一种富水地层预设顶管门洞的圆形工作井及其施工方法

摘要

本发明具体包括如下步骤：（一）圆形顶管工作井的功能需求设计；（二）圆形顶管工作井维护结构沉井施工；（三）临时临边防护施工；（四）井内土方开挖；(五)圆形顶管工作井封底；（六）进入圆形顶管工作井的爬梯安装；(七)接缝渗漏治理；(八)洞口止水压板安装；(九)预设门洞顶部夹心砼板墙提升；(十)顶管顶进施工；即完成富水地层预设顶管门洞的圆形顶管工作井的设计施工。本发明构建的富水地层预设顶管门洞的圆形顶管工作井结构体系功能明确、安全快捷、设计灵巧等诸多优点，尤其是克服了富水地层顶管穿透井壁过程中的突发涌水涌砂安全隐患，为水利、市政、热力、通讯等地下管道的非开挖施工提供了新方法。

权利要求

1.一种富水地层预设顶管门洞的圆形工作井的施工方法，其特征在于：包括以下步骤，（一）圆形工作井的功能需求设计，包括：（1）收集相关资料，确定满足井内作业要求的平面尺寸、深度及工作井封底的处理方式；

（2）根据拟建管道的位置、直径、材质及连接方式确定预设顶管门洞的标高及直径，预设顶管门洞的数量至少是一个；

（3）圆形工作井的结构计算及绘图：采用杆系单元法与数值模拟对比计算分析，获取最优圆形工作井的围护结构组成，然后进行绘图，完成圆形工作井功能需求的设计工作；

（二）圆形工作井的围护结构采用沉井工艺施工，沉井工艺施工具体步骤如下：(1)沉井施工前的准备工作：包括场地整平、放线、首层土方开挖、夯实基底、抄平放线、验线、铺砂垫层、刃脚支模、绑钢筋、井身模板、浇筑混凝土、养护、拆模；

(2)沉井分节下沉施工：包括下沉准备、设置垂直运输机械及排水泵、观测、纠偏、分节下沉至设计标高、核对标高；

(3)分节浇筑沉井的过程中在预设顶管门洞的竖向轴线上设置薄壁素混凝土空腔，薄壁素混凝土空腔内插入夹心砼板墙；

(4)圆形工作井的围护结构的材料采用钢筋混凝土；

（三）临边防护施工：在圆形工作井围护结构沉井施工浇筑时设置预埋件，临边防护通过螺栓与预埋件连接；

（四）圆形工作井土方开挖：沉井施工过程中，水上部位土方直接开挖，水下部分土体，采用高压水枪松土、液压抓斗挖土或泵吸反循环工艺挖土；

（五）圆形工作井封底：为满足后续施工需要，采用混凝土对圆形工作井封底处理，先采用素混凝土处理抗浮稳定，后采用钢筋混凝土连接沉井墙体；

（六）进入圆形工作井的爬梯安装：根据后续检修需要，设计爬梯，爬梯采用植筋工艺安装在圆形工作井的内壁上；

（七）接缝渗漏治理：采用高聚物材料对圆形工作井的封底接缝、围护结构沉井侧壁的接缝进行渗漏治理；

（八）洞口止水压板安装：根据预设顶管门洞位置，通过膨胀螺栓在洞口固定止水压板；

（九）预设顶管门洞的顶部夹心砼板墙提升：将夹心砼板墙提起，在预设顶管门洞部位形成薄壁素混凝土空腔，减小顶管机械穿透预设顶管门洞阻力；

（十）顶管顶进施工：顶管机械安装就位后，借助液压顶推力，连续穿透预设顶管门洞部位的薄壁素混凝土空腔后进行正常的顶管施工。

2.一种富水地层预设顶管门洞的圆形工作井，其特征在于：包括圆形工作井（1），圆形工作井（1）的围护结构为沉井（4），圆形工作井（1）的底部为封底（2），封底（2）与沉井（4）之间的接缝以及沉井（4）侧壁的接缝处通过高聚物材料（9）进行接缝渗流处理，圆形工作井（1）内靠近底部处为预设顶管门洞（3），在预设顶管门洞（3）所在竖直轴线上的沉井（4）内设置有薄壁素混凝土空腔（11），薄壁素混凝土空腔（11）内插入有夹心砼板墙（5）。

