逆作法技术下涵闸工作井施工优化研究

彭耀蒋

(广东省源天工程有限公司，广东 广州 511340)

1 工程概况

广东省西江干流治理工程德庆段整治堤段总长度为7.57km，其中江滨堤位于西江干流左岸，本堤段整治共分3段：桩号分别为JBO+000～JBO+785.098(上)，JBO+785.098(下)～JB6+742.473(上)、JB6+742.473(下)～JB7+286.708拆除涵闸12座，新建涵闸1座。堤顶道路为C25预制砼路缘石，水泥碎石砂垫层厚200mm，C30砼路面厚200mm。新建涵闸工作井工程是本项目的施工重难点，由于该段地质条件恶劣，主要为砂质地层，使用沉井法施工出现突然下沉、井体偏移、涌砂等现象。现改用逆作法施工作业，文章将阐释该堤段工作井施工的主要技术流程、方法和优劣势。

2 工作井的逆作法施工工艺

2.1 逆作法的施工工艺原理

涵闸工作井、接收井、地下综合管廊等工程中，通常采取明挖的方法。而在一些特殊的地质环境中，由于开挖难度大，对周围环境影响恶劣；或在一些特殊的地质环境中，采用明挖法已无法满足工程的需要，此时就采取更为理想的逆作法施工工艺。在涵闸工作井、接收井和综合管廊中采用逆作法，可以有效地解决实际问题，采用适当的施工方法，可以确保工程的安全，还能为项目增收效益[1-3]。

本标段在施工过程中，沉井支承在软弱不均的土壤中没有进行任何加固，在钻孔灌注水泥后，发生了不均匀的基础塌陷，从而导致了井筒开裂。经方案对比和专家研究，提出了使用逆作法进行涵闸工作井施工的专项对策。逆作法的具体实施工艺简单介绍如下：

高压旋喷桩施工(紧贴着外壁施工，可以作为止水帷幕阻断地下水进入)→分节土方开挖→分节绑扎钢筋→分节支模→分节浇筑混凝土→底板混凝土浇筑(底板模板、顶部土方回填、周围交通恢复)

2.2 高压旋喷逆作法施工

2.2.1主要施工内容

该段工程施工过程中，根据现场情况采用常规做法和逆作法相结合的施工手段，接收井内径均为7m，均采用高压旋喷桩逆作法施工，顶管工作井采用常规做法(沉井法)施工。井底为300mm厚C15砼，底板厚度400mm，φ600旋喷桩洞口加固四排@350mm×350mm，深入底板以下不小于2m且进入不透水层500mm。拱墙水平方向分6段施工，拱轴线沿曲率半径方向的误差为±40mm，不平整度小于50mm。

2.2.2主要施工方法

高压旋喷桩的灌浆固结体存在着诸多的质量问题，在选定了一种特殊的高压旋喷管后，其灌浆技术是影响成品桩稳定性的一个主要因素。使用高压旋喷注浆法喷灌时，遵循由下至上，连续进行的喷灌规则。若在施工过程中发生停机故障，经修复后继续喷灌时，应向下延伸至500mm，以确保成桩的整体性[4]。由于自然基础地质条件复杂，沿深度变化大，土层种类繁多，其密实度、含水量、土壤颗粒组成、地下水状况等各方面都有很大差别，如果只采用一个工艺参数进行旋喷注浆，就会产生直径不均匀的固体颗粒，造成旋喷直径不均匀，从而影响到成桩的承载力。因此，针对不同的地质情况必须采用相应的注浆技术，尤其在较硬、粘性较大的地区，机器在较深的土壤中作业时，可采取适当降低提升速度、转动速度、增加旋喷压力等措施。在不改变旋喷技术参数的情况下，重复灌浆(从上往下、下钻、再喷)可以增加土壤有效破坏长度，这样可以增大固结体的直径和长度；再次喷射时，可重复多次喷射，以使固结体的直径加长效果更加显著[5]。

旋喷时，井口经常会出现一些土壤微粒，当一些泥浆从注浆管的管壁处冒出时，观测冒浆程度能及时掌握地层情况，由此判断出旋喷的大致效果和参数设置的合理性。经验表明，冒浆(含土粒、水、浆液)低于注浆20%是很正常的现象，如果大于20%以上或者根本观察不到冒浆现象，则必须找出原因并采取相应的处理[6]。通常有两种情况：当流量保持恒定，压力骤降时，应对该位置进行检查，如有需要，拔去灌浆管道，检查密封效果；发生不发浆、间歇冒浆、周围土松软等，均视为正常现象，喷浆量可适当增加。如果周围有空洞、暗道，此时不能将注浆管提起，而是继续注浆，直到喷浆结束，或将注浆管拔出，等待浆液固化后再注浆，直到喷浆结束。

