在頂管井深基坑施工，受地質(zhì)情況嚴(yán)重影響施工安全，調(diào)整施工方法，加快施工進(jìn)度及保障安全作業(yè)，是迫切改善的施工工藝。

1 工程概述

穿壩肩頂管段起點(diǎn)位于東溝二號(hào)水庫(kù)壩上，終點(diǎn)位于水庫(kù)壩體兩側(cè)，前段頂管長(zhǎng)度為86.5m，后端頂管長(zhǎng)度為69.5m，采用DN1000 球墨鑄鐵管，管頂埋深3m～17m。工作井設(shè)置在樁號(hào)為K0+100 處，采用逆作鋼筋混凝土矩形井，井深17.3m，平面凈尺寸為 9m×6m，井周邊進(jìn)行旋噴加固，接收井采用簡(jiǎn)易收坑的形式，頂管頂至終點(diǎn)后，在頂管終點(diǎn)處放坡開(kāi)挖。

2 支護(hù)設(shè)計(jì)

為保障頂管井結(jié)構(gòu)安全，頂管井采用臨時(shí)雙排旋噴樁+鋼筋混凝土井壁支護(hù)形式。井壁周邊采用雙排旋噴樁進(jìn)行土體加固處理，確保逆作法施工過(guò)程中側(cè)向土體因深基坑施工而坍塌脫落，然后采用鋼筋混凝土側(cè)壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行基坑側(cè)壁支撐。

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

穿壩間段頂管工作井采用鋼筋混凝土矩形井，采用逆作法施工，凈平面尺寸9m×6m，底板埋深17.3m，豎向分三節(jié)，第一節(jié)井壁深度0m～4.5m，井壁厚度400mm，第二節(jié)井壁深度4.5m～10.5m，井壁厚度550mm，第二節(jié)井壁深度10.5m～17.3m，井壁厚度700mm。工作井底板厚度600mm，井壁周邊采用雙排旋噴樁進(jìn)行加固。工作井結(jié)構(gòu)底位于古土壤（Q3el）中，不存在軟弱下臥層等不良地質(zhì)情況，地基承載力要求不低于300kPa。采用Midas GEN 軟件對(duì)工作井結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，得到結(jié)構(gòu)的內(nèi)力并依此來(lái)進(jìn)行配筋。計(jì)算中側(cè)向土壓力按原狀土的自重計(jì)算，地面超載為20 kN/m2。

2.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算

2.2.1 計(jì)算斷面

考慮頂管工作井逆作施工階段進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，建立工作井三維計(jì)算模型。工作井深度范圍內(nèi)土層結(jié)構(gòu)豎向分布見(jiàn)表1。

表1 工作井土層豎向分布

頂管工作井結(jié)構(gòu)平面圖如圖1 所示，在Midas-Gen 中建立三維模型，計(jì)算頂管工作井在正常工況下的內(nèi)力。側(cè)向土壓力按主動(dòng)土壓力計(jì)算。

圖1 頂管工作井結(jié)構(gòu)平面圖

2.2.2 荷載計(jì)算

2.2.2.1 永久荷載及作用

永久荷載包括結(jié)構(gòu)自重、土壓力等。

2.2.2.1.1 結(jié)構(gòu)自重

鋼筋混凝土容重取值：25 kN/m3。

2.2.2.1.2 土的重力及土側(cè)壓力

頂板豎向土壓力按土柱理論計(jì)算，荷載標(biāo)準(zhǔn)值按公式（1）計(jì)算。

明挖工作井側(cè)壁水平土壓力，按靜止土壓力計(jì)算：

式中：q—土體豎向壓力；λ—土體容重，計(jì)算取20kN/m3；h—頂板頂至設(shè)計(jì)地面高度；λ—靜止土壓力系數(shù)。

式中：φ'—土的有效內(nèi)摩擦角。

2.2.2.1.3 逆作法側(cè)向土壓力

逆作工作井側(cè)壁水平土壓力，按朗肯主動(dòng)土壓力計(jì)算：

式中：σa—土體側(cè)向壓力；γ—土體容重，計(jì)算取20 kN/m3；z—頂板頂至設(shè)計(jì)地面高度；c—土體的黏聚力；Kaf—主動(dòng)土壓力系數(shù)。

