一種新穎的頂管作業(yè)井的施工方法

摘 要

城市燃?xì)夤艿缆裨O(shè)過(guò)程中，不可避免的會(huì)遇到需要穿越鐵路、公路、河流、渠道或已有的各種箱涵、電訊、電纜、供水、排污管溝等障礙物的情況。目前城市燃?xì)夤艿缆裨O(shè)中使用的非開挖穿越技術(shù)主要有定向鉆和頂管兩種。
1 前言
    城市燃?xì)夤艿缆裨O(shè)過(guò)程中，不可避免的會(huì)遇到需要穿越鐵路、公路、河流、渠道或已有的各種箱涵、電訊、電纜、供水、排污管溝等障礙物的情況。當(dāng)無(wú)法進(jìn)行大開挖穿越，或經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。采用大開挖穿越代價(jià)太高時(shí)，就必須采用非開挖技術(shù)進(jìn)行穿越。目前城市燃?xì)夤艿缆裨O(shè)中使用的非開挖穿越技術(shù)主要有定向鉆和頂管兩種。
    頂管穿越首先在頂管兩端開挖作業(yè)井，包括工作井和接收井。在一些地質(zhì)條件復(fù)雜地段，頂管作業(yè)井的開挖及支護(hù)占整個(gè)頂管作業(yè)工程量很大的一部分，其施工工期和工程造價(jià)往往超過(guò)頂管本身。在供水、排污、電纜、電訊等行業(yè)的頂管作業(yè)井一般可用作日后運(yùn)營(yíng)的檢查井，可長(zhǎng)期使用。而在燃?xì)庑袠I(yè)，頂管作業(yè)井只是一個(gè)臨時(shí)支護(hù)工程，使用時(shí)限一般1～3個(gè)月，管道埋設(shè)后作業(yè)井需填埋廢棄。所以，選擇合理有效、經(jīng)濟(jì)適用的支護(hù)加固方法對(duì)降低頂管工程造價(jià)具有十分重要的意義。
    目前深圳次高壓、高壓燃?xì)夤艿缆裨O(shè)過(guò)程中，當(dāng)遇到需要頂管穿越時(shí)，設(shè)計(jì)單位設(shè)計(jì)的頂管作業(yè)井的施工圖普遍采用沉井。沉井本是一種在鐵路橋梁及公路橋梁跨越江、河、湖、海、沼澤地等水域時(shí)常用的一種深基礎(chǔ)施工方法，沉井的下沉方式有：排水下沉、不排水下沉、中心島式下沉3種。在城市管道埋設(shè)施工中，由于受場(chǎng)地條件和周圍環(huán)境條件的限制，沉井一般都是采取排水下沉的方式施工。采用沉井來(lái)作為頂管工作井、接收井的支護(hù)結(jié)構(gòu)。主要優(yōu)點(diǎn)是安全、可靠，缺點(diǎn)是施工工藝復(fù)雜，造價(jià)太高。施工工期長(zhǎng)。當(dāng)場(chǎng)地地下水位高、水量大，地層中含有淤泥及松散砂層等不良地質(zhì)條件時(shí)，采用排水下沉的方式施工沉井亦存在不安全因素。
    筆者認(rèn)為，當(dāng)?shù)叵滤桓摺⑺看?、地層中存在大量流砂等不良地質(zhì)條件時(shí)開挖頂管作業(yè)井，開挖前首先應(yīng)該進(jìn)行止水、止流砂等預(yù)先支護(hù)加固的處理措施。工程上常用的止水防滲加固方法有：高壓旋噴注漿法、深層攪拌樁法、凍結(jié)法、袖閥管注漿法等。在城市燃?xì)夤艿缆裨O(shè)過(guò)程中，限于場(chǎng)地條件及周邊建構(gòu)筑物的影響，需使用大型機(jī)械設(shè)備施工的地基處理方法往往又不適宜采用，怎么辦?本文以深圳寶安大道次高壓燃?xì)夤艿来┰叫律陈返捻敼茏鳂I(yè)井為例，介紹一種新穎的頂管作業(yè)井的支護(hù)設(shè)計(jì)和施工方法。
2 工程概況及工程地質(zhì)條件
2.1 工程概況
    寶安大道新沙路頂管工程有2段頂管，共4個(gè)作業(yè)井，接收井直徑4.0m、工作井直徑6.5m，兩段頂管長(zhǎng)度分別為100.85m和107.52m；開挖深度分別為8.6m和9.9m。場(chǎng)地原始地貌屬濱海海陸交互相河流入海地段。其中，新沙路2#頂管工作井位于寶安大道與新沙路交匯處，交通流量非常大，場(chǎng)地狹小，不適宜大型機(jī)械進(jìn)場(chǎng)進(jìn)行作業(yè)井支護(hù)施工。
