顶管工程中工作井和接收井构筑方法的探讨

顶管工程中工作井和接收井构筑方法的探讨

1 引言

随着城市经济的发展和人们环保意识到增强，顶管施工以作为一种非开挖敷设地下管道的施工方法被得到普遍采用，由最初的手掘式顶管发展到多种口径、不同形式的机械顶管。顶管工程由工作井（接收井）构筑与管道顶进两项主要工序组成，施工单位和科研部门对管道顶进的理论、工艺、机械设备、配套设施、管材等都十分重视，研究较深入。但工作井和接收井构筑也是一个关键的环节，采用方法是否得当将直接影响工程的造价、施工进度和施工安全。如一段长度150m埋深7～11m的D1000管道工程，工作井和接收井采用沉井构筑需要30天成本费用为45万，而顶进作业仅9天左右成本费用为25万。工作井和接收井施工占用了75％的时间和36％的费用，故必须予以高度重视，针对不同的土质、不同的施工条件和不同的顶管方式，选用与之适应的构筑方法。

2 顶管工作井和接收井的构筑要求

顶进工作井是安放所有顶进设备的场所，也是顶管掘进机或工具管的始发地，同时又是承受主顶油缸反作用力的构筑物。接收井则是接收顶管掘进机或工具管的场所。顶进井一般要比接收井坚固、可靠，尺寸也较大。工作井和接收井形状通常有矩形、圆形、多边形等几种。

3 顶管工作井和接收井的施工方法

3.1钢板桩支护

用拉森钢板桩以企口相接密扣建成圆形或矩形的围堰支持坑壁的工作坑。在地下水位高和地基土为粉土或砂土的条件下采用这种工作坑时，应防止产生管涌。钢板桩采用汽车吊配电动振锤打桩机施工，从一端向另一端逐块打设至结束。先用吊车将钢板桩吊至插点处进行插桩，插桩时锁口要对准，每插入一块即套上桩帽，并轻轻加以锤击。在打桩过程中，应注意加强钢板桩垂直度控制，利用经纬仪在两个方向加以控制。在拉森钢板桩对位时，利用人工扶持插入前一块的锁口后继续下插，两块钢板桩的锁口要求紧密咬口。振锤就位卡稳钢板桩后，吊机松开钢板桩，开动发电机及振锤启动器，将钢板桩徐徐打到土中。

钢板桩分几次打入至设计标高。打桩时，开始打设的第一、二钢板桩的打入位置和方向要确保精度，作为样板导向作用，一般控制在打入1米就测量一次。钢板桩长度为12m，考虑防止井涌及隆起发生，板桩要深入井底2～3m，故支护深度为9～10m并按计算在井内四周设置临时支撑。基坑挖土采用人机结合的办法，即表层3～4m可以挖土机开挖，人工配合削边及整平，以下土层受挖土机臂长不足及对基坑产生侧压力的影响，只能采取人工挖土至基底浇灌底板砼。

钢板桩支护优点是施工速度快、工艺简单施工简便。缺点是当土质为流沙与淤泥层，打拔钢板桩的过程中会扰动土层、造成路面开裂下陷，路面恢复范围加大。有石块、岩层障碍物或者管线较多时无法施打。由于刚度小变形大适合手掘式顶管井和机械顶管的接收井。

3.2人工护壁成孔

人工护壁成孔多用于建筑工程的桩基础，或应用于其他大型的连续挡土基坑支护桩的施工。根据它的原理同样可依据地质条件适用于顶进工作井和接收井的井坑，这种工艺要求土的自立性较好且地下水少的地域，富水地区和高承压水地区不宜采用，井壁钢筋按重力式挡土墙进行验算。

根据设计尺寸放出井边线，人工结合挖掘机从地面往下分层开挖，井上架设简易门架吊运土方，接着帮扎壁钢筋和支顶模板并浇筑竖井井壁砼，竖井的基坑分层开挖深度为1.0m。第一节竖井护壁成型达至设计强度后即可进行第二节竖井的开挖施工，为防止整体开挖时第一节井体下滑的现象，可采用先挖竖井对称的两条边的基坑，保留另外两边的土体暂不破坏。挖到设计深度后即可按第一节的施工方法完成这两边的砼浇筑，待砼达到设计强度后再开挖剩余的两侧。需注意：在进行第二节井壁制作时需对第一节井壁底部驳接预留钢筋成为整体，以下各节依次类推。最底节井壁施工具体方法与上同，但需埋设进洞口或出洞口的止水装置，按设计的进洞口具体尺寸预留孔洞，孔洞用M7.5水泥砂浆砌砖墙封堵。干封底的方法如下：人工整平基底向井内抛填块石和碎石10～20cm厚，井格中央设置一集水井抽水，其上绑扎底板钢筋完毕后浇灌底板砼。

