一种适用于沙漠无水砂层地区顶管工作井及施工方法与流程

本发明属于顶管施工技术领域，具体涉及一种适用于沙漠无水砂层地区顶管工作井及施工方法。

背景技术：

顶管施工是一种不开挖或者少开挖的管道设施施工技术。顶管施工是继盾构施工之后而发展起来的一种地下管道施工方法，它不需要开挖面层，并且能够穿越公路、铁道、河川、地面建筑物、地下构筑物以及各种地下管线等。随着城市化进程的进一步加快，我国的地下管线的需求量也在逐年增加。加之人们对环境保护意识的增强，顶管技术在我国地下管线的施工中起到越来越重要的作用。

在顶管施工的过程中为降低顶管的施工顶力，大多是采用分段施工的方法，在分段施工过程中需要设立竖向工作井和接收井。顶管竖井除提供机械和人员所需的施工空间外，还应提供顶管顶进时所需的反力，因此顶管竖井井壁常承受较大的水平顶力作用。当顶管施工位于沙漠无水砂层中时，顶管顶进所需顶力很大，给竖井设计和施工带来很大难度。但是现行工作井的自身结构和施工方法并不能满足沙漠无水砂层中顶管施工要求。

因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。

技术实现要素：

本发明的目的是克服上述现有技术中的沙漠无水砂层地区的顶管施工时需要较大的水平顶力作用，但是现行的工作井结构和施工方法并不能满足这方面的要求。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种适用于沙漠无水砂层地区顶管工作井，所述工作井包括：

钻孔灌注桩，多个所述钻孔灌注桩沿工作井的周向均匀布置，多个所述钻孔灌注桩绕工作井的圆心构成第一井壁体，用于工作井的主要围护和受力；

冠梁，所述第一井壁体的上方设有冠梁，圆形的所述冠梁与工作井为同心圆结构；

内衬，所述内衬位于钻孔灌注桩的内侧，内衬竖向沿工作井深度方向布置构成第二井壁体，用于工作井的辅助围护和受力；

暗梁，所述暗梁嵌于内衬上且沿内衬的深度方向自上而下间隔布置；

底板，所述底板位于内衬的下方，底板的周边与钻孔灌注桩的内侧壁相连；

井底加固旋喷桩，所述底板的下方设置有井底加固旋喷桩，井底加固旋喷桩采用格栅状满堂布置；

洞口加固旋喷桩，所述钻孔灌注桩的外侧设置有洞口加固旋喷桩，洞口加固旋喷桩位于工作井顶管管节进出洞口处。

如上所述适用于沙漠无水砂层地区顶管工作井，优选地，所述内衬的厚度为0.5m～0.8m，内衬内部自上而下每间隔4m～6m设置暗梁。

如上所述适用于沙漠无水砂层地区顶管工作井，优选地，所述井底加固旋喷桩的厚度为2m～6m，搭接范围为0.2m～0.4m。

如上所述适用于沙漠无水砂层地区顶管工作井，优选地，所述暗梁的宽度与内衬的厚度相同，该暗梁的高为0.5m～0.9m。

如上所述适用于沙漠无水砂层地区顶管工作井，优选地，所述内衬与冠梁的连接处还设置有第一垫层，第一垫层为厚度100mm～200mm的素混凝土垫层。

如上所述适用于沙漠无水砂层地区顶管工作井，优选地，所述底板与井底加固旋喷桩之间还设置有第二垫层，第二垫层的厚度为100mm～200mm，所述第二垫层用于支撑底板模板。

