沉井技術在威海市河庫水系連通工程中的應用

王 波，李 陽，魯召朋

（山東省水利工程建設監理有限公司，山東 濟南 250013）

威海市河庫水系連通工程工程等級為Ⅴ等，工程規模為小（2）型。主要任務是將黃壘河地下水庫工程、母豬河地下水庫工程攔蓄的地表水和地下水調往米山水庫。在輸水線路上預留分水口，后期可與南海新區水廠供水線路聯通，實現南海新區水廠多水源供水。工程主要建設內容包含泵站工程、管道工程、取水井工程。其中管道工程部分起自小觀泵站，止于母豬河泵站，管道線路長18 643 m，設計輸水流量2 m3/s，采用1 根DN1400 管道，管材選用離心球墨鑄鐵管。進行頂管施工時應考慮黏性土的縮孔和砂性土的塌方問題，做好安全防護，保證順利施工。

1 穿河道頂管施工工藝

小觀泵站至母豬河泵站段中的穿金花河段采用頂管-沉井施工工藝進行施工。穿金花河頂管設計斷面如圖1 所示。

圖1 穿金花河頂管設計斷面圖

2 頂管作業

2.1 設備選型

工程涉及穿河道頂管采用DN1400 泥水平衡頂管機。該類頂管機一般由發動機、主機殼體、液壓裝置、計算機操控裝置、泥水等部分構成，是集機械、水力、電控（含PLC）、激光和檢測等多種技術于一身的新型非開挖技術裝備，特別適合在黏土質、砂土質等土壤條件下作業。在土層中可自行穩定切削面土體荷載，有效避免場地下沉，施工安全性高、效率高。

2.2 頂管洞口施工技術措施

依據頂管進展狀況，為確保掘進機順利進入接受井，并盡量避免掘進機在出洞后，水土沿工具管和井圈間的施工縫隙進入接受井內，以確保井中接頭能順暢施工。一旦遇到不良地質情況，掘進機到達接收井之前，可對洞口土體進行注漿處理，加固范圍在洞口前5 m 區域內，或在洞內四周距套管外2～3 m。

該工藝的洞門止水裝置一般采用橡膠止水圈，具體做法為：先在工作井上的預留孔上，將洞門止水法蘭通過膨脹螺栓緊固在工作井上，接著將橡膠止水圈和壓板采用高強度螺栓緊固在洞門止水法蘭上，然后再裝設第2 道止水圈。裝置的法蘭與止水橡膠圈的裝配要與導軌上的管道主軸保持一致，最大偏差要低于2 mm。

2.3 頂進操作程序

開啟旁通閥門（此時止水閥封閉）→開啟排泥泵→開啟進泥泵→刀盤轉動→開啟止水閥門→封閉旁通閥門→將主頂油缸頂進。一節推進完畢后，按以下程序停止頂進：主頂油缸停車頂進→刀盤暫停轉動→開啟旁通閥門→封閉止水閥門→旁路系統轉動數分后→進泥泵暫停運轉→排泥泵暫停運轉。

2.4 泥水管理

施工時在工作井旁邊的空地上設置泥漿池。泥漿池分三倉設置，并在上方留置孔洞，將三倉相連。一倉用作泥漿池，另一倉作過濾池，第三倉用作清水池。流出的泥水先進入泥漿池，再經過初步沉淀，最后排入清水池，進行循環利用。

2.5 質量標準

頂管工程施工質量標準須依據《水利工程輸水管道施工質量驗收評定規范》（DB37/T 4447-2021）中的規定。工程采用DN1400 管道，頂管樁號X6+023-X6+103.9，頂進長度不足300 m，頂管水平軸線符合“頂進長度＜300 m，允許偏差50 mm”的要求。頂管內底高程符合“頂進長度＜300 m，管道內徑＜1 500 mm，允許偏差-40～30 mm”的要求，相鄰管間錯口偏差小于2 mm，對頂時兩端錯口符合偏差不大于50 mm 的要求。

3 沉井作業

沉井屬于臨時性建筑，主要為頂管工作服務，當頂管作業完畢后，再回填原沉井恢復地貌。如果井底滲水量較大，井內排水不能滿足施工需要，且影響周圍道路及建筑物沉降，則采用排水法下沉，長臂挖機挖土。井底滲水較小，甚至無水時采用不排水法下沉，如有少量滲水，封底前在井底挖集水坑將地下水降至井底以下50 cm 后再進行封底混凝土施工。頂管工作井分兩段下沉，每段高度為總高度的1/2，接收井整體分兩段下降，每段高度為總高度的1/2。

3.1 沉井結構形式

設計采用C30 鋼筋混凝土矩形構筑物。作為臨時建筑物，根據工程實際情況結合施工經驗，該工程沉井平面尺寸設計為長9.7 m，寬6.2 m。

3.2 降水施工

在基坑附近，通過井點降水的方法使水位下降至坑底1 m 以下。工作流程：平整場地→鉆機土中成孔→下管→為管井四周填濾料→清洗管井→降水。

3.3 刃腳制作

沉井的施工荷載都壓在沉井刃腳下C20 素混凝土墊層、砂墊層及土基礎上，因此地基的設計加固計算應根據沉井的澆筑方式和下沉高度計算沉井的總重量。

3.4 沉井下沉

當第一節沉井砼達到設計強度的100%，第二節沉井砼達到設計強度的75%時才能進行沉降，在沉降時必須對沉井井壁、底梁等銜接處進行鑿毛。預留口、孔洞、預埋工作管宜采用臨時密封防滲漏水，在下沉井壁上安裝觀測標尺、中線樁和垂線樁。

