管线沟槽开挖支护设计及关键技术综合应用

张亦弛 吕旻 王旭明 王洪

【摘要】 城市污水管道串联起了整个城市的给排水系统，它关乎污水的治理排放，是城市供水建筑施工时重要的一部分。然而在当下给排水建筑的施工过程中，地下管道越来越多样化、复杂化，城市更新多变性导致施工难度逐渐增高，对施工中的安全性带来更高的挑战，同时随着市政工程各项验收标准的完善，对施工质量也提出了更高的要求。本文结合竹园污水处理厂四期工程1.5标工程，重点阐述根据岩土工程勘察报告及现场勘探情况，针对复杂多样的地下管道而设计出的三种不同管道施工围护形式——拉森钢板桩施工围护;PC钢管工法桩施工围护;横列板施工围护。同时本文也会对不同围护形式的施工要点，例如工程地质、水文地质条件、周边环境、基坑挖深深度，分段支护等，逐一进行探讨、分析。

【关键词】：管道施工围护;拉森钢板桩施工;PC钢管工法桩施工技术;横列板施工;分段支护

1、前言

在城市排水管道施工过程中，存在着施工环境等因素的限制，管线沟槽支护形式复杂，地质条件较差以及埋深较深导致施工困难等诸多问题。而软土土质给管线沟槽的开挖施工带来了明显的危害，例如在开挖过程中，容易出现的沟槽边坡滑坡甚至塌方，还有基础处理不妥导致的不均匀沉降等。而为了保障施工安全及质量，需要有完善的、合理的沟槽支护方案来保证工程施工的进度、安全及质量。

2、工程概况

2.1 工程简介

竹园污水处理厂四期工程位于浦东高东镇，用地南至华东路，东至洲海路，西至规划高东二路，北至外高桥船厂。竹园污水处理厂四期工程用地面积58.70h㎡，工程规模120万m³/d，本标段为竹园污水处理厂四期工程的ZYSQ1.5标，位于70万m³/d厂区（东侧地块）内，具体内容包括新建70万m³AAO生物反应池、平流式二沉池、雨水泵房、污水泵房、碳源投加间及本标段范围内管道及箱涵等构筑物。

2.2 管线沟槽设计方案概况

本工程涉及室外管道种类繁多，包括：雨水管、污水管、污泥管、反冲洗废水管、工艺管等。

其中雨污水及工艺管道采用开槽埋管形式施工，根据设计图纸要求，管径≤300的管道采用白色 HDPE 排水管，φ500～φ1200 的排水管采用承插式钢筋砼管，使用“O”形橡胶圈接口。厂区雨污水泵房出水管和特殊注明的管道采用球墨铁管或钢管。

同时，埋深在3m以内采用了横列板桩的围护形式，在 3 米～7m 之间的采用拉森钢板桩围护，埋深在 7米以上则采用 PC 钢管工法桩围护。管道底部采用 5 米深的φ800@500 高压旋喷桩地基加固，两侧采用 1.5 米宽的双液注浆作为止水帷幕。

2.3 水文地质条件

本工程场地潜水主要存在浅部土层（①1层填土和②3 层粉性土厚度较大，富水性强）中。⑤2 层为微承压含水层，⑦1层、⑦lt 层承压水含水层。（微）承压水位年呈季节性变化;水位埋深一般在 3m～11m 左右为微承压含水层，水位埋深一般在 3m～12m为承压水含水层。

3、管线沟槽基坑难特点

3.1 管线种类多且复杂

作为市政污水处理厂，工程室外管线种类多，长度长，标高多。管线交错复杂，其中加药管约长533m、消防管长约 1.7km、给水管约2.2km长、回水管约2.2km长、雨水管约 2.1km长，各类管线埋深均不相同，位于1.6m～5.8m处。

对此，本工程采用分区分段施工，随着污水处理池主体结构施工，沟槽开挖穿插进行。尽量减少基坑开挖过程中，对周边临时道路及主体结构施工的影。具体实施细节为先开挖施工最深处管道，待回填后开挖施工横向的浅层管道，浅层管道基础也按先深后浅的原则进行开挖施工。

3.2 同截面多根管道，施工要求高

本工程管线存在多种情况，同一截面处有多根管道，有垂直排布及水平排布，且挖深不一致，所以支护形式需要有多种形式。

对此，采用了不同的沟槽支护形式，如埋深在3m以内采用了横列板桩，在 3 米～7m 之间的采用拉森钢板桩围护，埋深在 7米以上的采用 PC 钢管工法桩围护。三种不同的基坑支护形式，在兼顾经济基礎上，不仅满足施工进度的要求，同时保证了基坑开挖过程中的安全性。

3.3 施工区域广，不良地基影响大

本工程的部分施工区域存在围护结构边界长且情况复杂的问题。填土层、明暗浜、地下管线、老基础复杂地分布在不同区域，不同埋深处，这些情况各异且不良的地基对围护结构的形式及施工质量提出了严峻的挑战。

