泥水平衡顶管在特殊环境下的基坑支护施工方案探析

周兵

摘 要 泥水平衡顶管顶进过程中遇障碍物、遇松散覆盖层且存在集中渗漏通道情况下，顶管机很大概率被周围土体抱死，根据施工现场实际情况，基坑只能采用东西两侧垂直支护、南北两侧放坡的施工方式将被抱死的顶管机吊出地面，再采用现场钢管合拢的方式进行闭合，而其中基坑垂直支护方式需根据各个特殊环境进行最优桩类选择。

关键词 泥水平衡顶管；顶管机；抱死；基坑支护；施工方案

引言

泥水平衡顶管在粉细砂质地层中正常顶进时管周的摩擦阻力较其他土层较大，如在顶进过程中遇到前期地勘不明的建筑物或构造物钢结构、钢筋混凝土结构、砌石结构等障碍物时，遇到松散覆盖层且存在集中渗漏通道这种恶劣的地质地层条件时，顶管机很大概率被周围土体抱死。本文所述工程中由于现场场地狭窄，顶管机周围地上地下条件复杂，综合比较，基坑只能采用东西两侧垂直支护，南北两侧放坡的施工方式，而其中垂直支护方式需根据各个特殊环境进行最优桩类选择。

1 工程概况

南水北调中线总干渠35号供水管线滑县第三水厂支线坐落在黄河故道上，全线沉积着较厚的黄河泥沙，是典型的砂质土层，尤其是县城中心城区段2400m的直径DN1800mm的管材为JPCCP管道的供水管线基本坐落在粉细砂层上。

县城中心城区段供水管线布置在大宫河东侧沿河道路下5～7m，该段道路宽约5m，一侧紧邻河堤且河堤上方有高压线，高压线为滑县的主要供电线路，无法拆除；道路的另一侧为密集的居民房屋及单位房屋；道路下埋设各种通讯电缆、光缆、自来水管道、天然气管道、雨污水管道等专项专线项目。同时，供水管线横穿三条城市主干道和一座废弃的引灌水渠道，因为建设年代久远，相关数据资料缺失，给顶管施工带来较大风险。

滑县县城中心城区顶管段工期短，场地狭窄，施工干扰多，施工难度大，施工项目繁多，工程量大，而JPCCP管道泥水平衡頂管施工作为本标段的关键项目，直接关系到整个工程的成败。

2 施工过程中遇到的各特殊环境简述

2.1 9号沉井南侧遇砌石结构闸室情况

9号沉井下沉过程中已遇到该砌石结构闸室的一部分，结合相关的地质勘测资料，9号沉井附近原为滑县的老六干渠，但具体位置及结构不明。为了探明位置和结构，待9号沉井完成后对沉井南侧砌石结构进行了补充探测，发现该老六干渠闸室自北向南依次分布有6条闸墩及1处闸底板，其中第1条和第6条闸墩为挡墙结构，第1条闸墩砌石在沉井下沉施工已经被破除。目前剩余5处闸墩及闸底板与顶管预留孔洞相互冲突。

2.2 2号-1号沉井区间遇障碍物情况

泥水平衡顶管机自2号沉井向1号沉井方向顶进刚刚穿越一条城市主干道后，顶管机停滞不前。依据现场地质雷达探测和钎探情况，顶管机头的上方、前方存在各种管线及障碍物，包括10Kv电力线路、35Kv造纸厂线路、联通公司地埋光缆、自来水管道、污水管道、地埋广电光缆等，机头处障碍物为废弃的桩头且在污水管道及自来水管道正下方。顶管机部位紧邻大宫河，西侧分布有大宫河河堤、污水泵站、10Kv高压线杆，东侧紧邻广电小区楼层，施工场地非常狭窄。

2.3 6号-5号沉井区间遇松散覆盖层且存在集中渗漏通道情况

泥水平衡顶管机自6号沉井向5号沉井方向顶进穿越一条城市主干道后，顶进至159m处因顶管机至第一套中继间之间39米管道出现大量流失泥水、膨润土泥浆现象，造成管道无法继续顶进。依据现场地质雷达探测和钎探情况，管顶覆盖层大部分为土质不均的松散状沙壤土、人工杂填土（较多的砖瓦碎块及生活垃圾、沿线大部分为路基杂填土及沥青路面），雨污水管道纵横且年久损坏，使其形成了自上而下垂直方向单向渗漏通道。同时由于泥水平衡顶管顶进过程中都有触变泥浆形成的圆环厚度为3～5cm的泥浆润滑套，一旦雨污水管道的垂直通道与JPCCP管道外壁泥浆润滑套形成的水平通道连通，那么触变泥浆润滑套就不容易形成，甚至在雨污水管道渗水量较大的情况下完成形不成泥浆润滑套，此时如果不及时处理，很大可能造成JPCCP管道被周围土体抱死的工程隐患，那时处理起来会非常的麻烦。

3 基坑支护方案比选

因为施工场地狭窄，顶管机部位周边环境复杂，遇到以上特殊情况下需要及时处理，综合对比施工方案，总体上采用基坑支护方案，具体的基坑支护方式因各特殊部位情况进行施工方案对比而定，具体对比分析情况如下：

3.1 9号沉井南侧

基坑挖土深度为7.6m，根据基坑挖土深度、周边环境情况及相关规范规定，基坑安全等级定为：二级。综合考虑本工程管线复杂、建筑物距离近、施工场地狭小等特点及可实施性和工程造价等相关因素，我们提出以下三种施工方案作为比选。

