城市暗涵施工技术研究

(1.河南省白龟山水库管理局，河南 平顶山 467000；2.平顶山市孤石滩水库管理局，河南 平顶山 467233)

城市地下暗涵管网是城市水、电、气、通信等基础设施的重要组成部分，对城市地下暗涵管网等市政设施进行改建、新建、扩建，就需要对施工方案进行充分论证，确定最优的施工方法。目前，传统的挖槽埋管地下管线施工技术对地面交通和周边环境影响较大，特别是在城市和施工区域狭小的地区及不允许开挖的地段，这类矛盾尤为突出。而且，传统的施工方法在河道岸边施工时，由于荷载巨大易造成河坡失稳而发生安全事故。因此，市政工程如何在保证工程正常进展的同时最大限度地减少施工占地，降低对现有生态的破坏，减少对人们日常生活的影响，已经成了一个急需解决的问题。本文通过平顶山市湛河治理项目工程实例，对城市暗涵施工技术进行分析研究，较好地解决了城市施工与环境及安全之间的问题。

1 城市暗涵工程概况

研究依托平顶山市湛河治理项目，以建设生态城市为目标，在内河段的南岸新建一条排污管道——湛南暗涵，工程线路见图1，通过收集内河南岸污水，截流现状排入内河的雨、污合流管道，防止污染内河，对这条城区内河实现综合生态整治。

图1 湛南暗涵工程整体路线图

平顶山市湛河，流经平顶山市区，全长42.30km，其中，主城区段为内河，全长6km，在内河段的南岸新建的排污暗涵管道全长5774m，具体分布见表1，施工总体平面布置(W2～W7部分)见图2。

表1 顶管施工段设计概况

注上表中未列出的W1～W2、W7～W8、W21～W22穿越既有桥梁，地下管线、管道等障碍物较多，采用明挖施工。

图2 施工总体平面布置图(W2～W7部分)

2 研究解决的关键问题

2.1 确定顶进施工技术和方法

沿途地面多为岸坡绿化植被与堤顶公园，为减少开挖对交通的影响和生态的破坏，计划采用顶管施工。顶管段全长5496.60m，管段设计采用柔性接头钢承口管，混凝土强等级不低于C50，抗渗等级不低于P8。管道传力面上用胶黏剂黏环形木垫圈，橡胶圈柔性接口，钢承口接头的钢套管与混凝土的接缝采用聚硫密封膏勾缝。顶管设计直径为2200mm、2400mm，最大埋深12.50m，一次顶进距离最长240m。

由于该项目沿线障碍物管线较多，为保证施工安全，避免地勘物探资料偏差造成顶进事故，同时又要确保顶进质量、进度，需对有障碍物管线的段落和无障碍物管线的段落采用不同的施工方法。

2.2 对工作竖井支护体系进行优选

为保证2400mm管道顶进，应采取适当工艺，以确保陡峭河坡边进行大尺寸工作井施工的安全；对于2400mm的大管径，进行240m长距离顶进时，顶力较高，需设计合适的工作井参数，提供足够的支撑力，以保证管道顶进安全。

3 顶进施工技术和方法的选择

3.1 有障碍物管线的段落

机械顶管方法以泥水平衡、土压平衡两种方法使用得最为广泛。采用泥水平衡顶管，庞大的地面泥浆池及配套处理设施无法布置；而土压平衡地面设备简单、占地少，场地经简单平整后即可使用，减少了对周边生态环境的破坏。泥水平衡的弃渣呈流态，市区运输及施工过程中，大面积泥浆池的安全防护以及施工完毕后泥浆池的回填处理成本较高；而土压平衡产生的弃渣为自然土方，直接外运即可，施工方便且成本低廉。泥水平衡整体设备多、耗电量大，作业时噪声大；而土压平衡功耗低，小功率的发电机、泥浆搅拌机即可满足要求，整体噪声小。因此，土压平衡比泥水平衡更适合在城市中进行施工。

