沉井顶管施工中的技术预防措施

冯佳庆

上海临港创新经济发展服务有限公司 上海 201306

1 工程概况

1.1 工程简介

某沉井顶管工程为上海临港新城重装备产业区一期市政配套工程D2道路Ⅱ标段排水工程的一部分，全长318.5 m；沉井为C30钢筋混凝土，抗渗P6，管道为φ800 mm的“F”形钢筋混凝土管。

1.2 工程地质情况

拟建工程场地位于杭州湾北岸与长江河口南岸交会的南汇嘴地区，地貌类型为河口、砂嘴、砂岛相。D2路Ⅱ标段沿线现状以农田为主，部分区域分布有低层民宅，地势较平坦；道路沿线水系发达，分布有众多明浜及排水渠。

沉井顶管深度范围内的地基土主要由饱和黏性土、粉性土及砂土组成。

2 工程施工特点、难点

本工程场地下的砂性、淤泥质、粉质土层较厚，地下水位高，土层含水率大。在这种土层中进行沉井制作、沉井下沉、顶管顶进，施工过程中要应对可能出现的沉井制作渗漏，沉井下沉时超沉、下沉过快，顶管进出洞下沉等问题，对于顶进机头偏转情况等都必须事先有所考虑。

针对上述施工的难点、特点，需事先分析其产生的原因，制定预防方案，提供应急物资与技术组织保证，以保证施工正常顺利进行[1-3]。

3 产生施工难点、特点原因

3.1 沉井制作

1）产生底板渗漏原因。混凝土浇筑时井底内地下未处理好，浇筑底板时混凝土内产生渗漏通路；底板混凝土未振捣密实，局部面积出现渗漏；泄水管外边止水措施未做好；井壁处混凝土表面凿毛清洗工作未做好，或井边处底板混凝土未振捣密实。

2）产生沉井井壁渗漏原因。由于分段施工的井壁施工缝未处理好，缝内有垃圾，或原有混凝土表面凿毛未达到要求；井壁收缩缝超过一定宽度；井壁模板拉条的止水片未制作好，或在混凝土未硬化时被动过；因混凝土供应不及时等原因而产生冷缝，或局部混凝土振捣不密实。

3.2 沉井下沉

1）沉井难以下沉原因。由于本工程沉井深度范围内土质由黏性土、粉性土及砂土组成，且砂性、淤泥质、粉质土层较厚，地下水位高，土层含水率大，土质比较不均匀，下沉过程中可能会发生下沉过慢或难以下沉的现象。

2）下沉产生偏差原因。沉井开始下沉阶段，井体入土不深，下沉阻力较小，且由于沉井上部分还在地面上，侧向土体的约束作用很小，沉井容易产生偏移和倾斜，应严格控制施工的程序和深度，必须均匀冲土。由于实际中沉井不可能始终是理想地竖直均匀下沉，每下沉一次，难免有些倾斜，所以在继续冲土时，可在沉井下沉得少的一边多冲土。

3）沉井超沉、下沉过快原因。在沉井后阶段，由于底部土层软弱，承载力低，井壁外部土液化，也可能产生超沉问题。

3.3 顶管顶进

1）进出洞机头下沉原因。由于下沉过程中进出洞口土体受扰动，同时顶进机头本身自重使进出洞口未加固，容易发生顶进机头进出洞时下沉的事故。

2）顶进机头偏转原因。在出洞之前，由于机身与导轨之间的摩阻力不足以抵抗刀盘转矩的反力而使顶管机偏转，刀盘如果是顺时针方向转，顶管机则往逆时针方向偏转，反之则相反。在顶进过程中，机头也会发生偏转，这种偏转往往会涉及整条已顶进的管道。这种偏转主要是由于遇硬软不均匀土层，形成偏差，采取纠偏造成的，纠偏越频繁，这种偏转越大。

3）产生顶管偏差原因。由于土质情况不均匀且水位较高，初始进洞偏差过大，本段顶管平面线形为直线无曲率，顶进过程要保证管道轴线，避免接收井无法出洞。

4 施工控制措施

4.1 沉井制作与控制措施

1）沉井制作。所有沉井均采用3次制作1次下沉。先浇筑刃脚，然后分上下段均2次浇筑井壁。

2）施工流程。测量放样→井点降水→基坑开挖→砂垫层→素混凝土垫层→刃脚施工→井壁施工→沉井下沉→封底→钢筋混凝土底板→顶管及流槽→顶板→窨井→回填。

3）预防底板渗漏施工措施。底板封底施工前应将井底地下水引流并集中排除；精心组织现场施工，加强施工管理，保证底板混凝土振捣密实；安装泄水钢管，同时外边应焊好止水片，钢管表面、泥等要清除干净；底板范围内井壁混凝土施工缝表面凿毛、清洗质量要保证。底板施工前井底排水及时，泄水钢管安装到位，施工缝处理得当，浇筑过程质量受控，底板施工后无渗漏现象。

4）预防井壁渗漏施工措施。施工中要保证施工缝处理及止水片制作、安装质量；采取防止井壁混凝土产生收缩缝的技术措施，优化配合比，合理选用水泥品种、掺合料、外加剂，加强湿润养护，适当降低强度等级及入模温度；模板拉条的止水片质量要保证，在混凝土浇筑后拉条不可转动；井壁制作时混凝土要保证振捣质量。井壁分段施工，每段施工前的材料、工艺预控措施及混凝土施工过程的质量保证使井壁施工后无渗漏[4-7]。

