南京市某污水干管工程全长1.46km, 管材为ϕ1 500钢筋混凝土Ⅱ级管, 采用顶管法施工。该污水干管下游终点段先经闸门井W1后再接入城东污水处理厂内一既有进水井 (见图1) , 该进水井已运行多年且早期井壁施工时未在相应位置预留接入洞口。为此, 针对W1闸门井-进水井段管道施工方法开展研究。根据设计图纸及现场验证, W1闸门井与进水井之间拟建管道总长约9.40m, 管底设计标高为-2.720m。

　　 1) 既有进水井内各类管道接入情况 根据原竣工图纸及现场调查统计, 目前接入该进水井的管道共有4根 (不含待建ϕ1 500干管) , 各接入管道平面分布及中心标高如图2所示, 进水井井底标高为-3.000m。

　　 目前, 城东污水处理厂担负城东片区污水日处理量20万t, 污水由干管接入进水井后, 再由6台132kW水泵 (4用2备) 提升后进行污水处理。经多方沟通, 确认该进水井在顶管施工期间不具备停用条件, 正常运行状态井内水位在井底以上7.000～8.000m (标高为4.000～5.000m) 。

　　 2) 地质概况 根据工程勘察报告, W1闸门井-进水井段拟建管道沿线场地地基土构成及结构特征如表1所示, 拟建ϕ1 500污水干管位于②₂地层。根据勘察报告结合W1闸门井施工情况, 确定该段地下水位位于约3.000m标高位置。

　　 3) 工程施工重难点分析 主要是如何在污水进水井高水位运行的情况下安全保质地完成污水干管的接入, 这其中包含污水厂既有进水井井内水流稳定性控制、顶管安全进洞、进水井0.70m厚钢筋混凝土井壁水下破除及洞口处理等。只有解决上述诸多关键问题, 才能保证该段管道施工的顺利进行。此外, 本工程的工期较紧, W1闸门井-进水井段施工时间直接影响整个污水干管工程工期。

　　 若采用先由W1闸门井向进水井顶管施工, 后在ϕ1 500顶管内破除进水井井壁的常规施工方案, 则存在以下不足:①在ϕ1 500顶管内破除进水井井壁, 作业人员操作空间不足。②一方面, 污水处理厂进水井内水位较高, 井内与顶管内部存在较大的水压差;另一方面, 进水井内4台大功率水泵同时运行, 进水井内水流活动十分复杂, 这两项因素严重威胁洞口破除作业人员的生命安全;同时, 大功率水泵也有因吸入混凝土碎块等异物而损坏的风险。③管材与进水井井壁圆形断面接口位置处洞口加固处理较为困难, 质量难以保证。

　　 针对上述常规施工方案存在的不足, 经研究决定在该段采用“新增工作井+人工顶管”施工方案, 即在进水井外侧新增工作井, W1闸门井-新增工作井段采用人工顶管施工 (见图3) 。新增工作井有以下作用。

　　 1) 采用明挖法施工工作井, 便于做好新增工作井与进水井井壁的连接处理, 施工质量有保证。

　　 2) 利用该新增工作井作为接收井, 完成人工顶管进洞、洞口处理工作, 可以保证顶管施工安全以及管材与井体连接质量。

　　 3) 将该新增工作井作为人工破除进水井井壁的作业区域, 扩大了工作面。

　　 4) 为创造与进水井内等水压的作业环境提供了条件 (人工顶管进洞并完成洞口处理后, 关闭W1闸门井闸门, 向新增工作井内注水, 使进水井内外水位基本保持一致, 平衡水压) 。

　　 此外, 洞口破除作业前, 在进水井内侧采用钢围堰围护隔离特定区域, 稳定井内水压、水流, 避免作业人员及混凝土碎块被水泵吸入。出于安全与经济的双重考虑, 洞门破除采取“先干作业, 后水下作业”的施工方案, 即先由工人在新增工作井内部破除0.35m厚井壁, 再将W1闸门井闸门关闭注水平衡水压。在此基础上, 安排专业潜水员水下破除剩余0.35m厚井壁, 在保证施工安全的同时, 尽量节约成本。