3.2 无障碍物管线的段落

无障碍物管线的段落，采用顶进面敞开的非机械顶进。该方案包括人工顶管和半机械(扒渣机)顶管。人工顶管劳动强度大、施工安全性差、效率低。半机械顶管在人工顶管的基础上，辅以扒渣机进行土方开挖，开挖速度快、效率高，当障碍物管线位置与地勘物探资料不符，出现偏差且位于顶进截面时，便于采取应急处理措施，安全性高，适宜于大管径顶管。

4 工作井的选择

4.1 工作井尺寸及形式

工作井尺寸应便于顶管施工需要，根据相关顶管施工技术及验收规范计算。

按照顶管长度确定工作井长度计算公式见式(1)：

L≥L1+L3+K

(1)

式中L——工作井的最小内净长度,m；

L1——顶管机下井时最小长度,m，本顶管采用DK型土压平衡刀盘，取4.5m；

L3——千斤顶长度,m，一般可取2.5m；

K——后座和顶铁的厚度及安装富余量，取2m，以便顶管配套设备安装。

此时，L≥4.5+2.5+2=9m。

按照下井管节长度确定工作井长度计算公式见式(2)：

L≥L2+L3+L4+K

(2)

式中L——工作井的最小内净长度,m；

L2——下井关节长度,m，一般可取2.5m；

L3——千斤顶长度,m，一般可取2.5m；

L4——留在井内的管道最小长度,m，一般可取0.5m；

K——后座和顶铁的厚度及安装富余量，取2m，以便顶管配套设备安装。

此时，L≥2.5+2.5+0.5+2=7.5m。

综合上述两种情况，工作井在顶进方向上最小长度应取9m，属于大尺寸、大埋深工作井。目前，常用工艺有沉井法和竖井法。但由于本研究项目沉井布置在河道大堤上，过分靠近边坡，沉井的巨大重量作用在坡顶，易使边坡失稳，沉井将向河道倾斜而发生质量与安全事故。因此，竖井更适合作为内河岸坡内顶管工程工作井。同时，考虑到工作井的稳定性，顶管工作井的形状宜采用圆形。

4.2 工作井结构

目前，竖井围护体系常有旋喷桩、钻孔灌注桩、SMW工法桩等。旋喷桩施工占地少、噪声污染较低，但浆体不易控制，易造成漫流而污染环境，成本较高，桩体强度相对较低；SMW工法桩是在旋喷桩的基础上内插型钢进行补强，以提升井壁整体强度、刚度和稳定性，施工时也易污染环境；钻孔灌注桩作为围护体系，其强度、刚度、稳定性均明显高于旋喷桩和SMW工法桩，但钻孔灌注桩配套的泥浆池占地较大，不适用于本研究项目的狭小场地。

通过上述比较，三类桩体均不宜用作竖井围护体系，但综合三类桩体的特点进行改进、优化、创新可得到良好的支护体系，即型钢支撑钢筋混凝土井壁，该支护体系在钢筋混凝土井壁内辅以型钢进行支撑，是一种新型结构型式，其特点是：井壁采用钢筋混凝土结构，强度高、无污染；钢筋混凝土井壁内部辅以型钢进行支撑，提高井体稳定性；型钢在现场直接采用机械打入土体，快捷方便，占地少，且能立即提高强度，提高竖井施工速度，符合现场施工条件见图3。

图3 顶管工作井新型结构型式

4.3 井壁参数设计

4.3.1 工作井参数

井壁根据顶力计算结果，采用C35P8钢筋混凝土结构，由上向下厚度分别为45cm、60cm、80cm，每层高度4m，井壁下方再采用80cm厚底板、10cm垫层进行封底。由于每个工作井深度不同，进行分层高度设定时，依照由下向上依次满足的标准进行，即：由底板向上先设置4m高度的80cm厚井壁；剩余高度再设置60cm厚井壁；仍未富余时，全部设置为45cm厚井壁；井壁顶部再设1条40cm×100cm的L形冠梁见图4。

图4 内径9m工作井结构设计图(单位：mm)