式中：φ'為土的有效內(nèi)摩擦角。

2.2.2.1.4 結(jié)構(gòu)底板的基底反力

作用于結(jié)構(gòu)底板的基底反力按照彈性地基上的平面變形截條計(jì)算，基床反力系數(shù)選用K=30000 kN/m3。

2.2.2.2 荷載計(jì)算

2.2.2.2.1 恒載

自重：按鋼筋混凝土考慮，重度25kN/m3。側(cè)向土壓力如下。井頂：σ0=0 kN/m2距離井頂4.5m 變截面處：σ4.5=23.53kN/m2。距離井頂10.5m 變截面處：σ10.5=57.001kN/m2。井底：σ井底=119.61 kN/m2。

2.2.2.2.2 活載

地面超載：考慮堆載20 kN/m2；地面超載產(chǎn)生的側(cè)壓力為10 kN/m2。

根據(jù)工程地質(zhì)勘察資料，頂管工作井位于地下水位以上，不考慮水壓力。

2.2.3 計(jì)算結(jié)果及配筋

通過(guò)軟件計(jì)算，得到荷載基本組合下結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 頂管工作井結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力表

結(jié)構(gòu)構(gòu)件配筋計(jì)算見(jiàn)表3。

表3 頂管工作井結(jié)構(gòu)構(gòu)件配筋表

2.4 斜截面抗剪承載力驗(yàn)算

僅考慮混凝土項(xiàng)截面抗剪承載能力計(jì)算，如公式（6）所示。

式中：V—構(gòu)件斜截面上的最大剪力；βc—混凝土強(qiáng)度影響系數(shù)；fc—抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；ft—抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；b—矩形截面寬度；h0—截面有效高度。

式中：Vu—構(gòu)件斜截面上的剪力；ft—抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；b—矩形截面寬度；h0—截面有效高度。

混凝土強(qiáng)度等級(jí)：C30，βc=1.0。fc—抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，fc=14.3N/mm2。ft—抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，ft=1.43N/mm2

2.4.1 距離井頂4.5m 變截面處

管工作井壁厚變化截面處剪力最大為120.7 kN<346.346 kN，滿足要求。

2.4.2 距離井頂10.5m 變截面處

管工作井壁厚變化截面處剪力最大為433.8kN＜494.494kN，滿足要求。

2.4.3 頂管工作井埋深最大截面處

頂管工作井壁厚變化截面處剪力最大為610.2kN<643.143kN，滿足要求。

計(jì)算小結(jié)：頂管工作井結(jié)構(gòu)在正常工況下，其承載能力極限狀態(tài)計(jì)算滿足相關(guān)規(guī)程規(guī)范的要求，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)尺寸及配筋合理。

3 工作井施工方法

頂管工作井施工旋噴樁土體加固+逆作法施工主體結(jié)構(gòu)施工。

3.1 旋噴樁施工工藝流程及操作要點(diǎn)

3.1.1 工藝流程

工藝流程如下：場(chǎng)地整平→樁位放樣測(cè)量→鉆機(jī)固定樁位→漿液制備及鉆機(jī)施工→旋噴鉆機(jī)提升及鉆桿清洗→鉆機(jī)移至下一部位。