    根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和地質(zhì)條件，對(duì)地層進(jìn)行預(yù)先支護(hù)加固的方法采用了微型樁+止水樁。施工使用的設(shè)備就是常規(guī)地質(zhì)勘探使用的XY-1型鉆機(jī)。其自重約1.5t。鉆探機(jī)械占地僅僅1.5m×2.0m。
    需要說(shuō)明一點(diǎn)：這里所指的微型樁是巖土工程業(yè)界約定俗成的一種稱謂，特指由小型鉆機(jī)施工的樁，也叫樹根樁。成樁工藝是：泥漿護(hù)臂鉆孔-插管注漿、置換孔內(nèi)泥漿-安放鋼筋籠或工字鋼-填碎石-二次注漿。微型樁的直徑一般小于0.4m，而本工程微型樁樁徑采用0.4m～0.6m，按照《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94—2008)，樁徑d介于250mm～800mm的樁歸類為中等直徑樁，d≤250mm才是屬于小型樁。
2.2 工程地質(zhì)條件
    以2#工作井為例，根據(jù)鉆探及實(shí)際開挖后修正的地層如下!
    (1) 0.00m～3.00m為雜填土：含磚塊、混凝土碎塊，局部還埋藏有已廢棄的建筑物鋼筋混凝土基礎(chǔ)，底部0.3m～0.5m為拋填的塊石。
    (2) 3.00m～6.00m為淤泥：黑色，含腐殖質(zhì)、細(xì)砂和貝殼，很濕，軟塑。
    (3) 6.00m～8.80mm為細(xì)砂：淺灰-淺白色，較純凈，粘性土含量小于7%，飽和。松散。
    (4) 8.80m以下為風(fēng)化殘積土(砂質(zhì)粘性土)。黃褐色，濕，可塑。
    (5) 地下水位埋深2.40m，為孔隙潛水，地卞水豐富。
  頂管工程地質(zhì)剖面圖見圖1。
 
3 頂管作業(yè)井的支護(hù)設(shè)計(jì)及施工方法
3.1 支護(hù)設(shè)計(jì)
3.1.1作業(yè)井主要設(shè)計(jì)參數(shù)
    工作井直徑6.5m；接收井直徑4.0m；
    頂管洞口開口直徑1.6m；水泥套管內(nèi)徑1.2m；
    頂管中心高程：1#作業(yè)井：-3.6m；2#作業(yè)井：-2.9m；
    洞口底高出作業(yè)井底0.5m；次高壓燃?xì)夤艿拦軓?phi;813mm。
作業(yè)井平面圖及剖面結(jié)構(gòu)圖見圖2、圖3。
 
3.1.2開挖深度
    1#工作井、接收井9.9m，封底厚度0.5m，有效井深：9.4m。
    2#工作井、接收井8.6m，封底厚度0.5m，有效井深：8.1m。
3.1.3微型樁
    工作井樁徑D=600mm，接收井樁徑D=400mm，樁長(zhǎng)均為12m，內(nèi)置18工字鋼，通長(zhǎng)配置。工作井沿直徑D=7.8m圓周均勻布置28根樁，接收井沿直徑D=5.1m圓周均勻布置24根樁，樁身混凝土強(qiáng)度：C20。
3.1.4止水樁
    樁徑D=300mm，樁長(zhǎng)12m，灌注素水泥漿。工作井樁數(shù)28根，接收井樁數(shù)24根，與微型樁搭接。
3.1.5襯砌(挖孔樁護(hù)臂)
    厚度350mm，按構(gòu)造要求配筋，澆注C30混凝土。
3.2 施工方法
3.2.1微型樁施工工藝
    (1) 挖除填石，平整場(chǎng)地：由于場(chǎng)地上部填土層中含較多混凝土碎塊、填石等硬雜質(zhì)，局部埋藏有廢棄的鋼筋混凝土基礎(chǔ)，微型樁施工前首先使用挖土機(jī)挖出作業(yè)井范圍內(nèi)混凝土、填石等障礙物后，再回填粘性土，平整場(chǎng)地。
