沉井下沉糾偏技術(shù)

嚴(yán)國仙，韓舉宇

（上海市政建設(shè)有限公司,上海市 200002）

管理施工

沉井下沉糾偏技術(shù)

嚴(yán)國仙，韓舉宇

（上海市政建設(shè)有限公司,上海市 200002）

結(jié)合實(shí)際工程，針對(duì)沉井初沉階段和終沉階段均發(fā)生較大傾斜的情況，通過力學(xué)計(jì)算分析兩種糾偏施工工藝。分別采用卷揚(yáng)機(jī)橫拉并結(jié)合井外除土、千斤頂頂推并結(jié)合井內(nèi)除土的糾偏施工工藝進(jìn)行糾偏，取得了良好的糾偏施工效果，確保了沉井的順利下沉，為今后類似沉井的施工提供了借鑒。

沉井；橫拉；頂推；糾偏

0 引言

軟土地區(qū)沉井作為頂管施工的工作井有著廣泛的使用，沉井下沉的施工質(zhì)量往往影響著后續(xù)頂管的施工質(zhì)量。沉井下沉施工過程中不可避免地會(huì)發(fā)生偏斜，因此糾偏施工至關(guān)重要。沉井的糾偏施工方法主要有井內(nèi)偏挖除土糾偏、井頂堆載糾偏、井外堆載糾偏、井壁高壓射水糾偏、鋼絲橫拉糾偏、頂推糾偏等。實(shí)際工程中采用堆載、井內(nèi)除土的糾偏案例較多，采用鋼絲橫拉和頂推糾偏的案例較少，缺乏相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。本文通過對(duì)背景工程所分別采用的鋼絲橫拉和頂推糾偏方法進(jìn)行計(jì)算分析，總結(jié)出了一些施工規(guī)律，可為同類工程提供借鑒。

1 工程概況

黃浦江連通管工程JD07#沉井，位于黃浦江南岸魚塘，經(jīng)過表土處理、換填砂墊層、澆筑素混凝土墊層后，在其上制作沉井結(jié)構(gòu)。JD07#沉井外徑10.6 m，內(nèi)徑9.0 m，凈高13.7 m，接高段1.8 m，高寬比約為1.46,采用抓斗抓土下沉。主要穿越土層：③1灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、③1t灰色黏質(zhì)粉土、③1灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、④灰色淤泥質(zhì)黏土。

2 下沉施工所遇問題

JD07#沉井在初沉階段向正東方向偏斜約11°，最大偏差達(dá)2 023㎜，終沉階段向東北偏斜約4°，最大偏差達(dá)739㎜，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于規(guī)范所允許的偏差量1D%且不超過30 cm，因此必須進(jìn)行糾偏。

3 初沉階段糾偏

3.1 糾偏方案比選

初沉階段，優(yōu)先考慮在井內(nèi)采取糾偏措施，其次考慮井外糾偏措施。

（1）采用井內(nèi)偏挖除土糾偏的可能性分析

沉井刃腳高差最大約2 023㎜，且整體尺寸較小，高寬比較大，剛度小。由于傾斜的影響，抓斗抓土區(qū)域?qū)p小，將影響偏挖施工。若繼續(xù)在井內(nèi)抓土，則鍋底更易在低側(cè)形成，低側(cè)更容易下沉，故此方法不適用。

