中山市位于珠江口西岸, 属于海陆交互沉积区域, 地质多为淤泥、砂层等。在以往的污水管道非开挖施工建设中, 都需要施工井体构筑物, 如顶管工作井、接收井, 拖管转接井, 中间检查井等。井体多采用逆作法或沉井法施工, 两种方法都存在造价高、止水困难的问题, 由于透水、透砂造成周围地面不同程度的下沉, 甚至出现附近围墙、房屋开裂, 引起扩大修复或索赔等情况。

　　 在多年的污水管网设计工作中, 很多污水管都位于建成区, 场地狭窄, 靠近房屋, 故需要一种施工影响小、造价低、技术要求不高且便于实施的井体施工方法, 与管道非开挖施工工艺配合解决此类地区的管道施工问题。

　　 污水管道非开挖施工一般是在现有道路上进行, 沿海此类区域的典型地质分层及管、井示意如图1所示。

　　 路面结构层下为素填土, 之下是流塑状淤泥, 再下是细砂, 再之下是淤泥质土。非开挖施工管道一般位于细砂、淤泥或淤泥质土层, 相应的井体会上下穿过素填土层、淤泥层。由于存在流塑状淤泥及透水砂层, 且埋深较深, 井体只有采取非开挖施工。

　　 井体非开挖施工方式有两种:一是逆作法, 二是沉井法。

　　 逆作法是一种基坑支护方式, 通常做法是先支护、止水, 再从地面往下分节浇注井体等构筑物, 浇注到设计深度后便可封底, 然后在井内实施其余工程内容, 其施工示意见图2。

　　 逆作法施工一般在拟实施构筑物周边先进行护壁结构, 该结构可以常用是互相咬合的搅拌桩或者高压喷浆, 也可用其他方式。该护壁结构既有止水作用, 又作为逆作法每一节段浇筑前得支护受力结构。在护壁结构达到强度要求后, 向下依次对每一节段进行挖土、结构浇筑。最后, 达到设计深度后实施底板。

　　 对于建成区中的污水管道, 常在道路下埋管做井, 井体实施往往没有空间进行放坡大开挖, 因此逆作法便是一种选择。对于城市污水工程, 以及中山地区的软土地质, 逆作法有如下优缺点:

　　 (1) 优点: (1) 占地较少; (2) “护壁+井体”结构, 刚度大, 能有效控制变形, 对周边重要构筑物保护效果较好; (3) 逆作法节段施工完成后可作为结构永久井壁, 节约工期; (4) 护壁结构具有止水作用, 井内挖土时没有水。

　　 (2) 缺点: (1) 每次开挖深度只能为节段高度; (2) 对施工技术要求更精细、施工质量高:在淤泥层时, 井体结构的节段之间钢筋均为焊接、混凝土也需要凿毛, 保证接触面清洁; (3) 造价方面一大部分费用在于护壁、封底:当底板以下为淤泥砂层等不良或透水地质时, 护壁结构就需要打入底板以下一定深度以保证嵌固稳定、阻挡渗流, 甚至往往还需要在拟实施构筑物以内、底板以下进行“封底”, 以加固底板以下的原状软土。

　　 逆作法是一种安全、有效的施工方式, 可以应对大、小、深、浅以及复杂形状的井体, 也可以应对周边复杂的环境。然而, 建成区中的污水管道, 往往在于一些狭窄的道路上, 虽然圆形构筑物可以有效减少井壁厚度, 但逆作法的护壁结构是必须存在的, 其占地也是不可避免的;另一方面, 逆作法对于工序和质量的要求十分高, 护壁结构和井体结构中的钢筋焊接、混凝土浇筑、衔接要求精细, 施工不严谨便会影响结构的受力, 甚至在节段间出现渗水现象, 此时补救便要花费更多代价。

