一種新穎的頂管作業(yè)井的施工方法

摘 要

城市燃氣管道埋設(shè)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。目前城市燃氣管道埋設(shè)中使用的非開挖穿越技術(shù)主要有定向鉆和頂管兩種。
1 前言
    城市燃氣管道埋設(shè)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(dāng)無法進行大開挖穿越，或經(jīng)技術(shù)經(jīng)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(shù)進行穿越。目前城市燃氣管道埋設(shè)中使用的非開挖穿越技術(shù)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(yè)井，包括工作井和接收井。在一些地質(zhì)條件復(fù)雜地段，頂管作業(yè)井的開挖及支護占整個頂管作業(yè)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(yè)的頂管作業(yè)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(yè)，頂管作業(yè)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(shè)后作業(yè)井需填埋廢棄。所以，選擇合理有效、經(jīng)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(shè)過程中，當(dāng)遇到需要頂管穿越時，設(shè)計單位設(shè)計的頂管作業(yè)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(chǔ)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(shè)施工中，由于受場地條件和周圍環(huán)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(jié)構(gòu)。主要優(yōu)點是安全、可靠，缺點是施工工藝復(fù)雜，造價太高。施工工期長。當(dāng)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(zhì)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(dāng)?shù)叵滤桓?、水量大、地層中存在大量流砂等不良地質(zhì)條件時開挖頂管作業(yè)井，開挖前首先應(yīng)該進行止水、止流砂等預(yù)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(jié)法、袖閥管注漿法等。在城市燃氣管道埋設(shè)過程中，限于場地條件及周邊建構(gòu)筑物的影響，需使用大型機械設(shè)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(yè)井為例，介紹一種新穎的頂管作業(yè)井的支護設(shè)計和施工方法。
2 工程概況及工程地質(zhì)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(yè)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(yè)井支護施工。
    根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境和地質(zhì)條件，對地層進行預(yù)先支護加固的方法采用了微型樁+止水樁。施工使用的設(shè)備就是常規(guī)地質(zhì)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(yè)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(nèi)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(shù)規(guī)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(zhì)條件
    以2#工作井為例，根據(jù)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(chǔ)，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(zhì)、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(fēng)化殘積土(砂質(zhì)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(zhì)剖面圖見圖1。
 
3 頂管作業(yè)井的支護設(shè)計及施工方法
3.1 支護設(shè)計
3.1.1作業(yè)井主要設(shè)計參數(shù)
    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(nèi)徑1.2m；
    頂管中心高程：1#作業(yè)井：-3.6m；2#作業(yè)井：-2.9m；
    洞口底高出作業(yè)井底0.5m；次高壓燃氣管道管徑φ813mm。
作業(yè)井平面圖及剖面結(jié)構(gòu)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(nèi)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(shù)28根，接收井樁數(shù)24根，與微型樁搭接。
3.1.5襯砌(挖孔樁護臂)
    厚度350mm，按構(gòu)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(zhì)，局部埋藏有廢棄的鋼筋混凝土基礎(chǔ)，微型樁施工前首先使用挖土機挖出作業(yè)井范圍內(nèi)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(shè)計管道走向測量頂管作業(yè)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(shè)微型樁樁中心點28個、24個。
    (3) 鉆機就位-復(fù)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(nèi)泥漿-插入18工字鋼-填入碎石一二次注漿一結(jié)束。
    (4) 重復(fù)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(jié)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(jié)高度1.0m，第一節(jié)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(yè)井，引發(fā)地面塌陷。解決辦法：開口前。在支護結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(zhì)條件下，開挖基坑、作業(yè)井、挖孔樁等地下洞室工程，關(guān)鍵處理技術(shù)是止水防滲和超前支護，若處理不當(dāng)，在施工過程中很容易發(fā)生基坑或其他洞室工程塌方、地面沉陷等造成財產(chǎn)或人員傷亡的工程事故。新沙路頂管作業(yè)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(yè)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(jié)土方量40.7m3)的圓形工作井，可容8個工人4個作業(yè)班組同時作業(yè)，每天能順利開挖深度1m、并澆筑一節(jié)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(yè)的工人都覺得很安全。
5 技術(shù)經(jīng)濟比較
    新沙路頂管作業(yè)井支護工程原設(shè)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(nèi)圈澆筑厚度為450mm的鋼筋混凝土襯砌。經(jīng)過第三方造價審核單位審計的工程造價預(yù)算是：4個頂管作業(yè)井造價合計142.47萬元。工程經(jīng)過招投標(biāo)后，一家中標(biāo)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(fā)現(xiàn)地層中存在上述的淤泥、流砂、且地下水大等不良地質(zhì)條件，按原設(shè)計的施工圖開挖作業(yè)井很不安全，后經(jīng)過幾次會議協(xié)調(diào)，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(shè)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(nèi)圈的襯砌厚度減少到350mm。其工程造價省了：作業(yè)井深度、內(nèi)徑等尺寸與原設(shè)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(yè)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(biāo)價等因素，微型樁施工的簡單易行、造價低廉、經(jīng)濟實用是顯而易見的。
6 結(jié)束語
    微型樁(micropiles)是在上個世紀(jì)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(yè)區(qū)；對土層適應(yīng)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(yīng)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(chǔ)托換；(3)岸(基坑)邊及地下洞室土方建筑物的基礎(chǔ)托換。
    本文謂之為一種新穎的頂管作業(yè)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(chǔ)規(guī)范。本工程難點是地質(zhì)條件較復(fù)雜，地下水大，存在流砂、淤泥等不良地質(zhì)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(shè)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(wǎng)工程建設(shè)即將全面展開，管網(wǎng)建設(shè)會遇到大量頂管穿越工程，對于工程地質(zhì)條件復(fù)雜地段采用本文所述的施工方法，與沉井相比，其經(jīng)濟效益是十分顯著的。頂管作業(yè)井支護工程是一種小型的基坑支護工程，對于其他地質(zhì)條件更好的地段施工頂管作業(yè)井時，還可以采用其他更加簡單的方法，如：當(dāng)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(jù)地形、地質(zhì)條件，因地制宜地制定相應(yīng)的設(shè)計和施工方法，對節(jié)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(shè)計規(guī)范(GB50423—2007)北京：中國計劃出版社.2008
2 建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程(JGJl20—99)北京：中國建筑工業(yè)出版社.1999
3 深圳市建設(shè)局關(guān)于《深圳市深基坑工程管理規(guī)定》深建規(guī)[2009)3號2009-5-11
4 廣東省建設(shè)廳關(guān)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(yè)出版社.2005
6 高大釗等《樁基礎(chǔ)的設(shè)計方法與施工技術(shù)》北京：機械工業(yè)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(shè)分公司 518045)