管線溝槽開挖支護設計及關鍵技術綜合應用

張亦弛 呂旻 王旭明 王洪

【摘要】 城市污水管道串聯起了整個城市的給排水系統，它關乎污水的治理排放，是城市供水建筑施工時重要的一部分。然而在當下給排水建筑的施工過程中，地下管道越來越多樣化、復雜化，城市更新多變性導致施工難度逐漸增高，對施工中的安全性帶來更高的挑戰，同時隨著市政工程各項驗收標準的完善，對施工質量也提出了更高的要求。本文結合竹園污水處理廠四期工程1.5標工程，重點闡述根據巖土工程勘察報告及現場勘探情況，針對復雜多樣的地下管道而設計出的三種不同管道施工圍護形式——拉森鋼板樁施工圍護;PC鋼管工法樁施工圍護;橫列板施工圍護。同時本文也會對不同圍護形式的施工要點，例如工程地質、水文地質條件、周邊環境、基坑挖深深度，分段支護等，逐一進行探討、分析。

【關鍵詞】：管道施工圍護;拉森鋼板樁施工;PC鋼管工法樁施工技術;橫列板施工;分段支護

1、前言

在城市排水管道施工過程中，存在著施工環境等因素的限制，管線溝槽支護形式復雜，地質條件較差以及埋深較深導致施工困難等諸多問題。而軟土土質給管線溝槽的開挖施工帶來了明顯的危害，例如在開挖過程中，容易出現的溝槽邊坡滑坡甚至塌方，還有基礎處理不妥導致的不均勻沉降等。而為了保障施工安全及質量，需要有完善的、合理的溝槽支護方案來保證工程施工的進度、安全及質量。

2、工程概況

2.1 工程簡介

竹園污水處理廠四期工程位于浦東高東鎮，用地南至華東路，東至洲海路，西至規劃高東二路，北至外高橋船廠。竹園污水處理廠四期工程用地面積58.70h㎡，工程規模120萬m3/d，本標段為竹園污水處理廠四期工程的ZYSQ1.5標，位于70萬m3/d廠區（東側地塊）內，具體內容包括新建70萬m3AAO生物反應池、平流式二沉池、雨水泵房、污水泵房、碳源投加間及本標段范圍內管道及箱涵等構筑物。

2.2 管線溝槽設計方案概況

本工程涉及室外管道種類繁多，包括：雨水管、污水管、污泥管、反沖洗廢水管、工藝管等。

其中雨污水及工藝管道采用開槽埋管形式施工，根據設計圖紙要求，管徑≤300的管道采用白色 HDPE 排水管，φ500～φ1200 的排水管采用承插式鋼筋砼管，使用“O”形橡膠圈接口。廠區雨污水泵房出水管和特殊注明的管道采用球墨鐵管或鋼管。

同時，埋深在3m以內采用了橫列板樁的圍護形式，在 3 米～7m 之間的采用拉森鋼板樁圍護，埋深在 7米以上則采用 PC 鋼管工法樁圍護。管道底部采用 5 米深的φ800@500 高壓旋噴樁地基加固，兩側采用 1.5 米寬的雙液注漿作為止水帷幕。

2.3 水文地質條件

本工程場地潛水主要存在淺部土層（①1層填土和②3 層粉性土厚度較大，富水性強）中。⑤2 層為微承壓含水層，⑦1層、⑦lt 層承壓水含水層。（微）承壓水位年呈季節性變化;水位埋深一般在 3m～11m 左右為微承壓含水層，水位埋深一般在 3m～12m為承壓水含水層。

3、管線溝槽基坑難特點

3.1 管線種類多且復雜

作為市政污水處理廠，工程室外管線種類多，長度長，標高多。管線交錯復雜，其中加藥管約長533m、消防管長約 1.7km、給水管約2.2km長、回水管約2.2km長、雨水管約 2.1km長，各類管線埋深均不相同，位于1.6m～5.8m處。

對此，本工程采用分區分段施工，隨著污水處理池主體結構施工，溝槽開挖穿插進行。盡量減少基坑開挖過程中，對周邊臨時道路及主體結構施工的影。具體實施細節為先開挖施工最深處管道，待回填后開挖施工橫向的淺層管道，淺層管道基礎也按先深后淺的原則進行開挖施工。

3.2 同截面多根管道，施工要求高

本工程管線存在多種情況，同一截面處有多根管道，有垂直排布及水平排布，且挖深不一致，所以支護形式需要有多種形式。

對此，采用了不同的溝槽支護形式，如埋深在3m以內采用了橫列板樁，在 3 米～7m 之間的采用拉森鋼板樁圍護，埋深在 7米以上的采用 PC 鋼管工法樁圍護。三種不同的基坑支護形式，在兼顧經濟基礎上，不僅滿足施工進度的要求，同時保證了基坑開挖過程中的安全性。

3.3 施工區域廣，不良地基影響大

本工程的部分施工區域存在圍護結構邊界長且情況復雜的問題。填土層、明暗浜、地下管線、老基礎復雜地分布在不同區域，不同埋深處，這些情況各異且不良的地基對圍護結構的形式及施工質量提出了嚴峻的挑戰。