　　 沉井是一种在地面上制作、通过取除井内土体的方法使之沉到地下某一深度的井体结构。沉井按用途分类有构筑物类、基础类和基坑支护类, 按场地分类有陆地沉井、筑岛沉井和浮运沉井, 而建成区中的污水工程中的井体采用沉井施工时, 便属于构筑物类和陆地沉井。沉井的施工下沉方式划分为排水下沉和不排水下沉两种, 两者在实际施工中根据土层情况可各自单独使用, 也可交错使用。

　　 沉井施工的工艺流程见图3。

　　 沉井施工可以现地浇筑, 分段下沉, 通过接高达到设计深度;对于埋深不大的井体, 也可以通过预制并运送到现场下沉。第一节下沉前做好地基处理, 防止下卧层应力过大。下沉过程需要监测, 防止突沉, 勤纠偏。

　　 对于建成区中的污水工程, 在中山地区的软土地质情况下, 井体采用沉井施工有如下优缺点:

　　 (1) 优点: (1) 占地比逆作法更少; (2) 沉井结构刚度大, 能对周边重要构筑进行物保护; (3) 沉井井壁同时作为开挖过程的支护及以后使用的井体结构, 省去开挖支护费用; (4) 对于地下水丰富位置, 沉井可以不排水下沉及水下封底, 省去降水和排水费用。

　　 (2) 缺点: (1) 无论排水或不排水下沉, 下沉过程都会对周围一定范围内土体产生扰动, 需要相应保护措施; (2) 刃脚下如有大块孤石或其他障碍物则难以清除; (3) 下沉过程需要不断监测、勤纠偏, 对于软土, 容易突沉。

　　 沉井法施工对于建成区中的污水工程, 适用范围广, 费用也较逆作法低。但是, 沉井的施工方式最大问题是对周边一定范围内土体难以完全避免破坏。在建成区中的污水工程, 特别是在那些非常狭窄的城中村道路上, 两侧往往存在浅基础的自建房, 沉井施工对周边构筑物的影响是不容忽视的, 同时也因为场地限制, 无法做更多的保护措施, 另外在沉井外增加支护措施, 使之不适用于很多情况。

　　 逆作法和沉井法在建成区中的污水工程实施过程中, 最大问题在于道路狭窄且邻近有敏感构筑物的地方。前者是因为占地问题、护壁机械的巨大, 后者则是因为无空间消化沉井所扰动的土体。

　　 在施工用地受限的情况下沉井其实是十分好的选择, 关键在于如何最大限度的降低沉井的最不利影响, 也就是沉井对周围土体扰动问题。要解决该问题, 首先要分析其原因, 有以下几点^[1]:

　　 (1) 沉井下沉时, 对粘性土来说, 主要由于井内、外土面有高差, 刃脚下土体承受井外土柱自重压力及下沉时井体带动土体的影响, 以致使井外的土体沿刃脚底部不断被挤入井内。

　　 (2) 对于砂类土来说, 除了上述应力的作用外, 主要还是沉井内外水头差的作用, 使砂类土大量随水涌入井内, 发生流沙现象。

　　 (3) 沉井下沉过程多次纠偏而松动井外土体, 特别对于大头井和带外台阶的沉井, 井壁与土之间有间隙, 这些原因都促成了沉井周围土体破坏和坍塌。

　　 (4) 沉井下沉后期需要人工掏挖刃脚使其下沉时, 井外泥沙涌入井内, 造成沉井周围地面坍塌。

　　 综上所述, 笔者认为沉井周围土体虽受到扰动, 但究其根本原因是发生流失才会使得井周围土体破坏和坍塌, 尽管不排水下沉使得井内外水压平衡, 但是沉井下沉的掏土掏砂工序却是为井周围土体流失打开大门, 沉井周边土体一旦发生坍塌, 井四周土压力不均会引起沉井倾斜, 进而加大土方往井内流失, 恶性循环。

　　 在建成区中施工井体, 针对中山地区的不良地质及施工深度情况下, 在狭窄而有敏感建筑物的地方无法采用井点降水减少土体扰动问题;加长刃脚到1.5~3.0m更不太经济, 敏感地段刃脚掏土更是危险。