造成冒浆率过高的主要原因，通常是由于有效喷出区域与注浆不匹配、注浆量远大于旋喷加固所需要的浆量。可通过3种方法减少冒浆量：提高旋喷压力(喷浆量不变)；适当缩小喷嘴直径(旋喷压力不变)；加快提升和旋转速度；

3 井体护壁施工

3.1 施工过程

在灌注桩施工完毕后，首先进行一次开挖，将桩头多余的部位凿掉，清除至一层的设计高程，再进行钢筋绑扎。接着是井壁钢板的安装，最后进行井壁混凝土、井口圈梁混凝土的施工和养生。为加快施工进度，在第一次浇筑混凝土后，立即用遮阳网将沉井包裹起来，并在里面安装电热空气罩，利用热气进行加热，使水泥凝固的速度更快。按照上述方法，通常在24h后就能完成模具的内部拆卸，进行下一阶段的施工。施工工艺流程如图1所示。

从2段起，分层开挖，纵向上各段的长度不得超过1.7m。在普通的土壤中，每个节段的高度是1000～1700mm，而一次的基坑深度是1.7m。在井壁顶端增设锚固筋，采用电钻钻孔与钢筋笼组合，这种工艺能有效地防止因自身重量增加而导致的井壁下沉。根据挖掘深度，将土方开挖分为机械挖掘和手工挖掘两种。挖掘方法是通过起重机将土体送到地表，然后由自卸车运出。施工过程中要做到分层、均匀、对称，不得超挖，不得在基坑周围堆土。值得注意的是，上一层的混凝土强度应大于设计强度70%方可进行下一层土方开挖。

第一模基坑施工完毕后，即可进行首模钢筋、模板制作。在对井壁进行加固时，应特别注意预留钢筋的长度不能低于10d。施工时，应在预留出一节第二段的井壁钢筋，预留筋长度需满足规范要求。主钢筋的连接全部为焊接，在相同的截面上，焊缝的数目不大于50%，两个焊缝之间的间隔大于30cm。如果是最后一道模具，则要将钢筋弯曲90°，然后与基材进行焊接，且在每个截面上都分别布置三层锚杆，间隔50cm，锚杆长度30cm。开挖第二模、第三模以及最后一模的深度应该视土壤条件而定。通常情况下，若此时土质为粘土，按照1.0～1.5m深度开挖，若是淤泥，则按照1.2～2.0m的深度开挖[7-8]。钢筋做加工处理时，应当确保上一模有清洁的表面，并完整清除预留的插筋，此后方可进行焊接。

图1 井体护壁施工施工工艺流程

考虑到混凝土的浇注及混凝土的振动，沉箱模板使用钢模板，其模板直径为4.45m×1.5m，在接头处进行了胶浆密封，以确保混凝土表面光滑，延长了模板的使用寿命。在模板外侧，用三角斜拉法支撑，为提高斜拉柱与基础的接触面，在立柱下方加一块木板，以保证其与斜撑的稳定。另外，为保证模板的侧向强度，在斜拉杆与模板接触面处设置有肋板，以加强模板的稳定。为了保证混凝土的外观颜色，脱模剂的型号需相同。在进行安装前，首先要检查模板材质是否满足要求，然后将模板吊装到适当的位置，接着安装斜撑，最后连接相邻的模板。为了便于浇筑和振动，在安装过程中，模板必须与竖直方向保持一定的倾斜[9]。为保证井身垂直，在每个井段注浆时，必须对井壁的中心和垂直度进行检查，使井眼的半径误差不大于40mm，不平整度不大于50mm。

在上道拱墙封闭后，其混凝土强度必须达到设计强度的70%以上才能进行下道拱墙的施工；上下拱墙体采用竖向排列时，两墙体应设不少于2m的间隙。拱墙施工讲究施工的连续性，每一拱墙至少需要保证24h施工时间，并视混凝土速凝剂的作用和温度确定拆模时间节点，每道拱墙的施工时间一般均低于24h。在施工过程中，要关注气象预报，如遇恶劣天气，应立即停止施工。如果在施工过程中遇到正常的细雨，在已经挖好的拱墙部位，采用编织布罩，并开启水泵，防止雨水长期浸渍。如果出现大的变形，则采用碎石对已经开挖的拱脚进行回填。此外，必须建立监测点，严密监测井的水平位移、相邻建筑物的变形以及地下水位等。若在施工中发现与测量数据有很大差异，应立即与业主、监理、设计单位进行协调。

3.2 护壁受力分析

工作井的施工工艺主要有以下两种：一种是分层挖土，分段砖砌或现浇混凝土护墙，一步一步地往下挖，直到承力层，即护壁法；在浇注混凝土之前，墙外土层和地下水的水平压力会影响到井眼护壁的应力状态。在此对第一种方式进行分析。