（2）井外糾偏措施可能性分析

井外偏填偏挖：采用堆載或者井外挖土的糾偏方法，因沉井剛開始下沉，入土深度較淺，且偏斜較大，此方法不適用。

井頂堆載：沉井直徑較小，高度較高，缺乏堆載面，產(chǎn)生的糾偏力矩較小，此方法不適用。

井外射水：沉井下沉深度不夠，摩阻力本身就很小，此方法不適用。

鋼絲橫拉：合理布置卷揚(yáng)機(jī)并配合滑車組可提供較大水平拉力，且存在作業(yè)空間，此方法適用。

綜合考慮，JD07#沉井選用在井外偏高一側(cè)采用卷揚(yáng)機(jī)配合滑車組，用鋼絲繩橫拉的方法進(jìn)行糾偏。

3.2 卷揚(yáng)機(jī)配置計(jì)算

3.2.1 力學(xué)簡化

受力示意如圖1所示。將沉井圓周單位長度重力G分解為垂直井壁的F1、平行井壁的F2。G=263.5 kN，F(xiàn)1=50.28 kN，F(xiàn)2=258.66 kN。其中F1、刃腳下的地基反力Rd、被動(dòng)土壓力Ep將產(chǎn)生抵抗力矩；F2、卷揚(yáng)機(jī)拉力Fq將產(chǎn)生糾偏力矩；忽略右側(cè)主動(dòng)土壓力的作用。

圖1 糾偏受力示意

3.2.2 抵抗力矩Ma

（1）由F1所產(chǎn)生抵抗彎矩M1

式中：r為井壁截面重心到其中軸線的距離，4.944 m；d為距離，取6.347 m。

（2）由地基極限承載力反力Rd所產(chǎn)生的抵抗彎矩Md

式中：Rd為單位長度刃腳踏面及斜面下土的極限承載力，kN/m。

式中：f為地基極限承載力強(qiáng)度，kPa，取為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土地基設(shè)計(jì)強(qiáng)度55 kPa的4倍[1]，即220 kPa；b為刃腳踏面寬度，0.6 m；n為刃腳斜面的水平投影寬度，0.6 m；r為反力Rd中心中軸線的距離,5 m。

（3）由被動(dòng)土壓力所產(chǎn)生的抵抗彎矩Mp

每延米所產(chǎn)生的土壓力Ep：

式中：γ為土體重度，17.7 kN/m3；c為表示內(nèi)摩擦角13 kPa；KP為被動(dòng)土壓力系數(shù)，1.86，為摩擦角，17.5°。

由Ep可計(jì)算出Mp：

式中：D為外徑，10.6 m；d為Ep到刃腳底部距離，1.0 m。

因此總的糾偏抵抗力矩：

3.2.3 重力糾偏力矩M2

F2為重力G平行于井壁的分力，將對(duì)A點(diǎn)產(chǎn)生糾偏力矩M2。

式中：r為F2到中軸線的距離,4.944 m。

3.2.4 卷揚(yáng)機(jī)所提供力矩

現(xiàn)場(chǎng)采用3臺(tái)額定功率為11 kW，額定拉力為50 kN的卷揚(yáng)機(jī)?；嚱M采用鋼絲繩走8門葫蘆，可將拉力提高8倍，因此每臺(tái)卷揚(yáng)機(jī)所提供的拉力Fq=50×8=400 kN。卷揚(yáng)機(jī)拉力Fq所產(chǎn)生糾偏力矩為Mq。布置情況如圖2、圖3所示。

圖2 卷揚(yáng)機(jī)平面布置示意

圖3 卷揚(yáng)機(jī)立面布置示意

每臺(tái)卷揚(yáng)機(jī)所提供的糾偏力矩計(jì)算公式為：

式中：β表示拉力Fq與傾斜軸線方向的水平夾角，分別取0°、20°；d為距離，取11.07 m。

綜上，總的糾偏力矩Mb:

糾偏力矩Mb至少應(yīng)大于糾偏抵抗力矩Ma，沉井才有可能被糾偏過來，這里考慮富余系數(shù)1.1。

因此采用3臺(tái)額定功率11 kW,額定拉力50 kN的卷揚(yáng)機(jī)是可行的。

3.3 糾偏實(shí)施

待卷揚(yáng)機(jī)、滑車組、鋼纜安裝調(diào)試完畢后，一方面慢慢啟動(dòng)卷揚(yáng)機(jī)并逐級(jí)增大至達(dá)到最大功率，施加拉力予以糾偏；另一方面，利用挖掘機(jī)配合挖除偏高一側(cè)井壁外土體，降低被動(dòng)土壓力。糾偏效果良好，最終偏差滿足規(guī)范要求。