　　 因此, 如果沉井能在“不掏走井内土”的情况下下沉, 这不仅使得井外土体几乎无法流失, 而且使得井内外土体容重、压力相同。待到下沉至设计标高后, 仍然“不掏土”, 直至封底完成。这个方法, 便可很好地解决沉井下沉施工时周围土体破坏和坍塌。

　　 泥浆置换法沉井就是针对上述情况提出的一种连续、高效、低影响的施工工艺。泥浆置换法与带水沉井较为接近, 但取土方法和井内浆液不同。泥浆置换法沉井是在井内倒入泥浆, 利用空压机吹搅井内泥浆, 将井内砂土溶于泥浆。然后利用泥浆泵将泥浆抽至井外泥砂分离机, 大粒径泥砂杯分离出来打包外运, 细粒径悬浮泥浆回流至井内。沉井过程中, 随着土壤的消解、分离, 井体不断下沉, 井内液面下降, 需要不断补充泥浆, 保持井内液面与外部地面相平。

　　 现有工艺对周围产生影响, 是由于施工过程中井内外压力不平衡, 井体周边水土流失造成。而泥浆置换法沉井在施工过程中始终保持井内充满泥浆, 由于泥浆比重与砂土饱和容积比重接近 (1.4~1.7g/cm³) , 内外压力基本保持平衡, 对周围土体无影响, 不会产生次生灾害。

　　 井内泥浆起到溶解悬浮土壤、砂粒的作用, 主要由膨润土、高分子纤维素和硝碱配制。膨润土采用钠基膨润土^[2], 利用膨润土遇水膨胀性能悬浮土壤颗粒, 高分子纤维素是用作高分子表面活性剂, 用于增稠、分散、乳化、增溶、成膜、保护胶体。硝碱 (工业用氢氧化钠) 是作为辅助剂使用, 用于提高pH, 快速水化膨润土和高分子纤维素。所采用的膨润土俗名“观音土”, 无毒性, 对人、畜、植物无任何毒害和腐蚀作用, 高分子纤维素可生物降解, 硝碱主要用于提高pH, 三者形成的泥浆使用安全, 对环境无不良影响。泥浆可以重复利用, 最终泥浆可以外运浓缩干化处置。

　　 如图4所示, 泥浆置换法沉井过程中主要设备由空压机、泥砂分离设备、泥浆泵组成, 另辅以空气软管、空气硬管、泥浆管、泥浆回流管等, 便于施工操作。

　　 施工顺序为: (1) 井体分段预制, 井体预留孔位处用素混凝土封填; (2) 在井位浅挖去表, 放置底部预制井段; (3) 井内外注入膨润土泥浆, 液面平外部地面; (4) 利用空气压缩机通过手持式硬质空气管吹搅井底泥浆; (5) 井内放置泥浆泵, 抽吸泥浆至外部泥砂分离设备; (6) 泥砂分离设备将低粒径泥浆与大粒径砂土分离; (7) 泥浆回流井内, 砂土打包外运; (8) 随井段下沉情况, 按顺序增加井段; (9) 视井内外液位情况, 适当添加泥浆保持与外部地面相平; (10) 下沉至预定高程后, 井底梅花布置数只水泥小方桩; (11) 水下浇混凝土封底; (12) 用水泥砂填实外围空隙, 并用震动棒打实; (13) 抽干泥浆, 浇筑钢筋混凝土底板。

　　 如图5所示, 在沉井到预定位置后, 在井底打水泥小方桩, 桩顶与设计井底平, 桩大小、长度、分布按结构计算结果确定;在底桩完成之后, 可以水下浇筑混凝土封底。封底完成后可以抽干泥浆浇筑钢筋混凝土底板。