近几年，在排水工程中，施打止水桩技术是一种很重要的施工技术。这是由于护壁井施工简单，施工质量好，施工噪音小，施工设备简单易操作，施工速度快的优点。在工作井建造中，尽管在成井质量和安全作业方面已经取得了一些成功的经验，但是仍然存在着许多问题，特别是井筒容易受到破坏，造成了工程建设的浪费。因此，井下护壁止水桩的设计越来越受到关注。根据墙体的构造条件及墙体内土体的应力状态，确定荷载分析方法。据此，可以将护壁视为各单元墙体背后的平均土压[10]。在没有地下水的情况下，土壤的压力是：

Q1=γHtg2(45°-φ/2)

(1)

当有地下水时：

Q2=γhtg2(45°-φ/2)+(γ-γw)(H-h)
tg2(45°-φ/2)+(H-h)γw

(2)

式中，Q1、Q2—在没有地下水和地下水情况下，最大侧压强度，kN/m2；γ—壁后土的天然容重，kN/m3；γw—水的容重，kN/m3；H—井的护壁深度，m；h—地面至地下水位深度，m；φ—坑壁土内摩擦角，(°)；tg2—tan2，在数学“tg”与“tan”同义。

有时地表上会产生施工荷载，例如开挖弃土、砂石材料等，因此，在计算水平压时，必须把地表荷载转换为相当厚的土层。假定在地面上施加的每一单位面积的荷载是P，那么换算的土的厚度就是P/y，因此Q1也可以写成：

Q1=γ(H-P/γ)tg245°-φ/2

(3)

4 逆作法与常规做法优势比较

4.1 工期比较

本项目同时使用了逆作法施工和常规沉井法法施工，逆作法不仅更能适应该标段的环境，而且在工期成本上还具有相当大的优势，其对比分析如下：

(1)沉井逆作法工期分析

旋喷桩部分共计花费11d，第一层井壁(壁高1.40m)施工完成共计5d，二层以上井壁均为标准层，层高都为1.7m，施工耗时总共为25d。井底使用素砼封底，其中包括模板架设、混凝土浇筑、养护及拆模，此工序总共耗时3d，工期合计：养生3d+旋喷桩11d+倒挂井31d=42d。

(2)常规沉井施工法工期分析

常规沉井法在本工程中由于地质条件较差，其施工所耗费时间比常规时间更多。经过测算，使用常规沉井法施工总共耗时56d，其中，1d放样、11d高压旋喷桩、1d基坑开挖及垫层混凝土1d、立井5d、钻孔内模及支架、6d钢筋绑扎、6d立外模及支架、浇注混凝土2d、养护及拆模5d、封砌预留孔1d、凿除垫层1d、挖土下沉12d、铺设碎石层及C15素混凝土垫层1d、绑扎底板钢筋1d、浇捣底板混凝土及养生3d。通过与传统方法的比较，可以看出，逆向施工在工期上的优越性是显而易见的。

4.2 适用范围比较

逆作法采用高压旋喷桩反作顶管工作井，由于在施工全过程中不会产生沉井沉降，因此可以不设刀脚和素砼垫层。逆作法可以直接使用旋喷桩作为外膜，可大大节省外膜材料使用量，还能减少工期。在混凝土养护中，采用逆作法施工作业井，可以将井口封闭，使井内温度升高，在较低的温度下，能较好地提高施工进度。此外，逆作法使用的定型钢模具可以有效防止模板上涨情况的出现。

4.3 费用比较

采用逆作法施工的时候，钢筋的使用率会有所提高，一般来说每一口沉井的钢筋用量都会增加3t，而混凝土的使用量也会相应的提高，这对节省投资来说不是一件好事，但因为它的建设周期会大大的缩短，而且所节省的人工费、机械费和管理费用也会大幅度的降低，因此成本基本保持不变，可以大大的节省时间，而逆作法的整体效益却是十分可观的，这也是为什么它的“生命力”如此之强。两种做法的比较情况见表1。

5 结语

逆作法施工技术是近年发展较快的一项新的施工工艺，具有造价低、对周围环境影响小以及施工周期短等特点，因此其被广泛的应用于水利工程。根据不同的工程实际情况，逆作法施工应用技术有相应的优缺点，本文以广东西江干流治理工程肇庆段的逆作法施工技术为例，对逆作法施工技术的重要施工节点问题进行了探讨，包括高压旋喷逆作法施工的主要方法及工作井护壁施工的主要工序。此外，通过对比常规方法和逆作法的优劣势，认为该项目涵闸工作井使用逆作法施工是切实可行的，虽然在费用方面较常规方法高，但其简短的工期优点和广大的适用范围足以弥补这点费用差。实践表明，本工程在利用逆作法施工技术下获得了显著增益，希望本研究能够为类似的工程提供相应的经验。

表1 逆作法与常规沉井法的比较