不同地质及周边环境管道井施工沉井法与明挖支护法适用性分析.pdf

福建材市政工程2023年不同地质及周边环境管道井施工沉井法与明挖支护法适用性分析方涛（福州市勘测院有限公司，福建福州35 0 1 0 8）摘要根据市政给排水顶管工程中管道井施工采用沉井法及明挖支护法的工程经验，总结了在不同地质条件及周边环境下沉井法和明挖支护法的适用性、风险点及相应的预防措施，提出了井身结构与支护措施相结合的组合优化设计建议，以减少井壁厚度及配筋，节约工程成本，更加经济合理。关键词沉井法；明挖支护法；风险；适用性；优化设计0引言随着城市的不断建设，市政管线及周边建筑物不断增加,市政给排水工程建设面临着如何在不影响地面交通及周边既有建（构）筑物情况下顺利完成施工的难题。为了不影响地面交通及减少对周边既有建（构）筑物破坏的背景下，顶管施工技术得到了迅速的推广和应用。在顶管工程中，管道井（工作井及接收井）是顶具操作和管道转接的必要构筑物，管道井往往是小而深的结构，管道井的施工方案是否科学合理直接影响着顶管工程建设的安全和进度。因此，管道井的施工方案值得不断地研究。目前，市政给排水工程管道井的施工方法常用的主要有沉井法、明挖支护法2 种。1沉井法沉井法 是在土层开挖前，在井筒位置，预制一段井壁和刃脚,待混凝土达到设计要求的强度后,在井内利用长臂挖机进行均匀对称挖土，边掘边依靠井筒的自身重力克服井壁摩阻力后下沉，下沉一段再在地面浇筑一段，继续下沉，直至设计标高，然后进行混凝土封底。优点：施工设备简单，操作容易，成本低，操作时间不受限制，噪音小，出土快，封底方便。沉井在施工过程中作为围护结构，当施工完成后，既作为上部结构的作者简介：方涛（1 9 8 8 一）,男，硕士，高级工程师，注册岩土工程师，主要从事岩土工程勘察设计工作。76基础，又作为地下建筑结构的一部分，满足上部建筑的构造要求，还能承受上部荷载，具有临时工程和永久运行功能的统一。缺点：井边一定区域产生沉降，由于下沉摩阻力的影响，导致周边土体被压缩扰动，对周边地层沉降的影响大 2。下沉遇到孤石等障碍物时会卡住或产生倾斜。对含巨砾石的砂砾层、黏土软岩层等地层而言，施工难度大,容易出现突沉，易出事故。施工深度不宜过大,通常2mm的颗粒质量5 0%总质量，粒径 0.0 7 5 mm的颗粒质量 5 0%总质量。砂层主要工程性质特点为透水性强，密实度高的砂层承载力及摩阻力较大。在砂层中，因颗粒粒径不大，沉井法和明挖支护法均可采用。明挖支护法风险：明挖支护需要考虑降排水或止水措施。若周边存在既有建构筑物需要保护，降水措施可能会引起周边场地产生大面积沉降风险，需考虑采用止水惟幕措施（见图3）。若砂层较厚，止水惟幕必须穿透砂层进人非透水层一定深度，造价较高。若止水惟幕施工不当导致垂直度偏差较大，则无法形成井壁有效的止水惟幕，会产生漏水流土的风险。0700旋喷桩加固A间距5 0 0V(b）A-A 剖面图0700旋喷桩加固间距5 0 0出500350高压旋喷桩桩长穿透砂层1.5 m500350高压旋喷柱桩长穿透砂层1.5 m09001200灌注柱（a）支护剖面图图3灌注桩结合高喷桩形成止水惟幕示意图（单位：mm）沉井法风险一：采用排水下沉法，若砂层上部存在一定厚度的不透水层，且砂层承压水水头较高、压力较大时,井内土方开挖一定深度，会发生突涌风险；井内“锅底”开挖过深，井外松散土涌人井内，也会发生流77基坑内侧09001200灌注柱(b）A-A 剖面图福建材2023年9001200市政工程砂；井内排水时,井外地下水因水压力不平衡会将土压人井内，也会发生流砂。流砂会造成沉井外围产生大面积塌陷风险。设计时应首先考虑采用沉井不排水施工法 5,保证井内水位高于井外水位，减少不透水层的上下压力不平衡问题，可有效消除不透水层开挖时出现的突涌风险，也可避免砂层开挖时涌人流砂。根据砂层承压水承压情况，可在井内或井外采用井点降水措施（见图4）,降低地下水位，防止井内流砂；也可以考虑在井周设置一圈止水惟幕进行隔水。