流砂軟土地基建地下泵站沉箱方案設(shè)計(jì)與施工

王俊增 王德源 于 斌

(山東三箭置業(yè)集團(tuán)有限公司，山東濟(jì)南 250100)

0 引言

東明縣地下污水泵站工程是南水北調(diào)在該縣的一項(xiàng)重要配套工程。該工程位于縣城內(nèi)工業(yè)路與東關(guān)大街交叉口東北角，北臨黃河，屬黃河沖積平原地貌，土質(zhì)較松軟，地下水埋深1 m;地下污水泵站設(shè)計(jì)為現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)20.2 m，寬9.4 m，高7.97 m(見(jiàn)圖1，圖2)，泵站埋深約9 m。

圖1 地下污水泵站平面圖

圖2 地下污水泵站剖面圖

建設(shè)地點(diǎn)的西側(cè)、南側(cè)為馬路，距泵站混凝土外墻5 m～6 m，東側(cè)學(xué)校院墻距泵站混凝土外墻6 m，北側(cè)30 m處為商鋪和住宅。根據(jù)地質(zhì)資料和當(dāng)?shù)丶夹g(shù)人員介紹，該處土層多為粉砂、粉土，局部粘土夾層，土質(zhì)較松散，粘聚力差，極易產(chǎn)生流砂，而且又適逢雨期施工，地下水位較高。如按傳統(tǒng)方法降水、支護(hù)、明挖法施工，不但會(huì)產(chǎn)生流砂造成施工非常困難，大量降水也會(huì)導(dǎo)致地面沉降而危及周邊馬路、房屋，而且費(fèi)用高、施工周期長(zhǎng)，以前有過(guò)因流砂嚴(yán)重導(dǎo)致基坑坍塌事故的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。經(jīng)綜合分析研究并與工程設(shè)計(jì)人員協(xié)商后確定采用安全、可靠對(duì)周邊建筑、設(shè)施影響較小的沉箱技術(shù)方案，即利用泵站自身鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)經(jīng)加強(qiáng)后改制成沉箱，在其內(nèi)開(kāi)挖下沉完成施工任務(wù)。沉箱設(shè)計(jì)與施工技術(shù)路線為:為保證沉箱下沉位置準(zhǔn)確和減少泥砂對(duì)沉箱側(cè)壁的阻力，確保沉箱順利下沉，確定先明挖至-4.5 m處，以下結(jié)構(gòu)按沉箱施工，以上結(jié)構(gòu)按常規(guī)方法施工。這樣既不需要挖深基坑，也解決了支護(hù)問(wèn)題，部分結(jié)構(gòu)與支護(hù)結(jié)構(gòu)融為一體，還節(jié)省了費(fèi)用和工期。具體設(shè)計(jì)與施工方法如下。

1 技術(shù)方案設(shè)計(jì)

1.1 沉箱設(shè)計(jì)

沉箱施工工藝就是用鋼筋混凝土制成箱筒結(jié)構(gòu)，施工時(shí)先就地制作第一節(jié)帶刃腳的箱筒，然后在箱筒內(nèi)挖土，使沉箱在自重作用下克服土的阻力而下沉，隨著沉箱逐步下沉，再逐步接高箱筒，直至下沉到設(shè)計(jì)標(biāo)高，封底后形成地下結(jié)構(gòu)物。

本工程沉箱經(jīng)結(jié)構(gòu)計(jì)算采取將原泵站鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)外墻厚度加寬至500 mm，墻體鋼筋做適當(dāng)加強(qiáng)調(diào)整，內(nèi)墻及地梁也做適當(dāng)加強(qiáng)，再在外墻下端加設(shè)900高的鋼筋混凝土刃腳而制成(見(jiàn)圖2)。為確保沉箱在下沉、下沉期間、沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高后都能滿(mǎn)足要求，根據(jù)實(shí)際情況并對(duì)下沉系數(shù)和下沉穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，確定整個(gè)8.87 m高結(jié)構(gòu)分兩段制作施工，下段5 m高按沉箱工藝施工，在-4.5 m處制作下沉，待下沉到設(shè)計(jì)標(biāo)高后，上段3.87 m高結(jié)構(gòu)在開(kāi)挖面上按常規(guī)混凝土結(jié)構(gòu)施工方法續(xù)接施工。

1.2 護(hù)坡防砂止水帷幕設(shè)計(jì)

為切斷坑外地下水與沉箱內(nèi)開(kāi)挖面處的水力聯(lián)系，防止砂隨水涌現(xiàn)象，以及加固-4.5 m以上邊坡，沿基坑周邊做兩排水泥土攪拌樁，形成護(hù)坡防砂止水帷幕(見(jiàn)圖3)，減小四周水向坑內(nèi)滲透的動(dòng)力，確保邊坡及挖井時(shí)的安全。

