一种湿陷性黄土地区排水防涝雨水工程施工方法及系统与流程

本发明涉及市政排水防涝工程施工，尤其涉及一种湿陷性黄土地区排水防涝雨水工程施工方法及系统。

背景技术：

1、湿陷性黄土地区土体具有孔隙发育、结构性强、遇水后强度降低和变形突发性明显的特点，在天然含水状态下能够保持一定稳定性，一旦受到雨水入渗、施工扰动或地下水条件变化影响，容易产生湿陷变形和不均匀沉降，这些城市排水防涝雨水工程通常布置于道路、老旧城区、既有地下管线和建筑物周边区域，施工过程中既要完成雨水管道铺设、顶管穿越、工作井施工和基坑支护，又要避免土体遇水失稳对管道轴线、支护结构和周边建筑物造成不利影响，尤其在黄河流域等湿陷性黄土分布区，地下管线密集、施工空间狭窄、周边建筑沉降控制要求高，雨水管网施工不仅涉及常规排水工程施工问题，还涉及湿陷性黄土预处理、施工扰动控制、顶管姿态控制和管道后期抗沉降等多方面要求，对施工方法的安全性、连续性和协同性提出了更高要求。

2、针对上述湿陷性黄土地区施工难点，目前已经提出了地基预处理、搅拌桩加固、换填垫层、基坑支护、顶管施工井施工以及排水管道防渗施工的多种处理方式，虽然能够在一定程度上改善局部地基条件、提高工作井承载能力或增强排水构造的防渗抗变形能力，但多以单项处理措施为主，主要解决湿陷性处理、顶管井稳定、管道防渗或基坑支护中的某一类的问题，对于排水防涝雨水工程的连续施工过程而言，黄土预处理、工作井施工、顶管顶进、注浆控制、基坑支护、管道安装和施工监测之间缺少连续的数据联动关系，注浆参数通常依赖经验确定，沉井或工作井姿态纠偏不够及时，顶管顶力、注浆量与地表变形之间缺少实时协同调节，基坑支护变形与管道受力状态也难以同步判断，容易导致顶管轴线偏差、地表隆起或沉降、支护结构变形以及管道接头损伤的问题。

3、由此可见，现有单纯进行湿陷性处理、单独优化顶管施工井，或仅依靠管道防渗和柔性排水构造的方式，均难以满足老旧城区复杂环境下湿陷性黄土地区排水防涝雨水工程的全过程风险控制需求，特别是在湿陷性黄土与粉砂交互地层、地下管网密集区域和周边建筑沉降控制要求较高的场景中，若不能将地质参数、注浆预处理、沉井姿态、顶管顶力、注浆压力、地表变形、基坑支护变形和管道应变数据进行统一监测与联动控制，则难以及时预判和处理施工风险，管道施工质量和后期运行稳定性也难以得到可靠保障。

4、因此，亟需一种能够面向湿陷性黄土地区排水防涝雨水工程，将黄土预处理、微型沉井纠偏、顶管联动控制、基坑与管道协同支护、智慧监测预警以及管道抗沉降安装相结合，解决现有施工方法存在的湿陷性黄土预处理与后续顶管施工脱节、沉井姿态纠偏不及时、顶管顶进与注浆补偿缺少联动、基坑支护状态与管道受力状态难以协同判断、施工风险预警滞后以及管道接头抗沉降能力不足的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提出一种湿陷性黄土地区排水防涝雨水工程施工方法及系统，应用于市政排水防涝工程施工技术领域，解决现有湿陷性黄土预处理与后续顶管施工脱节、沉井姿态纠偏不及时、顶管顶进与注浆补偿缺少联动、基坑支护状态与管道受力状态难以协同判断、施工风险预警滞后以及管道接头抗沉降能力不足的技术问题。

2、为了达到上述技术目的，本发明所采用的具体技术方案为：

3、一种湿陷性黄土地区排水防涝雨水工程施工方法，包括如下步骤：

4、s1、获取施工区域的湿陷性黄土地质参数、雨水管道设计参数、既有地下管线分布数据及周边建筑物沉降控制要求，建立地质-支护-管道施工模型，根据地质-支护-管道施工模型确定雨水管道施工影响区、黄土预处理范围、沉井施工位置、顶管控制参数、基坑支护控制参数及监测预警阈值；