　　 泥浆置换法沉井工艺相比于传统沉井施工工艺具有如下特点: (1) 施工简单, 技术要求低, 容易实现; (2) 泥浆密度与土体密度接近, 内外压力平衡; (3) 井内外压力平衡, 对外部无影响, 不会产生次生灾害, 地面不沉降, 房屋不开裂; (4) 成本低廉, 不需要支护, 不需要土方开挖; (5) 干泥渣外运, 环境条件好, 无污染, 对周边环境影响小; (6) 泥浆起到润滑作用, 容易下沉, 周边受力均匀, 不易倾斜; (7) 泥浆可以使砂土悬浮于泥浆中, 便于抽吸; (8) 施工效率高, 外运泥渣量小, 进度快; (9) 泥浆可以重复利用。该工艺可以用于污水管非开挖施工时工作井、接收井、转接井、中间检查井等井体构筑物的施工, 适用于淤泥、砂层、粘土等土层, 在砂层中效率最高。

　　 在实际施工案例中常用到的3种设备如下: (1) 泥砂分离机, 处理量50 m³/h, 尺寸2.0 m×1.7m×2.15m, 总重量1 900kg, 总功率16.5kW; (2) 空压机, 风量0.11 m³/min, 风压0.8 MPa, 功率1.45kW, 重量36kg, 空气管DN15; (3) 泥浆泵采用普通潜污泵, 流量45 m³/h, 扬程10m, 功率3kW, 重量105kg。

　　 正常施工进度约30 min置换1 m³土体, 对于内尺寸1.5m×1.5m的井来说, 正常开沉后, 沉井速度约1.5h下沉1m。下沉速度与地质、井体大小有关, 大的井体可以增加潜污泵, 加快进度。

　　 在具体实施时, 井体可以采取分段预制, 也可以采取现场浇筑。如果分段预制, 可以在井段接口增加橡胶圈, 并局部预埋坡口对接钢板。井段安装前在接口涂刷沥青, 安装后焊接钢板, 并在钢板上涂刷沥青。这样可以止水并使上下井段连成一体。

　　 该工法已在广东地区一些工程中应用, 经过了实践检验。这里选取东阜路污水管和沙朗片区污水管两个案例予以介绍。

　　 东阜路污水管位于东凤镇东阜公路, 设计为D800~1 000污水管顶管, 沿道路中央绿化带施工, 道路两侧有高压线。主管总长约3.2km, 按照路段划分为3个分项, 每个分项约1km, 分期实施。

　　 施工范围内地质由上至下分为5层。第1层为素填土, 以灰褐、褐黄色粉质粘土为主, 局部含碎石、块石及砾砂, 土质松散;第2层为淤泥, 呈灰黑、深灰色, 流塑状, 饱和, 含有机质, 具腥臭味, 干强度中等, 韧性中等, 局部呈淤泥质砂出现, 第3层为细砂, 呈灰色、灰黑色, 饱和, 松散, 成分以石英质为主, 底部含较多中砂及黏性土;第4层为淤泥质土, 呈灰黑、深灰色, 流塑状, 饱和, 含有机质, 具腥臭味, 干强度中等, 韧性中等, 局部呈淤泥质砂出现;第5层为中砂, 呈褐黄色、灰黄色, 成分以石英质为主, 以中密~密实状为主, 局部稍密状, 饱和, 底部含较多粗砂及卵砾石。顶管主要穿越地质土层均为细砂层。

　　 结构设计工作井及接收井采用逆作法, 以避免沉井开挖引起场地下陷或遇到管线无法施工的情况。在工作井外侧均采用水泥搅拌桩及高压旋喷注浆进行加固及止水。在井底土质为细砂层、淤泥质土层的井位, 除了周边进行加固及止水外, 在井底也采用高压旋喷注浆进行封底处理。中间检查井采用骑马井沉井施工。

　　 工作井加固平面及立面示意见图6、图7, 中间检察井加固平剖面见图8。

　　 3个分项分期实施, 分项一、分项二先行施工, 工程中顶管较为顺利, 但工作井、接收井及中间检查井在施工过程中遇到诸多困难。

　　 首先, 砂层地质搅拌桩难以成形、高压旋喷注浆止水效果不佳, 施工困难。搅拌桩在淤泥地质效果较好, 但在砂层地质难以成形, 咬合不紧密, 存在漏洞, 高压旋喷注浆也难以起到效果。由于搅拌桩、注浆在砂层内难以成形, 难以止水, 且随着深度增加水压增大, 逆作法施工难度随着深度增加逐渐加大, 特别是封底时几乎是不可能完成任务。