4.3.2 接收井参数

与工作井类似，分层高度均为4m，由上向下厚度分别为40cm、50cm、60cm，分层高度标准与工作井相同，依据实际井深设定见图5。

图5 接收井结构设计图(单位：mm)

工作井和接收井井体施工时，钢筋绑扎、模板安装、混凝土浇筑振捣作业等均采用人工分层作业，将高支模施工化解为普通钢筋混凝土作业，且随着竖井逐层加深，重心逐渐下移，井体更趋稳定，确保了大深度顶管工作井施工安全。

4.4 型钢参数设计

竖井采用逆作法由上向下施工，当每层井壁下方承重土体被挖空，没有型钢支撑，仅依靠井壁与周边土体的摩擦提供竖向支撑时，根据井壁厚度与配筋计算型钢参数如下：

深12m、内径9m工作井完成10m井壁，挖空最后2m井壁和80cm底板的土方后，自重6068kN。安全系数为1.5时，需要的最少竖向支撑为9102kN。

井壁与周边土体的摩擦力为5044.5kN，小于9102kN。

此时，井壁与周边土体摩擦提供的竖向支撑无法保证井体稳定，需要采取型钢支撑以确保井体施工安全。

根据计算，采用新型的22b工字钢进行支撑，工字钢位于井壁混凝土内部，与井壁钢筋焊接成整体。工作井采用8根22b工字钢，均匀、对称布设于井壁内，顶部与冠梁平齐，底部深入垫层以下6m。接收井采用6根22b工字钢，布置方式与工作井类似见图6。

图6 工作井、接收井22b工字钢布置示意 (单位：mm)

深度较小、土质较软的井位，将挖掘机进行改装后即可进行工字钢试打；深度较大、土质较硬的井位采用专用振动锤试打即可保证施工质量；工字钢试打到位后即可为井位施工提供竖向支撑，高效、快捷。

通过以上分析，型钢相比于以往的灌注桩、旋喷桩、SMW工法桩等竖井支护体系，现场采用挖掘机改装的振动锤即可施工，快捷、简便，成本低廉，且无泥浆、水泥浆对环境造成污染。

4.5 顶管施工工艺流程

经过上述比选和设计，湛南顶管工程采用圆形型钢支撑悬挂竖井作为井体结构，根据障碍物管线情况，以土压平衡顶管为主，配合半机械顶管，利用双向顶进的方式进行顶管施工，施工工艺流程见图7。

5 型钢支护竖井体系应用效果分析

a.型钢支护竖井体系施工方便，现场采用由挖掘机改装的振动锤即可进行施打，高效、快捷；强度形成快，高强度的型钢施打完毕后即可为井壁提供有效支撑，相比传统施工工艺，节省了桩体养护时间，使顶管井位施工工期明显缩短。

b.型钢支护竖井体系采用逆作法由上向下，将井体分为多层施工，将传统沉井的高支模体系转变为普通钢筋混凝土作业，施工难度大幅降低，工效提高。

c.经济效益显著。相比于传统沉井，型钢支护竖井体系不需要设置刃脚，仅刃脚这一部分就节省了大量的材料成本。

图7 顶管施工工艺流程

d.相比传统沉井、旋喷桩竖井、灌注桩竖井、SMW工法桩竖井，工期提前11天。湛南顶管31个井位，节约刃脚材料、高支模钢管、人工等费用115.2万元。

6 结 论

通过对河道边暗涵施工技术的分析，并充分考虑河道边进行大尺寸顶管工作井施工的安全问题，采取型钢支护竖井体系进行顶管施工，解决了传统沉井在河道边施工容易因为自重造成河坡失稳的问题。型钢支护竖井体系也将沉井的高支模施工化解为普通钢筋混凝土作业，且随着竖井逐层加深，重心逐渐下移，井体更趋稳定，确保了陡峭河坡边进行大尺寸、大深度顶管工作井施工安全。同时，施工工艺的改进保证了工程正常进展，最大限度地减少了施工占地，降低了对现有生态的破坏，减少了对人们日常生活的影响。