    (2) 測(cè)量、放線：按設(shè)計(jì)管道走向測(cè)量頂管作業(yè)井中心位置，沿直徑D=7.8m(工作井)、D=5.1m(接收井)圓周均勻布設(shè)微型樁樁中心點(diǎn)28個(gè)、24個(gè)。
    (3) 鉆機(jī)就位-復(fù)核樁中心-開鉆-泥漿護(hù)壁成孔-插入注漿管至孔底-灌注水泥漿置換孔內(nèi)泥漿-插入18工字鋼-填入碎石一二次注漿一結(jié)束。
    (4) 重復(fù)工藝(3)，間隔-孔跳鉆下一孔，直至全部完成。
3.2.2止水樁施工工藝
    泥漿護(hù)壁鉆孔-插管-注漿-結(jié)束。
3.2.3襯砌施工工藝
    采用自上而下開挖和支護(hù)的逆作法施工襯砌。以人工挖孔樁方式挖孔-鋼筋制作安裝-制模-澆注混凝土。每節(jié)高度1.0m，第一節(jié)護(hù)壁與微型樁樁頂冠梁同一批次澆注混凝土。
3.2.4封底
    底板鋼筋制作安裝-澆筑混凝土。
3.2.5頂管洞口開口及封門
工作難點(diǎn)：由于頂管洞口開口部位位于細(xì)砂層中，若直接在井壁開口將會(huì)有大量泥沙涌人作業(yè)井，引發(fā)地面塌陷。解決辦法：開口前。在支護(hù)結(jié)構(gòu)外圍施工兩排注漿孔，共17孔，采用袖閥管注漿法加固洞口外圍砂層，止水防滲。加固結(jié)構(gòu)見圖4。開口后洞口采用砌磚封門。
 
4 基坑支護(hù)施工效果評(píng)述
    在地層中存在較厚淤泥及砂層且地下水豐富等不良地質(zhì)條件下，開挖基坑、作業(yè)井、挖孔樁等地下洞室工程，關(guān)鍵處理技術(shù)是止水防滲和超前支護(hù)，若處理不當(dāng)，在施工過(guò)程中很容易發(fā)生基坑或其他洞室工程塌方、地面沉陷等造成財(cái)產(chǎn)或人員傷亡的工程事故。新沙路頂管作業(yè)井由于采用了微型樁+止水樁作為超前支護(hù)加固的處理措施，在隨后的作業(yè)井土方開挖及襯砌施工過(guò)程中進(jìn)行得很順利。無(wú)論在淤泥還是在砂層中，開挖外徑達(dá)到7.2m(每節(jié)土方量40.7m3)的圓形工作井，可容8個(gè)工人4個(gè)作業(yè)班組同時(shí)作業(yè)，每天能順利開挖深度1m、并澆筑一節(jié)護(hù)臂。由于有了微型樁+止水樁的超前支護(hù)和其良好的止水、固砂支護(hù)效果，即便在淤泥和流砂層中開挖土方，井下作業(yè)的工人都覺得很安全。
5 技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較
    新沙路頂管作業(yè)井支護(hù)工程原設(shè)計(jì)圖的支護(hù)方式是：首先在外圍采用人工挖孔樁護(hù)臂方式開挖，護(hù)臂厚度350mm，開挖完成后再在內(nèi)圈澆筑厚度為450mm的鋼筋混凝土襯砌。經(jīng)過(guò)第三方造價(jià)審核單位審計(jì)的工程造價(jià)預(yù)算是：4個(gè)頂管作業(yè)井造價(jià)合計(jì)142.47萬(wàn)元。工程經(jīng)過(guò)招投標(biāo)后，一家中標(biāo)的巖土工程施工單位進(jìn)場(chǎng)施工前，在2#工作井位處進(jìn)行超前鉆。發(fā)現(xiàn)地層中存在上述的淤泥、流砂、且地下水大等不良地質(zhì)條件，按原設(shè)計(jì)的施工圖開挖作業(yè)井很不安全，后經(jīng)過(guò)幾次會(huì)議協(xié)調(diào)，決定采用微型樁+止水樁+護(hù)臂的支護(hù)方式。即首先施工微型樁+止水樁，替代原設(shè)計(jì)的挖孔樁護(hù)臂，然后再開挖。澆筑護(hù)臂。由于有了微型樁的超前支護(hù)，內(nèi)圈的襯砌厚度減少到350mm。其工程造價(jià)省了：作業(yè)井深度、內(nèi)徑等尺寸與原設(shè)計(jì)一致，巖土工程施工單位承諾：愿以不超過(guò)總造價(jià)89.21萬(wàn)元完成4個(gè)作業(yè)井支護(hù)工程。與原造價(jià)相比下降37.4%?？鄢┕挝蛔栽赴匆欢ū壤赂≈袠?biāo)價(jià)等因素，微型樁施工的簡(jiǎn)單易行、造價(jià)低廉、經(jīng)濟(jì)實(shí)用是顯而易見的。