如上所述1～6任一项适用于沙漠无水砂层地区顶管工作井的施工方法，优选地，所述施工方法包括如下步骤：

s1，进行钻孔灌注桩的施工；

s2，在步骤s1中钻孔灌注桩的混凝土强度达到设计强度后进行冠梁的施工；

s3，步骤s2中冠梁的混凝土强度达到设计强度后进行工作井内土体的开挖，并进行暗梁和内衬的施工；

s4，进行井底加固旋喷桩、底板、洞口加固旋喷桩的施工。

如上所述适用于沙漠无水砂层地区顶管工作井的施工方法，优选地，所述步骤s1包括如下步骤：

s101，采用泥浆护壁或钢管护壁法施作钻孔灌注桩的桩孔；

s102，向步骤s101的桩孔内吊放桩基钢筋笼；

s103，向步骤s102的桩基钢筋笼浇筑桩基混凝土。

如上所述适用于沙漠无水砂层地区顶管工作井的施工方法，优选地，所述步骤s2具体包括如下步骤：

s201，开挖冠梁处土体；

s202，在开挖好的冠梁基坑内绑扎冠梁配筋；

s203，在冠梁配筋上施工冠梁模板；

s204，浇筑冠梁混凝土。

如上所述适用于沙漠无水砂层地区顶管工作井的施工方法，优选地，所述步骤s3包括如下步骤：

s301，开挖工作井内土体；

s302，对开挖土体处工作井的井壁进行植筋；

s303，搭设内衬模板；

s304，进行内衬和暗梁的混凝土施工。

与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有如下优异效果：

本发明的新型顶管竖井，除能满足机械和人员所需的施工空间外，还能提供较大顶管施工水平反力；本发明的钻孔灌注桩的内衬能够增加桩间砂土的稳定性，内衬能够增加桩间砂土稳定性，并将水平荷载均匀传递给钻孔灌注桩，内衬内部设置的暗梁能够将钻孔灌注桩连成一个整体，共同受力；本发明的高压旋喷桩能够保证施工人员实现在地面对竖井封底，增加了结构安全性和施工便利性。同时钻孔灌注桩的桩径和成桩深度可选范围大，无挤土效应，竖向和水平向承载力较高，采用沿工作井周围均匀布置灌注桩形成的工作井，除满足施工空间外，还可以提供始发工作井顶管顶进所需的较大反力。

附图说明

图1为本发明实施例的工作井的结构示意图；

图2为本发明实施例的基坑内衬的平面布置图；

图3为图1中的冠梁与第一垫层之间的位置关系示意图。

图中：1、冠梁；2、钻孔灌注桩；3、暗梁；4、洞口加固旋喷桩；5、内衬；6、第二垫层；7、井底加固旋喷桩；8、底板；9、第一垫层；10、管节。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

如图1～3所示，本发明提供了一种适用于沙漠无水砂层地区顶管工作井，工作井包括：

钻孔灌注桩2，多个钻孔灌注桩2沿工作井的周向均匀布置，多个钻孔灌注桩2绕工作井的圆心构成第一井壁体，用于工作井的主要围护和受力，第一井壁体用于承受顶管施工所需反力和保证整个工作井的稳定。

冠梁1，第一井壁体的上方设有冠梁1，圆形的冠梁1与工作井为同心圆结构。

内衬5，内衬5位于钻孔灌注桩2的内侧，内衬5竖向沿工作井深度方向布置构成第二井壁体，用于工作井的辅助围护和受力，内衬5的厚度为0.5m～0.8m，内衬5内部自上而下每间隔4m～6m设置暗梁3。环形的暗梁3与内衬5形成一个稳定的受力结构，能够极大地增加工作井的整个刚度和承载能力。

暗梁3，暗梁3内嵌于内衬5且沿内衬5的长度方向自上而下间隔布置，暗梁3的宽度与内衬5的厚度相同，暗梁3的高为0.5m～0.9m，内衬5与冠梁1的连接处还设置有第一垫层9，第一垫层9为厚度100mm～200mm的素混凝土垫层。

底板8，底板8位于内衬5的下方，底板8周边与钻孔灌注桩2的内侧壁相连。

井底加固旋喷桩7，底板8的下方设置有井底加固旋喷桩7，井底加固旋喷桩7采用格栅状满堂布置，即在井底布置满格栅状的井底加固旋喷桩8，底板8与井底加固旋喷桩7之间还设置有第二垫层6，第二垫层6的厚度为100mm～200mm(如100mm，110mm，130mm，140mm，150mm，170mm，180mm，190mm，200mm)，用于支撑底板8模板。

洞口加固旋喷桩4，钻孔灌注桩2的外侧设置有洞口加固旋喷桩4，洞口加固旋喷桩4位于工作井顶管管节10进出洞口处；井底加固旋喷桩7的厚度为2m～6m，搭接范围为0.2m～0.4m。

