頂管施工中工作井施工技術與方法探討

楊宗亮

（甘肅中東建設工程管理咨詢（集團）有限公司白銀分公司,甘肅 白銀 730600）

1 引言

近年來，頂管技術由于其施工精度高，使用土質廣，管徑范圍大，綜合投資少有利于環保等特點，同時能穿越城市、村莊、水下等建筑物或障礙物廣泛應用。供水管道、(雨)污水管道、長距離天燃氣管道、中水回收等民生工程如采用以往開挖再覆土的方式，不僅會造成水土流失、環境破壞等，而且不經濟，因而頂管工程技術成為發展的必要。本文以現有工程為依托，結合我國現有頂管理論、技術經驗，借鑒國內外對頂管工程技術的研究成果，對頂管工程工作井施工中關鍵技術進行交流探討。

2 工作井計算

甘肅省靖遠縣五合鎮農村飲水安全鞏固提升工程位于甘肅省白銀市靖遠縣，向北灘鄉缺水的4.5 萬人畜提供飲用水源，解決了當地農業產業用水高峰期的人飲水供給不足的問題，為實現區內精準扶貧、全面脫貧提供保障。

工程輸水線路由管渠以及頂管等輸水建筑物組成，頂管進過國道109 線，共布置1#、2#兩個工作井，1#、2#兩個接收井，本文以1#工作井為例進行頂管計算，其他工作井及接收井與1#工作井計算方法相似。

2.1 工作井尺寸計算

工作井尺寸的計算主要是確定工作井的內徑，其大小由工作井的設計要求及頂管操作技術要求共同決定[1]。工作井最小內徑確定根據式(1)進行計算。即：

式中：L 為工作井的小內徑長度，m；l2為下井管節長度，m；不同材質的下井管長度取值見表l，取3.0 m；l3為千斤頂長度，m，取2.5 m；l4為留在井內的管道最小長度，m，取0.74 m；k 為后座和頂管的厚度及安裝富余量，m，取1.6 m。

表1 不同材質下井管節長度取值表

因此，確定本工程工作井的底部尺寸為L≥3+3.0+0.74+1.6=8.34 m。綜上所述L 取最大值8.34 m，即設計工作井最小內徑8.34 m，本工程設計工作井內徑為9.0 m，符合規范要求。

2.2 砂墊層厚度計算

工作井埋深為11.5 m～26.3 m，本工程1 層素填土埋深較淺，考慮不作為沉井起沉平臺，井底主要置于2-2 層粘土、3 硬塑性粘土層，工程性質好，可作為工作井持力層，適于機械頂管法施工，工作井、接收井設計采用沉井。根據第一節沉井重量和墊層底部地基土的承載力，砂墊層的厚度按式（2）計算。各巖土層承載力特征值fak選取見表2。

表2 各巖土層承載力特征值fak、壓縮模量ES1-2 及沉井參數

式中：h 為粗砂墊層厚度，m；Fd為地基承載力，參照表2 根據土層分別取值，2-2 粉質粘土層取200 kPa，3 硬塑性粘土層取250 kPa；Gk為第一節沉井沿井壁長度單位長度的重量標準值，kN/m，按照φ9.0 m 工作井計算，Gk=595.8 kN/m；φ 為砂墊層擴散角，≯45°，一般取φ=42.5°。

求得：①2-2 粉質粘土層作起沉平臺h=0.66 m；②3 硬塑性粘土層作起沉平臺h=0.46 m。按照2-2 粉質粘土層及3 硬塑性粘土層作為起沉平臺，計算砂墊層厚度均小于設計值0.8 m，符合規范要求。

2.3 沉井自重計算

由于沉井配筋比例較高，參照C30 鋼筋砼比重2.367 t/m3，根據設計圖紙地面高程及沉井內底標高程，選取1#圓形工作井驗算沉井下沉情況。1#工作井高度18.5 m，刃腳入土層為粉質粘土層。工作井自重計算如下：

刃腳高度H1=3.6 m，G1=3.14×3.6×(5.7×5.7-4.5×4.5)×2.367×9.8=3209.50 kN；

中段高度H2=5.0 m，G2=3.14×5.0×(5.5×5.5-4.5×4.5)×2.367×9.8=3641.87 kN；

頂段高度H3=9.9 m，G3=3.14×9.9×(5.3×5.3-4.5×4.5)×2.367×9.8=5653.34 kN；

頂管位置G4=3.14×1.0×1.42×1.42×2.367×9.8×2=293.74 kN;