3.1.1.1 施工準(zhǔn)備及鉆機(jī)就位

鉆機(jī)施工前，對(duì)施工范圍內(nèi)的所有地上附著物、地下管線進(jìn)行徹底排查，清除施工區(qū)域范圍內(nèi)的障礙物。提前進(jìn)行控制點(diǎn)布控，布控完成后進(jìn)行樁位放樣定位標(biāo)記，樁孔坐標(biāo)偏移量小于50 mm。移動(dòng)旋噴樁設(shè)備到施工樁位，施工前，鉆桿用0.5 MPa 低壓射水試驗(yàn)檢測(cè)是否正常。

3.1.1.2 漿液制備

水泥漿液按照設(shè)計(jì)文件配合比拌制。第一步將水注入、第二步水泥倒入，攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌工作時(shí)長(zhǎng)10 min～20 min，打開(kāi)桶底閥門(mén)，讓水泥漿液先后通過(guò)兩道孔徑為0.8 mm 的篩網(wǎng)，第一次過(guò)濾后流入漿液池，第二次過(guò)濾后流入漿液抽入桶中，滿足壓漿備用[1]。

3.1.1.3 旋噴作業(yè)

鉆頭在預(yù)定樁位坐標(biāo)高程，啟動(dòng)鉆機(jī)鉆孔；用旋噴注漿進(jìn)行旋噴施工，鉆孔和插管同步進(jìn)行邊鉆孔邊旋噴。鉆機(jī)鉆桿利用自身的噴射及振動(dòng)貫入土中。噴漿管施工作業(yè)到達(dá)設(shè)計(jì)高程深度后，鉆進(jìn)深度停止，鉆頭持續(xù)旋轉(zhuǎn)，高壓泥漿泵壓力持續(xù)施工，坐底噴漿30s，一邊旋轉(zhuǎn)一邊噴漿，按照參數(shù)確定的速度提升鉆桿，當(dāng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求后停止。

3.1.1.4 樁頂部分處理

當(dāng)提升接近樁頂時(shí)，從樁頂以下1 m 開(kāi)始，速噴慢提，再向上慢速提升0.5 m，直至樁頂停漿面。按上述2～3 步驟重復(fù)噴漿、攪拌，直至達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3.1.2 操作要點(diǎn)

旋噴樁施工質(zhì)量是直接影響基坑開(kāi)挖結(jié)構(gòu)安全的必要條件，因此施工中要嚴(yán)格控制各步驟施工質(zhì)量：1）旋噴樁帷幕施工完成后，進(jìn)行基坑開(kāi)挖，基坑抽水時(shí)，需要在井管接頭周圍纏尼龍紗濾網(wǎng)，防止顆粒土排出。2）噴樁注漿完成后，由于漿液析水現(xiàn)象，樁體存在不同程度收縮，使固結(jié)體頂部出現(xiàn)凹陷，應(yīng)及時(shí)用水灰比0.6 的漿液進(jìn)行補(bǔ)灌。3）在旋噴樁施工前進(jìn)行試驗(yàn)樁施工，以確定樁基的各項(xiàng)施工參數(shù)，樁體施工完成后，對(duì)所有樁基進(jìn)行抽樣檢測(cè)，確保旋噴樁滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求，達(dá)到加固土體作用。4）采用旋噴樁須等加固后土體達(dá)到一定強(qiáng)度后再進(jìn)行下一步施工。5）旋噴樁鉆孔垂直度不應(yīng)大于1%，樁體28d 齡期無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于1.0 MPa。

3.2 頂管工作井逆作法施工工藝及操作要點(diǎn)

3.2.1 施工工藝

施工工藝：場(chǎng)地平整→測(cè)量放線→全斷面開(kāi)挖第一段基坑土方→施工第一段井壁鋼筋并安裝模板→澆筑第一段井體結(jié)構(gòu)混凝土→放樣第二段標(biāo)高及井位坐標(biāo)→設(shè)置排水、安裝通風(fēng)等設(shè)施→開(kāi)挖第二段土方（半幅對(duì)稱）→清理井孔四周壁、校核井孔垂直度和尺寸→第二節(jié)井壁鋼筋模板施工→澆筑第二節(jié)井壁混凝土→重復(fù)循環(huán)第二節(jié)全部工序直至到設(shè)計(jì)深度→井底基礎(chǔ)處理→井底結(jié)構(gòu)施工。