3.如权利要求2所述的富水地层预设顶管门洞的圆形工作井，其特征在于：所述预设顶管门洞（3）的洞口处通过膨胀螺栓固定有止水压板（10）。

4.如权利要求2所述的富水地层预设顶管门洞的圆形工作井，其特征在于：所述圆形工作井（1）内设置有顶管机械（12），顶管机械（12）的推力方向上对接有顶管（13），顶管机械（12）推动着顶管（13）朝着预设顶管门洞（3）推进。

5.如权利要求2所述的富水地层预设顶管门洞的圆形工作井，其特征在于：所述圆形工作井（1）内壁上通过植筋工艺安装有爬梯（8）。

6.如权利要求2所述的富水地层预设顶管门洞的圆形工作井，其特征在于：所述沉井（4）上预埋有连接件，沉井（4）上端连接有临边防护（6），临边防护（6）通过螺栓与预埋的连接件连接。

说明书

一种富水地层预设顶管门洞的圆形工作井及其施工方法

技术领域

[0001] 本发明属于水利、市政、热力、通讯等基础设施的非开挖施工及修复领域，具体涉及为水利、市政、热力、通讯等地下管道的非开挖施工及修复提供了一种富水地层预设顶管
门洞的圆形工作井及其施工方法。

背景技术

[0002] 城市化的进程加快，不仅要新建大量的地下基础配套设施，还面临大量老旧地下管道的整改升级问题，使得许多城市道路地下管网非常复杂，地下管道损坏导致的路面坍
塌和安全事故频繁。在通行要求和绿色环保理念日益被人重视的情况下，常规的开挖填埋
式施工，不仅施工效率低，还面临严重的工后沉降，多用于新建城区的浅埋式雨水、污水管
道的施工。定向钻、顶管施工等非开挖施工技术逐渐成为城市地下管道的主流技术，其中顶
管施工因其断面选择灵活、埋深较大，可有效避免与上部既有管线的冲突，仅需较小范围设
置相应的工作井、接收井及中继间等，即可实现长距离的地下管道施工需要，越来越受到工
程师们的重视。此外，老城区大量老旧管网的整改升级问题，在采用顶管式施工小截面管廊
结构时，急需要增设临时工作井，更需要设置一定数量的永久性工作井，以保证地下管线的
运营检修需要。目前，关于工作井、接收井及中续间的设计及施工，仍主要选择沉井工艺或
倒挂井工艺，虽然安全可靠，但造价高、工期长、也偶尔存在下沉困难、倾斜及操作不当导致
的失稳事故等。

[0003] 尤其是我国南方城市，河流密布，地下水位高，绝大部分属于富水地层，为节省投资，与此同时，富水地层工作井的建设是一个非常困难的过程，主要体现在施工工艺和质量
控制方面均需要考虑地下水带来的不利影响。此外，最关键的环节是富水地层顶管施工前，
后开门洞是一个十分危险的过程，不仅耗时长，作业难度大，耗费工期长，极易出现管涌、流
沙及周边塌陷等事故。可见，寻求一种适用于富水地层的更安全可靠的工作井和顶管门洞
的设计施工方法，成为行业进一步发展的重大需求。

发明内容

[0004] 针对水利、市政、热力、通讯等地下管道的非开挖施工及修复发展需求和目前富水地层工作井设计施工存在的不足，本发明提供了一种富水地层预设顶管门洞的圆形工作井
及其设计施工方法。本发明是从富水地层建造圆形工作井的安全及用途出发，首次创新性
提出并采用顶管门洞采用薄壁素混凝土空腔与工作井结构同步设计实施的理念，并在工作
井结构体系中首次引入夹心砼板墙设计施工工艺。利用本发明可安全快速的完成水利、市
政、热力、通讯等地下管道的非开挖施工所需的圆形工作井建造，井内作业完毕后，增加工
作井顶部盖板及防水处理，作为水利、市政、热力、通讯等地下管道的非开挖施工所需的圆
形工作井的设计施工新方法，不仅安全可靠、技术理念先进，而且经济适用。