沉井采用排水下沉和不排水下沉相結合的方法。采用排水下沉法時，在沉降過程中必須實現連續排水，將沉井范圍內地層的水疏排干凈。井內取土采用長臂挖掘機完成，挖土時應分層、平均、對稱展開，相鄰隔倉高差不得大于50 cm，土方開挖應依據現場地質情況、沉降過程、沉降狀態綜合判斷，且嚴禁超挖。

終沉控制方法為當沉井刃腳踏面距基底設計高程還剩1 m 左右時，隨即進入終沉階段，以免刃腳下土體大量涌入井中，造成沉井的突然傾斜或超沉。一般先挖出刃腳附近的土體，之后根據現場情況再挖出中間土體，掌握好沉降速率，使沉井緩緩擠土沉降即可。

3.5 沉井封底

如果地下水滲流量較小時采取干封底，封底前要清理基坑并清除浮砂，超挖的應回填砂石達到設計高程。如果沉井下部涌水量很大，或沉井內的集水坑抽水無法滿足施工要求，可采取濕封底。濕封底的施工條件為沉降至施工位置，經觀測8 h 累計沉降量不大于10 mm，保證井內水位不低于井外水位。清除井底浮泥的超吸部分后，用塊石回填至設計井底高程以下，試配水下混凝土時要選擇具有早強、緩凝、抗滲、抗水下分離、混凝土坍落率較大等特點的混凝土。灌注水下混凝土應從最低部位開始，逐步向周圍擴展，一次連續澆筑完畢。

4 主要監理控制措施

4.1 質量監理措施

1）審查工程承包單位是否具備相關專業資格和施工經驗，以及能否形成健全的工程質量管理制度和質量檢驗管理體系，從事特種工程作業的技術人員是否具有資格證和上崗證，審查進場機具能否滿足施工要求。

2）審查頂管-沉井專項施工方案，審核頂管頂力估算是否滿足設備頂進長度的要求。審核沉井鋼筋制安、模板工藝、砼澆筑工序是否符合規范要求；審核沉井制作時的穩定計算，以及下沉、止沉、封底等控制措施是否滿足規范要求。

3）對頂管（沉井）后背土體進行允許抗力的驗算，驗算結果不通過的，應對后背土體進行加固處理，使之達到建筑安全、環境保護要求；背墻結構承載力和剛性必須達到頂管的最高容許頂力和要求；背墻構造水平和掘進方向軸線應當保證相互垂直，外表應當密實平順，能有效地傳遞作用力。

4）監督施工單位制作沉井施工的專用記錄表，動態記錄沉井下沉過程中的偏斜狀況，并指導施工。

4.2 安全監理措施

沉井周邊應設置安全防護欄桿，井內水泵、管件等設施必須架設牢固，防止墜落傷人。下沉過程中遇到淤泥質黏土時，井內工作平臺應采用活動平臺，嚴禁固定在井壁、隔墻上，以便沉井突然下沉時，工作平臺能隨井內涌土上升。下沉出現大量流砂、嚴重涌水時，應先進行處理后再施工。電纜線路應采用“三相五線”接線，電纜線路及電氣設備必須絕緣良好。工作井開挖前應對附近房屋及地下管線進行排查，確定無造成危害的因素，制定相應保護措施，減少對附近建筑物的危害。

5 結 語

威海市河庫水系連通工程施工過程交叉穿越金花河、母豬河2 次，由于穿越母豬河的區域中第四系厚度很大，且可能由于地層起伏會處在黏性土與砂性土等不同巖性地基上，埋深通常在5.01～9.50 m，局部埋深超過10 m，沉井不能沉降或達不到設計高程而導致無法頂管。最后通過改變施工工藝，采用填筑圍堰、明渠開挖方式完成管道鋪設施工。通過威海市河庫水系連通工程頂管-沉井施工，積累了施工監理經驗。

一是頂管施工應考慮黏性土的縮孔和砂性土的塌孔問題，做好護壁措施，工作井做好降水及基坑安全防護，按監理審批后的專項施工方案進行施工。

二是要重視前期地質勘察工作。對沉井重要關鍵部位要開展細致的地質鉆孔勘察，以全面了解整個沉井范圍內的詳細地質狀況，并提出切實可行的設計方案。

三是應認真熟悉設計圖紙、規范和地質勘察報告，充分了解地質情況，檢查實際地質情況是否與地勘報告相符。若直接采用沉井施工，一旦沉井無法下沉，失去基坑支護作用將無法進行頂管作業。

四是在沉井施工前，應提前考慮沉井下沉可能出現的常見問題，比如遇到沉井刃腳發現異物、沉井偏位及傾斜、沉井不下沉、沉井突沉，提前制定監理預防措施和解決方案。

五是當頂管作業的頂進長度超過100 m 時，應采用中繼間技術。確定好中繼間距離后，一定要有足夠的頂力安全系數，第一個中繼間距離應參照實際情況選擇并及時安裝，并注意正面的阻力反彈，以避免地面沉降。遇到復雜地質情況時，頂進阻力很大時，要及時增加第二節中繼間，加快管道頂進進度。

頂管-沉井穿越河道施工工藝現已廣泛應用在水利、市政、交通等領域中，前期地質勘察和施工前的鉆孔勘探尤為重要，查看地質條件是否適合沉井施工。沉井地基通常應用在非巖石土的覆蓋層中，而不適宜穿透巖層、膠結的卵石層和大漂石。綜上，完成沉井（工作井）施工是前提保證，否則不能確保穿河道頂管工程順利進行。特別對于地質條件較為復雜，河道較窄、分期導流實施困難，需要安全支護措施的工程，明挖費用較高，頂管-沉井方案更經濟實用。