湿陷性黄土地区深埋顶管工作井逆作法设计

张涛 王长祥 张文铸 张风玲

（1.中国市政工程华北设计研究总院有限公司西安分公司 710018；2.中国市政工程华北设计研究总院有限公司 天津300074）

引言

市政工程大多集中于繁华市区，设计和施工时往往受到诸多现状条件限制，如工期不宜过长、阻碍交通、污染环境、地下情况复杂、影响现状建（构）筑物、可利用场地有限等，各种因素决定了市区内一般不具备大开挖施工条件。如何解决这些问题就成为市政工程设计及施工考虑的重点。而逆作法对于城市建筑密度大、邻近建筑物及周围环境对沉降变形敏感、施工场地有限、工期紧、尽量少改迁现状管道等情况的处理效果尤为显著，在保证安全的前提下既节约了投资又加快了施工进度。

逆作法是将地下主体结构的全部或一部分既作为结构本体的同时也作为施工过程中的支撑体系，即结构和支护一体，按自上而下的施工顺序，结构施工与基坑开挖交替进行的施工方法。此法与建筑工程逆作法有相似之处，但仍有较大区别，在国内市政工程行业中应用也较少，本文所述的逆作法近年来在西北地区市政工程中的应用逐渐增多，主要应用于平面尺寸较小的支护结构、地下构筑物主体结构、顶管工作井等方面，经实践后逐渐形成了一套完整的计算理论及施工经验，对工期紧、作业面窄、沉降要求严格、邻近现状建构筑物施工的工程，实际应用效果明显。

本文结合西安市南二环（朱雀路）高压线落地工程，提出逆作法顶管工作井的设计原则，并指出逆作法施工工序及注意事项，为逆作法结构设计和施工提供参考。

1 工程概况

西安市南二环（朱雀路）高压线落地工程位于朱雀路，呈南北走向。沿线地面道路两侧多为多层、高层商住楼及办公楼。工程沿线地下管线纵横交织，电缆、自来水管、天然气、雨污水等管线密布。设计路线穿绕城高速、地铁，基坑邻近城南客运站、西安医学院、建材学校等公共建筑。周边环境条件对文明施工、安全施工的要求比常规施工严格。

朱雀路高压线落地工程分为两部分，主线为单仓电力综合管廊形式，支线为单仓电力管沟。第一部分由环城南路至南郊变，位于朱雀路东侧，采用直径2m钢筋混凝土管顶管方式，全长8.8km，全程共计47座逆作法顶管井；第二部分由南二环至南郊变，位于朱雀路西侧，采用直径3.5m钢筋混凝土顶管，全长6.6km，全程共计30座顶管井，采用排桩＋内部钢围檩方式支护，内部施做钢筋混凝土顶管井，因本文主要讨论逆作法，故西侧结构本文不再赘述。

1.1 地质概况

拟建工程沿线地面总体南高北低，地面高程相对高差35.90m，地貌单元属黄土梁洼。场地地基土主要物理力学指标见表1。

表1 物理力学指标Tab.1 Physical and mechanical indexes

构筑物基底大部分位于④层黄土，②～④层黄土、古土壤具湿陷性，勘察报告将场地界定为自重湿陷性黄土场地，地基湿陷等级为Ⅱ级～Ⅲ级。

地下水位由北向南呈下降趋势，稳定地下水位为6m～36.7m。

1.2 设计方案

本工程位于朱雀路东西两侧人行道或非机动车道下，朱雀路为西安市南郊主干道，且修建年代久远，施工限制条件较多，道路两侧地面以上高楼林立，地面以下管线纵横交错，且建（构）筑物均距离道路较近，不具备常规放坡开挖的条件。故本工程东侧顶管采用直径2m的钢筋混凝土管，顶管法施工，井体施工采用逆作法。顶管工作井及接收井平面尺寸分别为6m×6m及5m×5m，基坑深度约9m～15m。平面尺寸大于6m时经结构计算所需壁板过厚，经济性不佳，故不建议尺寸过大的结构采用逆作法方式。

工作井的大小因顶管方式采用机械或人工而不同，平面工作所需空间也不尽相同。本工程平面尺寸的大小，均是根据《给水排水工程顶管技术规程》（CECS246：2008）及《电力电缆隧道设计规程》（DL／T 5484－2013）的相关规定结合西安当地施工单位设备储备情况综合确定。