[0005] 本发明的技术方案具体为：

[0006] 一种富水地层预设顶管门洞的圆形工作井的施工方法，包括以下步骤，

[0007] （一）圆形工作井的功能需求设计，包括：

[0008] （1）收集相关资料，确定满足井内作业要求的平面尺寸、深度及工作井封底的处理方式；

[0009] （2）根据拟建管道的位置、直径、材质及连接方式等确定预设顶管门洞的标高及直径，预设顶管门洞的数量至少是一个；

[0010] （3）圆形工作井的结构计算及绘图：采用杆系单元法与数值模拟对比计算分析，获取最优圆形工作井支护结构组成，然后进行绘图，完成圆形工作井功能需求的设计工作；

[0011] （二）圆形工作井的围护结构沉井的施工具体步骤如下：

[0012] (1)沉井施工前的准备工作：包括场地整平、放线、首层土方开挖、夯实基底、抄平放线、验线、铺砂垫层、刃脚支模、绑钢筋、井身模板、浇筑混凝土、养护、拆模；

[0013] (2)沉井分节下沉施工：包括下沉准备、设置垂直运输机械及排水泵、观测、纠偏、分节下沉至设计标高、核对标高；

[0014] (3)分节浇筑沉井的过程中在预设顶管门洞的竖向轴线上设置薄壁素混凝土空腔，薄壁素混凝土空腔内插入夹心砼板墙；

[0015] (4)圆形工作井的围护结构的材料采用钢筋混凝土，或采用钢构件作为圆形工作井的围护结构，并做好防腐措施；

[0016] （三）临边防护施工：在圆形工作井围护结构沉井施工浇筑时设置预埋件，临边防护通过螺栓与预埋件连接；

[0017] （四）圆形工作井土方开挖：沉井施工过程中，水上部位土方直接开挖，水下部分土体，采用高压水枪松土、液压抓斗挖土或泵吸反循环工艺挖土；

[0018] （五）圆形工作井封底：为满足后续施工需要，采用混凝土对圆形工作井封底处理，先采用素混凝土处理抗浮稳定，后采用钢筋混凝土连接沉井墙体；

[0019] （六）进入圆形工作井的爬梯安装：根据后续检修需要，设计爬梯，爬梯采用植筋工艺安装在圆形工作井的内壁上；

[0020] （七）接缝渗漏治理：采用高聚物材料对圆形工作井的封底接缝、围护结构沉井侧壁的接缝进行渗漏治理；

[0021] （八）洞口止水压板安装：根据预设顶管门洞位置，通过膨胀螺栓在洞口固定止水压板；

[0022] （九）预设顶管门洞的顶部夹心砼板墙提升：将夹心砼板墙提起，在预设顶管门洞部位形成薄壁素混凝土空腔，减小顶管机械穿透预设顶管门洞阻力；

[0023] （十）顶管顶进施工：顶管机械安装就位后，借助液压顶推力，连续穿透预设顶管门洞部位的薄壁素混凝土空腔后进行正常的顶管施工。

[0024] 一种富水地层预设顶管门洞的圆形工作井，包括圆形工作井，圆形工作井的围护结构为沉井，圆形工作井的底部为封底，封底与沉井之间的接缝以及沉井侧壁的接缝处通
过高聚物材料进行接缝渗流处理，圆形工作井内靠近底部处为预设顶管门洞，在预设顶管
门洞所在竖直轴线上的沉井内设置有薄壁素混凝土空腔，薄壁素混凝土空腔内插入有夹心
砼板墙。

[0025] 所述预设顶管门洞的洞口处通过膨胀螺栓固定有止水压板。

[0026] 所述圆形工作井内设置有顶管机械，顶管机械的推力方向上对接有顶管，顶管机械推动着顶管朝着预设顶管门洞推进。

[0027] 所述圆形工作井内壁上通过植筋工艺安装有爬梯。

[0028] 所述沉井上预埋有连接件，沉井上端连接有临边防护，临边防护通过螺栓与预埋的连接件连接。

[0029] 相对于现有技术，本发明的技术效果为，

[0030] （1）技术理念先进，首次创新性提出顶管门洞采用薄壁素混凝土空腔与工作井结构同步设计实施的理念，既克服了富水地层后开门洞的施工困难和安全风险，也节省了相
应的资金投入，在提供地下安全作业空间的同时，也缩短了工作井的建设周期。