圖3 復(fù)合地基

1.3 做刃腳支撐樁

由于此處土層松軟，混凝土沉箱體積大、重量大、也較高，為保證沉箱能均勻下沉，采取在沉箱刃腳下做一圈水泥土攪拌樁以加強(qiáng)對(duì)沉箱的支撐(見(jiàn)圖3)，用挖土削樁的辦法使沉箱下沉，以控制下沉量和防止沉箱發(fā)生不均勻下沉而傾斜。

1.4 底部止水止砂及地基處理

根據(jù)地質(zhì)資料，泵站底部土質(zhì)較松軟(散)，泵站地基需進(jìn)行加固處理，而且底部水壓力大，流砂也會(huì)更多。為加固泵站地基和阻擋涌砂，采取在泵站混凝土底板下布設(shè)2.5 m長(zhǎng)的水泥土攪拌樁，形成復(fù)合地基(見(jiàn)圖3)，既加固地基又起到阻擋涌砂作用，便于安全封底，確保工程質(zhì)量。

1.5 降水

為確保-4.5 m以上基坑開(kāi)挖和沉箱制作，在基坑周邊設(shè)一圈井點(diǎn)進(jìn)行降水，確?？觾?nèi)-5 m以上無(wú)水，抽出的水進(jìn)行回灌，以保持坑外水位穩(wěn)定，不影響到周邊地面和建筑。沉箱內(nèi)水采取明排法用水泵抽出箱外。

1.6 環(huán)境監(jiān)測(cè)

為隨時(shí)掌握施工期間周邊設(shè)施變形情況，在馬路、院墻上分別設(shè)兩個(gè)沉降觀測(cè)點(diǎn)，住宅、商鋪等建筑物上設(shè)三個(gè)沉降觀測(cè)點(diǎn)，以便根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)采取相應(yīng)措施。

2 技術(shù)方案的實(shí)施

施工程序?yàn)?施工基坑周邊止水止砂帷幕→施工刃腳支撐樁→施工封底樁→降水、挖土至-4.5 m及混凝土噴護(hù)邊坡→預(yù)制沉箱基礎(chǔ)→制作沉箱(5 m高)→沉箱下沉→沉箱封底→施工沉箱上部第二段結(jié)構(gòu)→回填土→停止降水。

2.1 施工水泥土攪拌樁止水止砂帷幕

由于被加固土體屬飽和土，所以采用粉體噴射深層攪拌法。帷幕樁采用直徑500 mm，樁長(zhǎng)L=9 000 mm，做內(nèi)外兩排樁，內(nèi)排間距0.5 m，外排間距1 m，水泥用量15%，復(fù)噴深度3.2 m，復(fù)噴水泥用量10%，采用GZB-500型鉆機(jī)施工。

2.2 施工刃腳支撐樁

刃腳支撐樁采用直徑 500 mm，樁長(zhǎng) L=12 000 mm，自-4.5 m～-16.5 m，樁間距2 m，水泥用量15%，復(fù)噴深度6 m，復(fù)噴水泥用量10%，采用GZB-500型鉆機(jī)施工。

2.3 施工封底樁

封底樁采用直徑500 mm，中距2 m，梅花形布置，從-2.5 m處開(kāi)始鉆孔，樁長(zhǎng)L=9 400 mm，上部6.9 m只攪拌壓縮不噴水泥，下部2.5 m噴水泥，水泥用量15%，采用GZB-500型鉆機(jī)施工。

2011年12月，浙江省人民政府下發(fā)《關(guān)于加強(qiáng)礦產(chǎn)資源勘查工作的意見(jiàn)》，進(jìn)一步加強(qiáng)礦產(chǎn)資源勘查工作，加快實(shí)現(xiàn)地質(zhì)找礦重大突破，切實(shí)提高礦產(chǎn)資源保障能力。

2.4 挖土及邊坡噴護(hù)

水泥土攪拌樁施工完畢固結(jié)后，采取兩級(jí)井點(diǎn)降水，然后挖土至-4.5 m，挖土自東向西逐層順次開(kāi)挖，按1∶0.4～1∶0.5放坡，挖土?xí)r盡量減少對(duì)基坑邊坡土體的擾動(dòng)，修好邊坡后進(jìn)行混凝土噴護(hù)。

2.5 預(yù)制沉箱基礎(chǔ)

由于沉箱較高、重量較大，為防止在制作沉箱和下沉?xí)r地基產(chǎn)生不均勻下沉引起井身裂縫，采用了砂墊層法，即在刃腳下設(shè)砂墊層，經(jīng)計(jì)算鋪設(shè)2 000 mm寬、400 mm厚的砂墊層即可滿(mǎn)足要求。砂墊層上鋪設(shè)1 500 mm×220 mm×160 mm墊木，間距0.5 m～0.6 m，設(shè)8組定位支承墊木，位置鋪設(shè)在兩長(zhǎng)邊方向，距端部1 m，中間等分，以待抽出其他支承墊木后，沉箱有比較扎實(shí)的著力點(diǎn)。

2.6 預(yù)制沉箱段

根據(jù)沉箱設(shè)計(jì)方案要求，第一段包括刃腳共5 m高作為沉箱，刃腳高900 mm，底部寬300 mm，刃腳上部寬600 mm，混凝土為C30S6。

