一種新穎的頂管作業井的施工方法

摘 要

1 前言 城市燃氣管道埋設過程中，不可避免的會遇到需要穿越鐵路、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。當無法進行大開挖穿越，或
1 前言
    城市燃氣管道埋設過程中，不可避免的會遇到需要穿越鐵路、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。當無法進行大開挖穿越，或經技術經濟比較。采用大開挖穿越代價太高時，就必須采用非開挖技術進行穿越。目前城市燃氣管道埋設中使用的非開挖穿越技術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井，包括工作井和接收井。在一些地質條件復雜地段，頂管作業井的開挖及支護占整個頂管作業工程量很大的一部分，其施工工期和工程造價往往超過頂管本身。在供水、排污、電纜、電訊等行業的頂管作業井一般可用作日后運營的檢查井，可長期使用。而在燃氣行業，頂管作業井只是一個臨時支護工程，使用時限一般1～3個月，管道埋設后作業井需填埋廢棄。所以，選擇合理有效、經濟適用的支護加固方法對降低頂管工程造價具有十分重要的意義。
    目前深圳次高壓、高壓燃氣管道埋設過程中，當遇到需要頂管穿越時，設計單位設計的頂管作業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、沼澤地等水域時常用的一種深基礎施工方法，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。在城市管道埋設施工中，由于受場地條件和周圍環境條件的限制，沉井一般都是采取排水下沉的方式施工。采用沉井來作為頂管工作井、接收井的支護結構。主要優點是安全、可靠，缺點是施工工藝復雜，造價太高。施工工期長。當場地地下水位高、水量大，地層中含有淤泥及松散砂層等不良地質條件時，采用排水下沉的方式施工沉井亦存在不安全因素。
    筆者認為，當地下水位高、水量大、地層中存在大量流砂等不良地質條件時開挖頂管作業井，開挖前首先應該進行止水、止流砂等預先支護加固的處理措施。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、凍結法、袖閥管注漿法等。在城市燃氣管道埋設過程中，限于場地條件及周邊建構筑物的影響，需使用大型機械設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氣管道穿越新沙路的頂管作業井為例，介紹一種新穎的頂管作業井的支護設計和施工方法。
2 工程概況及工程地質條件
2.1 工程概況
    寶安大道新沙路頂管工程有2段頂管，共4個作業井，接收井直徑4.0m、工作井直徑6.5m，兩段頂管長度分別為100.85m和107.52m；開挖深度分別為8.6m和9.9m。場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，場地狹小，不適宜大型機械進場進行作業井支護施工。
    根據現場環境和地質條件，對地層進行預先支護加固的方法采用了微型樁+止水樁。施工使用的設備就是常規地質勘探使用的XY-1型鉆機。其自重約1.5t。鉆探機械占地僅僅1.5m×2.0m。
    需要說明一點：這里所指的微型樁是巖土工程業界約定俗成的一種稱謂，特指由小型鉆機施工的樁，也叫樹根樁。成樁工藝是：泥漿護臂鉆孔-插管注漿、置換孔內泥漿-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《建筑樁基技術規范》(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 工程地質條件
    以2#工作井為例，根據鉆探及實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，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、細砂和貝殼，很濕，軟塑。
    (3) 6.00m～8.80mm為細砂：淺灰-淺白色，較純凈，粘性土含量小于7%，飽和。松散。
    (4) 8.80m以下為風化殘積土(砂質粘性土)。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。
  頂管工程地質剖面圖見圖1。
 
3 頂管作業井的支護設計及施工方法
3.1 支護設計
3.1.1作業井主要設計參數
    工作井直徑6.5m；接收井直徑4.0m；
    頂管洞口開口直徑1.6m；水泥套管內徑1.2m；
    頂管中心高程：1#作業井：-3.6m；2#作業井：-2.9m；
    洞口底高出作業井底0.5m；次高壓燃氣管道管徑φ813mm。
作業井平面圖及剖面結構圖見圖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，樁長均為12m，內置18工字鋼，通長配置。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，樁身混凝土強度：C20。
3.1.4止水樁
    樁徑D=300mm，樁長12m，灌注素水泥漿。工作井樁數28根，接收井樁數24根，與微型樁搭接。
3.1.5襯砌(挖孔樁護臂)
    厚度350mm，按構造要求配筋，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，平整場地：由于場地上部填土層中含較多混凝土碎塊、填石等硬雜質，局部埋藏有廢棄的鋼筋混凝土基礎，微型樁施工前首先使用挖土機挖出作業井范圍內混凝土、填石等障礙物后，再回填粘性土，平整場地。
    (2) 測量、放線：按設計管道走向測量頂管作業井中心位置，沿直徑D=7.8m(工作井)、D=5.1m(接收井)圓周均勻布設微型樁樁中心點28個、24個。
    (3) 鉆機就位-復核樁中心-開鉆-泥漿護壁成孔-插入注漿管至孔底-灌注水泥漿置換孔內泥漿-插入18工字鋼-填入碎石一二次注漿一結束。
    (4) 重復工藝(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
    泥漿護壁鉆孔-插管-注漿-結束。
3.2.3襯砌施工工藝
    采用自上而下開挖和支護的逆作法施工襯砌。以人工挖孔樁方式挖孔-鋼筋制作安裝-制模-澆注混凝土。每節高度1.0m，第一節護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：由于頂管洞口開口部位位于細砂層中，若直接在井壁開口將會有大量泥沙涌人作業井，引發地面塌陷。解決辦法：開口前。在支護結構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。加固結構見圖4。開口后洞口采用砌磚封門。
 