4 終沉階段糾偏

4.1 糾偏方案比選

（1）采用在井內(nèi)偏挖除土糾偏的可能性分析

利用抓斗可在偏高一側(cè)實(shí)現(xiàn)偏挖，但此時(shí)沉井已下沉約12.95 m，距終沉設(shè)計(jì)標(biāo)高僅2.25 m。雖可偏挖，但勢(shì)必深挖鍋底，造成超沉，故此方案效果有限，且不利終沉穩(wěn)定。

（2）井外糾偏措施可能性分析

井外偏填偏挖：沉井已下沉12.95 m，挖土深度大，此方法不適用。

井頂堆載：沉井直徑小，堆載面較小，所產(chǎn)生的糾偏力矩亦較小，效果不明顯。

井壁外高壓射水+井內(nèi)偏挖除土：井外高壓射水可減小井壁與土層的摩阻力，也將減小被動(dòng)土壓力，配合井內(nèi)挖除刃腳下土體，但井直徑較小，效果亦不明顯。

千斤頂頂推：千斤頂可提供較大的水平推力，井直徑較小，在終沉階段此方案適用；同時(shí)配合井內(nèi)偏除土，糾偏效果較好，并有利于終沉的穩(wěn)定。

綜合考量，JD07#沉井終沉階段采用千斤頂橫向頂推并輔以井內(nèi)偏除土的糾偏方案。

4.2 施工布置

在偏低的一側(cè)，沿著傾斜方向兩側(cè)對(duì)稱布置2臺(tái)100 t千斤頂，千斤頂后設(shè)置厚度為100 mm鋼板作為后靠，后靠鋼板通過打入地下的4根20#6 000 mm的槽鋼鋼板樁（可因地取材）進(jìn)行固定。布置情況如圖4、圖5所示。

圖4 頂推系統(tǒng)平面示意

圖5 頂推系統(tǒng)剖面示意

現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)，應(yīng)注意對(duì)稱布置千斤頂，后靠鋼板應(yīng)與千斤頂保持垂直，打入的槽鋼鋼板樁應(yīng)沿著后靠鋼板中心線對(duì)稱均勻布置，其與后側(cè)土體共同為后靠鋼板提供穩(wěn)定支撐。

4.3 力學(xué)估算

受力分析如圖6所示。F1、刃腳下的地基反力Rd、被動(dòng)土壓力Ep將產(chǎn)生抵抗力矩；F2、千斤頂推力Ft、主動(dòng)土壓力Ea將產(chǎn)生糾偏力矩。

圖6 糾偏受力示意

4.3.1 抵抗力矩Ma

（1）由F1所產(chǎn)生抵抗彎矩M1

式中：r取4.944 m，表示井壁截面重心到其中軸線的距離；d取6.347 m表示井壁截面重心到刃腳A點(diǎn)的距離。

（2）由地基極限承載力反力Rd所產(chǎn)生的抵抗彎矩Md

式中：Rd為單位長度刃腳踏面及斜面下土的極限承載力，kN/m。式中：f為地基極限承載力強(qiáng)度kPa，取為淤泥質(zhì)黏土地基設(shè)計(jì)強(qiáng)度60 kPa的4倍[1]，即240 kPa；b為刃腳踏面寬度，0.6 m；n為刃腳斜面的水平投影寬度，0.6 m。r為反力Rd中心中軸線的距離,5 m。

（3）由被動(dòng)土壓力Ep所產(chǎn)生的抵抗彎矩Mp

沉井高起一側(cè)所受被動(dòng)土壓力Ep將很難達(dá)到[3]，近似認(rèn)為Ep≈E0，其中E0代表靜止土壓力。首先計(jì)算沿井周每延米所產(chǎn)生的土壓力E'0：

式中：γ為土體重度，17.2 kN/m3；h為土體高度，12.95 m；K0為靜止土壓力系數(shù)，本標(biāo)段巖土工程勘察報(bào)告建議值為0.65；R為沉井外徑，5.3 m。

