富水砂层再生水厂进水管线暗挖空推顶管施工技术

为满足城市发展的用水需求，北京市大力开发利用再生水，将再生水作为可靠稳定的新水源，通过开源节流，多措并举支撑首都经济社会发展的用水需求，为此新建了许多再生水厂，以改善区域水质，完成水环境治理，推动宜居北京、绿色北京建设。为配合再生水厂建设，需建设相应的输水管线，即再生水厂污水进水、再生水及退水管线工程。目前管线工程多采用明挖法、浅埋暗挖法、顶管法、盾构法等工法，遇特殊情况可采用组合施工方法，如采用暗挖衬砌+空推顶管以解决再生水厂粗格栅进水检查井段的进水管线施工问题。1、工程概况某再生水厂工程建设规模10万 m³/d，污水处理采用A2/O+砂滤池工艺，污泥处理采用离心浓缩脱水工艺。再生水厂污水配套有污水进水、再生水及退水管线工程，其中与再生水厂粗格栅进水检查井连接的进水管线线路全长约26 m，如图1所示。图1 进水厂管线平面示意粗格栅进水检查井覆土厚3.93 m，内净空4.4 m×4.4 m，与进水管线连接的侧墙留有直径3 080 mm的孔洞，孔洞采用砖砌封堵，进水检查井外3.2 m处有1排直径800 mm的围护桩和2排旋喷桩并已施作锚索。进水检查井与围护结构之间采用素土回填。由于粗格栅进水检查井已施作完成且还有桩锚支护，因此进水管线段无法采用原定的机械顶管施工工法。2、工程地质及水文地质进水管线段所在位置主要为细砂、中砂④层。施工场地实测到3层地下水，第1层地下水埋深1.5~2.5 m，水位标高21.000~22.000 m，地下水类型为上层滞水；第2层地下水埋深5.000~8.000 m，水位标高16.000~19.000 m，地下水类型为层间潜水；第3层地下水埋深11.0~15.0 m，水位标高9.000~13.000 m，地下水类型为层间潜水。3、地下管线施工方法目前城市大直径地下管线工程施工工艺主要分为2类：一类为开挖工艺，如明挖法、浅埋暗挖法，其中明挖法应用较多，但易阻断交通、破坏环境，影响人们的生活、工作；另一类为非开挖法，如顶管法、盾构法，其中顶管法应用较多。非开挖方法具有环境污染小、施工速度快、施工周期短、不破坏路面、交通影响小等优点，已成为地下管线施工的常用方法。本再生水厂配套管线工程主要采用非开挖施工法，即顶管法和盾构法，但因粗格栅进水检查井采用围护桩+锚索支护体系，无法直接应用顶管法或盾构法，且配套的进水管线覆土厚达11.35 m，采用明挖法施工占地大且对水厂施工影响大。经考虑现场情况，采用组合式工法，即暗挖衬砌+空推顶管施工，以解决特殊情况下的地下管线施工。4、施工方法新建隧道采用暗挖法施作初支结构，人工顶管空推顶进，具体施工流程如图2所示。隧道采用直墙拱顶断面，净宽3.2 m，净高3.2 m，隧道顶板覆土厚约11.35 m，纵向坡度0.6‰，初衬采用250 mm厚钢格栅+挂网喷射C25混凝土。人工空推顶管采用双胶圈钢承口钢筋混凝土3级顶管管材，管径2 400 mm，管节长2.5 m。管节与暗挖初支结构间的空隙注入C30补偿收缩混凝土，顶部注入1∶1水泥浆填充空隙。进水管线断面图如图3所示。图2 施工总体流程图3 进水管线隧道断面示意5、暗挖施工技术措施隧道采用上下台阶法施工，在隧道内距开挖掌子面5 m以外进行回填注浆，利用预埋回填注浆管对拱背进行回填注浆，以控制地表下沉，改善隧道受力状态并封堵隧道渗漏水。5.1 土体加固隧道开挖范围地层为砂土且富含地下水，由于富水砂层孔隙比大，含水量大，具有流动性大、承载力小、自稳性差等特点，对此采用超前小导管、地面旋喷加固及降水等措施，解决隧道开挖时地层变形失稳等问题。超前小导管打设纵向间距1 m，纵向搭接1.3 m，环向间距0.3 m，水平倾角为10°~15°。对有水砂层选择选择水泥–水玻璃双液浆，初始压力控制在0.3 MPa，最终压力不大于0.5 MPa。采用二重管高压旋喷加固，加固范围分为两部分，第一部分为粗格栅进水检查井与围护桩间的范围，第二部分为围护桩南侧至顶管工作井之间的范围，旋喷桩径500 mm，桩中心距500 mm，按梅花形布置。采用P·O42.5水泥，水灰比1∶1，加固后土体强度可达到0.8~1 MPa。降水井距加固区边沿1 m，降水井点共8眼，间距按6 m布置。降水井深度设计为初见水位至暗挖隧道底板深度以下5 m，降水半径不小于3 m，下泵深度为井底上方2 m处（图4）。图4 进水管线土体加固做法示意5.2 马头门施工技术措施马头门位于竖井与隧道交叉处，其结构复杂，施工时须保证安全。马头门施工时需破除竖井洞口位置的井壁喷射混凝土并割除该处格栅支护，由于整个竖井中的受力结构被破坏使洞口应力重新分布，易使该处土体失稳，故施工前在马头门范围内打设环向间距为300 mm的超前小导管，对土层进行预注浆加固。