4.2 沉井下沉与控制措施

4.2.1 沉井下沉前准备

沉井混凝土强度必须达到设计强度的100%方可下沉，下沉方法为一次排水下沉。

4.2.2 水力机械冲土下沉

施工时，利用水力机械设备，井内用高压水枪将泥冲成泥浆，再用泥浆泵将泥浆吸出井外，通过排泥管道将泥浆排入泥浆池。

4.2.3 出土下沉

出土顺序由内向外，先取内圈，再取外圈，根据下沉情况掏除底梁下的土，最后形成全刃脚支承的大锅底，使沉井安全下沉（图1）。

图1 出土顺序示意

4.2.4 沉井助沉施工措施

沉井下沉前配备空压机，计划采用空气幕法助沉，利用空气幕的不均衡气压减阻来达到纠偏下沉的目的。沉井下沉至标高后，为防止沉井超沉，可通过空气幕管路进行侧壁压浆，来达到阻沉、稳定沉井的目的。沉井下沉速度正常，在穿越不同土层时沉井偏差较小。空气幕法不仅有助于沉井下沉，同时有助于沉井下沉过程的纠偏（图2）。

图2 沉井空气幕法下沉

4.2.5 预防下沉偏差施工措施

沉井下沉前对施工班组进行交底，明确在沉井下沉过程中落实专人对沉井加强监测。对于刃脚标高，要做到每个班组对其至少测量一次，轴线位移每天测量一次，当沉井每次下沉稳定后进行高差和中心位移测量；沉井初沉阶段每小时至少测量一次，必要时连续观测，及时纠偏；终沉阶段每小时至少测量一次，当沉井下沉接近设计标高时增加观测密度。

沉井开始时的下沉系数较大，要控制好初沉，尽量在深度不深的情况下纠偏，符合要求后方可继续下沉；沉井纠偏应根据测量资料随偏随纠，沉井下沉过程中做到勤测、勤纠、缓纠。在开始阶段，经常检查沉井的平向位置，随时注意防止较大的倾斜。

引起沉井偏斜的原因，除冲土不均匀外，还与地层土质不均匀有关，可采用不对称压重，不对称射水和施加侧向力等措施把沉井扶正。

熟悉地质报告及地下现有构筑物资料。有时可能会因沉井底部的一部分遇到了障碍物，致使沉井倾斜，此时应立即停止冲土，查清情况，然后根据具体情况，采取不同的措施排除障碍。

沉井下沉采取边下沉边纠偏的方法及有效的冲土方法，使得下沉过程中不发生较大倾斜，下沉按计划到位。

下沉过程中由于落实了事先制定的测量方案，控制好了初沉，用测量数据指导纠偏施工，使下沉过程正常顺利且符合工期节点。

4.2.6 预防超沉、下沉过快施工措施

如果下沉过快，在刃脚处少冲土或不冲土，下沉前沉井四周设置10根井点管降水，必要时可适当加密井点立管；现场预先放置刹车块与砾砂，在沉井即将至设计标高时放入刹车块并在刃脚处回填砾砂，夯实，以防超沉。

沉井外井点降水效果得以保证，以及阻沉措施及时，使得沉井均下沉至设计标高后顺利实现封底。

4.3 顶管顶进与控制措施

4.3.1 施工流程

机械设备到场及准备→洞口加固及井点降水→测定管洞口标高轴线→安装导轨→安装后座→吊装顶进机头→吊放管道→进洞顶进→顶管陆续顶进→顶管出洞→洞口止水封堵→井内设备吊出

4.3.2 预防机头下沉的施工措施

进出洞口地基加固采用旋喷桩进行，通常，进出洞口地基加固范围，其深度方向为管子上下3 m，长度方向为8 m；宽度方向为渐扩梯形，平均宽度为7 m，具体的范围随管径和深度不同加以区别。

进出洞采取旋喷桩加固一定的面积与深度，机头进出洞口顺利未发生机头下沉（图3）。

4.3.3 预防顶进机头偏转施工措施

利用主顶油缸、机头刀盘的旋转方向进行纠偏；可在顶管机外壁，焊上纠偏定位板。

4.3.4 预防顶管偏差施工措施

顶管掘进机穿墙入土后，在其尾部拼接特殊纠偏段。

图3 进出洞口加固平面示意

初期顶进应均匀出土，控制好初始偏差，并及时调整后座千斤顶合力中心来控制初始偏差，确保工具头初始状态稳定和轴线顺直。

主要是掘进机头部测量与纠偏的相互配合，纠偏是完成管道线形的主要手段。

采取勤测勤纠、小角度纠偏，纠偏操作中严禁大起大落，顶管施工要按设计要求的轴线、坡度进行。

5 施工效果

钢筋混凝土沉井施工前除了落实常规的质量要求外，对可能出现的紧急情况也做了充分的人员、组织与物资设备准备。有效掌握混凝土浇捣顺序，减少了沉井倾斜，沉井井壁无渗漏，底板封底前确保井底无积水，保证了底板混凝土密实无渗漏。

沉井下沉过程中落实专人在井外指挥，在沉井偏差时及时通知井内操作人员纠偏，同时对可能出现的下沉过快、偏差过大等问题也事先采取措施，如在井边配备挖机可及时有效地对出现的问题进行制止。

顶进前切实做好进出洞加固措施，保证机头进出洞顺利；顶管顶进过程中同样加强管内监测，确保每段顶管一次顶进成功。