逆作井在给排水工程中的应用

肖雪华，刘桂鑫，李冕贵

（广东省源天工程有限公司 广州 511300）

0 简介

逆作法施工是指在地下结构施工时，不架设临时支撑，而以结构本身既作为挡土墙，又作为支撑，从上而下依次开挖和构筑结构体的施工方法，其施工顺序与顺作法相反。逆作法顶管井类似于人工挖井，施工工艺同人工挖孔桩。适用于穿越土层有一般粘性土及其填土、粉土；淤泥和淤泥质土以及砂土需采取止水结构加固措施后才能采用；如存在碎石土层则不适合选用逆作法顶管井结构形式。持力层可以选择在硬塑粘性土、软质岩石或风化岩石等。当地质情况不符合逆作法顶管井适用条件时，应超前对不适合的地质层进行加固或采取可靠的止水等措施后才能使用。逆作法顶管井施工，项目各参建单位必须按照《广东省住房和城乡建设厅关于限制使用人工挖孔灌注桩的通知（粤建管字〔2003〕49 号）》的要求执行，以确保施工全过程的安全。

1 工程实例

茂名市水东湾片区城镇支次管网完善工程中，顶管井按逆作井进行设计与施工。逆作法顶管井深度为9.0 m，井外部直径为5.6 m，内部直径为5.0 m，井壁厚为300 mm。依据勘察单位提供该区域地质勘察资料钻孔编号ZK30，钻探深度10.0 m，钻孔柱状图揭示：①▽4.510 m～▽1.108 m为填筑土，红褐色，稍压实，稍湿主要由粘性土、碎石、砂等回填而成，顶部0.5 m为路面混凝土，硬质物含量约30%。②▽1.108 m～▽-0.292 m为中粗砂，褐黄色，灰白色，湿-饱和，松散，颗粒成分为石英、长石，分选性好，级配差，粒间充填少量粘粒，5.4～6.2 m 为粉砂。③▽-0.292 m～▽-1.292 m 为砂质黏性土，青灰色，可塑，以粉粘粒为主，含较多石英颗粒，粘性一般，为花岗岩风化残积而成，遇水易软化、崩解。④▽-1.292 m～▽-5.492 m为微风化花岗岩，青灰，粗粒花岗结构，块状构造，岩质新鲜、坚硬，岩芯呈块状-柱状为主，节长5～25 cm，RQD约90%，岩体较完整，岩体基本质量等级分类为Ⅱ级。

地下水位标高取场地地面标高。逆作法顶管井持力层为④工程地质层微风化花岗岩层。

逆作法顶管井每节井环混凝土护壁的设计高度为1.0 m，护壁厚度为150 mm；护壁混凝土强度等级为C30［1］，抗渗等级为P6，混凝土净保护层厚40 mm，采用HRB400 钢筋。逆作法顶管井不仅可以缩短工期、降低工程造价，而且施工质量可以满足设计施工图及相关规范要求。逆作法顶管井尺寸如图1～图3所示。

图1 逆作法顶管井剖面Fig.1 Profile of Reverse Well （mm）

图3 逆作法顶管井护壁大样Fig.3 Detailed Drawing of Reverse Well Wall Protection （mm）

2 设计要点

为防止基坑土方坍塌，保证井内作业人员操作安全，逆作法顶管井采取分段挖土、分段护壁的方法进行施工。分段现浇混凝土护壁厚度，一般取受力最大处，即地下最深段护壁所承受的土压力及地下水的侧压力，通过计算确定护壁厚度，设计要点如下：

⑴逆作法顶管井井深适用于≤10.0 m。

⑵井环应按不同的深度进行环向偏心受压计算及竖向受拉计算。

⑶井环护壁厚t估算［2］

①当挖井有地下水时：

②当挖井无地下水时：

③t≥K×p×D/（2fc）

式中：t为井环混凝土护壁厚（mm）；K为安全系数，取2；p为土和地下水对护壁的最大总压力（kN/m2）；γ为土的重度（kN/m3）；γw为水的重度（kN/m3）；H为逆作井护壁深度（m）；h为地面至地下水位深度（m）；D为逆作井外直径（m）；fc为混凝土轴心抗压强度设计值（N/mm2）；④复核护壁厚度t是否满足构造要求的最小厚度。⑷逆作法顶管井应对不同施工阶段进行整体稳定、坑底抗隆起、抗突涌等稳定验算［3］。