[0031] （2）围护结构中首次引入夹心砼板墙构造，配合钢筋混凝土沉井共同构成工作井围护结构使用，可有效发挥材料的力学性能，保证工作井功能的发挥，同时仅需借助顶管施
工机械的液压推力就可轻松实现顶管门洞的开启，安全快捷。

[0032] （3）采用高聚物材料提前对渗漏及潜在渗漏部位进行处理，有效保证后续作为圆形顶管工作井的安全使用。

[0033] （4）预设顶管门洞的圆形顶管工作井结构独特的设计思路及门洞开启方式，为富水地区的顶管施工提供了一套安全可靠的标准化实施技术，安全可靠，经济适用，减小了施
工对周边环境的影响。

[0034] 本发明无论从圆形工作井结构的设计施工理念、结构体系受力、建造方式、目标导向、综合利用价值等方面都和现行的工作井技术具有明显的不同，并且具有安全快捷、技术
先进、可高效回收重复利用、绿色经济、生态和谐等优点，并成功应用于富水地层的圆形顶
管工作井建造项目，发展应用前景可观。

附图说明

[0035] 图1是本发明的整体构造图。

[0036] 图2为本发明圆形工作井的功能构造图。

[0037] 图3为本发明圆形工作井的平面布置构造图。

[0038] 图4为图3的A‑A向剖面结构图。

[0039] 图5为本发明沉井与夹心砼板墙的结构图。

[0040] 图6为本发明洞口止水压板的结构图。

具体实施方式

[0041] 一种富水地层预设顶管门洞的圆形工作井的施工方法，首先完成圆形顶管工作井的功能需求设计，然后依次进行维护结构、临边防护施工，随后进行圆形顶管工作井内的土
方开挖、圆形顶管工作井封底，安装进入圆形顶管工作井的爬梯、接缝渗漏治理及洞口止水
压板，随后借助顶管设备的液压顶推力穿透提升夹心砼板墙后形成的薄壁素混凝土空腔开
启门洞即可安全的进行顶管施工作业，即可完成富水地层预设顶管门洞的圆形顶管工作井
的建造，具体包括以下步骤，

[0042] （一）圆形工作井的功能需求设计，包括：

[0043] （1）收集相关资料，确定满足井内作业要求的平面尺寸、深度及工作井封底的处理方式；

[0044] （2）根据拟建管道的位置、直径、材质及连接方式等确定预设顶管门洞的标高及直径，预设顶管门洞的数量至少是一个；

[0045] （3）圆形工作井的结构计算及绘图：采用杆系单元法与数值模拟对比计算分析，获取最优圆形工作井支护结构组成，然后进行绘图，完成圆形工作井功能需求的设计工作；

[0046] （二）圆形工作井的围护结构沉井的施工具体步骤如下：

[0047] (1)沉井施工前的准备工作：包括场地整平、放线、首层土方开挖、夯实基底、抄平放线、验线、铺砂垫层、刃脚支模、绑钢筋、井身模板、浇筑混凝土、养护、拆模；