刃腳位置G5=1.2×0.8/2×(3.14×5.1×2)×2.367×9.8=356.61 kN;

工作井自重G=3209.50+3641.87+5653.34-293.74-356.61=12585.09 kN。

2.4 沉井下沉計算

2.4.1 沉井下沉井壁摩阻力計算

根據設計施工經驗[2]，沉井在下沉至5 m 左右摩阻力達到最大，沉井在5 m 以下摩阻力取一常數，5 m 以上摩阻力呈直線變化，本文工作井結構見圖1(b)模型，截面均為變截面，根據各土層摩阻力加權平均確定，沉井下沉時，土壤與井壁的總摩阻力值按式(3)計算。

圖1 摩阻力沿井壁外側分布圖

式中：Tf為井壁與土的總摩阻力標準值；U 為沉井井壁外圍周長，工作井取35.79 m；A 為單位周長的摩阻力，由于本工程沉井均為變截面，故A=[(H+H1-2.5)/2]F，由于沉井穿越土層不同F取各土層摩阻力的加權平均值即F=（Σfi×hi）/Σhi，各穿越土層摩阻力取值見表3，本工程沉井穿越土層主要硬塑狀態粘性土，取30 kN/m2。

表3 土壤與井壁的單位面積摩阻力標準值

根據工作近結構尺寸計算Tf=[(18.5+3.6-2.5)/2]×25×35.79=12275.97kN；

2.4.2 沉井下沉刃腳正截面阻力計算

沉井下沉刃腳正截面阻力計算參照式（4）：

式中：R刃為刃腳正截面阻力標準值，kN；U 為沉井井壁外圍周長，工作井取35.79 m；c 為刃腳踏面寬度，取值參照設計圖，取值0.4 m；n 為刃腳斜面與井內土壤接觸面的水平投影寬度，取值參照設計圖，取值0.8 m；fak為地基土承載力特征值，取值參照表2。

計算工作井R刃=35.79×(0.4+0.8/2)×250=7158.00 kN。

2.4.3 沉井下沉系數驗算

工作井沉井施工過程中要將每一節井筒保持平穩、均勻緩慢的下放到設計高程位置，不能出現快速、或者傾斜、傾覆等問題[3]。根據地質勘察資料中每一層土質情況、工作井自重、沉井施工方法等，進行工作井沉井施工中下沉系數K1驗算，根據式（5）進行驗算，即：

式中：K1為沉井下沉過程中下沉穩定系數，當K 值超過1.5 時，需要對沉井下沉的穩定性進行驗算；FK為沉井下沉過程中地下水的浮力標準值，本工程采用排水下沉，取值0；Tf為井壁與土的總摩阻力標準值，取值參照上述計算。

經計算，1#工作井K1=12585.09/8768.55=1.435＜1.5；滿足要求，無需進行下沉穩定性驗算。

3 工作井制作與施工

3.1 工作井制作場地施工

工作井井筒應預先在地面上預制，采用C30 鋼筋砼，制作沉井的場地應預先進行雜物清理、場地整平和壓實，為防止工作井在制作過程中產生不均勻沉降，應將地基表層素填土采用砂進行換填，為便于井筒制作，基坑平面尺寸至刃腳外壁的工作距離取1.1 m 為宜[4]。

3.2 工作井地基處理

根據本文計算可知，本工程沉井刃腳下墊層采用80 cm厚度的砂墊層及15 cmC15 素混凝土墊層，砂墊層的壓實度不小于90%。根據地勘資料，本工程地下水位在0.5 m 以下不均勻分布，在開挖好的基坑內，鋪筑砂墊層前在基坑底部設置集水井，集水井的深度宜低于基底80 cm。基坑底部四周挖設排水溝，排水溝為0.3 m×0.3 m 的矩形斷面，采用C 20 砼襯砌厚20 cm，排水溝應與基坑內的集水井相通，將施工中產生地下水通過排水溝排至集水井內，再使用排水泵排到遠離基坑以外的地方。