东侧逆作法顶管井结构形式若采用与西侧相同的支护＋井体的形式在技术上是可行的，但其占地过大、改迁冲突管线的工程量大、成本较高，且打桩对周边环境污染较重，总工期也较长，经济性和时效性较差。经过经济性、施工工期控制、施工成本、安全保障、减少占地、环境保护各方面测算并结合西安市市政建设的长期经验积累，经过与参建各方商讨并举行专项方案论证后，设计决定东侧顶管井均采用逆作法施工，大大降低了工程量，经济效益显著。

2 逆作法设计及分析

本文以平面净尺寸6m×6m、井净深10.8m的顶管工作井为例，论述逆作法设计及计算思路。井体平、剖面简图见图1。

2.1 设计参数

工作井设计使用年限为50年，逆作法井体不仅作为施工过程中的围护结构，更是作为永久性构筑物长期使用，故设计时首先不能将其按临时围护结构考虑。

地下水位埋深约8m，采用管井降水。地质情况与前土层描述相符，无不良地质条件。

井体混凝土：C35，混凝土抗渗等级S8；基础垫层为C15混凝土。

井体上部为慢车道，设计时需按城－A级考虑车辆荷载；施工期间考虑地面超载20kN／m2，严格控制顶板覆土厚度。

根据顶管长度及井体尺寸，按《给水排水工程顶管技术规程》（CECS 246：2008）计算顶管最大顶力不宜超过4100kN，后背墙面积不应小于24m2。需注意计算施工顶力时，应综合考虑管节材质、后背墙结构的允许最大荷载、顶进设备能力、施工技术措施等因素。

井位所在位置，地面以下有现状给水、通信、电力等管线，优先采用改迁方式，无改迁条件且不影响井体结构安全的，可与权属单位沟通后采用井内固定或吊装保护等方式处理，以免影响后续井体施工。

2.2 外土压力选取

本文所述逆作法不同于建筑工程的逆作法，也区别于沉井、地下连续墙等类似结构，目前针对本工程所述逆作法尚无专门的结构规范，本工程设计时主要以《地下建筑工程逆作法技术规程》（JGJ 165－2010）、上海市《基坑工程技术规范》（DG／TJ 08－61－2010）、《基坑工程手册》（第二版）为参考开展设计。综合多本相关规范及手册，与本工程相同的逆作法设计时，土侧压力的选取可遵循以下原则：首先应区分不同阶段，施工阶段结构体所承受的土侧压力可取主动土压力或静止土压力。永久使用阶段则有所不同，土侧压力宜取静止土压力。

土侧压力的计算，采用朗肯土压力理论，根据《地下建筑工程逆作法技术规程》（JGJ 165－2010）第5.2节要求，地下水位以下的土体侧压力计算，对粉土及粘性土可按水土合算考虑，对于碎石土和砂土可按水土分算考虑。因本工程埋深范围内均为粘性土，透水性小，按水土合算考虑。需注意粘性土在计算土压力时要考虑土壤粘聚力的贡献，否则土压力计算值过大会导致内力结果失真。

2.3 计算原则

由于土侧压力类型选择因施工阶段而不同，故计算前应先区分施工阶段和使用阶段。

对本文工程来讲，壁板施工完毕→底板封闭→顶管顶进完毕这个时间段，坑外一直在降水，此阶段及之前阶段可视为施工阶段，土侧压力计算时可取主动土压力计算。待顶板封闭后，则视为永久使用阶段开始，此时宜按封闭后状态采用静止土压力再次验算，注意此时要考虑地下水作用。

两个阶段的结构内力计算，均需要按承载力极限状态及正常使用极限状态进行验算，最终内力取值需综合两个阶段最不利情况取包络值。具体计算原则为：壁板施工→底板未封闭前，可按水平框架考虑；底板封闭→顶板未施工前，可按顶部自由，三边固定板考虑；顶板封闭后可按顶部简支，三边固定板考虑。结构深度与宽度比达到深井要求时，应按深井模式计算，深井的界定及具体计算方法参见《给水排水工程结构设计手册》（第二版）。