4 基坑支護施工效果評述
    在地層中存在較厚淤泥及砂層且地下水豐富等不良地質條件下，開挖基坑、作業井、挖孔樁等地下洞室工程，關鍵處理技術是止水防滲和超前支護，若處理不當，在施工過程中很容易發生基坑或其他洞室工程塌方、地面沉陷等造成財產或人員傷亡的工程事故。新沙路頂管作業井由于采用了微型樁+止水樁作為超前支護加固的處理措施，在隨后的作業井土方開挖及襯砌施工過程中進行得很順利。無論在淤泥還是在砂層中，開挖外徑達到7.2m(每節土方量40.7m3)的圓形工作井，可容8個工人4個作業班組同時作業，每天能順利開挖深度1m、并澆筑一節護臂。由于有了微型樁+止水樁的超前支護和其良好的止水、固砂支護效果，即便在淤泥和流砂層中開挖土方，井下作業的工人都覺得很安全。
5 技術經濟比較
    新沙路頂管作業井支護工程原設計圖的支護方式是：首先在外圍采用人工挖孔樁護臂方式開挖，護臂厚度350mm，開挖完成后再在內圈澆筑厚度為450mm的鋼筋混凝土襯砌。經過第三方造價審核單位審計的工程造價預算是：4個頂管作業井造價合計142.47萬元。工程經過招投標后，一家中標的巖土工程施工單位進場施工前，在2#工作井位處進行超前鉆。發現地層中存在上述的淤泥、流砂、且地下水大等不良地質條件，按原設計的施工圖開挖作業井很不安全，后經過幾次會議協調，決定采用微型樁+止水樁+護臂的支護方式。即首先施工微型樁+止水樁，替代原設計的挖孔樁護臂，然后再開挖。澆筑護臂。由于有了微型樁的超前支護，內圈的襯砌厚度減少到350mm。其工程造價省了：作業井深度、內徑等尺寸與原設計一致，巖土工程施工單位承諾：愿以不超過總造價89.21萬元完成4個作業井支護工程。與原造價相比下降37.4%。扣除施工單位自愿按一定比例下浮中標價等因素，微型樁施工的簡單易行、造價低廉、經濟實用是顯而易見的。
6 結束語
    微型樁(micropiles)是在上個世紀30年代由意大利的F.Lizzi提出的，后來逐步推廣到整個歐洲和北美洲。其主要特點有：施工機具小，適用于狹窄的施工作業區；對土層適應性強；施工振動、噪音小，樁位布置形式靈活。我國于1981年開始研究。目前，微型樁主要應用于以下幾個方面：(1)建筑物增層及改造；(2)地基不均勻沉降事故中的基礎托換；(3)岸(基坑)邊及地下洞室土方建筑物的基礎托換。
    本文謂之為一種新穎的頂管作業井支護方法，是因為微型樁用于頂管坑的支護方面的報道還不多見。因其成樁工藝的特殊性，微型樁甚至還沒有列入我國的樁基礎規范。本工程難點是地質條件較復雜，地下水大，存在流砂、淤泥等不良地質條件，施工場地狹窄，大型機械不宜進場施工，常用的需采用大型機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。與原設計采用的支護方法相比，施工更簡單，開挖的安全性更好。工期更短，造價更省。
    深圳燃氣高壓管網工程建設即將全面展開，管網建設會遇到大量頂管穿越工程，對于工程地質條件復雜地段采用本文所述的施工方法，與沉井相比，其經濟效益是十分顯著的。頂管作業井支護工程是一種小型的基坑支護工程，對于其他地質條件更好的地段施工頂管作業井時，還可以采用其他更加簡單的方法，如：當無淤泥、流砂，基坑深度較淺、少或無地下水時，可采用直接放坡+錨噴支護的方式，或直接只做單一護臂支護的方式。根據地形、地質條件，因地制宜地制定相應的設計和施工方法，對節約成本，降低工程造價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計規范(GB50423—2007)北京：中國計劃出版社.2008
2 建筑基坑支護技術規程(JGJl20—99)北京：中國建筑工業出版社.1999
3 深圳市建設局關于《深圳市深基坑工程管理規定》深建規[2009)3號2009-5-11
4 廣東省建設廳關于限制使用人工挖孔灌注樁的通知(粵建管字[2003149號)2003-5-7
5 高大釗、黃紹銘等《軟土地基與地下工程》北京：中國建筑工業出版社.2005
6 高大釗等《樁基礎的設計方法與施工技術》北京：機械工業出版社.1999
 
(本文作者：左圣云 李文鋒 深圳市燃氣集團股份有限公司天然氣工程建設分公司 518045)