本发明还提供了一种适用于沙漠无水砂层地区顶管工作井的施工方法，施工方法包括如下步骤：

s1，进行钻孔灌注桩2的施工，步骤s1包括如下步骤：

s101，采用泥浆护壁或钢管护壁法施作钻孔灌注桩2的桩孔。

s102，向步骤s101的桩孔内吊放桩基钢筋笼。

s103，向步骤s102的桩基钢筋笼浇筑桩基混凝土。

s2，在步骤s1中钻孔灌注桩2的混凝土强度达到设计强度后进行冠梁1的施工，步骤s2具体包括如下步骤：

s201，开挖冠梁1土方，冠梁1基坑深度为地面以下3m，基坑开挖范围内无地下水，基坑周围无其它构、建筑物，冠梁1基坑土层为松散、中密的砂土，坡顶无荷载，开挖深度为3m，采用放坡比例为1:1的方式进行开挖，挖出的土方运至场外指定位置堆放。

s202，在开挖好的冠梁1基坑内绑扎冠梁1配筋，灌注桩剔凿至设计标高，桩头钢筋调直，外围一圈600mm范围内砂土人工清平至桩顶以下150mm，并浇筑100mm厚c20混凝土垫层。剔凿后的桩头嵌入冠梁1内50mm，灌注桩主筋锚入冠梁1内770mm。冠梁1内侧与内衬5墙连接处预留双排φ18@100钢筋(衬墙内侧竖向筋，接收井预留φ16@150钢筋、工作井预留φ18@100钢筋)并插入砂土内不得少于1m。冠梁1横向主筋采用焊接连接，箍筋采用绑扎连接，保护层厚度为40mm。

s203，在冠梁1配筋上施工冠梁1模板，在冠梁1配筋上施工冠梁1模板：模板使用木模双面搭设，拼接处用木方钉牢，梁壁用q235m14型对拉螺栓(带3片3mm止水钢片)间400×400mm加固，螺栓帽套钢管竖楞，钢管横楞三道环绕连接，竖向间距为800mm且在螺栓加固处设置。

s204，浇筑冠梁1混凝土，在浇筑冠梁1混凝土前还需要搭设冠梁1脚手架，冠梁1外部采用双排落地脚手架，内部采用满堂式脚手架施工，用扣件式脚手架搭设，其搭设尺寸为：立杆的纵距为1.5m，立杆的横距为1.5m，立杆的步距为1.8m，冠梁1内外脚手架搭设均为高度为3.6m；内排架距离壁板长度为0.35m，大横杆在下，搭接在大横杆上的小横杆根数为2；采用的钢管类型为φ48.3×3.6；横杆与立杆连接方式为单扣件；扣件抗滑承载力系数为0.8。冠梁1浇筑采用汽车泵输送c35商品混凝土，浇筑期间采用振捣棒密实，冠梁1顶部收光抹平。

在对冠梁1施工时需要注意以下几个问题：

①冠梁1施工时，基坑内工作面尺寸不够的情况下，需扩大基坑按照1:1.2比例放坡，不能用砂土回填做遮挡面。

②钢筋绑扎需等垫层混凝土达到设计强度时才能进行。

③浇筑混凝土前，首先要检查脚手架搭设、模板支撑必须牢靠，对拉螺栓必须拧紧，模内杂物必须清理干净。混凝土自由下落高度不能超过2m。

④脚手架搭设前，严格按施工方案放线、设置底座、垫板和标定立杆位置，并从中间部位开始向两边交圈搭设，在搭设完该处的立杆、纵向水平杆后，立即设置连墙杆；剪刀撑与脚手架同步搭设，设置在脚手架外侧立面，沿架高连续布置，斜杆与地面夹角为45°至60°，剪刀撑的斜杆除两端用旋转扣件与脚手架的立杆或大横杆扣紧外，在其中间增加2～4个扣结点。所有剪刀撑搭接长度不得小于1m，并最少采用3组扣件固定；脚手架各杆件相交伸出的端头，均大于10cm，以防止杆件滑脱。每一步距内均设置防护栏杆及安全网。