對此，本工程預先對不良的施工區域進行清障施工，清障深度至地下3米處。針對場地內存在明暗浜的情況，采取了管道施工前進行開挖清淤處理并使用高優質粘土回填、壓實的措施。

4、支護方案對比選擇

針對軟土地基，挖深相對較淺的基坑，有如下幾種常用的支護形式：放坡開挖、水泥攪拌土重力壩、型鋼支護、SMW工法樁、灌注樁加止水帷幕等。

結合本工程地下水位較高，以淤泥質土、軟粘土為主的地質特點，考慮到現場施工的安全性、可靠性以及經濟合理性，本工程使用了以下三種支護方案。

4.1 PC鋼管工法樁

本工程最大挖深為8.73m，對于挖深大于 7m 的溝槽，工程采用PC鋼管工法樁進行圍護施工。鋼管樁與拉森Ⅳ型鋼板樁相互扣打， 規格為 12m鋼管樁+9mⅣ拉森鋼板樁;雙拼36b鋼支撐、圍檁;溝槽兩側采用雙液分層注漿、底部Φ800@500高壓旋噴樁進行加固。

4.2 拉森鋼板樁

對于挖深在3 米～7m 之間的溝槽，工程采用規格為12m的拉森Ⅳ鋼板樁，雙拼36b槽鋼圍凜、支撐。并且溝槽底部使用Φ800@500高壓旋噴樁，兩側采用雙液分層注漿，以此進行加固。

4.3 橫列板樁

挖深在3m以內的管道溝槽采用了橫列板樁，規格采用了橫列版、豎列板及 @3000鐵撐柱支撐。并且溝槽底部使用Φ800@500高壓旋噴樁，兩側采用雙液分層注漿，以此進行加固。

5、關鍵施工技術

5.1 施工部署

5.1.1 施工總體部署

本工程管道沿污水池周邊布置，部分穿插進池壁內，具體管道設計布置見圖6，其中考慮到結構施工階段，與污水池穿插施工，分為12個區，施工順序依次為A 區→B 區→I、L 區→H 區→G 區→C 區→D 區→J、K 區→F、E區。

本工程管道施工共有三個階段。第一階段：施工溝槽圍護范圍內及永久廠區道路投影下的管線（工藝、污水及雨水等）。A-H，JK 區上部均有廠區永久道路，埋管完成后先施工至 C25 鋼筋砼路面層（除瀝青層），便于后續翻交及臨時交通。第二階段：非永久道路區域，室外場地回填至 4.65m 后，開挖敷設淺埋管線（中水、給水、消防及電纜溝等）。第三階段：與本標段或非本標段構筑物連接管線通管施工。開挖并鑿除圍護 prc 管樁埋管接入構筑物后回填。

5.1.2 施工機具選擇

工程采用2臺PC200（1m3）挖掘機以及1臺PC200（0.4m3）挖掘機進行管道溝槽的開挖。同時，為現場施工方便，使用三輛HLJ560（10t）自卸車，2臺切割機以及5臺4BA-18的水泵進行輔助施工。

5.1.3 施工總體工況

根據本污水處理廠主體結構施工的進展，管道附屬設施將逐步推進施工，總體工況共可以分為以下這四個工況，分別為：

（1）施工工況1：場地清障整平后打設圍護樁及底（側）加固，隨后開挖較深溝槽。

（2）施工工況2：由深至淺依次埋管，待較深側溝槽回填完成后，開挖淺側溝槽埋管。

（3）施工工況3：本場永久道路底部管道敷設并回填完成后，拔除圍護樁，對樁孔進行灌漿處理，隨后向上施工路面結構至C25混凝土路基層。

（4）施工工況4：非永久道路區域，室外場地回填至4.64m后，開挖敷設淺埋管線。

5.2 拉森鋼板樁施工技術

拉森鋼板樁主要針對于本工程中開挖在7m以下的溝槽支護情況。

施工流程：首先定位放線確定鋼板樁位置，接著開挖溝槽、安裝導梁。施工拉森鋼板樁，施工樁完成后拆除導梁，進行挖土工作，完成管線安裝后可回填土方，最后拔除拉森鋼板樁并進行注漿處理。

拉森鋼板樁施工工況：

（1）第一種圍護形式施工：拉森鋼板樁施工、PC鋼管樁施工。

（2）第二種圍護形式施工：高壓旋噴樁施工。

（3）土方開挖：首先開挖至第一道支撐以下1m，第一道支撐完成后再進行土方開挖至設計底標高。

（4）管道施工：管道施工原則為先深后淺，此處直接施工φ600污水管道，施工完成后回填土。

（5）回填完成后，將拉森鋼板樁拔出，并使用壓密注漿進行封堵。

5.3 PC鋼管工法樁施工技術

針對埋深于7m以上的管線溝槽支護的情況，采用 PC 鋼管工法樁圍護。由于同截面管道中分布形式的不同，本工程中PC鋼管工法樁技術主要存在兩種形式，同截面單管支護和同截面多管支護。