需注意的是，采用简化模型计算时易忽略在壁板变截面处因上下壁板刚度突变引起的内力变化。

3 施工工序及注意事项

3.1 施工工序

逆作法顾名思义是从地面到基底由上而下反向开挖并逐层逐次形成主体结构的一种施工方法，与传统先开挖至基坑后，由下而上依次施做结构主体的施工次序相反。

1.第一节施工

井体于地表开始施工第一节时，如土质条件及周边环境允许，可一次性下挖到一定深度，挖深大小主要由下部土体性质决定，出于安全角度考虑，一般不建议超过2m。本文工程要求首次开挖深度为2m，而后绑扎钢筋、支模、浇筑混凝土，待混凝土强度达到设计强度的80%后，方可进行下一节开挖。第一节壁板顶部设计四边封闭式加强梁，梁宽超出井壁以外坐落在原状土上，主要起到防止诸如载重车辆荷载、坑边堆载、塔吊轮压荷载等地表集中应力对井口产生破坏，同时还能将井体“吊”于土体上，消除在下一节井体开挖时，上节井体自重克服土体侧摩阻力可能滑落的隐患，顶部加强梁现场做法见图2。

图2 顶部圈梁施工现场Fig.2 Construction site diagram of top ring girder

2.第二节及以下节段施工

第二节至底板高度范围按序开挖，需注意的是，无论开挖哪一节，建议先开挖一侧或相邻的两侧，保证剩余侧仍坐于原状土上，每侧井壁的施工从开挖到浇筑完成所用的时间不宜超过5天，混凝土浇筑后待强度达到80%设计强度后再开挖其余侧，同样可以防止出现井壁突然向下沉降的问题。

3.基坑开挖高度控制

土体自稳性较好的土层，每节开挖高度可按2m控制。若开挖后地质条件不佳，土体自稳性较弱，比如遇素填土、砂土的情况，每层开挖高度可控制到1m左右并严格按一侧或相邻两侧先开挖施工的原则进行。每节开挖高度的大小，主要由土层自稳性决定，其次是考虑施工时安全风险可控。如每节开挖高度过大，卸荷后土体侧压力随之增大，土体自稳性减弱，安全风险增大。另外因工作面过大的缘故，当侧壁土体出现失稳或坍塌时，难以第一时间迅速控制事故的发展，尤其市区内的项目，必须严格控制基坑安全，故每节开挖高度宜严格控制，以便土体失稳时可迅速回填压底控制情况。

井体施工至设计底标高后，应避免基坑底面暴露时间过长，加快施工速度尽快将底板施工完毕，完成井体下部闭合。

3.2 注意事项

1.施工降水

本工程所涉井体底板大部分位于地下水位以下，开挖前须降水。根据西北地区降水经验，设计采用地面管井降水方案，提前15天开始降水，同步进行周边道路、建（构）筑物沉降监测。管井在成井后应在井、管间充填适宜的滤料，并在滤水管外缠绕相应目数的纱网，保证抽水同时防止涌砂。降水工程应进行专项设计。

2.混凝土浇筑质量控制措施

由于逆作法是自上而下逐段浇筑，上下段接口处混凝土不易浇捣密实，为加强浇筑质量，设计在浇筑口设置跳角，跳角做法见图3，同时要求施工单位应采取相应的质量保证措施。

图3 跳角详图Fig.3 Detail of concrete pouringmouth

3.施工临时支护措施

施工单位应对施工过程中采用的临时支撑进行详细设计，竖向、横向支撑应有足够的刚度和强度，保证开挖时土体的稳定，保证施工人员安全。

壁板留洞较大处因难以形成闭合框架，成为整个结构中的薄弱环节，施工时应对洞口处采用临时支撑措施，以保证洞口处稳定，待底板封闭后方可拆除支撑。临时支撑可视洞口大小采用两道或数道钢梁横跨洞口形成水平钢围檩，角部可视情况加斜撑，在洞口高度范围内形成数道水平钢框架以作临时支撑，土体稳定性不佳时可将洞口临时封堵，待结构形成整体后，临时支撑体系可拆除，由设计中洞口加固措施参与工作。

