某污水处理厂配套管网工程包括污水管道工程及中水管道工程, 共设置16个顶管基坑。污水管道直径为3 000mm和3 200mm, 管道总长度为2 891m, 全部采用顶管施工, 共10个顶管基坑。中水管道有3段为顶管施工, 其中第1段管径为1 650mm, 双排管道, 单排长40m;第2段管径为1 650mm, 双排管道, 单排长116m;第3段共4排, 其中两排管径为1 800mm, 另两排管径为1 200mm, 单排长110m。中水管道每段顶管各设置1个主副坑, 共6个顶管基坑。

钻孔灌注桩施工时, 基坑围护结构与灌注桩之间距离仅为1m, 如何合理确定灌注桩的施工顺序及防止塌孔是施工难点。水泥搅拌桩止水帷幕的施工质量为工程的关键点, 若水泥搅拌桩止水帷幕渗漏, 将会对基坑开挖极为不利。水泥搅拌桩施工过程中应严格控制水泥掺量、水灰比、桩机的钻进与提升速度及垂直度等, 保证成桩质量及止水效果。

第1类基坑为圆形基坑, 围护结构为水泥搅拌桩和钻孔灌注桩, 支护结构为2道混凝土支撑, 基坑深度为11.78m。该基坑第1道支撑为在灌注桩桩顶制作钢筋混凝土冠梁, 第2道支撑为钢筋混凝土环梁, 设置在坑底以上5m位置, 基坑平面及剖面如图1所示。

第2类基坑为矩形基坑, 围护结构为水泥搅拌桩和钻孔灌注桩, 支护结构为1道混凝土支撑和1道型钢支撑, 基坑深度为10.73m。第1道支撑为在灌注桩桩顶制作钢筋混凝土冠梁, 横向设有2道钢筋混凝土支撑;第2道支撑采用型钢腰梁, 横向设有2道型钢支撑, 设置在坑底以上5m, 该类基坑第1, 2道支撑平面及剖面如图2所示。

第3类基坑为矩形基坑, 围护结构为水泥搅拌桩和工字钢, 支护结构为1道型钢支撑, 基坑深度为5.85m。在基坑顶部以下1m设置1道支撑, 采用HW400×400×13×21腰梁, 并设有φ299×12钢管角撑水平支护, 基坑平面及剖面如图3所示。

严格遵循“分层挖土, 先撑后挖”原则, 始终把基坑变形量控制在警戒指标内, 限制基坑开挖线以外地面堆土堆物荷载≤20k Pa, 并做好计算校核工作。严格控制基坑施工降水时间和降水量, 根据分层、分级按需降水, 并时刻监测因降水而造成周围地面沉降量。基坑开挖分4种工况: (1) 工况1去除表层土, 挖掘机坐落在原地面, 从地面下挖1m土层进行卸荷, 在水泥搅拌桩外侧保留3m工作平台, 如图4a所示。 (2) 工况2挖掘机从工作平台开挖至冠梁底部, 开始施工钢筋混凝土冠梁, 如图4b所示。 (3) 工况3待冠梁强度达到设计强度的100%后, 再进行下层土方开挖。挖掘机坐落于工作平台, 坑内放置1台小挖掘机, 配合取土, 开挖至环梁底部, 开始施工钢筋混凝土环梁。环梁与灌注桩之间的连接方法为在灌注桩内部植入钢筋连接并与环梁连接, 如图4c所示。 (4) 工况4待环梁强度达到设计强度的100%后, 再进行下层土方开挖。长臂挖掘机坐落于工作平台, 坑内放置1台小挖掘机, 配合取土, 开挖至坑底后进行基坑封底, 如图4d所示。开挖深度至工作坑基底标高以上30cm后, 采用人工清理槽底, 严禁超挖或扰动基底土层。

土方开挖应严格遵循“分层、均衡取土、先撑后挖”的原则, 当土方挖至支撑底时应立即进行支撑施工, 土方开挖施工应与支撑施工紧密结合, 支撑方式分为钢筋混凝土支撑和型钢支撑2种形式。

环梁与灌注桩之间的连接采用3φ22mm@2 000mm植入桩内250mm, 先在灌注桩上进行打孔, 钢筋主筋上涂抹植筋胶, 植筋胶的涂抹量应严格按照规范及设计要求。模板采用木模, 模板支护完成后应进行侧模加固。Ⅱ类基坑的混凝土横撑应按设计要求的1/300起拱, 混凝土浇筑过程中应严格控制强度等级、坍落度、振捣、抹面等施工工序, 确保混凝土冠梁、环梁及横撑的施工质量。

钢支撑稳定性是控制整个基坑稳定的重要因素之一, 钢支撑架设必须准确到位, 型钢支撑安装流程:计算长度→支撑拼装→支撑点安装固定件→焊接支点→安装支撑前检查→吊装→支撑就位→定期检查。当挖掘机开挖至设计标高时, 及时组织测量人员施放钢支撑的点位, 焊接支架。型钢腰梁与灌注桩连接时, 支架采用在灌注桩植筋的方式施作, 在植入灌注桩的钢筋上焊接一块水平钢板作为托架;型钢腰梁与工字钢围护结构连接时, 支架与H型钢钢板焊接, 支撑托架为在H型钢上焊接2块钢楔子, 并在上面焊接一块水平钢板, 型钢腰梁如图5所示。此外, 斜撑需焊接牛腿, 如图6所示。