[0048] (2)沉井分节下沉施工：包括下沉准备、设置垂直运输机械及排水泵、观测、纠偏、分节下沉至设计标高、核对标高；

[0049] (3)分节浇筑沉井的过程中在预设顶管门洞的竖向轴线上设置薄壁素混凝土空腔，薄壁素混凝土空腔内插入夹心砼板墙；

[0050] (4)圆形工作井的围护结构的材料采用钢筋混凝土，或采用钢构件作为圆形工作井的围护结构，并做好防腐措施；

[0051] （三）临边防护施工：在圆形工作井围护结构沉井施工浇筑时设置预埋件，临边防护通过螺栓与预埋件连接；

[0052] （四）圆形工作井土方开挖：沉井施工过程中，水上部位土方直接开挖，水下部分土体，采用高压水枪松土、液压抓斗挖土或泵吸反循环工艺挖土；

[0053] （五）圆形工作井封底：为满足后续施工需要，采用混凝土对圆形工作井封底处理，先采用素混凝土处理抗浮稳定，后采用钢筋混凝土连接沉井墙体；

[0054] （六）进入圆形工作井的爬梯安装：根据后续检修需要，设计爬梯，爬梯安装采用植筋工艺安装在圆形工作井的内壁上；

[0055] （七）接缝渗漏治理：采用高聚物材料对圆形工作井的封底接缝、围护结构沉井侧壁的接缝进行渗漏治理；

[0056] （八）洞口止水压板安装：根据预设顶管门洞位置，通过膨胀螺栓在洞口固定止水压板；

[0057] （九）预设顶管门洞的顶部夹心砼板墙提升：将夹心砼板墙提起，在预设顶管门洞部位形成薄壁素混凝土空腔，减小顶管机械穿透预设顶管门洞阻力；

[0058] （十）顶管顶进施工：顶管机械安装就位后，借助液压顶推力，连续穿透预设顶管门洞部位的薄壁素混凝土空腔后进行正常的顶管施工。

[0059] 同时考虑了两个施工工艺的力学需要，将挖井支护与顶管计算施工两种工艺的受力、结构功能同步考虑，避免后期施工时挖井支护与顶管工作的冲突。

[0060] 一种富水地层预设顶管门洞的圆形工作井，包括圆形工作井1，圆形工作井1的围护结构为沉井4，围护结构的材料一般为钢筋混凝土，当采用钢构件作为圆形工作井的围护
结构使用时，在富水地层应做好防腐措施。圆形工作井1的底部为封底2，圆形工作井1内靠
近底部处为预设顶管门洞3，预设顶管门洞3的位置为顶管即将顶进的位置，在预设顶管门
洞3的竖直轴线上沉井4内设置有薄壁素混凝土空腔11，薄壁素混凝土空腔11内插入有夹心
砼板墙5，圆形工作井1内设置有顶管机械12，顶管机械12的推力方向上对接有顶管13，顶管
机械12推动着顶管13朝着预设顶管门洞3推进。

[0061] 顶管顶进时，将夹心砼板墙5提起，借助液压顶推力，预设顶管门洞3部位的薄壁素混凝土空腔11被穿透，继而将顶管顶进，在沉井内的薄壁素混凝土空腔11内插入夹心砼板
墙5，在不进行顶管工作时，夹心砼板墙5作为圆形工作井围护结构的一部分，需要顶管时，
将夹心砼板墙5提起，在顶管机械的顶推力作用下，薄壁素混凝土空腔11很容易被穿透，方
便顶管工作的进行。目前的工作井都是混凝混凝土结构，水钻头开门洞不容易，开门洞需要
将混凝土面层二次破除，破除的过程中地面上方容易出现塌陷、沉陷等安全危险，夹心砼板
墙5提起后，薄壁素混凝土空腔11的薄壁很容易被穿透，能够直接进行顶管的顶进工作，避
免二次破除。

[0062] 预设顶管门洞3的洞口处通过膨胀螺栓固定有止水压板10，封底2与沉井4之间的接缝以及沉井4侧壁的接缝处通过高聚物材料9进行接缝渗流处理，尤其是在富水地层，能
够防止工作井洞口及缝隙处渗水。

[0063] 沉井4内预埋有连接件，沉井4上端连接有临边防护6，临边防护6通过螺栓与预埋的连接件连接。

[0064] 本发明创新性采用沉井、预设门洞部位夹心砼板墙的组合围护结构方式进行圆形工作井的超前支护，通过施工工艺及结构设计创新，采用顶管设备的液压顶推力直接穿透
薄壁素混凝土空腔，实现预设门洞的安全快速成型，以满足后续施工需要，可节省投资和加
快施工进度，本发明构建的富水地层预设顶管门洞的圆形工作井结构体系具有功能明确、
安全快捷、设计灵巧等诸多优点，尤其是克服了富水地层顶管穿透井壁过程中的突发涌水
涌砂安全隐患，为富水地层的水利、市政、热力、通讯等地下管道的非开挖施工提供了一套
全新的工作井设计施工技术，不仅改变了常规后开门洞的施工方法和克服了后开门洞的风
险，并创新性的提出并采用预设门洞与圆形工作井的同步设计，使用时借助顶管设备液压
穿透薄壁素混凝土空腔即可。

[0065] 以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明整体构思前提下，还可以作出若干改变和改进，这些也应该视为本发明的
保护范围。