逆作法不可避免会导致竖向钢筋的接头率较高，故要求施工时壁板竖向钢筋均采用焊接或机械接头，不建议采用绑扎的形式，以保证接头质量。

4.施工过程监测

在整个施工过程中应进行全过程监测。对结构的动态变化进行监测，并把获得的信息通过修改设计反馈到施工中去。监测内容主要包括坑顶竖向沉降和壁板水平位移、基坑底部土体卸荷回弹变形、邻近建（构）筑物水平位移和竖向沉降、地下水位变化、周边地下管线变形和渗漏及地下设施的变形、周边相邻城市道路沉降、巡视检查等。监测应进行到基槽土方回填完成为止，应特别加强雨天和雨后的监测，以及对各种能危及支护结构安全的灾害来源进行仔细观测，严防坑外水流入坑内。

5.消除基坑遇水湿陷隐患

湿陷性黄土在西北地区分布较广，且一般厚度较大。黄土在未浸水时，本身的自稳性和强度均较好，深度较深密实度高的地方甚至需要风镐或小型挖掘机才能执行开挖作业，此为逆作法施工的有利条件，以上优点均是建立在黄土不见水的前提下。本文工程所述井体所在地基土为Ⅱ级～Ⅲ级自重湿陷性黄土，遇水会有比较严重的沉降失陷，甚至可能引起周边路面、建构筑物沉降，故要求施工单位采取坑顶加篷、坑边设挡水墙、四边做散水等方法形成可靠的防雨防水措施，消除外来水体对基坑内原状土造成不良影响的隐患。

3.3 现场问题处理

湿陷性黄土本身自稳性较好，但由于土层分布不均匀性，部分地方黄土结构较松散或有不良土质夹层，以及降水困难时地下水位以下黄土含水量过大导致自稳性差时，在开挖过程中就可能出现掌子面坍塌的情况，如图4所示。针对此情况，可视掌子面坍塌面积、深度等实际情况采取不同的应对措施。若坍塌面积较小、深度不大，坍塌后土体稳定，则在没有安全隐患的前提下可直接于坍塌面打锚杆并挂网喷锚，将坍塌范围内土体局部加强。当坍塌面较大、深度较深或掌子面及基坑均见明水，坍塌情况已影响到基坑安全时，则首先应进行回填压底，同时对井体加强沉降监测，确定井体无虞后，可从回填后基坑面斜向打注浆管至坍塌部位，实行注浆加固，即将软弱土体做复合加固处理，待加固体系形成后，方可进行下一步作业。

图4 侧壁坍塌现场Fig.4 Site diagram of Side wall collapse

4 结语

逆作法在西北地区有一定应用经验，属于本地的“土办法”，完成后的结构可作为永久性结构，也可作为临时支护措施，因其施工速度快、安全性高、经济性佳、占地较少、施工过程遇障碍处理灵活等优点，深受当地市政部门好评。经过多年的实践证明，逆作法有确实的可行性，既节省了作业空间，又保证了施工速度和安全，存在的主要问题是目前没有针对性的规范来指导设计。本文结合实际工程案例及相关规范，总结了逆作法施工井体的设计原则和参数选取以及施工要点，以供相关设计及施工人员参考。

［1］JGJ 165－2010地下建筑工程逆作法技术规程［S］.北京：中国建筑工业出版社，2010 JGJ 165－2010 Technical specification for top-down construction method of underground buildings［S］.Beijing：China Architecture＆Building Press，2010

［2］DG／TJ08－61－2010基坑工程技术规范［S］.上海：上海市建筑建材业市场管理总站，2010 DG／TJ 08－61－2010 Technical code for excavation engineering［S］.Shanghai：Shanghai building materials industry market management station，2010

［3］刘国斌，王卫东.基坑工程手册（第二版）［M］.北京：中国建筑工业出版社，2009 Liu Guobin，Wang Weidong.Excavation engineering manual（The second edition）［M］.Beijing：China Architecture＆Building Press，2009

［4］DG／TJ 08－2113－2012逆作法施工技术规程［S］.上海：上海市建筑建材业市场管理总站，2012 DG／TJ 08－2113－2012 Technical specification for construction of top-downmethod［S］.Shanghai：Shanghaibuildingmaterials industrymarketmanagement station，2012

［5］徐至钧，赵锡宏.逆作法设计与施工［M］.北京：机械工业出版社，2002 Xu Zhijun，Zhao Xihong.Design and construction of reverse construction method［M］.Beijing：China Machine Press，2002