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倒挂井壁法在顶管工作井中的应用
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摘要：顶管是管道下穿道路时一种常用的施工工法,可减少对交通的干扰和避免大开挖。顶管工作井的常用施工工法有SMW工法、沉井法等,结合实际案例分析工作井底存在管线情况下采用倒挂井壁法施工工作井的设计要点,以期为类似的工程设计提供借鉴。
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1、引言
顶管工作井的施工是顶管工作的重要关键之一。顶管工作井的常用施工工法有沉井法和SMW工法。沉井法是先在地表制作成一个井筒状的结构物,然后在井壁的围护下通过从井内不断挖土,使沉井在自重及上部荷载作用下逐渐下沉,达到设计标高后,再进行封底。沉井法结构刚度大,安全性较高,同时沉井可作为检查井使用,应用十分广泛。SMW工法是在水泥土搅拌桩墙体中插入H型钢,将承受荷载与防渗挡水结合起来,使之成为同时具有受力与抗渗两种功能的支护结构的围护墙[1]。这种结构抗渗性好,刚度大,构造简单,施工简便,在越来越多的顶管工程中得到了应用。倒挂井壁法是首先在井口浇筑钢筋混凝土锁口圈梁,从圈梁向下引出悬挂下层井壁支护结构的钢筋,然后在井内挖一层土方后紧接着对井壁进行喷锚支护,支护作业由地面开始往下逐层进行,最后形成整体的钢筋混凝土支护体系。该工法在地铁深基坑及煤矿深基坑中均有应用[2-3]。
本文以临汾市某道路工程DN1500雨水管横穿309国道接入路北侧现状雨水管道顶管工程为例,对采用倒挂井壁法施工顶管工作井的方案进行研究。
2、工程概况
本工程为临汾市某道路工程DN1500雨水管横穿309国道接入路北侧现状雨水管道顶管工程。
顶管工作井设置在309国道北侧现状绿地内,此处地下现状管线较多,工作井下有两根热力管线无法避让,管顶距离基坑底约1 m。工作井采用倒挂井壁法施工并设置钢筋混凝土后座墙。工作井降水采用坑外管井降水,降水深度为工作井结构底板以下1 m,保证土方开挖时无水施工。
工作井为临时结构,设计使用年限为1年,结构安全等级为三级,相应的结构构件重要性系数γ0取0.9。
接收井采用接收坑形式,可根据现场管线情况放坡开挖施工。接收坑的尺寸应满足工艺管道要求,以及顶管顶管机拆除吊出的尺寸要求。
3、工程地质条件
拟建场地地处临汾断陷盆地的中部,临汾盆地是新生代形成断陷盆地,南起韩侯,北到紫金山,长约200 km,东界太岳—中条山,西临吕梁山,宽约25 km～35 km。受构造控制,盆地呈反相“L”形,汾河从中纵贯而过。区域四周受深大断裂控制,第三纪以来,受新构造运动的影响,盆地相对山地强烈下降；内部发生了一系列北60°～70°东的隆起、凹陷以及与其平行的压扭性断裂,第四纪以来,断续活动,表现为长期性、间歇性和继承性。
根据钻探揭露的地层情况,场区地层自上而下分布如下：
第（1)-1层杂填土。杂色,稍湿,松散～稍密,主要由砖瓦碎石等建筑垃圾及灰渣、炉渣等生活垃圾组成,偶可见炼铁废渣成分,土质不均匀,结构疏松。该层厚约0.5 m～1.5 m,层底标高435.83 m～449.48 m。
第（17）层粉土。黄褐色,湿,土质较均匀,粉质一般,摇振反应中等,无光泽,干强度低,韧性低,中等压缩性,局部夹有粉质粘土透镜体。该层厚约1.2 m～9.6 m,层底标高447.17 m～449.84 m。地基承载力特征值fak=140 kPa。
第（18）层粉质粘土。红褐色,可塑,土质均匀,粘性一般,无摇震反应,稍有光滑,干强度中等,韧性中等,中压缩性,局部夹有粉土透镜体。该层厚约0.5 m～1.9 m,层底标高445.87 m～448.90 m。地基承载力特征值fak=150 kPa。
第（19）层粉土：褐黄色,湿,土质均匀,粉质一般,摇振反应中等,无光泽,干强度低,韧性低,中等压缩性。该层厚约5.6 m～12.7 m,层底标高433.44 m～442.33 m。地基承载力特征值fak=170 kPa。
第(20）层粉质粘土：红褐色,可塑,土质均匀,粘性中等,无摇震反应,稍有光滑,干强度中等,韧性中等,中压缩性,夹有薄层粉土。该层厚约2.0 m～4.9 m,层底标高431.14 m～439.22 m。地基承载力特征值fak=190 kPa。
场地岩土力学参数见表1。