　　 施工工艺流程:钻孔灌注桩支护→地基加固处理→桩头破除、圈梁施工→明挖逆作法施工工作井→人工顶管施工→井内钢围堰围护施工→干作业破除洞口→注水平衡水压→水下破除洞口→浇筑工作井盖板→回填→拆除钢围堰。

　　 为保证顶管施工和顶进过程中周边管线及建筑物的安全, 通过现场调查及对设计文件的综合分析, 决定在管道两侧采用ϕ1 000钻孔灌注桩 (桩间净距0.20m) 进行管道基坑支护 (管道中心线至桩边侧距离1.55m) , 同时在钻孔灌注桩外侧采用双排ϕ800高压旋喷桩 (搭接300mm) 止水帷幕进行密闭止水 (见图1) 。此外, 为确保基坑围护稳定, 对围护结构内部、管道下方4.20m深度范围内的土体采用ϕ800 (搭接300mm) 高压旋喷桩进行加固处理。高压旋喷桩采用三重管施工工艺, 旋喷桩采用P·O42.5水泥作为固化剂, 水泥用量≥40%, 水灰比为1∶1。

　　 新增工作井采用明挖逆作法施工。其中, 井壁1, 2, 3为新建, 井壁1, 3与进水井井壁相连 (见图3) 。工作井井壁及底板厚度均为0.50m, 均采用C25混凝土。工作井开挖底面标高为-3.170m, 土方开挖深度为8.67m, 井壁分2节施工:第1节高3m, 第2节高3.17m。施工流程为:测量放线定位→土方开挖至4.500m标高→检查桩位及圈梁位置、标记→土方开挖至±0.000标高→进水井井壁植筋、凿毛处理→第1层井壁钢筋制作安装→第1层井壁模板安装→第1层井壁混凝土浇筑→土方开挖至-3.170m标高→第2层井壁钢筋制作安装→进水井井壁植筋、凿毛处理→第2层井壁模板安装→第2层井壁混凝土浇筑→10cm厚C15素混凝土封底→底板制作→井体施工完成。

　　 新增工作井井壁配筋及井壁与进水井连接部位处理方法如图4所示。

　　 由于污水处理厂进水井正常运行时, 井内水位在井底以上7.0～8.0m, 且污水干管接入施工时不具备停用条件, 为稳定井内水压、水流, 保证洞口破除作业人员安全, 避免作业人员及混凝土碎块被水泵吸入, 在进水井内采用7.5m高钢围堰将两处进水管道与拟建ϕ1 500顶管位置进行隔离 (见图5) 。具体操作方法如下。

　　 1) 根据设计图纸, 首先对ϕ1 500新建管道与进水井交接位置进行放样, 并做好标记, 然后与该进水井其余接入管道位置、标高进行比对, 在保证可施工操作范围的前提下, 初步选择钢围堰围护范围。

　　 2) 了解进水井的工作状态是否有淤积物等, 测量井底实际高程, 计算井内水压力后进一步确定止水围堰的钢板厚度及结构形式等相关内容。

　　 3) 人工配合起重机将制作好的钢围堰下放至污水进水井内, 按照事先放样位置进行安放, 安放时在围堰两侧布置牵引钢丝绳, 可调节固定围堰位置, 防止井内流水对钢围堰安放时的影响。同时, 钢围堰外侧增加钢管支撑与井内壁相连, 从而保证钢围堰安放好以后的整体稳定性。钢围堰安装结束后, 在钢围堰上口至井顶搭设ϕ25@200×200钢格栅, 主要防止水位突然增加, 导致井内水流紊乱, 进而影响到潜水作业人员的安全。

　　 4) 钢围堰内侧与两侧井壁采用ϕ30@200膨胀螺栓进行固定, 并设置双P型止水橡胶条, 如图6所示。

　　 W1闸门井至新增工作井段管道处于②₂淤泥质粉质黏土层内, 管道净长4.00m, 采用人工顶管法施工。顶管设备主要由后背、油缸支架、主顶油缸、主顶泵站、导轨、穿墙止水、泥浆搅拌及压注系统组成。其中, 主顶站由2台顶力2 000kN、最大行程1.30m的千斤顶组成, 设计总站顶力可达8 000kN (即4台液压千斤顶) , 通常情况下仅使用2台液压千斤顶。