人工护壁成孔优点是相对于打钢板桩不用使用大型的施工机械、仅需少量设备和劳动力便可完成，成本低廉。同时对井坑周围环境影响小，有石块、岩层障碍物或者管线较多无法施打钢板桩时，人工护壁可以解决此类难题；缺点是护壁施工进度一般为每天一节一米长，对于井坑较深或者地质条件不好（流砂与淤泥稳定性差）要把护壁缩小为0.5m，显得时间过长。若发生流砂掏空井壁后方的土层造成塌方安全隐患大。同时每层护壁所需砼数量较少，一般直接现场搅拌砼，人为因素影响质量较大。适合手掘式顶管井和机械顶管的接收井、短距离机械顶管的工作井。

3.3沉井

在地下水位以下修建井坑时，如缺乏钢板桩等设备，或者工作坑较深土质较差采用钢板桩不能解决问题时，可采用沉井法修建工作坑。较浅的沉井可取先降水后再沉的干式沉井施工，而较深的沉井则应采用不排水的湿式沉井施工，最终在水中封底以后再排干井中的水。

施工流程：沉井基坑开挖→基坑平整铺筑垫层→第一节井体结构施工和养护→第一节沉井下沉→第二节井体结构施工和养护→第一节沉井下沉……→沉井下沉到位→浇注封底砼→浇注钢筋砼底板

采用沉井法施工工作坑的构筑顺序是先挖一个1.0m深的比工作井外周尺寸大0.5m的坑，坑底要平整。然后再在井体的刃脚下先垫一层砂和素混凝土垫块，垫块的宽度与井壁大致相同，接下来是立模、扎筋、浇捣。井体中应预留有掘进机出洞洞口，直径比掘进机头大 0.15~0.20m，接收井的洞口直径比顶进井中的洞口要大0.1m左右。

下沉前把素混凝土垫块打碎，沉井的刃口就切入土中。如果是干沉，还需在沉井的外周加一圈降水井点以降低井内地下水位。挖去井内的土，沉井就会慢慢下沉，当沉到位时再进行第二节井体结构和下沉施工，以此类推直至下沉到设计标高应立即用水下混凝土进行封底。

沉井下沉过程中可能发生的倾斜、偏移、下沉过快超沉、遇到障碍物极慢等不正常状态，要采取相应的纠偏和处理措施。沉井的影响范围为深度的1.5倍，周边3m内有明显的沉降，对周边环境有较大影响。

3.4 SMW工法

ＳＭＷ工法是指水泥土深层搅拌桩墙体中，按一定型式插入Ｈ型钢，成为一种劲性复合围护结构。这种结构抗渗性好、刚度大、构造简单、施工简便、工期短，由于型钢可回收重复使用、成本较低，施工中无泥浆排放对环境无污染等优点。

工艺流程：平整场地→ 开挖导墙→ 搅拌桩机就位、搅拌、喷浆形成桩体→ 型钢插入→制作钢筋砼压顶圈梁→基坑分层挖土、临时支撑→钢筋砼封底。

当基坑底以下为透水性较大的砂性土层时，需要验算入土深度，水泥搅拌桩必须深入到不透水层，防止管涌发生。Ｈ钢插入搅拌桩深度由基坑抗隆起稳定及挡墙内力变形来确定，同时以型钢拔出为主要条件。

Ｈ型钢水泥土搅拌桩支护结构的施工关键在于搅拌桩制作，以及Ｈ型钢的制作和打拔。同常规搅拌桩比较，要特别注重桩的间距和垂直度。施工中垂直度应小于1%，以保证型钢插打起拔顺利，保证墙体的防渗性能。注浆配比除满足抗渗和强度要求外,尚应满足型钢插入顺利等要求。

型钢施工中采用工字钢，对接采用内菱形接桩法。为保证型钢表面平整光滑,其表面平整度控制1‰以内，并应在菱形四角留Φ10小孔。为方便型钢拔出型钢表面应进行除锈并涂抹黄油等减摩剂，在搬运使用应防止碰撞，且搅拌桩顶制作围檩前，事先用牛皮纸将型钢包裹好进行隔离，以利拔桩。

型钢应在水泥土初凝前插入。插入前应校正位置，设立导向装置以保证垂直度小于1%。插入过程中必须吊直型钢，尽量靠桩锤自重压沉。若压沉无法到位,再开启振动下沉至标高。型钢回收采用起拔器夹持型钢顶升使其松动，然后采用振动锤利用振动方式将Ｈ型钢拔出，同时采用注浆充填空隙。井坑挖土、封底与钢板桩相同。

采用ＳＭＷ工法作工作井(接收井)，可以贴近建筑或管线施工，而不会引起明显的沉降破坏，有效保护原有建筑或道路的安全。

3.5地下连续墙

连续墙式工作坑就是先钻深孔成槽，用泥浆护壁，然后放入钢筋网，浇注混凝土时将泥浆挤出来形成连续墙体，待混凝土强度足够后，自上而下一边挖出其中的土并封底而形成的工作坑。在同样条件下，与沉井相比工期较短，即使离房屋或其他建筑物近也比较安全。

