復(fù)雜環(huán)境下頂管井土體塌陷處置技術(shù)研究

虞英賦

(上海市基礎(chǔ)工程集團有限公司,上海 200433)

0 引言

頂管施工技術(shù)與傳統(tǒng)的明開挖埋管方法相比,是一種環(huán)保的施工方法,對周圍的環(huán)境影響較少。工作井是安放頂管設(shè)備的場所,也是頂管掘進機的始發(fā)地,同時又是承受主頂油缸反作用力的構(gòu)筑物。接收井則是接收頂管掘進機的場所。工作井和接收井的構(gòu)筑方法主要有沉井法、鉆孔灌注樁圍護法、SMW工法、地下連續(xù)墻法等。各自圍護形式都具有各自的特點及適用性。但在圍護方法選擇時均應(yīng)注重其擋土止水的性能,防止開挖過程中的流土滲水[1]。

1 工程介紹

1.1 工程背景

背景工程為上海地區(qū)某新建污水管道,采用頂管施工工藝,其中頂管接收井頂管管徑為φ3 500 mm,外徑為φ4 140 mm,頂管長度為1 257.5 m。工作井直徑9.6 m,外側(cè)圍護采用φ1 200@1 400 mm鉆孔灌注樁,深度30 m。止水帷幕采用φ2 000@1 500 mm MJS樁,深度43.0 m,水泥摻量40%。坑底以下7 m采用φ2 000@1 500 mm MJS樁滿堂加固。洞口加固采用φ2 000@1 500 mm MJS樁,深度12.14 m。頂管接收井圍護結(jié)構(gòu)平面圖見圖1。

1.2 周邊環(huán)境條件

頂管接收井北側(cè)為高架橋,高架橋承臺距離基坑5.3 m。南側(cè)為居民樓,小區(qū)距離基坑10.75 m。西側(cè)為2.2 m寬10 kV電力箱體,箱體距離基坑2.9 m,距離頂管中心2.2 m,DN500燃氣管、DN300燃氣管距離基坑11.89 m,距離頂管中心3.5 m。東側(cè)為電力拖拉管,距離基坑5.2 m。

1.3 工程水文地質(zhì)條件

經(jīng)勘察查明,在本次勘察深度范圍(最深45.00 m)內(nèi)的地基土為第四紀全新世Q34—上更新世Q23的沉積層,主要由填土、粉性土、淤泥質(zhì)土及黏性土組成。

擬建場地地下水由淺部土層中的潛水和深部粉(砂)性土層中的承壓(微承壓)水組成,地下水補給來源主要為大氣降水與地表涇流。上海潛水年均水位埋深一般為0.5 m～1.5 m。微承壓水分布在⑤-1t、⑤-2層和⑤-32層粉性土中。承壓水賦存在⑦(包括⑦-1和⑦-2)層粉(砂)土中,⑦層頂埋深約30 m,⑦1地下承壓水位埋深在6.54 m,標高為-2.05 m(見圖2)。

2 工程問題及原因分析

2.1 工程問題

在2023年5月17日中午11:30左右,進洞口處涌入泥土,方量約為150 m3,導致基坑北側(cè)地面出現(xiàn)局部坍塌,塌陷深度約2.0 m～3.0 m,面積約20 m2。頂管接收井基坑外側(cè)發(fā)生塌陷時,基坑內(nèi)涌進的是泥土,無水源涌入(見圖3)。

2.2 原因分析

1)頂管接收井頂管中心位置距離地面約17.4 m,在頂管即將進洞,機頭貼近進洞口灌注樁位置時,此時井下正在進行洞門內(nèi)灌注樁鑿除工作(洞口范圍內(nèi)灌注樁有4根,中間2根已鑿除上半部分,外側(cè)2根灌注樁只鑿除鋼筋保護層)。灌注樁鑿除工程中,圍護結(jié)構(gòu)強度逐漸降低直至消失,洞口加固土體不足以承受巨大的水土壓力,洞口加固土體被破壞,造成泥土涌入基坑內(nèi)部[2-3]。

2)從涌進基坑內(nèi)的泥土分析可知,為灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土,該土層壓縮性高,呈流塑狀態(tài),在側(cè)向壓力下容易發(fā)生流動變形。

3 事故處置關(guān)鍵技術(shù)

事故發(fā)生后采取了應(yīng)急處置措施,首先對影響范圍內(nèi)的非機動車道臨時封閉,協(xié)助交通疏導,然后在基坑內(nèi)回填土,對塌方處填埋黃沙,注漿加固,再對燃氣管線進行開挖裸露布置直接監(jiān)測點,對管線、高架橋、居民小區(qū)加密監(jiān)測,監(jiān)測間隔2 h。后期對于頂管接收井洞口涌土事故處置流程如圖4所示[4]。

3.1 地面塌陷區(qū)壓密注漿

基坑北側(cè)塌陷區(qū)采用黃沙回填并壓密注漿加固,為保證塌陷區(qū)周邊土體整體穩(wěn)定性,在塌陷區(qū)周邊同樣采用壓密注漿使土體固結(jié)。可通過坑外回灌部分抬升地下水位,減小與控制環(huán)境變形。