⑤振捣棒使用前必须对各部件进行认真检查，操作者必须戴绝缘手套和穿绝缘鞋；使用时先要试运转，确认无误后才能正式使用；振动棒要自然地沉入和拔出混凝土，不能用力硬插，硬拔。振捣时须将振动棒上下抽动，以保证振捣均匀，每处振捣的时间必须恰当，既要防止振捣不实，又要防止过振后下层的石子与水泥砂浆离析，影响混凝土的质量，每一插点振捣时间保证在20-30秒，以混凝土表面呈水平并出现均匀的水泥浆和不再冒气泡为止，不显著下沉，表示已振实，即停止振捣。

s3，步骤s2中冠梁1的混凝土强度达到设计强度后进行暗梁3和内衬5的施工，步骤s3包括如下步骤：

s301，开挖工作井内土体，冠梁1施工完成，待混凝土强度达到设计强度后，进行下方内衬5土方开挖。内衬5结构范围内无地下水，根据现场实际情况，内衬5土方开挖分为两种方式。

方式一：地面以下15m内的基坑土方采用长臂挖机直接开挖，挖出的土方用推土机推至场外。

方式3二：地面以下深度大于15m的基坑土方采取人工配合小型挖掘机开挖的方式开挖，选用1台wy15液压反铲挖掘机(0.3m³)，基坑土方开挖主要采用挖掘机开挖，人工配合挖除机械挖不到的地方。一次性开挖深度控制在1.8m以内，在松散砂层区每节高度不宜大于1m，先从中部开挖，然后向四周开挖。挖出的土方装入钢制土斗中，采用汽车吊吊运到井外，用推土机将土方推至场外。

此外，暗梁3与内衬5为同时施工：内衬5结构每4.5m设置一道高700mm宽500mm的环形暗梁3，在各灌注桩上环梁双排设置8根φ16横向间距275mm竖向间距500mm的植筋，钢筋锚入桩内长度560mm，外露440mm。植筋抗拔强度达到设计要求后，可进行暗梁3钢筋绑扎，暗梁3钢筋连接形式采用焊接，保护层厚度为40mm。暗梁3预埋铁与冠梁1预埋铁埋设方式相同，且在同一垂线上。暗梁3的厚度与内衬5的厚度相同，钢筋比内衬5增加的纵横向箍筋，其模板安装与内衬5结构模板安装方法相同，混凝土强度为c35。

s302，对开挖土体处的工作井的井壁进行植筋，逆作法施工内衬5时，模板为单面模板，加固时不能与一般模板支护一样直接采用螺杆对拉，需在灌注桩桩体上进行植筋作为对拉螺杆的墙内固定端。

井内每节内衬5脚手架搭设完成后，清理灌注桩表面杂土，按对拉螺栓间距进行植筋，植筋直径16mm，植筋完成后72小时后，采用拉力机(千斤顶)对所植钢筋进行拉拔试验，试验合格后进行方可进行下到工序。

s303，搭设内衬5模板：

1)钢筋加工：①钢筋在钢筋棚加工配料，运至施工现场后绑扎成型。②钢筋加工前，应将钢筋表面油渍、铁锈、漆污、冰块、积雪等杂物清除干净。

2)钢筋连接：钢筋连接分竖向和水平向钢筋接头，均采用单面焊接连接，焊接长度为10d。

3)钢筋安装：①土方开挖人工修整完毕后，立即进行护壁钢筋绑扎。采用预先下料、井下绑扎的施工方法。第一节内衬5的钢筋制作时，预留第二节内衬5竖向钢筋。绑扎时先将竖向钢筋打入砂中，入砂深度不小于两倍竖向钢筋搭接焊长度，并确保垂直。钢筋间距按设计要求，然后绑扎上水平横向钢筋，水平钢筋在外，竖向7钢筋在内，双排钢筋之间设拉筋和钢筋梯进行绑扎就位，竖向钢筋的连接均采用焊接。②钢筋混凝土内衬5开洞时，墙筋应切断，洞口周边设加强筋，其面积不小于被切断钢筋的面积，且每边不小于4根主筋，并超过洞径每边800～1000mm。③用水泥砂浆垫块控制保护层。④在底板8钢筋制作时，预留最后一节井壁的钢筋。⑤修整合模以后，对伸出的墙体钢筋进行修整，并绑一道临时定位筋，发现钢筋位移和变形时要及时进行调整。

