逆作法技術下涵閘工作井施工優化研究

彭耀蔣

(廣東省源天工程有限公司，廣東 廣州 511340)

1 工程概況

廣東省西江干流治理工程德慶段整治堤段總長度為7.57km，其中江濱堤位于西江干流左岸，本堤段整治共分3段：樁號分別為JBO+000～JBO+785.098(上)，JBO+785.098(下)～JB6+742.473(上)、JB6+742.473(下)～JB7+286.708拆除涵閘12座，新建涵閘1座。堤頂道路為C25預制砼路緣石，水泥碎石砂墊層厚200mm，C30砼路面厚200mm。新建涵閘工作井工程是本項目的施工重難點，由于該段地質條件惡劣，主要為砂質地層，使用沉井法施工出現突然下沉、井體偏移、涌砂等現象。現改用逆作法施工作業，文章將闡釋該堤段工作井施工的主要技術流程、方法和優劣勢。

2 工作井的逆作法施工工藝

2.1 逆作法的施工工藝原理

涵閘工作井、接收井、地下綜合管廊等工程中，通常采取明挖的方法。而在一些特殊的地質環境中，由于開挖難度大，對周圍環境影響惡劣；或在一些特殊的地質環境中，采用明挖法已無法滿足工程的需要，此時就采取更為理想的逆作法施工工藝。在涵閘工作井、接收井和綜合管廊中采用逆作法，可以有效地解決實際問題，采用適當的施工方法，可以確保工程的安全，還能為項目增收效益[1-3]。

本標段在施工過程中，沉井支承在軟弱不均的土壤中沒有進行任何加固，在鉆孔灌注水泥后，發生了不均勻的基礎塌陷，從而導致了井筒開裂。經方案對比和專家研究，提出了使用逆作法進行涵閘工作井施工的專項對策。逆作法的具體實施工藝簡單介紹如下：

高壓旋噴樁施工(緊貼著外壁施工，可以作為止水帷幕阻斷地下水進入)→分節土方開挖→分節綁扎鋼筋→分節支模→分節澆筑混凝土→底板混凝土澆筑(底板模板、頂部土方回填、周圍交通恢復)

2.2 高壓旋噴逆作法施工

2.2.1主要施工內容

該段工程施工過程中，根據現場情況采用常規做法和逆作法相結合的施工手段，接收井內徑均為7m，均采用高壓旋噴樁逆作法施工，頂管工作井采用常規做法(沉井法)施工。井底為300mm厚C15砼，底板厚度400mm，φ600旋噴樁洞口加固四排@350mm×350mm，深入底板以下不小于2m且進入不透水層500mm。拱墻水平方向分6段施工，拱軸線沿曲率半徑方向的誤差為±40mm，不平整度小于50mm。

2.2.2主要施工方法

高壓旋噴樁的灌漿固結體存在著諸多的質量問題，在選定了一種特殊的高壓旋噴管后，其灌漿技術是影響成品樁穩定性的一個主要因素。使用高壓旋噴注漿法噴灌時，遵循由下至上，連續進行的噴灌規則。若在施工過程中發生停機故障，經修復后繼續噴灌時，應向下延伸至500mm，以確保成樁的整體性[4]。由于自然基礎地質條件復雜，沿深度變化大，土層種類繁多，其密實度、含水量、土壤顆粒組成、地下水狀況等各方面都有很大差別，如果只采用一個工藝參數進行旋噴注漿，就會產生直徑不均勻的固體顆粒，造成旋噴直徑不均勻，從而影響到成樁的承載力。因此，針對不同的地質情況必須采用相應的注漿技術，尤其在較硬、粘性較大的地區，機器在較深的土壤中作業時，可采取適當降低提升速度、轉動速度、增加旋噴壓力等措施。在不改變旋噴技術參數的情況下，重復灌漿(從上往下、下鉆、再噴)可以增加土壤有效破壞長度，這樣可以增大固結體的直徑和長度；再次噴射時，可重復多次噴射，以使固結體的直徑加長效果更加顯著[5]。

旋噴時，井口經常會出現一些土壤微粒，當一些泥漿從注漿管的管壁處冒出時，觀測冒漿程度能及時掌握地層情況，由此判斷出旋噴的大致效果和參數設置的合理性。經驗表明，冒漿(含土粒、水、漿液)低于注漿20%是很正常的現象，如果大于20%以上或者根本觀察不到冒漿現象，則必須找出原因并采取相應的處理[6]。通常有兩種情況：當流量保持恒定，壓力驟降時，應對該位置進行檢查，如有需要，拔去灌漿管道，檢查密封效果；發生不發漿、間歇冒漿、周圍土松軟等，均視為正常現象，噴漿量可適當增加。如果周圍有空洞、暗道，此時不能將注漿管提起，而是繼續注漿，直到噴漿結束，或將注漿管拔出，等待漿液固化后再注漿，直到噴漿結束。