沉井1图4 井点系统降水示意图沉井法风险二：砂层的密实度较大，会造成沉井下沉困难或停沉的情况。设计时需考虑相应的下沉辅助措施，如射水下沉法、触变泥浆护壁下沉法（见图5 等。图5 角触变泥浆护壁下沉法示意图3.3碎石土层碎石土包含漂石、块石、卵石、碎石、圆砾和角砾，其粒径 2 mm的颗粒质量 5 0%总质量。碎石土主要的工程性质特点为透水性强、土层粒径大且不均匀。78在碎石土层虽然也可以采用沉井法施工，但通常下沉困难，需要配合较多的辅助下沉措施；下沉时遇局部粒径较大的块石时，还需采用特殊措施，如井外挖土下沉、风动工具或松动爆破等，施工难度大且风险高，尤其是在市区场地，易对周边既有建构筑产生破坏。因此,采用明挖支护法更为合适。在空旷场地，可考虑采用放坡结合井点降水措施；在市区场地，可采用咬合灌注桩措施进行隔水施工（见图6）。井点总管9001200灌注柱A为钢筋柱A井点管#点管压浆管十沉井一水泵触变泥浆护壁一压浆孔橡胶皮一圈中9 0 0 0 6 0 0AB咬合灌注桩(a)支护剖面图图6 咬合灌注桩隔水设计示意图（单位：mm）针对优化组合设计，井壁刚度和抗浮要求直接影响井壁厚度及配筋情况，也是影响工程造价的主要因素，井结构设计不仅需要考虑井壁刚度问题，还需要考虑井重抗浮问题。当采用灌注桩支护措施时，井壁刚度计算若考虑利用围护桩的刚度，可以较大程度地减少井壁刚度需求；井的抗浮计算亦可考虑井壁与围护桩相互连接（见图7）,利用围护桩的抗拔作用，降低井自重的抗浮要求；利用永久结构与临时支护结构相结合的形式，降低井壁厚度及配筋，减少工程造价。原设计方案井内壁边线优化组合设计后井内壁边线内壁与围护桩植筋中9 0 0 1 2 0 0 冲钻孔灌注柱(a)支护剖面图图7 优化组合设计剖面示意图（单位：mm）3.4残积土、全风化岩、砂土状强风化岩层残积土、全风化岩、砂土状强风化岩在天然状态下灌注栅B为C15素桩（b）A-A 剖面图AA原设计方案井内壁边线优化组合设计后井内壁边线（b）A-A 剖面图基坑内侧09001200冲钻孔灌注柱基坑内侧福建材市政工程第7 期（总第2 6 7 期）具有较好的力学性质，压缩性较低，但遇水会软化、崩解，强度急剧降低，且易发育孤石，孤石则成为工程施工中的不利埋藏物。沉井法风险：在残积土、全风化岩、砂土状强风化岩层中进行沉井法施工，常常因为不均勾发育的孤石，造成沉井下沉障碍，甚至造成沉井产生较大的偏移和倾斜。此时需要采用松动爆破、人工破除等措施进行处理，施工成本较高，工艺要求复杂且需要人工下井作业，风险较大，爆破对周边环境振动影响较大，特别是在市区场地，应尽量避免使用。可通过加密勘察判断该场地出现孤石的可能性大小，无孤石或出现孤石的可能性小时，则可采用沉井法施工；若存在孤石或出现孤石的可能性较大时，则可考虑先进行清障（如冲孔、旋挖清障等），回填后再进行沉井施工（见图8）。0700500冲孔清障井壁清障后回填黏性土井壁A0000(a）清障处理平面图图8 冲孔桩清障回填示意图（单位：mm）明挖支护法风险：由于残积土、全风化岩、砂土状强风化岩层遇水会软化、崩解，强度急剧降低的特性。在地下水位较高且富水量较大的情况下，若设计按原状土参数指标进行设计，会因支护结构刚度不足，造成基坑变形超限甚至垮塌风险。有时土层遇水软化后将转化为流动状态，会在桩间或坑底发生流土现象（见图9）,井周外侧形成空洞（见图1 0）,甚至出现塌陷风险（见图1 1）。若设计均按软化后的土层参数指标进行计算，则造成工程造价大幅增加。图9 坑底土因泡水软化从坑底涌出图1 0侧壁土层因软化从桩间流出形成空洞图1 1 机桩间流土形成空洞造成路面塌陷因此，若采用明挖支护措施，则需先判断土层的富水情况、渗透系数及土层软化情况，考虑采用井点降水措施或足够的支护刚度和止水挡土措施。基坑内部土方开挖还需及时排水，避免基底土层因泡水时间过长(b）A-A 剖面图导致软化。同时，可以考虑采用井结构与支护措施相结合的组合优化设计法，降低井壁厚度及配筋，减少工程造价。