3.3 工作井井筒的制作

本工程沉井高度為18.5 m，井筒制作采用分段制作、多次下沉的方式澆筑型，沉井井筒的制作分為兩部分，刃腳的制作和井壁的制作。第一節澆筑刃腳，高度為2.9 m～3.6 m 一次性澆筑成型，成型后以3 m～5 m 澆筑高度把剩余部分澆筑成型。具體施工技術和施工工序如下：

（1）沉井制作首先應搭設腳手架，沉井制作采用18 mm 厚膠合板拼裝成整體模板，模板澆筑前應涂刷脫模劑，至少涂2～3 遍。本工程有抗滲要求，在對拉螺栓間設有止水板。模板及腳手架安裝示意圖見圖2。

圖2 模板及腳手架安裝示意圖

（2）施工過程中應嚴格按照施工方案進行，鋼筋應按施工圖紙進行綁扎并確保牢固，保證每根鋼筋位置準確，對必需要采用點焊焊接的地方采用點焊焊接。混凝土拌合后商砼車運輸至工作井施工地點，采用汽車泵入倉，澆筑方法采用分層平鋪法，每層澆筑厚度在30 cm～50 cm 均勻澆灌，澆筑砼時連續進行，分層澆筑間隔不得超過初凝時間。分節制作時對施工接縫處進行鑿毛處理，或將接槎面做成企口形式。澆筑上節混凝土時要徹底沖洗和濕潤，在澆混凝土前底部先鋪5 cm 厚1∶1 的水泥砂漿，以利于兩層混凝土的粘結。

3.4 工作井下沉施工

當工作井井筒的混凝土強度達到設計強度時方可下沉施工[5]。下沉前對井壁全部預留孔洞進行封堵，當孔洞較大采用水泥砂漿磚砌封堵，并用水泥砂漿抹面。下沉過程中隨時注意土層變化情況，控制挖土速度，沉井下沉過程中要保持勻速、平穩，施工技術人員隨時測量沉井底面標高、井筒下沉量等，并觀察井筒下沉中是否傾斜、移位等，出現問題后分析原因并及時糾正沉井的偏斜，同時要認真觀察沉工作井四周地面塌陷和開裂情況，做好應對措施，確保附近施工人員和機械設施的安全。

根據工程土質情況，在沉井制作時按2 m×2 m 間距預埋φ32 注漿管，當沉井因摩阻力大下沉緩慢時可從注漿孔內注入減阻泥漿。

3.5 工作井下沉降水排水

由于1#工作井高度為18.5 m，施工時需采用分節制作，多次下沉，一次封底的施工方法。本工程地下水位較高，考慮到施工便利性及本工程土質滲透系數較小，地下水主要為上層滯水和潛水，且離水源點位置遠，地下水不豐富，所以在沉井周邊2.5 m 外開挖一條寬1.0 m，深1.5 m 的排水溝，阻斷地表水對沉井基礎開挖的影響，再在井周圍用地質鉆機造4 個220 mm 的孔，深度比沉井底板設計深度小2 m，里面放入200 mm 的鋼管，鋼管每隔10 mm 鑿一個孔，外面用土工布綁扎好。再放入潛水泵在鋼管里面進行抽水，保持地下水位低于開挖基礎面1.0 m。管井降水見圖3。

圖3 工作井管井降水排水示意圖

3.6 沉井封底

沉井下沉后需經過2 d～3 d 后待下沉量達到基本穩定，或經過觀測在8 h 內累計下沉量不大于10 mm，便可進行封底[6]。采用C20 混凝土澆筑封底厚1.7 m，下鋪塊石墊層后30 cm，對塊石進行整理使之成鍋底形，經觀測沉井無異常情況后可綁扎底板鋼筋，兩端伸入刃腳凹槽內與預埋鋼筋焊接連接，澆筑底板C30 混凝土、厚80 cm。

4 結語

工作井、接收井等沉井施工在整個頂管工程中占用約90%的施工時間，是整個工程的重要工序，其施工的質量與進度關系著整個頂管工程的成敗，因此在施工中一定要準確進行工作井的尺寸、承載力以及下沉方面的計算，為沉井施工提供可靠的數據支撐，也要做好沉井施工中可能出現的滲水、突沉、傾斜以及傾覆等問題的處理措施及應對辦法，本工程結合本文頂管設計施工技術，按進度完成了頂管段的施工，避免了施工中可能出現的問題，保證施工人員和設備安全。