　　 其次, 工程施工进度慢, 工程造价高。在井体施工过程中大部分时间都花在止水处理上, 误工费时, 施工进度缓慢。在此种地质条件下采用传统搅拌桩、高压旋喷注浆止水费用太高。据现场施工人员反映, 下面为流沙, 高压旋喷注浆注多少流失多少, 为了止水产生的水泥注浆费用太高。

　　 再次, 由于施工过程中止水效果不好, 使井体周围水土流失, 引起路面沉降, 影响交通, 产生扩大修复。甚至可能在管道完成后仍然漏水, 产生后续沉降。

　　 在分项三施工时, 为了避免分项一、二工程中遇到的问题, 决定工作井、接收井及中间检查井均采用泥浆置换法沉井施工。中间检查井由于是先顶管后做井的骑马井做法, 需要先将井筒切割底部切割出管道形状, 再按泥浆置换法沉井工序沉至位置, 然后水下对井管接触面堵漏, 再抽干泥浆, 管道开孔。

　　 按照该工法施工非常顺利, 周围地面无沉降。根据新旧工艺的工作井概算对比, 7 m×3.5 m×7m的工作井, 旧工法预算价约60万元, 新工法预算价约40万元, 造价节省约30%。

　　 西区沙朗片区地质与东凤类似, 且沿河道路狭窄 (4~6m) , 靠近居民建筑, 堤岸老旧。

　　 在最初设计时D300~600管采用了小口径二次顶管施工工艺, 每一个顶管段40m左右, 中间井采取骑马井。工作井内径2m, 接收井内径1.5m, 中间检查井直径1.2 m, 均采取沉井工艺。局部路段在施工完成后出现地面开裂和围墙开裂, 甚至局部段出现围墙垮塌。由此引发赔偿纠纷, 后进行D600管泥水平衡顶管工艺试验, 仍然出现地面开裂, 沿河工程全部暂停。

　　 为了收集沿岸污水, 接通污水断头管, 在解决完赔偿纠纷后, 建设方利用待接通50m管道进行新工艺试验, 管道采取改进定向钻———导浆拉管工艺, 井体采取泥浆置换法施工, 并在沿线设置6个沉降监测点。施工过程顺利, 监测表明施工过程中对周围道路、建筑无影响, 未出现之前的地面开裂、围墙开裂等情形。现已确定在后续8km沿河污水管道工程中推广实施该种井体施工工艺。沙朗新工艺试验段平面示意见图9。

　　 排水管道定向钻中一般采取先施工检查井后拖拉污水管的方法, 其井体的施工更适合采用本工艺。在D600以下管径的改进定向钻工艺中拖管转接井内尺寸是2.5 m×1.5 m, 中间井内尺寸是1.5m×1.5m。从造价概算来看, 小顶管工作井造价约8万元, 接收井3万元, 中间骑马井约1万元, 约50m设置1个工作井和1个检查井;拉管转接井与小顶管工作井造价相当, 但距离较远, 200~300m设置1个工作井, 方形中间检查井造价约2万元, 造价高于骑马井低于接收井;拉管单价略高于顶管, 总体平均单价与小顶管接近。

　　 泥浆置换法沉井工艺特别适合于淤泥、砂层等不良地质的井体施工, 在广东地区已有成熟的施工经验。在不良地质、场地狭窄、施工风险的场所推荐采用此种施工工艺, 该工艺与搅拌桩支护沉井、搅拌桩支护逆作法等工艺相比, 造价低, 施工风险小, 场地空间要求低, 施工速度快, 是淤泥、砂层不良地质地区值得借鉴和推广的一种井体施工方法。