沉井高起一側(cè)土體徑向土壓力采用正弦函數(shù)分布模式，如圖7所示，即Ex=E'0sinθ[4]。

圖7 高起一側(cè)土壓力分布

其中Ex表示土壓力正弦函數(shù)分布區(qū)域內(nèi)沿井周任意位置處的土壓力值，所以可得土壓力合力為：

所以，由沉井高起一側(cè)土體土壓力所產(chǎn)生的抵抗彎矩M0為：

因此總的糾偏抵抗力矩：

4.3.2 糾偏力矩Mb

（1）F2所產(chǎn)生糾偏力矩

式中：r為F2到中軸線的距離,4.944 m。

（2）千斤頂所提供的糾偏力矩Mt

式中：d為表示距離,14.5 m。

（3）由沉井低陷一側(cè)土體主動(dòng)土壓力所產(chǎn)生的糾偏彎矩Ma

E'a表示沿井周每延長米主動(dòng)土壓力,有：

式中：γ為土體重度，17.2 kN/m3；c為表示內(nèi)摩擦角，11 kPa；Ka為主動(dòng)土壓力系數(shù)，Ka=tan（45°-12.95 m。

沉井低陷一側(cè)土體徑向土壓力采用正弦函數(shù)分布模式，如圖8所示，Ex=E'asinθ，其中Ex表示土壓力正弦函數(shù)分布區(qū)域內(nèi)沿井周任意位置處的土壓力值。

圖8 偏低一側(cè)土壓力分布

可得低陷一側(cè)土體土壓力合力為：

設(shè)z0為主動(dòng)土壓力的臨界深度，則有:

所以，由沉井低陷一側(cè)主動(dòng)土壓力所產(chǎn)生的抵抗彎矩Ma為：

綜上，總的糾偏力矩Mb：

糾偏力矩Mb至少應(yīng)大于糾偏抵抗力矩Ma，沉井才有可能被糾偏過來。

背景工程的沉井較小，因此采用2臺(tái)100 t千斤頂進(jìn)行糾偏能滿足要求。

4.4 糾偏實(shí)施

為了使千斤頂所提供的推力發(fā)揮最大作用，同時(shí)也為減小鋼板樁對(duì)土體的壓力，實(shí)際糾偏施工過程中：首先利用挖掘機(jī)挖除偏高一側(cè)井壁外圍的部分土體，以削弱被動(dòng)土壓力；其次在井內(nèi)挖除偏高一側(cè)刃腳下方的土體，以削弱地基反力，降低抵抗彎矩。

糾偏施工順序：挖除偏高一側(cè)井壁外圍的部分土體→井內(nèi)抓斗配合挖除偏除土→千斤頂頂推→井內(nèi)抓斗配合偏除土→千斤頂頂推。反復(fù)多次，直至偏差符合規(guī)范要求。實(shí)際施工中，經(jīng)過多次開挖與頂推，JD07#最終偏差滿足規(guī)范要求，糾偏效果較好。

5 結(jié)語

結(jié)合背景工程的沉井糾偏實(shí)施，針對(duì)初沉階段和終沉階段分別采用卷揚(yáng)機(jī)橫拉、千斤頂頂推并結(jié)合井內(nèi)、井外偏除土的糾偏施工工藝，取得了較好的糾偏施工效果，確保了沉井的下沉安全和穩(wěn)定，可為今后類似工程提供借鑒。

[1]DG/TJ08-2084-2011,沉井與氣壓沉箱施工技術(shù)規(guī)程[S].

[2]JGJ120-2012,基坑工程技術(shù)規(guī)范[S].

[3]劉國彬，王衛(wèi)東.基坑工程手冊(cè)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2009.

[4]陸鳳池，葉海桃.頂管工程中沉井水平承載力研究[J].建 筑 結(jié)構(gòu)，2012，11（4）：523-526.

TU990.3

B

1009-7716（2017）09-0113-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.09.033

2017-06-13

嚴(yán)國仙（1967-），女，上海人，教授級(jí)高級(jí)工程師，長期從事地下工程、頂管盾構(gòu)等非開挖工程及沉井工程的施工技術(shù)工作。