5.3.1 施工流程：

PC鋼管工法樁施工流程為，先進行樁基放樣，同時完成樁位復測，隨后開槽、設置導向架，插入鋼管樁并進行位移控制與垂直度檢測，進行管線施工，最后將鋼管樁拔除并且注漿壓至密實完成施工。

5.3.2 同截面單管支護施工技術

（1）第一種圍護形式施工：拉森鋼板樁施工、PC鋼管樁施工。

（2）第二種圍護形式施工：高壓旋噴樁施工。

（3）土方開挖：首先開挖至第一道支撐以下1m，完成第一道支撐后開挖土方至第二道支撐，完成第二道支撐后開挖至第三道支撐，最后開挖至設計底標高。

（4）管道施工：管道施工原則為先深后淺，單管支護直接施工φ600工藝管道，施工完成后回填土。

（5）回填完成后，將拉森鋼板樁及PC鋼管樁拔出，拔出后使用壓密注漿進行封堵。

5.3.3 同截面多管施工技術

（1）第一種圍護形式施工：拉森鋼板樁及PC鋼管樁施工。

（2）第二種圍護形式施工：兩側采用高壓旋噴樁進行土體加固，基地采用高壓旋噴樁進行土體加固。

（3）土方開挖：開挖至第一道支撐以下0.5m，第一道支撐完成后再進行土方開挖至第二道支撐，第二道支撐完成后開挖至設計底標高。

（4）管道施工：對于同截面多管支護，首先施工φ1000污水管，完成后進行回填。再施工DN800污水管，同樣完成后就進行回填。最后施工φ1350雨水管，最后進行土方回填。

（5）回填完成后，將拉森鋼板樁及PC鋼管樁拔出，拔出后使用壓密注漿進行封堵。

（6）為緩解現場交通壓力，先施工永久道路中15cm礫石砂及30cmC25鋼筋砼，且在最底層鋪設80cm石灰土。

5.4 橫列板施工

橫列板施工主要針對于本工程挖深小于3m的溝槽支護情況。其施工方法為，首先開挖土方至 1.2m深度，使用撐頭擋板對土壁進行及時支撐，且撐板的高度一般控制在 0.8m左右。在支護時，橫列板要求水平放置，其深度應確保到基礎面。若有橫穿溝槽的地下管線的情況，則管線上下方的撐板一般離管線 0.1m，對管線應視具體情況可分別采用吊、撐、托、包等保護措施。

6、基坑監測數據分析

本工程在基準點、測點、監測原件完好以及觀測工作條件優良的情況下對管道工程進行每日監測，并有詳細數據體現管道溝槽圍護的安全性以及可靠性。

在溝槽基坑開挖以及降水施工過程中，基坑周圍地基土、基坑側壁土體應力的變化是導致基坑支護結構變形的因素之一。這將直接危及基坑的穩定性和附近建（構）筑物的安全。因此在施工過程中，需要通過監測，時刻掌握溝槽基坑的變形情況，并且對此進行分析，同設計要求進行比較，及時調整，確保施工安全。

在本工程管道溝槽施工中，一共有八處監測點，分別為：CX1、CX2、CX3、CX4、SW1、SW2、SW3、SW4。并且經過嚴格的監測，有以下監測數據如下圖所示。

在開挖過程中，基坑內側水平位移變化最大，累計達到54..8mm，同時數據顯示冠梁、支撐、圍檁無裂縫產生;墻后土體無沉陷、裂縫及滑移現象產生。

縱向的基坑邊緣處受到橫向結構的支撐擠壓，垂直位移受土體阻力的減小，因此有向上抬升，輕微隆起現象的發生，垂直位移累計變化為-88.4mm，然而這一數值在規定范圍內，支撐、立柱并無變形產生;并且溝槽底部無涌土、流沙或管涌等現象產生。周邊建筑、道路無裂縫產生且未有異常沉陷情況。

同時經過嚴格的監測，地表水、地下水狀況未發現異常;且基坑降水設施運轉正常。管道溝槽開挖及施工過程中，管道無破損等異常情況且未有泄漏情況發生。

因此，經過嚴格的數據監測，本工程使用的三類圍護結構：橫列板樁、拉森鋼板樁圍護及 PC 鋼管工法樁圍護均未出現結構變形、破壞、滲漏水等情況，對臨邊道路建筑影響較小，具有優秀的安全性與可靠性保障。

7、結語

綜上所述，本工程室外管道開挖支護應用了三種不同形式的圍護形式，經過實際現場施工取得了良好的效果。本工程中所采用的拉森鋼板樁、PC鋼管工法樁及橫列板樁這三類管線溝槽圍護施工技術可以應對不同開挖深度的需求，同時在各自相對應的開挖深度中均具有優異的可靠性、安全性及有效性。這三種管線溝槽圍護施工技術進一步提高了溝槽開挖的效率，為施工后續階段的施工打下了良好的堅實基礎。本工程對城市污水管道鋪設工藝進行優化，解決城市復雜多變的給排水難題，為建設合理、穩定、高效的城市給排水系統添磚加瓦。

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作者簡介：張亦弛（1994-），碩士，助理工程師。

通訊地址：上海市河間路2號（200090）。