4)模板工程：①内衬5模板体系由13mm厚七层胶合板、方木、钢管及对拉螺栓等组合成。②模板加固采用竖向木方和水平钢管(φ48.3×3.6)组成，竖楞方木间距250mm，横楞钢管间距500mm；③采用φ14对拉螺栓，一端焊接至植入到灌注桩体的植筋上，另一端与水平钢管拉结以加固模板截面，螺杆横向间距为500mm，竖向间距500mm。④内衬5结构为逆作法施工，安装下节内衬5模板时，上节内衬5混凝土已浇筑完毕，所以需对上下接缝做特殊处理，为方便下节混凝土料投入模板内，在接缝处侧模上口设一杯形投料口，高出上下节接缝300mm，宽出井内衬5250mm，混凝土由投料口入料。⑤模板安装流程：模板制作→模板用螺栓初固定→竖楞安装→横楞安装→调模定模。

s304，进行内衬5和暗梁3的混凝土施工：

①混凝土运输：为了保证内衬5结构的浇筑质量，内衬5混凝土采用商品混凝土，采用混凝土运输车运送进场，并用混凝土泵车进行内衬5结构浇筑。

②混凝土浇筑：内衬5机构混凝土等级为c35，内衬5壁厚500mm，底板8厚1000mm，由于采用逆作法施工，结构墙体分多次浇筑。施工连接缝的处理，采用斜缝连接。混凝土浇筑及间歇的全部时间不得超过混凝土的初凝时间，同一节井内衬5的混凝土必须连续浇筑，并在底层混凝土初凝之前将上一层混凝土浇筑完毕。

③浇筑混凝土时的振捣：振捣时要快插慢拔；墙板采用向振捣，振捣时上层要插入下层≥50mm。振动棒移动间距≤50cm。每一插点的振捣时间为25±5s，同时配合观察(混凝土表面泛出浆、不再显著下沉、不再出现气泡)来确定其振捣时间。振捣器距离模板≤20cm。从施工缝处开始浇筑混凝土时，不能直接靠近缝边下料，振捣时由远而近向施工缝处推进，距离缝边900mm±100mm处停止振捣，改用人工加强对此处混凝土的振捣，使其结合紧密。

④浇筑混凝土时的注意事项：为保证模板不跑位不变形，混凝土浇筑强度需要严格控制，控制在1.5m/h的浇筑强度。混凝土自高处倾落的自由高度不得超过2m，浇筑的竖向结构高度超过3m时采用振动溜管使混凝土下落。

⑤混凝土养护：混凝土浇筑完成后12小时内，进行混凝土养护，顶管井施工完成后必须养护3天。用塑料薄膜覆盖并浇水保持湿润状态，保持混凝土湿润状态浇。浇筑完成的混凝土强度≤1.2mpa(通过同条件实验来确定)前，不得上人和进行其它作业。

s4，进行井底加固旋喷桩7、底板8、洞口加固旋喷桩4的施工，暗梁3、内衬5墙施工至管道顶标高以上停止，将井垫层施工完成后再施工底板8与剩余内衬5墙、洞口加固。垫层、底板8，基坑开挖到底后要及时进行封底施工，确保施工安全。

(1)垫层施工：垫层采用c20素混凝土浇筑，厚度为200mm。施工之前平整并清楚坑底杂物，混凝土浇筑高度控制在设计标高内，施工完成后，人员不能直接踩踏。

(2)底板8、剩余内衬5、洞口加固施工：①底板8钢筋绑扎：底板8钢筋绑扎两层，下层钢筋横纵间距为φ22@150保护层40mm，钢筋两端90°向上350mm弯钩；上层钢筋横纵间距为φ22@120(工作井为φ22@100)保护层35mm，双层钢筋伸入墙内≥12d，且至少到墙中线，钢筋连接形式为绑扎搭接。

②最后一节内衬5墙、洞口加固钢筋绑扎：最后一节内衬5墙竖向钢筋锚入底板8，内层钢筋90°弯钩锚入底板8长度为36d，与底板8连接处设置4φ25加强筋横向连接。内衬5墙在设计洞口处加宽800mm，并设置洞口加强钢筋，剩余最后内衬5混凝土浇筑采用预制钢模板加固，浇筑方法与上层内衬5墙施工方法相同。

综上所述，本发明中的工作井的内衬5与暗梁3间隔位于钻孔灌注桩2的内侧壁上，内衬5与暗梁3形成一个稳固的结构，能够增强工作井内侧壁整体的承压强度，同时内衬5与暗梁3同时施工，便于提升施工的效率。此外，本发明的施工方法整体施工效率较高。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均在本发明待批权利要求保护范围之内。