表1岩土物理力学参数建议值表
本工程场地范围内的地下水类型为孔隙潜水,主要由侧向径流及大气降水补给,季节性水位变幅约为1 m,地下水流向为自西向东,向汾河方向排泄。勘察期间为枯水期,汾河西岸二级阶地地下水初见水位埋深在现地表下5.56 m～14.15 m之间,水位标高445.19 m～448.15 m,稳定水位在现地表下3.86 m～12.45 m之间,稳定水位标高446.89 m～449.85 m,设防水位比稳定水位高约1.0 m,即设防水位为现地表下2.86m～11.45 m之间,水位标高447.89 m～450.85 m,抗浮设防水位比稳定水位高约1.5 m,即抗浮设防水位为现地表下2.36 m～10.95 m之间,稳定水位标高448.39 m～451.35 m。
拟建场地地下水对混凝土结构具微腐蚀性,在干湿交替条件下对混凝土结构中的钢筋具微腐蚀性,长期浸水条件下对混凝土中钢筋具微腐蚀性。综合评价地下水对混凝土按微腐蚀性考虑,对混凝土中的钢筋按微腐蚀性考虑。
4、工作井设计方案
根据顶管施工工作面需要,确定工作井净尺寸为10 m长×4.5 m宽×4.5 m深。工作井主要由锁口圈梁、初期支护、后座墙、洞口环梁四部分做成,分别介绍如下：
(1）工作井井口锁口圈梁为1.5 m宽×1.0 m高C40模筑钢筋混凝土结构。圈梁顶部设置0.5 m高挡水墙,底部预留初支竖向连接筋甩筋。
(2）初期支护由内外双层钢筋网+格栅钢架+纵向连接筋+注浆锚管+喷射混凝土+钢支撑结构组成（见图1、图2）。具体设计参数如下：
①格栅钢架截面尺寸235 mm×235 mm；主要构造筋包括Φ25主筋和Φ14蛇形筋、U形筋及箍筋,竖向间距470 mm,格栅钢架大样见图3。
②钢筋网片Φ6.5@150 mm×150 mm内外双层,搭接长度150 mm。
③注浆锚管Φ42×3.25热轧钢管,长度L=3 m,竖向间距同格栅钢架间距,环向间距1 m,注浆材料选用水泥浆,注浆压力0.2 MPa～0.5 MPa。
图1顶管工作井初支平面图
图2顶管工作井初支剖面图
图3格栅钢架大样
(3）后座墙是主要承受千斤顶反力的部位,后座墙的面积应使墙后土体的承载力满足顶力要求,同时后座墙应具有足够的刚度。本工程采用0.8 m厚C40钢筋混凝土后座墙,后座墙顶部与锁口圈梁拉结,底部嵌入工作井初支预留凹槽,见图4。若顶进过程中后背土体产生较大变形无法满足顶进承载力要求时,可对后背土体进行注浆加固。
图4钢筋混凝土后座墙
(4）洞口环梁为0.35 m宽×0.35 m高C40模筑钢筋混凝土结构,内径尺寸为2.0 m。洞口环梁钢筋应与格栅钢架钢筋焊接牢固,浇筑为整体。
5、工作井计算
为简化计算,工作井取埋深2/3H处两榀格栅钢架闭合框架进行计算。框架截面宽度b=1 m,高度h=0.35 m,混凝土强度等级为C25。覆土深度为3.6 m,土压力采用朗肯主动土压力公式计算,主动土压力系数取0.33。计算简图见图5。
图5顶管工作井计算简图
经计算,顶管工作井井身初支的截面内力见图6,受拉钢筋配筋面积As=1829.35 mm2,实配钢筋为4根Φ25,满足要求。
图6顶管工作井弯矩图（单位：k N·m)
6、工作井施工步骤
(1）工作井开挖前对顶管出洞口一侧基坑外3 m范围内土体进行预注浆加固,以防止井外土体的坍塌,注浆采用水泥浆,注浆压力0.6 MPa～0.8 MPa,注浆体积比为25%～30%。加固后土体的无侧限抗压强度不小于1.0 MPa。
(2）开挖基坑,施做锁口圈梁。地面以下3 m范围内应采用人工开挖,以避免挖断地下管线。开挖后开挖面采用喷射混凝土进行临时支护。
(3）采用倒挂井壁法施工工作井井身初支结构。施工顺序为：土方开挖,挂网初喷混凝土稳定掌子面,打设小导管,安装格栅钢架、连接筋及钢筋网,喷射混凝土至设计厚度,小导管注浆,对基坑周边土体进行注浆加固。混凝土达到设计强度后,按设计要求架设钢支撑,并继续向下开挖。
相邻两榀格栅钢架应交错布置。格栅钢架拼接见图7。
图7顶管工作井井身格栅钢架拼接图
(4）工作井开挖至井底后施工井底格栅钢架,井底内部格栅间距1000 mm,每榀格栅之间用Φ25钢筋连接,钢筋间距500 mm,内外双侧布置,外围格栅同相临竖井格栅,见图8。底板采用C40现浇混凝土浇筑封底。
图8顶管工作井井底格栅钢架拼接图
(5）工作井封底后,对顶管开洞相应部位的格栅钢筋进行切割,模筑施工洞口环梁。
(6）模筑施工后座墙,后座墙须与锁口圈梁预留钢筋可靠拉结。