对此，本工程预先对不良的施工区域进行清障施工，清障深度至地下3米处。针对场地内存在明暗浜的情况，采取了管道施工前进行开挖清淤处理并使用高优质粘土回填、压实的措施。

4、支护方案对比选择

针对软土地基，挖深相对较浅的基坑，有如下几种常用的支护形式：放坡开挖、水泥搅拌土重力坝、型钢支护、SMW工法桩、灌注桩加止水帷幕等。

结合本工程地下水位较高，以淤泥质土、软粘土为主的地质特点，考虑到现场施工的安全性、可靠性以及经济合理性，本工程使用了以下三种支护方案。

4.1 PC钢管工法桩

本工程最大挖深为8.73m，对于挖深大于 7m 的沟槽，工程采用PC钢管工法桩进行围护施工。钢管桩与拉森Ⅳ型钢板桩相互扣打， 规格为 12m钢管桩+9mⅣ拉森钢板桩;双拼36b钢支撑、围檩;沟槽两侧采用双液分层注浆、底部Φ800@500高压旋喷桩进行加固。

4.2 拉森钢板桩

对于挖深在3 米～7m 之间的沟槽，工程采用规格为12m的拉森Ⅳ钢板桩，双拼36b槽钢围凛、支撑。并且沟槽底部使用Φ800@500高压旋喷桩，两侧采用双液分层注浆，以此进行加固。

4.3 横列板桩

挖深在3m以内的管道沟槽采用了横列板桩，规格采用了横列版、竖列板及 @3000铁撑柱支撑。并且沟槽底部使用Φ800@500高压旋喷桩，两侧采用双液分层注浆，以此进行加固。

5、关键施工技术

5.1 施工部署

5.1.1 施工总体部署

本工程管道沿污水池周边布置，部分穿插进池壁内，具体管道设计布置见图6，其中考虑到结构施工阶段，与污水池穿插施工，分为12个区，施工顺序依次为A 区→B 区→I、L 区→H 区→G 区→C 区→D 区→J、K 区→F、E区。

本工程管道施工共有三个阶段。第一阶段：施工沟槽围护范围内及永久厂区道路投影下的管线（工艺、污水及雨水等）。A-H，JK 区上部均有厂区永久道路，埋管完成后先施工至 C25 钢筋砼路面层（除沥青层），便于后续翻交及临时交通。第二阶段：非永久道路区域，室外场地回填至 4.65m 后，开挖敷设浅埋管线（中水、给水、消防及电缆沟等）。第三阶段：与本标段或非本标段构筑物连接管线通管施工。开挖并凿除围护 prc 管桩埋管接入构筑物后回填。

5.1.2 施工机具选择

工程采用2台PC200（1m³）挖掘机以及1台PC200（0.4m³）挖掘机进行管道沟槽的开挖。同时，为现场施工方便，使用三辆HLJ560（10t）自卸车，2台切割机以及5台4BA-18的水泵进行辅助施工。

5.1.3 施工总体工况

根据本污水处理厂主体结构施工的进展，管道附属设施将逐步推进施工，总体工况共可以分为以下这四个工况，分别为：

（1）施工工况1：场地清障整平后打设围护桩及底（侧）加固，随后开挖较深沟槽。

（2）施工工况2：由深至浅依次埋管，待较深侧沟槽回填完成后，开挖浅侧沟槽埋管。

（3）施工工况3：本场永久道路底部管道敷设并回填完成后，拔除围护桩，对桩孔进行灌浆处理，随后向上施工路面结构至C25混凝土路基层。

（4）施工工况4：非永久道路区域，室外场地回填至4.64m后，开挖敷设浅埋管线。

5.2 拉森钢板桩施工技术

拉森钢板桩主要针对于本工程中开挖在7m以下的沟槽支护情况。

施工流程：首先定位放线确定钢板桩位置，接着开挖沟槽、安装导梁。施工拉森钢板桩，施工桩完成后拆除导梁，进行挖土工作，完成管线安装后可回填土方，最后拔除拉森钢板桩并进行注浆处理。

拉森钢板桩施工工况：

（1）第一种围护形式施工：拉森钢板桩施工、PC钢管桩施工。

（2）第二种围护形式施工：高压旋喷桩施工。

（3）土方开挖：首先开挖至第一道支撑以下1m，第一道支撑完成后再进行土方开挖至设计底标高。

（4）管道施工：管道施工原则为先深后浅，此处直接施工φ600污水管道，施工完成后回填土。

（5）回填完成后，将拉森钢板桩拔出，并使用压密注浆进行封堵。

5.3 PC钢管工法桩施工技术

针对埋深于7m以上的管线沟槽支护的情况，采用 PC 钢管工法桩围护。由于同截面管道中分布形式的不同，本工程中PC钢管工法桩技术主要存在两种形式，同截面单管支护和同截面多管支护。