3.2.2 操作要點(diǎn)

基坑開(kāi)挖過(guò)程要嚴(yán)格控制支護(hù)質(zhì)量、開(kāi)挖質(zhì)量：1）全斷面開(kāi)挖第一段土方到分段深度，井體結(jié)構(gòu)鋼筋及模板安裝，澆筑混凝土，F(xiàn)實(shí)際養(yǎng)護(hù)≥80%F設(shè)計(jì)，才可以進(jìn)行下層土方開(kāi)挖。2）第二段之下土方開(kāi)挖，F(xiàn)實(shí)際養(yǎng)護(hù)≥80%F設(shè)計(jì)后兩側(cè)土對(duì)稱開(kāi)挖，按工藝流程施工循環(huán)施工，防至井體結(jié)構(gòu)突然下沉降。3）每段井體開(kāi)挖→澆筑施工周期時(shí)間≤5 天，井體側(cè)壁施工完成后，隨即完成底板混凝土施工。4）井壁鋼筋綁扎前，斜向下45°打入土體錨固鋼筋增大側(cè)壁混凝土與側(cè)壁土方摩擦力，鋼筋入土深度不小于1.0 m。5）基坑開(kāi)挖根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)土壤確定，每次開(kāi)挖深度小于2.0 m。6）每段井體施工與基坑深度同步進(jìn)行，同時(shí)設(shè)置跳角。7）由于采用逆作法進(jìn)行自上而下進(jìn)行澆筑，因此施工過(guò)程中應(yīng)對(duì)土體加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。8）機(jī)械開(kāi)挖時(shí)，在接近設(shè)計(jì)坑底標(biāo)高應(yīng)預(yù)留10cm～20 cm，由人工開(kāi)挖，隨挖隨測(cè)。9）在頂管頂進(jìn)過(guò)程中，如果發(fā)現(xiàn)井壁后背土體松散或存在間隙，應(yīng)對(duì)井壁后的土體進(jìn)行注漿處理以提高抗力。10）不能在井口3m周邊堆載。堆載不大于20 kN/m2。11）工作井施工完成后，經(jīng)驗(yàn)收合格才可以進(jìn)行后序作業(yè)。

4 逆作法施工質(zhì)量控制措施

4.1 旋噴樁施工質(zhì)量控制

旋噴樁嚴(yán)格按照工藝操作，保證樁體質(zhì)量，是開(kāi)挖施工的前提條件[2]：1）鉆機(jī)移動(dòng)到指定樁位置上，隨即進(jìn)行鉆桿垂直角度與水平坐標(biāo)校對(duì)，鉆桿按照樁位坐標(biāo)固定，坐標(biāo)偏差量小于10mm，必須保證施工樁垂直度。2）在施工過(guò)程中少量的土粒隨著水泥漿液沿注漿管壁冒出地面，當(dāng)出漿量不大于進(jìn)漿量25%的現(xiàn)象，視為正常，超過(guò)25%或不冒漿時(shí)，查明原因，調(diào)試完成后方可繼續(xù)施工。出漿量過(guò)大時(shí)有效噴射區(qū)域與注漿量不匹配，提高噴射壓力，合理調(diào)整噴嘴直徑，加快提升和旋噴速度等措施，減少出漿量。不冒漿時(shí)地層中有較大空隙，將適量速凝劑摻入旋噴漿液，減少漿液凝固時(shí)間或增大注漿量，直至出漿量正常后，繼續(xù)正常施工。3）在旋噴施工過(guò)程中，水、氣、漿、壓力和流量符合設(shè)計(jì)值，防止管道及噴嘴被泥土堵塞，鉆桿一旦出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，要立即對(duì)鉆桿進(jìn)行清洗，再進(jìn)行旋噴施工。插管施工過(guò)程邊射水邊插，水壓力不超過(guò)1MPa，高壓水噴嘴要用塑料布包裹，防止泥土堵塞噴管。4）旋噴樁施工必須持續(xù)進(jìn)行，施工期間不得間斷。為了避免拆卸過(guò)程中出現(xiàn)脫離現(xiàn)象，確保下一節(jié)鉆桿重合長(zhǎng)度不小于100 mm。施工機(jī)械出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，應(yīng)停止施工，全面檢查機(jī)械。保證旋噴樁施工質(zhì)量，在樁底部1m 范圍內(nèi)合理增加噴漿時(shí)間。5）旋噴樁采用跳樁施工法施工，不能連孔施工。