5、s2、根据黄土预处理范围，对雨水管道施工影响区内的湿陷性黄土进行纳米改性硅酸钾浆液注浆预处理，根据黄土天然含水率、干密度、孔隙比、注浆压力及注浆量确定注浆孔布置参数，使经注浆预处理后的湿陷性黄土形成预加固土体，在预加固土体对应区域施工微型沉井，通过激光导向发射器和激光导向接收靶采集微型沉井的垂直度偏差，当垂直度偏差超过偏差阈值时，控制布置在微型沉井周向位置的液压千斤顶产生差异化伸缩，对微型沉井进行姿态纠偏，使微型沉井形成雨水管道顶管施工的工作井；

6、s3、以工作井作为顶管始发空间进行雨水管道顶进施工，在顶管施工过程中采集顶管顶力、注浆压力、注浆量、地表隆起数据和地表沉降数据，根据顶管顶力、注浆压力、注浆量、地表隆起数据和地表沉降数据联动调节顶进速度及注浆量，使顶管顶进、注浆补偿和地表变形控制形成联动调节；

7、s4、在雨水管道对应的基坑区域设置钢支撑-土钉墙复合支护结构，通过花篮螺栓调节装配式钢支撑的预紧力，采集支护变形数据、管道应变数据和地表沉降数据，将采集数据传输至数字孪生智慧监测预警平台，通过数字孪生智慧监测预警平台对施工区域进行三维映射和风险趋势判断，当管道应变、支护变形、地表沉降中的任一项达到对应风险阈值时输出施工风险预警信息；

8、s5、在相邻雨水管道之间安装可伸缩式管道接头，可伸缩式管道接头包括伸缩套管、弹性密封件、连接法兰及限位结构，将伸缩套管连接在相邻雨水管道的端部之间，将弹性密封件设置在伸缩套管与雨水管道之间，通过连接法兰对相邻雨水管道与伸缩套管进行连接固定，通过限位结构限制伸缩套管的纵向伸缩范围，使相邻雨水管道之间形成具有纵向位移补偿能力的密封连接结构，从而使雨水管道在湿陷性黄土沉降作用下保持接头密封和管道连续。

9、进一步的，步骤s1中，地质参数包括黄土天然含水率、干密度、孔隙比及湿陷系数，地质-支护-管道施工模型通过bim平台与有限元分析模块建立，用于模拟基坑支护结构位移、雨水管道受力状态及施工区域地表沉降变化。

10、进一步的，步骤s2中，注浆孔布置参数通过注浆参数预测模型确定，注浆参数预测模型以黄土天然含水率、干密度、孔隙比、注浆压力及注浆量作为输入参数，以注浆孔布置间距、注浆压力范围及注浆量控制值作为输出参数。

11、进一步的，步骤s2中，纳米改性硅酸钾浆液包括纳米二氧化硅和硅酸钾，纳米二氧化硅掺量为3%-5%，硅酸钾浓度为15%-20%，注浆压力为0.3mpa-0.6mpa。

12、进一步的，步骤s2中，微型沉井为3m×3m沉井，微型沉井设置有激光导向发射器、激光导向接收靶及四组液压千斤顶，激光导向接收靶采集微型沉井的垂直度偏差，垂直度偏差超过预设偏差阈值时，根据偏差方向及偏差量控制对应液压千斤顶的伸缩量。

13、进一步的，步骤s3中，顶管施工采用顶管设备完成，顶管设备设置有黄土专用复合刀盘、压力传感器、双液注浆系统、地表变形监测装置及联动控制终端，压力传感器采集顶管顶力，地表变形监测装置采集地表隆起数据和地表沉降数据，联动控制终端根据顶管顶力、注浆压力、注浆量和地表变形数据调节顶进速度及双液注浆系统的注浆量。

14、进一步的，步骤s3中，当顶管顶力超过顶力阈值时，联动控制终端降低顶进速度且提高双液注浆系统的注浆补偿量，当地表隆起数据超过隆起阈值时，联动控制终端降低注浆量，当地表沉降数据超过沉降阈值时，联动控制终端提高注浆量。

15、进一步的，步骤s4中，钢支撑-土钉墙复合支护结构包括土钉、装配式钢支撑、花篮螺栓及钢筋网片，土钉设置在基坑侧壁内，装配式钢支撑在基坑相对侧壁之间，花篮螺栓连接在装配式钢支撑上，用于调节装配式钢支撑的预紧力。