5.3.1 施工流程：

PC钢管工法桩施工流程为，先进行桩基放样，同时完成桩位复测，随后开槽、设置导向架，插入钢管桩并进行位移控制与垂直度检测，进行管线施工，最后将钢管桩拔除并且注浆压至密实完成施工。

5.3.2 同截面单管支护施工技术

（1）第一种围护形式施工：拉森钢板桩施工、PC钢管桩施工。

（2）第二种围护形式施工：高压旋喷桩施工。

（3）土方开挖：首先开挖至第一道支撑以下1m，完成第一道支撑后开挖土方至第二道支撑，完成第二道支撑后开挖至第三道支撑，最后开挖至设计底标高。

（4）管道施工：管道施工原则为先深后浅，单管支护直接施工φ600工艺管道，施工完成后回填土。

（5）回填完成后，将拉森钢板桩及PC钢管桩拔出，拔出后使用压密注浆进行封堵。

5.3.3 同截面多管施工技术

（1）第一种围护形式施工：拉森钢板桩及PC钢管桩施工。

（2）第二种围护形式施工：两侧采用高压旋喷桩进行土体加固，基地采用高压旋喷桩进行土体加固。

（3）土方开挖：开挖至第一道支撑以下0.5m，第一道支撑完成后再进行土方开挖至第二道支撑，第二道支撑完成后开挖至设计底标高。

（4）管道施工：对于同截面多管支护，首先施工φ1000污水管，完成后进行回填。再施工DN800污水管，同样完成后就进行回填。最后施工φ1350雨水管，最后进行土方回填。

（5）回填完成后，将拉森钢板桩及PC钢管桩拔出，拔出后使用压密注浆进行封堵。

（6）为缓解现场交通压力，先施工永久道路中15cm砾石砂及30cmC25钢筋砼，且在最底层铺設80cm石灰土。

5.4 横列板施工

横列板施工主要针对于本工程挖深小于3m的沟槽支护情况。其施工方法为，首先开挖土方至 1.2m深度，使用撑头挡板对土壁进行及时支撑，且撑板的高度一般控制在 0.8m左右。在支护时，横列板要求水平放置，其深度应确保到基础面。若有横穿沟槽的地下管线的情况，则管线上下方的撑板一般离管线 0.1m，对管线应视具体情况可分别采用吊、撑、托、包等保护措施。

6、基坑监测数据分析

本工程在基准点、测点、监测原件完好以及观测工作条件优良的情况下对管道工程进行每日监测，并有详细数据体现管道沟槽围护的安全性以及可靠性。

在沟槽基坑开挖以及降水施工过程中，基坑周围地基土、基坑侧壁土体应力的变化是导致基坑支护结构变形的因素之一。这将直接危及基坑的稳定性和附近建（构）筑物的安全。因此在施工过程中，需要通过监测，时刻掌握沟槽基坑的变形情况，并且对此进行分析，同设计要求进行比较，及时调整，确保施工安全。

在本工程管道沟槽施工中，一共有八处监测点，分别为：CX1、CX2、CX3、CX4、SW1、SW2、SW3、SW4。并且经过严格的监测，有以下监测数据如下图所示。

在开挖过程中，基坑内侧水平位移变化最大，累计达到54..8mm，同时数据显示冠梁、支撑、围檩无裂缝产生;墙后土体无沉陷、裂缝及滑移现象产生。

纵向的基坑边缘处受到横向结构的支撑挤压，垂直位移受土体阻力的减小，因此有向上抬升，轻微隆起现象的发生，垂直位移累计变化为-88.4mm，然而这一数值在规定范围内，支撑、立柱并无变形产生;并且沟槽底部无涌土、流沙或管涌等现象产生。周边建筑、道路无裂缝产生且未有异常沉陷情况。

同时经过严格的监测，地表水、地下水状况未发现异常;且基坑降水设施运转正常。管道沟槽开挖及施工过程中，管道无破损等异常情况且未有泄漏情况发生。

因此，经过严格的数据监测，本工程使用的三类围护结构：横列板桩、拉森钢板桩围护及 PC 钢管工法桩围护均未出现结构变形、破坏、渗漏水等情况，对临边道路建筑影响较小，具有优秀的安全性与可靠性保障。

7、结语

综上所述，本工程室外管道开挖支护应用了三种不同形式的围护形式，经过实际现场施工取得了良好的效果。本工程中所采用的拉森钢板桩、PC钢管工法桩及横列板桩这三类管线沟槽围护施工技术可以应对不同开挖深度的需求，同时在各自相对应的开挖深度中均具有优异的可靠性、安全性及有效性。这三种管线沟槽围护施工技术进一步提高了沟槽开挖的效率，为施工后续阶段的施工打下了良好的坚实基础。本工程对城市污水管道铺设工艺进行优化，解决城市复杂多变的给排水难题，为建设合理、稳定、高效的城市给排水系统添砖加瓦。

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作者简介：张亦弛（1994-），硕士，助理工程师。

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