6 結(jié)束語(yǔ)
    微型樁(micropiles)是在上個(gè)世紀(jì)30年代由意大利的F.Lizzi提出的，后來(lái)逐步推廣到整個(gè)歐洲和北美洲。其主要特點(diǎn)有：施工機(jī)具小，適用于狹窄的施工作業(yè)區(qū)；對(duì)土層適應(yīng)性強(qiáng)；施工振動(dòng)、噪音小，樁位布置形式靈活。我國(guó)于1981年開始研究。目前，微型樁主要應(yīng)用于以下幾個(gè)方面：(1)建筑物增層及改造；(2)地基不均勻沉降事故中的基礎(chǔ)托換；(3)岸(基坑)邊及地下洞室土方建筑物的基礎(chǔ)托換。
    本文謂之為一種新穎的頂管作業(yè)井支護(hù)方法，是因?yàn)槲⑿蜆队糜陧敼芸拥闹ёo(hù)方面的報(bào)道還不多見。因其成樁工藝的特殊性，微型樁甚至還沒(méi)有列入我國(guó)的樁基礎(chǔ)規(guī)范。本工程難點(diǎn)是地質(zhì)條件較復(fù)雜，地下水大，存在流砂、淤泥等不良地質(zhì)條件，施工場(chǎng)地狹窄，大型機(jī)械不宜進(jìn)場(chǎng)施工，常用的需采用大型機(jī)械施工的地基處理手段不宜采用。微型樁的使用成功的解決了上述難題。與原設(shè)計(jì)采用的支護(hù)方法相比，施工更簡(jiǎn)單，開挖的安全性更好。工期更短，造價(jià)更省。
    深圳燃?xì)飧邏汗芫W(wǎng)工程建設(shè)即將全面展開，管網(wǎng)建設(shè)會(huì)遇到大量頂管穿越工程，對(duì)于工程地質(zhì)條件復(fù)雜地段采用本文所述的施工方法，與沉井相比，其經(jīng)濟(jì)效益是十分顯著的。頂管作業(yè)井支護(hù)工程是一種小型的基坑支護(hù)工程，對(duì)于其他地質(zhì)條件更好的地段施工頂管作業(yè)井時(shí)，還可以采用其他更加簡(jiǎn)單的方法，如：當(dāng)無(wú)淤泥、流砂，基坑深度較淺、少或無(wú)地下水時(shí)，可采用直接放坡+錨噴支護(hù)的方式，或直接只做單一護(hù)臂支護(hù)的方式。根據(jù)地形、地質(zhì)條件，因地制宜地制定相應(yīng)的設(shè)計(jì)和施工方法，對(duì)節(jié)約成本，降低工程造價(jià)具有十分重要的意義。
參考文件
1 油氣輸送管道穿越工程設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50423—2007)北京：中國(guó)計(jì)劃出版社.2008
2 建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程(JGJl20—99)北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社.1999
3 深圳市建設(shè)局關(guān)于《深圳市深基坑工程管理規(guī)定》深建規(guī)[2009)3號(hào)2009-5-11
4 廣東省建設(shè)廳關(guān)于限制使用人工挖孔灌注樁的通知(粵建管字[2003149號(hào))2003-5-7
5 高大釗、黃紹銘等《軟土地基與地下工程》北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社.2005
6 高大釗等《樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方法與施工技術(shù)》北京：機(jī)械工業(yè)出版社.1999
 
(本文作者：左圣云 李文鋒 深圳市燃?xì)饧瘓F(tuán)股份有限公司天然氣工程建設(shè)分公司 518045)