16、进一步的，步骤s4中，数字孪生智慧监测预警平台包括fbg光纤监测网络、地表沉降监测模块、无线传输模块、数字孪生三维模型、风险趋势预测模型及预警模块，fbg光纤监测网络采集管道应变数据和支护变形数据，地表沉降监测模块采集地表沉降数据，无线传输模块将采集数据传输至数字孪生三维模型，风险趋势预测模型根据采集数据生成风险趋势判断结果，预警模块根据风险趋势判断结果输出施工风险预警信息。

17、一种用于上述的湿陷性黄土地区排水防涝雨水工程施工方法的施工系统，包括黄土预处理模块、微型沉井纠偏模块、顶管联动控制模块、基坑管道协同支护模块、数字孪生智慧监测预警平台和可伸缩式管道接头，黄土预处理模块、微型沉井纠偏模块、顶管联动控制模块、基坑管道协同支护模块均与数字孪生智慧监测预警平台数据连接，黄土预处理模块用于接收湿陷性黄土地质参数并生成注浆预处理方案，微型沉井纠偏模块用于接收微型沉井垂直度偏差并输出液压千斤顶伸缩控制量，顶管联动控制模块用于接收顶管顶力、注浆压力、注浆量及地表变形数据并输出顶进速度和注浆量调节指令，基坑管道协同支护模块用于采集支护变形数据及管道应变数据，数字孪生智慧监测预警平台用于接收支护变形数据、管道应变数据和地表沉降数据并生成施工风险预警信息，可伸缩式管道接头包括伸缩套管、弹性密封件、连接法兰及限位结构，伸缩套管连接在相邻雨水管道之间，弹性密封件设置在伸缩套管与雨水管道之间，限位结构用于限制伸缩套管的纵向伸缩范围。

18、本发明以湿陷性黄土地区雨水管网施工全过程风险控制为主线，通过地质-支护-管道施工模型统一确定施工参数，通过注浆预处理形成预加固土体，通过沉井纠偏控制工作井姿态，通过顶管顶力、注浆压力、注浆量及地表变形数据联动调节顶进速度和注浆量，通过支护监测、数字孪生预警和可伸缩式管道接头配合，实现“建模定参—预处理加固—沉井纠偏—顶管联动—监测预警—接头补偿”的施工控制逻辑，从而提高湿陷性黄土地区排水防涝雨水工程施工的协同性和安全性。

19、采用上述技术方案，本发明还能够带来以下有益效果：

20、1、本发明提到一种湿陷性黄土地区排水防涝雨水工程施工方法及系统，通过获取施工区域的湿陷性黄土地质参数、雨水管道设计参数、既有地下管线分布数据及周边建筑物沉降控制要求，建立地质-支护-管道施工模型，并据此确定雨水管道施工影响区、黄土预处理范围、沉井施工位置、顶管控制参数、基坑支护控制参数及监测预警阈值，使施工前的地质判断、支护设计、管道施工和风险控制能够形成统一依据。通过对湿陷性黄土进行纳米改性硅酸钾浆液注浆预处理，能够降低雨水管道施工影响区内黄土遇水湿陷的风险，使预处理后的土体形成预加固土体，为后续微型沉井施工和雨水管道顶进施工提供较稳定的施工基础，具有施工参数确定较准确、黄土预处理针对性强和施工基础稳定性较好的优点。

21、2、本发明提到一种湿陷性黄土地区排水防涝雨水工程施工方法及系统，通过在预加固土体对应区域施工微型沉井，并利用激光导向发射器、激光导向接收靶和液压千斤顶对微型沉井进行姿态纠偏，能够提高工作井施工过程中的垂直度控制效果，减少沉井偏斜对后续顶管施工的影响，在顶管施工过程中，通过采集顶管顶力、注浆压力、注浆量、地表隆起数据和地表沉降数据，并联动调节顶进速度及注浆量，能够降低顶管施工过程中轴线偏移、地表隆起或沉降过大的风险，具有沉井纠偏及时、顶管施工控制稳定和地表变形控制效果较好的优点。

22、3、本发明提到一种湿陷性黄土地区排水防涝雨水工程施工方法及系统，通过设置钢支撑-土钉墙复合支护结构，并将支护变形数据、管道应变数据和地表沉降数据传输至数字孪生智慧监测预警平台，能够对基坑支护状态、雨水管道受力状态和地表沉降变化进行协同监测，提高施工风险预警的及时性。通过在相邻雨水管道之间安装可伸缩式管道接头，能够为雨水管道提供一定纵向位移补偿空间，减少湿陷性黄土沉降对管道接头密封性和管道连续性的影响，具有支护与管道协同性较好、风险预警较及时和管道抗沉降能力较强的优点。