　　 顶管管材为ϕ1 500钢筋混凝土管, F-C型承插口。每次顶进距离≤0.50m, 防止超挖或欠挖;顶进全过程需不间断注浆, 注浆采用稀释后的膨润土, 稀释浓度控制在30%～50%, 注浆压力控制在≥12MPa。顶管机破进洞口封门进入接收井后, 做好顶管机最后一节管材与进洞口的密封连接, 按设计要求封堵首管与接收井之间的空隙。

　　 新增工作井、人工顶管全部施工完成后, 方可施工洞口破除, 采取“先干作业, 后水下作业”的施工方案。洞口投影为2.00m×2.00m正方形, 洞口中心点在拟建ϕ1 500污水干管中心线上。

　　 进水井钢筋混凝土井壁厚0.70m, 首先安排工人在新增工作井内干作业, 破除0.35m厚钢筋混凝土井壁。主要施工要点如下:①技术人员在进水井井壁外侧测量并标记拟破除钢筋混凝土的具体位置、破除范围。②施工作业人员在新增工作井内采用空压机、风镐, 按0.35m厚破除钢筋混凝土, 并割除外层钢筋;过程中需经常测量破除厚度, 严禁超破。③由于钢筋混凝土破除作业极易产生大量粉尘, 故在W1闸门井内架设大功率送风设备向管道及工作井内吹送新风, 尽最大限度减少管道内粉尘。④采用钢制料斗和汽车式起重机将破除的混凝土块配合运送至地面。⑤干作业破除施工完成后, 技术人员下井认真检查破除部位, 重点检查洞口破除位置、尺寸、边口处理以及钢筋割除是否满足方案要求。在自检合格的基础上报请监理工程师验收, 合格后准备下道工序施工。

　　 水下破除施工前, 先将W1闸门井的闸门关闭, 同时向新增工作井内注水直至工作井内水位与进水井内水位基本持平, 最后安排专业潜水作业人员下井对剩余的0.35m厚钢筋混凝土井壁实施水下破除作业。潜水作业人员水下破除作业是本工程的关键控制节点, 危险性较大。主要施工要点如下。

　　 1) 作业期间每日上、下午各开展1次污水水质 (如pH值、硫化氢检测值等) 化验分析, 根据化验结果判定是否允许潜水员下水作业, 避免污水对人体造成腐蚀、中毒。

　　 2) 临时用电搭设 在接入国家电网30kW三相五线制的同时, 现场配置1台30kW柴油发动机作为施工备用电源, 防止意外断电威胁潜水员水下作业安全。

　　 3) 对进水井内已安装的钢围堰进行认真检查, 尤其是检查钢围堰与井壁连接螺栓是否紧固, 如发现松动, 应立即调整完善。

　　 4) 水下破除混凝土碎块均采用蛇皮袋收集, 装袋后仍采用钢制料斗和汽车式起重机配合运送至地面。

　　 5) 水上、水下通过有线对讲机联系, 及时了解水下施工进度及施工状态, 以便及时应对各类情况。

　　 6) 井壁洞口破除施工完成后, 由潜水作业人员在水下均匀涂抹2层掺加水下不分散剂的水泥砂浆, 进行洞口边口处理。

　　 要在高水位运行的进水井井壁上破除洞口接入污水干管, 一方面, 在进水井内设置钢围堰围护, 将洞口凿除区域与其他区域隔离, 减小因井内大功率吸水泵工作、其他管道输送水所引起的复杂水流活动, 稳定水压、水流, 避免作业人员及混凝土碎块被吸入水泵;另一方面, 在井外新增工作井兼作顶管接收井及井壁洞口破除工作面, 水下破除洞门前向工作井内注水, 平衡进水井内水压, 安排专业潜水作业人员水下完成洞口破除和洞口处理。