采用底部帶有活動閥且在離注漿管底端30 cm帶有小孔的注漿管,此種注漿管有利于漿液的均勻分布[5]。施工用水為自來水,水泥為普硅P42.5級,并加入1%速凝劑(水玻璃),施工中盡量保持場地干燥,有益土壤吃漿,注漿漿液初凝時間為1 h～2 h,壓密注漿參數(shù)表見表1。

表1 壓密注漿參數(shù)表

3.2 洞口高壓旋噴樁加固

由于頂管接收井洞口已發(fā)生泥土進洞現(xiàn)象,周邊土體已發(fā)生較大擾動。頂管機刀盤目前已頂進至灌注樁位置,洞口范圍內(nèi)灌注樁部分已經(jīng)鑿除。因此需先對進洞口周邊擾動土體進行加固后清除基坑內(nèi)土體繼續(xù)進行剩余灌注樁鑿除[6]。

進洞口采用旋噴樁體加固。頂管北側(cè)旋噴樁加固按照樁位圖紙施工,端部孔位進行封堵。進洞口加固采用φ1 000@600 mm高壓旋噴樁,樁體長度為5 m～13 m,其中頂管機正上方樁體長度為5 m,頂管機兩側(cè)樁體長度為13 m。頂管機兩側(cè)樁體底部位置為頂管機下方4 m,旋噴樁加固位置見圖5,圖6。高壓旋噴樁施工參數(shù)表見表2。

表2 高壓旋噴樁施工參數(shù)表

3.3 頂管機殼底部小導管注漿

考慮到頂管機正下方部位不能通過兩側(cè)樁體進行加固(見圖7),擬在頂管內(nèi)進行開孔注漿,注漿漿液采用雙液漿,頂管機頭長5.2 m,寬4.2 m,通過頂管機底部機殼開孔注漿,采用DN25小導管,導管長度1.5 m,開孔位為梅花形布置,間距80 cm,共計3排,導管安裝球閥(見圖8)。

漿液及注漿水泥漿水灰質(zhì)量比為0.5∶1,水泥∶水玻璃∶水泥漿=1∶1∶0.8(體積比)。注漿初壓0.3 MPa,終壓為0.6 MPa,注漿壓力不超過0.6 MPa。通過加入少量的磷酸氫鈉來控制初凝時間,控制在8 min～10 min左右。

3.4 取土拆除

待加固土體達到強度后方可進行井內(nèi)取土,加固體強度需達到1 MPa,采用鉆孔取芯方式檢測。洞口范圍內(nèi)土的高度約為4.5 m,分3層取土,每次取土后人工對洞圈內(nèi)剩余灌注樁及洞口周邊多余混凝土進行清除。

由于頂管接收井內(nèi)襯結(jié)構(gòu)施工時未設(shè)置進洞止水洞圈,因此每一層取土完成后,需首先在洞口范圍內(nèi)襯墻上采用膨脹螺絲分塊安裝洞圈鋼板。洞圈鋼板完成后人工鑿除洞口范圍內(nèi)灌注樁。

灌注樁鑿除后清理取土區(qū)域內(nèi)洞口處的水泥土及頂管機刀盤四周水泥土,分塊安裝條形鋼板(見圖9),條形鋼板頂部及腰部分塊長度為1 m,底部分塊長度為1.5 m,每個條形鋼板沿頂管軸線長度設(shè)置為3.3 m,鋼板厚度為2.0 cm。條形鋼板內(nèi)側(cè)與頂管機殼體外側(cè)進行搭接(搭接長度為50 cm),采用加設(shè)鋼筋塞焊形式焊接連接,條形鋼板外側(cè)與洞圈鋼板進行焊接連接(見圖10)。條形鋼板安裝完成后,通過封板(月亮板)上預(yù)留的注漿孔采用注入速凝水泥進行空隙填充。

每層取土區(qū)域內(nèi)的施工順序為從上到下、從左向右分區(qū)域進行。重復(fù)上述工作,直至洞圈范圍內(nèi)條形鋼板形成一個鋼套管支撐結(jié)構(gòu)。待圓形套管形成整體后對頂管機刀盤進行分塊割除。

4 工程監(jiān)測

根據(jù)監(jiān)測報表(見表3),自5月17日地面塌陷至5月26日,燃氣管最大累計沉降-1.5 mm,電力箱體累計沉降-3.34 mm,高架橋墩累計沉降+2.18 mm,日平均沉降量不足1 mm,周邊管線及建構(gòu)筑基本無影響,同時燃氣監(jiān)護單位已現(xiàn)場確認場內(nèi)燃氣管安全。

表3 沉降數(shù)據(jù)監(jiān)測情況 mm

5 結(jié)論

本文結(jié)合頂管接收井土體塌陷事故實例,就事故原因進行了分析,詳細介紹了事故處置技術(shù)措施,首先在塌陷區(qū)及周邊區(qū)域壓密注漿,使周邊土體固結(jié),在進洞口處土體采用旋噴樁重新加固、頂管機底部開孔壓漿加固;然后在基坑內(nèi)土體分層取出、分層清理洞口內(nèi)剩余灌注樁、分塊安裝鋼板,對進洞口剩余灌注樁及周邊混凝土進行清理;最后在套管與內(nèi)襯墻之間