具体做法为：从管口压注水玻璃浆液+水泥浆液，待浆液达到设计强度后再进行开挖。竖井马头门第一榀格栅位于竖井结构内，并在第一榀格栅外侧加设暗柱，以起加固，进洞前三榀钢格栅密排；须分步破除马头门范围外的井壁混凝土，割除该部分的格栅钢架后，方可破除马头门上部竖井井壁混凝土，架设隧道上部格栅钢架，将其主筋与周边的竖井井壁格栅钢架用L形 20钢筋按10d（d为钢筋直径）长度焊接牢固，并及时喷射混凝土。5.3 特殊部位施工5.3.1 暗挖隧道与粗格栅进水检查井结合部位施工暗挖隧道由顶管工作井向北开挖至粗格栅进水检查井，与既有进水检查井连接。考虑到该部位为新旧结合位置，为保证连接可靠，在近进水检查井侧墙处密排3榀钢格栅，同时植入2根直径20 mm的HRB400钢筋，植入深度300 mm，外露700 mm，外露部分应与钢格栅牢固焊接，如图5所示。图5 进水检查井端新旧结合部位构造示意暗挖隧道底板近进水检查井端低于检查井底板面120 mm，为保证暗挖隧道格栅封闭完整，采用人工风镐凿除。5.3.2 暗挖隧道内破除围护桩施工水厂粗格栅进水检查井采用放坡+围护桩支护方式开挖，围护桩为直径800 mm的钢筋混凝土桩，桩距1400 mm，外侧密排两排旋喷桩。开挖邻近围护桩时，在围护桩前密排3榀钢格栅，以防风镐破除围护桩造成的剧烈震动影响已开挖隧道，造成隧道拱顶土方变形塌陷。接收井围护桩直径800 mm，间距1400 mm。具体做法如下。（1）先将部位1顶部一定高度范围内的混凝土用人工风镐凿除；再用气焊切割钢筋，凿除一榀钢格栅的空间，剩余部分待第一榀钢格栅安装完成后再行凿除。（2）重复（1）步，按图8顺序完成剩余部位桩身混凝土凿除和钢筋切割，保留剩余部分不凿除。在已凿除的空间安装上部钢格栅并挂网喷锚。（3）重复上述步骤，完成下半部围护桩凿除及钢格栅安装喷锚，完成围护桩段第一榀钢格栅施工。随后重复上述步骤完成围护桩段第二、三榀钢格栅施工。6、空推顶管施工技术措施6.1 无缝钢管施工暗挖隧道初衬施工时，在隧道两侧侧墙上预埋间距3 000 mm的150 mm×150 mm×20 mm预埋件，底板上预埋间距3 000 mm的200 mm×200 mm×20 mm预埋件，预埋件用于放置无缝钢管，如图6所示。图6 进水管线隧道无缝钢管安装示意暗挖隧道贯通后清理所有预埋件表面，分别按设计轴线安装 160×10和 200×16无缝钢管，为人工顶管提供推进轴线，保证污水进水管道的坡度和轴线准确。6.2 空推顶管施工6.2.1 井内布置（1）由于顶管在既有暗挖隧道初支结构内施工，顶进阻力为无缝钢管与混凝土管节之间的摩擦阻力，考虑到该摩擦阻力较小，故可采用4.4 m×4 m×0.2 m混凝土结构做后靠背。后座墙前面安装后背铁，后背铁为2块2.2 m×4 m的10 cm厚钢板拼装成4.4 m×4 m1块。（2）后靠背安装完成后，安装导轨及后顶，导轨安装完毕后需在预留洞口内安装副导轨用于防止机头进洞后低头，副导轨的轴线及高程与主导轨一致。增高装置可根据机头重量及增高量选择枕木、钢支架或混凝土垫层。（3）在基坑底部设150 mm×150 mm方木，方木长4 m，间距400 mm，测量每根方木的高程，使其与顶进坡度一致。将钢质导轨平铺于方木之上，其中线位置与高程偏差须在规定允许范围内。使用30号工字钢稳固导轨，工字钢一端须牢牢抵在基坑侧墙上，另一端与导轨焊接，每根导轨使用工字钢不少于3根。6.2.2 管节顶进（1）检查管节外观和起重设备后使用起重设备将第一节管节下落到导轨上，测量管节中心及前后端的管底高程，确认安装合格后方可顶进。（2）顶进开始时速度应缓慢，待各接触部分密合后再按正常速度顶进。（3）第一节管节沿隧道内安装的无缝钢管轴线前进1 m后停止，在第一节管节前方安装I32b工字钢做阻挡后安装第二节管节，确认第一节管节与第二节管节承插在一起并连接紧密后，移除第一节管节前方的工字钢，继续后续管节的安装顶推，直至管节顶推进入粗格栅进水检查井内，该段人工顶管施工即告完成。6.3 回填空隙人工顶管完成后，采用C30补偿收缩混凝土回填，在回填管节与暗挖初支结构之间的空隙顶部注入1:1水泥浆填补空隙。（1）在顶管工作井与进水检查井两端砌砖封堵，上部留出直径300 mm的孔洞，以便注入补偿收缩混凝土。（2）在混凝土管节上半部按3 m间距插入注浆钢管。（3）从顶管工作井向暗挖隧道与混凝土管节之间注入补偿收缩混凝土。（4）待混凝土凝结后从注浆钢管向隧道顶部空隙部位注入1∶1水泥浆，用于填补剩余空隙。7、结束语考虑到再生水厂粗格栅进水检查井段的进水管线进水检查井先做和桩锚支护体系处于富水砂层等特点，进水管线施工采用暗挖衬砌+空推顶管施工工法。针对富水砂层，通过超前小导管、地面旋喷加固、打设降水井等措施解决隧道开挖时地层变形失稳等问题，在马