3.5碎块状强风化岩、中 微风化岩层碎块状强风化岩、中 微风化岩层工程力学性质好，硬 坚硬，承载力高。在岩层地质情况下，可以采用沉井施工，但需要采用松动爆破等措施，工艺复杂，造价高，风险大。市政工程中通常采用的是明挖支护法，支护措施多为放坡喷锚等措施，施工简单，安全可控，但设计时尚需考虑岩层的破碎程度、富水情况、软弱岩层及构造等情况，必要时采用排桩支护结合降排水措施。3.6现状需要保护管线在市政工程中,往往需要在既有的给排水管道位置设置管道井，而管道并施工期间，既有的市政给排水管道仍需要保障通水，需对其进行保护。这种情况下，不适宜采用沉井法施工，需采用明挖支护法（见图12、图1 3）。设计时可考虑采用井结构与支护措施相结合的组合优化设计法，降低井壁厚度及配筋，减少工程造价。（下转第1 1 9 页）79福建材工作研究第7 期（总第2 6 7 期）同管理”课程的学习成绩与工程问题的辨思能力。4结语“工程招投标与合同管理 的相关知识是工程争议、索赔、诉讼的必备的基础知识，掌握最新政策、法规、文本是完成建设工程，规避风险的基本要求。通过利用行业执业资格考试教辅对授课教师知识进行融合与自更新，保持了授课教师知识的先进性、正确性，弥补了教材无法及时更新、法规条文滞后错误的缺陷。同时，通过搜集组建行业案例库，利用工程实例进行教学,加强了学生对知识的理解与应用,提高了学生的学习兴趣与期末成绩，弥补了因知识更新过快，导致学生未来实际应用时知识不适用的痛点。通过将行业信息融合的案例式教学方法应用到真实教学中去，验证了该方法的可行性和有效性，为此类学科教学提供了一条参考路径。参考文献1邓佳丽.建筑法规与合同管理课程改革探析-驱动与互动式教学模式为例.景德镇学院学报,2 0 2 2,3 7+（上接第7 9 页）WSDN400PVCT现状誉线冠梁图1 2 又对既有管线保护设计平面图（单位：mm）1业2 5 1 5 0 0WS DN800环梁混凝土现状管线B吊筋1 业2 5高喷桩注浆加固（a）支护剖面图图1 3 对既有管线保护设计实例剖面示意图（单位：mm）(1):118-121.2邓娇娇,郭园园,吴绍艳.OBE模式的工作坊教学实践与探索.实验室研究与探索，2 0 1 8,3 7（1 1）：2 4 2-2 4 6.3李良.让实际园林工程项目伴随课堂园林工程招投标与概预算课程教学新探.西南师范大学学报（自然科学版),2 0 1 4,3 9（6)：1 5 7-1 6 0.4庞玉玲.工程招投标与合同管理混合式教学的设计与实施.现代职业教育,2 0 2 1（9）：4 3-4 5.5代晶,王彬“互联网+”背景下混合式教学模式设计一以工程招投标与合同管理课程为例.高教学刊,2 0 2 2,8（4）：116-119.6邓小蕾,张西平.以资格考试为导向的工程招投标与合同管理课程改革.智库时代,2 0 1 9（4 1）：1 5 6-1 5 7.7唐然.土木工程专业工程招投标与合同管理课程教学改革思考.广西城镇建设,2 0 2 1（7）：1 0 8-1 1 0.8钟丽华,徐玲玲,王赫.基于广联达BIM电子招投标系统探索“理实一体”的“工程招投标与合同管理”课程改革.大学,2 0 2 1（3 5）:1 0 7-1 0 9.9杨秀华.论土木工程专业教改与国家注册工程师的统一DJ.亚太教育,2 0 1 6(3):9 4.斤一以任务10倪童,桑庆兵.基于注意力机制与特征融合的课堂抬头率检测算法.计算机工程,2 0 2 2,4 8（4）：2 6 2-2 6 8.4结语在市政给排水工程中，管道井的施工在不同的地WSDN800混凝土质条件及周边环境下，沉井法及明挖支护法各有优缺现状管线点及风险点。设计应根据具体工程场地地质条件和周注浆加固加强桩冲孔咬合灌注桩WSDN800混凝土现状管线0900咬合灌注桩AI边环境情况，充分考虑沉井法及明挖支护法的适用性，结合可能存在的风险点,采取必要的辅助措施。因沉井法既是围护措施又是主体结构，较为经济合理，在