⑴钢板桩+土钉支护方案

深基坑东、西两侧开挖全部采用拉森钢板桩垂直支护方式，拟采用桩长13.5m的拉森钢板桩，深基坑南、北两侧1：1放坡，边坡采用土钉支护方式，这种方案特点如下：

①优点

钢板桩具有良好的耐久性，基坑施工完毕回填土后可将钢板桩拔出回收再次使用；施工方便，工期短；拉森钢板桩由于抗弯能力较强，多用于周围环境要求不甚高的深5m～9m的基坑。

②缺点

拉森钢板桩长12m、15m、18m等，打桩设备较高、较宽，由于施工现场场地有限（征地红线宽仅为12m），沉井周围环境复杂，尤其是施工区域西侧架线高度为8～10 m的高压线路成为打桩设备的拦路虎。

另外，在本工程中拉森钢板桩耗用量大，重复使用率低，租赁或采购成本大。

打桩伴随的振动很可能引起施工区域东侧民众的阻工和赔偿诉求。

⑵钢管桩+土钉支护方案

深基坑东、西两侧开挖全部采用钢管桩垂直支护方式，拟采用桩长10.0m的?245@500的钢管桩，钢管桩灌注1：0.5水泥浆，深基坑南、北两侧1：1放坡，边坡采用土钉支护方式。

该方案施工成本较高，钢管桩打桩设备所使用的履带式柴油打桩机较大，场地要求高，而且打桩机震动、噪音较大，容易引起临近的西侧73#高压线杆和东南侧的房屋安全隐患以及附近居民的阻工情况发生。

⑶钢筋混凝土排桩加内支撑+土钉支护方案

深基坑东、西两侧开挖全部采用钢筋混凝土垂直排桩加内支撑支护方式，采用桩长9.59～11.59m的钢筋混凝土灌注桩；深基坑南、北两侧1：1放坡，边坡采用土钉支护方式，其中钢筋混凝土排桩采用反循环钻机进行土层钻进成孔、冲击钻机进行砌石底板钻进成孔、灌注混凝土的施工工艺。该方案特点如下：

① 钢筋混凝土灌注桩成桩设备小，打桩设备震动、噪音小，对周边环境影响小。

② 施工进度、安全能得到保证。

综合考虑岩土工程勘察报告和周边地形地貌及建筑物的特点，比较基坑支护方案的安全、经济、可实施性方面比较和选型上，该部位的基坑支护采用钢筋混凝土排桩加内支撑+土钉支护方案。

该部位基坑东、西两面钢筋混凝土排桩所采用的钻孔灌注桩共计34根，实际施工时间为20天，基本满足施工工期要求。

3.2 2号-1号沉井区间

基坑挖土深度为8.27m，参照9号沉井南侧基坑支护施工方案比选分析，提出以下三种施工方案作为比选。

⑴钢板桩+土钉支护方案

深基坑南、北两侧1：0.3放坡，其他内容同“9号沉井南侧钢板桩支护方案”。

⑵水泥土墙+土钉支护方案

根据计算书计算结果，水泥土墙的抗倾覆稳定性验算和抗滑移稳定性验算均不满足要求。

⑶钢筋混凝土排桩加内支撑+土钉支护方案

深基坑东、西两侧开挖全部采用钢筋混凝土垂直排桩加内支撑支护方式，采用桩长12.27m的钢筋混凝土灌注桩；深基坑南、北两侧1：0.3放坡，边坡采用土钉支护方式，其中钢筋混凝土排桩采用机锁杆旋挖钻机进行土层干钻成孔、灌注混凝土的施工工艺。该方案特点如下：

①机械化作业，施工简单，基本无振动。

②钢筋笼、砼可集中加工、配送，也可以现场加工，作业方便。

③施工速度快，工艺成熟，相当来讲过程中安全可靠。

④施工成本相对较低。

综合考虑各种因素，该部位的基坑支护采用钢筋混凝土排桩加内支撑+土钉支护方案。

该部位基坑东、西两面钢筋混凝土排桩所采用的钻孔灌注桩共计18根，实际施工时间为5天，基本满足施工工期要求。

3.3 6号-5号沉井区间

基坑挖土深度为7.64m，参照2号-1号沉井区间基坑支护施工方案比选分析，提出以下两种施工方案作为比选。

⑴工字钢桩+土钉支护方案

深基坑东、西两侧开挖全部采用工字钢桩垂直支护，工字钢支护采用一顺一丁组合方式布置，型号选用20a，桩长10m，工字钢就位后采用履带式液压挖土机施打，深基坑南、北两侧1：0.3放坡，边坡采用土钉支护方式。

这种施工方案的最大优点是施工周期短，施工成本低，盘活机头、继续顶进施工的可能性较大，但打桩入土和拔桩出土过程中还是有强度不大的振动，很可能引起附近民众的阻工和赔偿诉求。

⑵钢筋混凝土排桩加内支撑+土钉支护方案

采用桩长11.64m的钢筋混凝土灌注桩，其他内容同“2号-1号沉井区间钢筋混凝土排桩加内支撑+土钉支护方案”。

实际施工过程中，我们优先采用了第一种方案，待工字钢桩准备施打时，由于强度不大的振动引来了附近居民的阻工，综合考虑各种因素，尤其是可实施性方面，我们最终采用了“钢筋混凝土排桩加内支撑+土钉支护方案”。

该部位基坑东、西两面钢筋混凝土排桩所采用的钻孔灌注桩共计18根，实际施工时间为3天，基本满足施工工期要求。

4 结束语

随着社会进步，工程技术水平提高，基坑支护方式种类也越来越丰富，在实际工作中怎样找到最合适的施工方式变得越來越重要。本文认为应结合岩土工程勘察报告和周边地形地貌及建筑物的特点，从安全、经济、可实施性方面进行综合比较分析，进而选择出最优方案。