模板、鋼筋工程施工同普通混凝土結(jié)構(gòu)施工方法，在墻體中部設(shè)置400 mm×3mm連續(xù)鋼板止水帶，混凝土內(nèi)摻加早強(qiáng)劑，澆筑沉箱壁混凝土?xí)r要求均勻、對(duì)稱(chēng)、分層澆筑，分層厚度300 mm，每層澆筑時(shí)間控制在2 h內(nèi)。

2.7 沉箱下沉

1)抽降墊木。

沉箱混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，做好下沉前的準(zhǔn)備工作，并抽降墊木，抽取墊木要對(duì)稱(chēng)、隔一抽一，并立即用粗砂灌填密實(shí)，收口處四周填黃砂以減少井壁傾斜的可能性。

2)挖土與削樁。

沉箱下沉采取箱內(nèi)用水泵明排水，人工挖土削樁下沉，并用一臺(tái)汽車(chē)吊將土方運(yùn)出箱外。沉箱下沉的取土順序和方法為:先將泵站結(jié)構(gòu)地梁底下土取出，再由中心向四周均衡地取土;當(dāng)挖至刃腳時(shí)，先將樁間土取出，再逐層、對(duì)稱(chēng)、均勻的用利鑿和錘子人工削樁，以使沉箱均勻穩(wěn)定下沉，沉箱下沉速度控制在200 mm/d。

沉箱位置與標(biāo)高控制是在井壁頂部四面設(shè)置縱橫十字中心控制線和水準(zhǔn)基點(diǎn)，井外設(shè)標(biāo)志樁，以控制位置和標(biāo)高;沉箱垂直度控制是采取在井內(nèi)壁懸掛6個(gè)吊墜，長(zhǎng)邊2個(gè)，短邊1個(gè)，挖土削樁時(shí)隨時(shí)觀測(cè)，當(dāng)線墜離墨線邊達(dá)50 mm或四面標(biāo)高不一致時(shí)，立即采取糾偏措施。在沉箱過(guò)程中，由于嚴(yán)格按設(shè)定程序挖土、削樁，沉箱下沉平穩(wěn)，未發(fā)生傾斜和滯沉現(xiàn)象。

4)箱內(nèi)排水排砂。

在沉箱施工至臨近基底時(shí)，有部分地下水和流砂由下向上和在沉箱刃腳下涌入井內(nèi)，為此，在井底設(shè)了3個(gè)集水井，用污水泵排水、排砂。

2.8 沉箱封底

沉箱沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高3d后，經(jīng)觀測(cè)沉箱平面軸線、高差值符合規(guī)范要求，并且下沉速度已達(dá)到規(guī)范要求的8 h下沉小于10 mm的穩(wěn)定條件，開(kāi)始封底。

本工程采取無(wú)水干封底，先將基底修整成鍋底狀，用碎石子和水泥管做集水溝井，抽凈基底水后澆筑700 mm厚C15混凝土，其上再做100 mm厚的砂墊層和100 mm厚的混凝土墊層，最后做600 mm厚鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)底板(見(jiàn)圖4)，待混凝土底板達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后逐個(gè)用C30早強(qiáng)干硬膨脹混凝土封堵抽水井。

圖4 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)底板

此時(shí)第一段沉箱已經(jīng)全部封閉，需要驗(yàn)算其抗浮力。經(jīng)計(jì)算在沉箱段地下水產(chǎn)生的最大靜水浮力(算至預(yù)留口)約為32.3kN/m2，抗浮力約為51 kN/m2，抗浮力與浮力比值k=1.59，所以是安全的。

2.9 施工沉箱上部第二段結(jié)構(gòu)

沉箱上部第二段結(jié)構(gòu)施工是在已開(kāi)挖的基坑內(nèi)施工，鋼筋接長(zhǎng)連接、施工縫處理、模板支設(shè)、混凝土澆筑與施工普通混凝土結(jié)構(gòu)無(wú)異。

2.10 回填土、停止降水

在結(jié)構(gòu)施工完成、拆除模板并經(jīng)有關(guān)單位驗(yàn)收后進(jìn)行回填土施工，在全部工程施工結(jié)束后，采取注水抗浮措施，然后停止降水。

3 結(jié)語(yǔ)

工程按期竣工后經(jīng)運(yùn)行應(yīng)用各項(xiàng)指標(biāo)均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，周邊馬路、建筑物經(jīng)觀測(cè)均未受影響，說(shuō)明沉箱技術(shù)在本工程的應(yīng)用是成功的，選擇和設(shè)計(jì)的技術(shù)方案是正確的，制定的措施是有效可靠的。在以后遇到的類(lèi)似地質(zhì)松軟(散)、流砂嚴(yán)重及周邊情況復(fù)雜的深基坑工程中也采取了此技術(shù)路線進(jìn)行設(shè)計(jì)與施工，均取得了滿(mǎn)意效果。本工程的經(jīng)驗(yàn)可供同類(lèi)工程借鑒。