造成冒漿率過高的主要原因，通常是由于有效噴出區域與注漿不匹配、注漿量遠大于旋噴加固所需要的漿量。可通過3種方法減少冒漿量：提高旋噴壓力(噴漿量不變)；適當縮小噴嘴直徑(旋噴壓力不變)；加快提升和旋轉速度；

3 井體護壁施工

3.1 施工過程

在灌注樁施工完畢后，首先進行一次開挖，將樁頭多余的部位鑿掉，清除至一層的設計高程，再進行鋼筋綁扎。接著是井壁鋼板的安裝，最后進行井壁混凝土、井口圈梁混凝土的施工和養生。為加快施工進度，在第一次澆筑混凝土后，立即用遮陽網將沉井包裹起來，并在里面安裝電熱空氣罩，利用熱氣進行加熱，使水泥凝固的速度更快。按照上述方法，通常在24h后就能完成模具的內部拆卸，進行下一階段的施工。施工工藝流程如圖1所示。

從2段起，分層開挖，縱向上各段的長度不得超過1.7m。在普通的土壤中，每個節段的高度是1000～1700mm，而一次的基坑深度是1.7m。在井壁頂端增設錨固筋，采用電鉆鉆孔與鋼筋籠組合，這種工藝能有效地防止因自身重量增加而導致的井壁下沉。根據挖掘深度，將土方開挖分為機械挖掘和手工挖掘兩種。挖掘方法是通過起重機將土體送到地表，然后由自卸車運出。施工過程中要做到分層、均勻、對稱，不得超挖，不得在基坑周圍堆土。值得注意的是，上一層的混凝土強度應大于設計強度70%方可進行下一層土方開挖。

第一模基坑施工完畢后，即可進行首模鋼筋、模板制作。在對井壁進行加固時，應特別注意預留鋼筋的長度不能低于10d。施工時，應在預留出一節第二段的井壁鋼筋，預留筋長度需滿足規范要求。主鋼筋的連接全部為焊接，在相同的截面上，焊縫的數目不大于50%，兩個焊縫之間的間隔大于30cm。如果是最后一道模具，則要將鋼筋彎曲90°，然后與基材進行焊接，且在每個截面上都分別布置三層錨桿，間隔50cm，錨桿長度30cm。開挖第二模、第三模以及最后一模的深度應該視土壤條件而定。通常情況下，若此時土質為粘土，按照1.0～1.5m深度開挖，若是淤泥，則按照1.2～2.0m的深度開挖[7-8]。鋼筋做加工處理時，應當確保上一模有清潔的表面，并完整清除預留的插筋，此后方可進行焊接。

圖1 井體護壁施工施工工藝流程

考慮到混凝土的澆注及混凝土的振動，沉箱模板使用鋼模板，其模板直徑為4.45m×1.5m，在接頭處進行了膠漿密封，以確保混凝土表面光滑，延長了模板的使用壽命。在模板外側，用三角斜拉法支撐，為提高斜拉柱與基礎的接觸面，在立柱下方加一塊木板，以保證其與斜撐的穩定。另外，為保證模板的側向強度，在斜拉桿與模板接觸面處設置有肋板，以加強模板的穩定。為了保證混凝土的外觀顏色，脫模劑的型號需相同。在進行安裝前，首先要檢查模板材質是否滿足要求，然后將模板吊裝到適當的位置，接著安裝斜撐，最后連接相鄰的模板。為了便于澆筑和振動，在安裝過程中，模板必須與豎直方向保持一定的傾斜[9]。為保證井身垂直，在每個井段注漿時，必須對井壁的中心和垂直度進行檢查，使井眼的半徑誤差不大于40mm，不平整度不大于50mm。

在上道拱墻封閉后，其混凝土強度必須達到設計強度的70%以上才能進行下道拱墻的施工；上下拱墻體采用豎向排列時，兩墻體應設不少于2m的間隙。拱墻施工講究施工的連續性，每一拱墻至少需要保證24h施工時間，并視混凝土速凝劑的作用和溫度確定拆模時間節點，每道拱墻的施工時間一般均低于24h。在施工過程中，要關注氣象預報，如遇惡劣天氣，應立即停止施工。如果在施工過程中遇到正常的細雨，在已經挖好的拱墻部位，采用編織布罩，并開啟水泵，防止雨水長期浸漬。如果出現大的變形，則采用碎石對已經開挖的拱腳進行回填。此外，必須建立監測點，嚴密監測井的水平位移、相鄰建筑物的變形以及地下水位等。若在施工中發現與測量數據有很大差異，應立即與業主、監理、設計單位進行協調。

3.2 護壁受力分析

工作井的施工工藝主要有以下兩種：一種是分層挖土，分段磚砌或現澆混凝土護墻，一步一步地往下挖，直到承力層，即護壁法；在澆注混凝土之前，墻外土層和地下水的水平壓力會影響到井眼護壁的應力狀態。在此對第一種方式進行分析。