⑸适合用于地下水位以上；地下水位以下需采取有效止水措施。

⑹当上节井环的混凝土强度达到设计强度等级85%时才能开挖下节井环的土石方。

3 构造要求

⑴逆作法顶管井宜做成圆形。圆形工作井井环厚度不应小于300 mm，矩形工作井井壁厚度不宜小于400 mm，阴角处宜设置腋角［4］。

⑵混凝土强度等级不应低于C25，抗渗等级不小于P6，并应振捣密实。井壁混凝土模板应采用钢制模板。

⑶井环按环向偏心受压和竖向受拉计算，一般应按最小配筋率构造配筋。

⑷井环竖向钢筋应上下焊接（单面焊10d），竖向钢筋不得采用绑扎连接，受到穿墙孔削弱或被截断的井壁，需要设置井外或井内补强措施［5］。

⑸上下节井环护壁的搭接长度不应小于150 mm，第一节井环护壁应比场地高出150 mm。

⑹井口周边应设置防护栏杆，高度不小于1.2 m。

⑺逆作法顶管井作为市政给排水工程顶管工作井的净空应符合安装后座、千斤顶、环形顶铁、穿墙止水和井内作业操作空间的要求，取安装顶管机长度和安放管材节段长度的大者，宽度应考虑安装设备的需要。矩形平面时，其长短轴之比不宜大于1.5［6］。

4 施工要点

工程地质岩土勘察报告若揭示抛石及孤石沉井困难时或施工区域地下环境较为复杂时，可以考虑采用逆作法顶管井，逆作法可预见性较高，且综合单价比沉井低，同时也存在受地质条件限制的缺点，逆作法顶管井穿越局部稳定性较差的土体，如回填土、淤泥质土、砂土等，或地下水位高于开挖深度等不利地质区段时，开挖面会出现塌方、隆起、涌水、涌沙等现象，则应在逆作法顶管井开挖之前就采取可靠的超前固土及止水措施进行预先处理，当确认超前固土及止水措施满足要求后，才能进行逆作法顶管井的开挖，必要时，应进行单井的试验性开挖［6］。逆作法顶管井因其受力特点、连接构造所限，不能作为永久结构使用。逆作法顶管井是分节从上往下开挖土石方，其竖向连接仅依靠竖向钢筋，因此，每节井环竖向钢筋必须留出足够的焊接长度，并确保各节井环竖向钢筋的焊接质量［7］。由于逆作法顶管井必须在井壁上后开孔，当管网管道直径较大时，开孔直径可能超过上下两节甚至三节井壁，将导致井壁结构构件截面局部受到较大削弱甚至整节截断，因此一般采取在井下段做一部分现浇钢筋混凝土内衬进行补强，防止顶管施工时，井壁发生强度、刚度、稳定性破坏，防止井壁变形过大、连接失效等现象［8］。挖出的土石方应及时运走，不得堆放在井口周边1 m 范围内，井外机动车辆的通行不得对井壁的安全造成影响。并应按国家相关标准及规范要求做好施工监测［9］。逆作井施工现场如图4所示。

图4 逆作法顶管井施工现场Fig.4Reverse Construction Method for Top Pipe Well Construction

5 结语

逆作法顶管井类似于人工挖井，施工工艺同人工挖孔桩［10］。作为一种传统的施工工艺，逆作法顶管井具有工程造价低、所需施工设备简单、成井直径大、施工质量容易保证等特点。本项目（茂名市水东湾片区城镇支次管网完善工程）在污水管网顶管施工过程中发现现有地下管网错综复杂，地下管线相关权属主管部门确认无法迁改管线；有大量抛石、孤石，且井底微风化花岗岩面较浅，微风化花岗岩饱和抗压强度高达150 MPa。经项目各参建单位多次研究方案、讨论对比，认为此类顶管工作井采用逆作井结构及施工工艺可预见性高，施工现场可以及时发现问题并及时采取施工措施保护现有地下管网不受影响和破坏。开挖逆作井土石方过程如遇微风化花岗岩可以及时申请监理单位配合旁站见证，提高了施工效率。可供类似工程项目借鉴参考。