此方法施工的顶管洞口不预留而在后来开凿而成。圆井在开凿好进出洞口以后还要分别浇一堵前止水墙和后座墙。采用此方法施工时，

如果一边距建筑物近，各先按井的尺寸留出内衬以后做一排钻孔灌注桩。然后在钻孔灌注桩外侧两桩交接处采用高压旋喷桩或注浆把其缝隙封住。最后在井内一边往下挖一边浇

筑内衬，直做到基础底以下再封底。

3.6喷锚网组合型支护

相对于以上其它支护结构来讲，喷锚网组合型结构施工成本适中，施工无噪音，它吸取了悬臂支护结构直立挡土的优点，利用了梁、锚杆或锚管、喷锚网与土的共同作用，提高了边坡土体的抗变形及抗沉降的强度。存在缺点是：在进行钢筋混凝土喷锚逆作法施工前，必须采取有效的降水措施，保证干槽作业，才能确保喷锚混凝土达到设计要求及施工质量。降水措施一般采取设置降水井降水或者在井坑外围先密扣搅拌桩止水。

帽梁和环梁的钢筋构件提前加工，先进行帽梁的施工，待其砼具有一定强度后方可进行后续其他工序的施工。每道环梁安装应和锚杆同时进行，锚杆应和环梁钢筋焊在一起，然后进行钢网片的安装。混凝土应分层喷射，表面混凝土喷射后应由人工将表面修理平整，并使棱角清晰。因喷射混凝土用量高，每次喷层又薄，要加强对混凝土的喷水养护工作。

4各种构筑方法的选择

在土质比较软，且地下水又比较丰富的条件下，首先应选用沉井法施工。在渗透系数为10-6m/s上下的砂性土中，可以选择沉井法和钢板桩坑作为工作坑。在选用钢板桩工作坑时，应有井点降水的辅助措施加以配合。在土质条件比较好，地下水少的条件下，应选用人工护壁成孔和钢板桩工作坑。在覆土比较深的条件下，可采用沉井工作坑或地下连续墙工作坑，管径又比较大，沉井施工相当困难或者无法施工时，只能采用地下连续墙施工方法。如果场地条件允许，则ＳＭＷ工法、喷锚网组合型的成本和工期较为适中。

顶管井坑各种构筑方式分析表

构筑方式 安全、经济性、工期以及适用范围对比

1、钢板桩支护 1、施工速度快、工艺简单和施工简便，成本低

2、刚度小变形大、易渗水，安全性一般，支护深度9m内。

3、有石块、岩层障碍物或者管线较多时无法施打

4、需要大型机械，产生噪音。

5、适合人工顶管井和机械顶管的接收井。

2、人工护壁成孔 1、施工速度较快、工艺简单和施工简便，成本低。对井坑周围环境影响小。

2、要求土的自立性较好且地下水少的地域。遇有流砂施工时造成塌方安全隐患大

3、刚度一般变形较小，支护深度9m内。

4、适合人工顶管井和机械顶管的接收井、短距离机顶的工作井。

3、沉井 1、土质比较软，有流砂且地下水又比较丰富时，首选用沉井法。

2、刚度和强度大，开挖深度大，安全可靠。

3、需要大型设备，造价高，工期长，周围地面的有沉降。

4、适合机械顶管的各种井坑。

4、ＳＭＷ工法 1、 抗渗性好、刚度较大、构造简单、施工简便、环境影响小

2、成本比钢板桩、人工护壁成孔高，比沉井低，造价适中。

3、与沉井比较工期可以缩短1/3，比人工护壁成孔长。

4、需要大型设备，占用场地。

5、适合人工顶管井和机械顶管的接收井、短距离机顶的工作井。

5、地下连续墙 1、刚度和强度大，开挖深度最大，变形小安全可靠。

2、周围地面的沉降小较少影响邻近的建筑物

3、需要专用施工机具和专业施工队伍，造价高。

4、适合沉井困难或者无法施工时的机械顶管各种井坑。

6、喷锚网组合型 1、强度较大，开挖深度较大，变形小安全性好。

2、周围地面的沉降小，对井坑周围环境影响小。

3、需要专用施工机具和专业施工队伍，造价适中。

4、必须采取有效的降水措施，保证干槽作业。

5、适合人工顶管井和机械顶管的接收井、短距离机顶的工作井。

5结语

顶管井坑实质上是一个方形或圆形的小基坑，其支护类型同普通基坑一样多种多样，与一般基坑不同的是因其平面尺寸较小。因受深度、场地环境条件、地质条件、顶管方式等因素制约，顶管工作井和接收井的构筑不管采用那种方法，都应注意以下事项：

（1）构筑方式原则是安全、经济、施工方便。首要出发点是支护要满足各种稳定条件以及各部分材料强度条件，其次是在安全的条件下，要节约成本。

（2）针对基坑周围环境所处的位置和重要性的不同，采用相应方法达到基坑整体稳定、

变形小、围护壁渗水小，使周围环境安全。

（

3）要满足井坑内设备安装、顶管进出洞口的空间需要。

参考文献

1．余彬泉，陈传灿．顶管施工技术．北京：人民交通出版社，2003

2．夏明耀，曾进伦．地下工程设计施工手册．北京：中国建筑工业出版社，2001