由于顶管围护桩为钻孔灌注桩, 在顶管进出洞口位置需破除灌注桩, 但破除灌注桩后会对围护结构的整体稳定性造成不利影响, 因此需在进出洞口位置对围护桩采取加固处理, 再设置止水装置。

基坑外侧进出洞位置土体加固的做法为在基坑外侧进出洞位置设置3排φ850mm@1 200mm三轴搅拌桩进行土体加固, 设置宽度为管道外侧2m, 深度为嵌入基坑地面以下5m, 如图7所示。然后, 再对进出洞位置围护桩进行破除, 破除后的洞口应为圆形, 圆心与管道中心保持一致, 洞口直径大于管道外径50cm, 洞口破除示意如图8所示。破除围护桩后的洞口需浇筑混凝土加固, 以顶管机头迎面的墙体为平面并形成洞口加固混凝土墙, 内部设置4φ25钢筋作为主筋加固, 并在混凝土墙上预埋高强螺栓用于安放橡胶止水法兰, 洞口加固如图9所示。

安装橡胶止水法兰时应设扇形钢压板, 防止橡胶法兰被挤翻出;橡胶法兰内径应小于管道外径约30cm, 单边翻入15cm, 止水构造如图10所示。

采用疏干降水管井对坑内潜水层进行疏干降水, 能有效降低被开挖土体含水量;疏干井井深低于基坑底5m。此外, 还需在坑外设适量观测井, 井深低于基坑底3m, 观测井位置尽量靠近围护结构。

基坑开挖时坑内需设置疏干井且井深低于基坑底。基坑封底后, 顶管施工在不影响施工的位置需至少保留1口疏干井并与坑内排水盲沟连接。此外, 沿基坑周围需均匀布置适量观测井 (备用降水井) 且井深低于基坑底, 用于基坑开挖过程中的水位观测及顶管施工过程的进出洞口位置降水, 3类基坑井点布置如图11所示。

基坑开挖至坑底时沿基坑周围设置等粒径碎石盲沟, 盲沟要求随挖随填, 形成宽300mm、深400mm, 并与坑内疏干井连接构成坑内排水系统。

坑内疏干井在降低水位至静水状态以下时, 快速回填干硬性混凝土至底板底面, 再浇筑底板混凝土。同理, 坑外观测井降低水位至静水状态以下时, 快速回填黏土球至基坑顶面。

基坑开挖过程中, 每天需监测1~2次, 出现异常情况应适当加大监测频率。对监测布点设专人监护, 对监测点周围明显标记。在顶管施工过程中, 严格控制顶力最大值不超过基坑后背所能承受最大顶力的65%、管道所能承受最大裂缝荷载和千斤顶所能提供最大顶力的65%三者中的最小值, 当顶力超过上述三者中的最小值时, 应采取中继间接力的方式顶进, 避免顶力过大造成基坑围护结构失稳。

监测项目有桩顶水平位移、支护桩的深层位移、周围建 (构) 筑物、道路以及地下管线的沉降、基坑周边地表沉降等, 应密切关注观测井的水位变化情况, 并定期观察是否超过报警值。此外, 顶管过程中顶坑后背和支撑内力也为监测重点。

3类基坑分别设置桩体深层水平位移观测点、桩顶水平位移、竖向位移观测点, 地下水位观测点, 坑外降水井可用于水位观测;地表沉降观测点, 布置在基坑深度1倍范围以内。3类基坑的监测点位布置如图12所示。

经监测, 桩体深层水平位移、桩顶水平位移和竖向位移均在目标控制值之内;地下水位低于地基底1m以上, 满足降水要求。周围建 (构) 筑物、道路以及地下管线的沉降、基坑周边地表沉降满足施工要求。顶管过程中顶坑后背和支撑内力也在设计要求范围内。

1) 基坑土方分4种工况进行分步开挖, 开挖深度至工作坑基底标高以上30cm后, 采用人工清理槽底, 保证了开挖的效率和安全。顶管进出洞口位置破除的灌注桩采取加固处理, 再设置橡胶止水法兰及止水构造, 保证了围护结构的整体稳定性。

2) 基坑开挖时坑内设置疏干井且井深低于基坑底。基坑封底后, 顶管施工在不影响施工位置需保留至少1口疏干井并与坑内排水盲沟连接, 沿基坑周围需均匀布置适量观测井 (备用降水井) 且井深低于基坑底。坑底沿基坑周围设置等粒径碎石盲沟, 其与坑内疏干井连接构成坑内排水系统, 提高了基坑降水效率。

3) 3类基坑分别设置了桩体深层水平位移观测点、桩顶水平位移、竖向位移观测点、地下水位观测点等监测点位, 并定期观察是否超过报警值。严格控制顶力最大值不超过基坑后背所能承受最大顶力的65%、管道所能承受最大裂缝荷载和千斤顶所能提供最大顶力的65%三者中的最小值, 避免了基坑围护结构失稳。