(7）工作井施工完成后,拆除顶管施工影响范围内的钢支撑,进行顶管施工作业。
7、工作井施工注意事项
为确保顶管工作井的施工质量,对工作井的施工提出如下要求：
(1）锁口圈梁施工时应整体模筑,作好井口防护栏后,方可进行井身施工。
(2）施工中严格按照“管超前、严注浆、短开挖、强支护,勤量测、早封闭”的原则进行管理和施工,以保证施工安全。
(3）初期支护施工完毕后应及时对其背后多次进行回填注浆,以减少地面沉降量。
(4）格栅钢架加工后应放在水泥地面试拼,经验收合格后方能进坑内拼装施工,确保施工质量。其允许误差为：
1）沿格栅钢架周边轮廓拼装偏差不应大于±30 mm。
2）格栅钢架由各单元钢构件拼装而成,各单元间用螺栓连接,螺栓孔眼中心间距公差不超过±0.5 mm。
3）格栅钢架平放时平面翘曲应小于±20 mm。
4）其倾斜度不大于2°,格栅钢架的任何部位偏离铅垂面不宜大于50 mm。
(5）井壁锚管应与格栅钢架焊接牢靠。锚管施工时,应避开周边管线,注意对周边管线的保护。
8、顶管施工
(1）顶管设备选用
顶管段位于粉土层与粉质粘土层中,地下水位较低,设计采用土压平衡式顶管施工。建议施工时根据顶管穿越的土层地质条件选用合适的顶管机。在顶进施工过程中,宜采用信息法施工,及时反馈信息,根据实际情况调整相关参数,降低风险,保证工程质量和安全。当顶管位于地下水位以上,且有保证控制路面及管线沉降的可靠措施时,经过论证,也可使用敞开式顶管机,并应加强对路面沉降的监测及预警。路基沉降控制值不大于10 mm,变化速率不大于3 mm/d。
(2）顶进
1）顶管的最大顶力2580 k N,顶进长度约45 m。
2）在每节管道的顶进过程中,必须测量和控制管道的管底标高和中心线,工作坑内应设置临时水准点,并应在交接班时进行校核。
3）在顶进过程中若产生偏差,应随时纠正,纠偏可采用调整纠偏千斤顶的方法。
4）管壁外侧可根据实际地质情况采用触变泥浆减阻措施来降低顶管顶进过程中的阻力。
5）管道顶进允许误差应符合CECS 246:2008规范13.2.1条的要求。
(3）减少地面沉降的措施
1）在不稳定土中应选择有平衡功能的顶管机,不应采用开敞式挖掘顶管。
2）建立地面观察点,并通过试顶确定具有平衡功能顶管机的平衡参数。
3）顶管施工时应采取以下措施。
a.减少减阻泥浆套的厚度；
b.不可采用大角度纠偏；
c.严格控制出泥量,不可超量出泥。
4）在道路下顶进,当路面沉降量超过10 mm时,应钻孔取样检查土体孔隙比变化。
5）顶管结束后应采用水泥砂浆加固减阻泥浆。
(4）顶管竣工后管道的闭水试验结果应满足现行国家标准《给水排水管道工程施工及验收规范》（GB 50268-2008）的要求。
9、结论
随着社会发展和科学进步,顶管施工在城市地下管线施工中的应用愈发重要,工作井作为顶管施工的重要组成部分其结构形式越来越多样化。倒挂井壁法具有对施工场地要求小、安全风险可控性高、对地下管线影响小、造价低等优点。
通过倒挂井壁法在顶管工作井中的应用,解决了工作井底有市政管线等障碍物的情况下的顶管施工问题。对顶管出洞口处加固、后座墙与初支连接做法、顶管施工等重点问题提出了行之有效的解决方案。可为类似工程施工提供参考。
参考文献:
[1]秦义.SMW工法桩在黄土地区综合管廊基坑支护中的应用[J].黑龙江科技信息,2017(07):247-248.
[2]王晓伟.地铁施工倒挂井壁法竖井扩挖施工技术研究[J].市政技术,2016,34(02):99-102.
[3]于卫锋.倒挂井壁法在煤矿深基坑中的应用[J].施工技术,2013,42(20):108-110.
文章来源:荆淼.倒挂井壁法在顶管工作井中的应用[J].陕西水利,2024,(11):141-143+146.
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2025-04-07我要评论
期刊名称：陕西水利
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主管单位：陕西省水利厅
主办单位：陕西省改水项目领导小组办公室
出版地方：陕西
专业分类：水利
国际刊号：1673-9000
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2024-11-05
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