近幾年，在排水工程中，施打止水樁技術是一種很重要的施工技術。這是由于護壁井施工簡單，施工質量好，施工噪音小，施工設備簡單易操作，施工速度快的優點。在工作井建造中，盡管在成井質量和安全作業方面已經取得了一些成功的經驗，但是仍然存在著許多問題，特別是井筒容易受到破壞，造成了工程建設的浪費。因此，井下護壁止水樁的設計越來越受到關注。根據墻體的構造條件及墻體內土體的應力狀態，確定荷載分析方法。據此，可以將護壁視為各單元墻體背后的平均土壓[10]。在沒有地下水的情況下，土壤的壓力是：

Q1=γHtg2(45°-φ/2)

(1)

當有地下水時：

Q2=γhtg2(45°-φ/2)+(γ-γw)(H-h)
tg2(45°-φ/2)+(H-h)γw

(2)

式中，Q1、Q2—在沒有地下水和地下水情況下，最大側壓強度，kN/m2；γ—壁后土的天然容重，kN/m3；γw—水的容重，kN/m3；H—井的護壁深度，m；h—地面至地下水位深度，m；φ—坑壁土內摩擦角，(°)；tg2—tan2，在數學“tg”與“tan”同義。

有時地表上會產生施工荷載，例如開挖棄土、砂石材料等，因此，在計算水平壓時，必須把地表荷載轉換為相當厚的土層。假定在地面上施加的每一單位面積的荷載是P，那么換算的土的厚度就是P/y，因此Q1也可以寫成：

Q1=γ(H-P/γ)tg245°-φ/2

(3)

4 逆作法與常規做法優勢比較

4.1 工期比較

本項目同時使用了逆作法施工和常規沉井法法施工，逆作法不僅更能適應該標段的環境，而且在工期成本上還具有相當大的優勢，其對比分析如下：

(1)沉井逆作法工期分析

旋噴樁部分共計花費11d，第一層井壁(壁高1.40m)施工完成共計5d，二層以上井壁均為標準層，層高都為1.7m，施工耗時總共為25d。井底使用素砼封底，其中包括模板架設、混凝土澆筑、養護及拆模，此工序總共耗時3d，工期合計：養生3d+旋噴樁11d+倒掛井31d=42d。

(2)常規沉井施工法工期分析

常規沉井法在本工程中由于地質條件較差，其施工所耗費時間比常規時間更多。經過測算，使用常規沉井法施工總共耗時56d，其中，1d放樣、11d高壓旋噴樁、1d基坑開挖及墊層混凝土1d、立井5d、鉆孔內模及支架、6d鋼筋綁扎、6d立外模及支架、澆注混凝土2d、養護及拆模5d、封砌預留孔1d、鑿除墊層1d、挖土下沉12d、鋪設碎石層及C15素混凝土墊層1d、綁扎底板鋼筋1d、澆搗底板混凝土及養生3d。通過與傳統方法的比較，可以看出，逆向施工在工期上的優越性是顯而易見的。

4.2 適用范圍比較

逆作法采用高壓旋噴樁反作頂管工作井，由于在施工全過程中不會產生沉井沉降，因此可以不設刀腳和素砼墊層。逆作法可以直接使用旋噴樁作為外膜，可大大節省外膜材料使用量，還能減少工期。在混凝土養護中，采用逆作法施工作業井，可以將井口封閉，使井內溫度升高，在較低的溫度下，能較好地提高施工進度。此外，逆作法使用的定型鋼模具可以有效防止模板上漲情況的出現。

4.3 費用比較

采用逆作法施工的時候，鋼筋的使用率會有所提高，一般來說每一口沉井的鋼筋用量都會增加3t，而混凝土的使用量也會相應的提高，這對節省投資來說不是一件好事，但因為它的建設周期會大大的縮短，而且所節省的人工費、機械費和管理費用也會大幅度的降低，因此成本基本保持不變，可以大大的節省時間，而逆作法的整體效益卻是十分可觀的，這也是為什么它的“生命力”如此之強。兩種做法的比較情況見表1。

5 結語

逆作法施工技術是近年發展較快的一項新的施工工藝，具有造價低、對周圍環境影響小以及施工周期短等特點，因此其被廣泛的應用于水利工程。根據不同的工程實際情況，逆作法施工應用技術有相應的優缺點，本文以廣東西江干流治理工程肇慶段的逆作法施工技術為例，對逆作法施工技術的重要施工節點問題進行了探討，包括高壓旋噴逆作法施工的主要方法及工作井護壁施工的主要工序。此外，通過對比常規方法和逆作法的優劣勢，認為該項目涵閘工作井使用逆作法施工是切實可行的，雖然在費用方面較常規方法高，但其簡短的工期優點和廣大的適用范圍足以彌補這點費用差。實踐表明，本工程在利用逆作法施工技術下獲得了顯著增益，希望本研究能夠為類似的工程提供相應的經驗。

表1 逆作法與常規沉井法的比較