4.2 頂管工作井施工質(zhì)量控制

其質(zhì)量控制從開(kāi)挖到井壁鋼筋綁扎及混凝土澆筑再到井體養(yǎng)護(hù)全過(guò)程控制：1）逆作法施工頂管井開(kāi)挖前設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，開(kāi)挖按照施工流程要求進(jìn)行分區(qū)、分段、分層開(kāi)挖，上一段井體混凝土強(qiáng)度不小于80%以上才可以進(jìn)行下一層土體開(kāi)挖。2）井壁鋼筋綁扎前預(yù)先斜向下45°打入支撐鋼筋。3）混凝土滿足強(qiáng)度要求，混凝土養(yǎng)護(hù)不小于7 天。

5 逆作法施工安全技術(shù)措施

通過(guò)樁體支護(hù)、對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)保障結(jié)構(gòu)安全：1）進(jìn)行雙排旋噴樁施工加固周邊土體，降低施工過(guò)程中土方開(kāi)挖導(dǎo)致基坑土方坍塌風(fēng)險(xiǎn)。2）土方開(kāi)挖過(guò)程中采用機(jī)械開(kāi)挖距離旋噴樁施工位置減低施工速度，減少對(duì)基坑過(guò)度擾動(dòng)。3）土方開(kāi)挖采用分幅分層開(kāi)挖，降低基坑側(cè)壁局部應(yīng)力集中現(xiàn)象。4）機(jī)械操作過(guò)程安排專人進(jìn)行指揮操作，施工前全面檢查機(jī)械安全性能。5）施工基坑下部土方及工作井主體時(shí)，檢查并安裝通氣換氣設(shè)備，基坑內(nèi)部進(jìn)行空氣流動(dòng)。工作挖掘面的工人要佩帶含氧量探測(cè)儀，作業(yè)面氧氣含量19.5%～23.5%。6）在基坑施工過(guò)程中安裝沉降觀測(cè)點(diǎn)，保證施工過(guò)程中基坑沉降側(cè)移變形滿足設(shè)計(jì)規(guī)范。

6 結(jié)語(yǔ)

該頂管工作井工程采用采用旋噴樁加固+逆作法施工工藝，提高頂管工作井施工效率，降低施工成本，縮短工期。該頂管工作井原設(shè)計(jì)施工采用混凝土支護(hù)樁+混凝土井壁組合結(jié)構(gòu)，經(jīng)與設(shè)計(jì)人員溝通優(yōu)化采用旋噴樁進(jìn)行側(cè)壁支護(hù)+混凝土井壁組合結(jié)構(gòu)，該設(shè)計(jì)優(yōu)化降低工程施工成本，加快整體施工進(jìn)度，經(jīng)后期工程成本分析共節(jié)約成本約20 萬(wàn)元。該頂管工作井逆作法施工提供工程實(shí)踐指導(dǎo)，為后續(xù)引水管線頂管工作井深基坑施工提供實(shí)踐技術(shù)指導(dǎo)，同時(shí)為國(guó)內(nèi)引水管線類似工程提供技術(shù)支撐。