兩種輔助壓沉工藝在沉井施工中的應用分析

王軼喆

(中鐵上海工程局集團市政工程有限公司，上海 201906)

0 引言

由于沉井造價較圍護結(jié)構(gòu)低，常用來設(shè)計作為頂管井、泵房下部結(jié)構(gòu)，且逐漸向大尺寸、超深結(jié)構(gòu)發(fā)展。

常規(guī)沉井憑借自重下沉，存在下沉系數(shù)不足、糾偏困難等問題。下沉系數(shù)不足反過來會增大對周邊環(huán)境的影響[1]。

近年來，輔助壓沉工藝逐漸得到應用，通過主動加壓和調(diào)整井內(nèi)土塞高度，使下沉系數(shù)保持在理想狀態(tài)。同時，由于下沉壓力可適時調(diào)節(jié)，有利于下沉姿態(tài)的控制。

本文通過工程實例，對“節(jié)段式加壓下沉”和“地錨式壓入沉井”兩種輔助壓沉工藝進行對比分析，為在類似工程中下沉工藝的選擇提供借鑒。

1 節(jié)段式加壓下沉

“節(jié)段式加壓下沉”是將沉井分為刃腳層及若干標準節(jié)段，依靠地錨樁提供反力，通過壓沉裝置向下主動加壓下沉的施工方法。工藝流程見圖1，平面圖及剖面圖如圖2，圖3所示。

1.1 地錨樁施工

地錨樁主要作用是，通過與土體的摩擦為壓沉裝置提供足夠的反力，同時作為壓沉裝置的端承樁，防止承臺不均勻下沉。為避免下沉過程中，周邊土體對地錨樁擠壓破壞，地錨樁需要有一定的抗剪強度?？刹捎勉@孔灌注樁、SMW工法樁等，地錨樁應避開頂管洞口。

1.2 導梁及承臺施工

刃腳層施工完成后，為限定沉井移位或偏斜，在沉井外施工導梁起導向作用，導梁為L型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；壓沉裝置承臺與地錨樁相連，地錨樁鋼筋錨入承臺內(nèi)。導梁與井外壁間距50 mm，用泡沫板隔離。

1.3 壓沉裝置安裝

壓沉裝置采用低合金HN型鋼焊接而成，應力集中部位采用加勁板加強。千斤頂采用雙行程千斤頂，行程不小于1.5 m，額定頂力可選用100 t，配置數(shù)量根據(jù)計算確定。壓沉裝置側(cè)視圖如圖4所示。

1.4 標準節(jié)制作

刃腳層下沉到位后進行標準節(jié)制作，標準節(jié)高度根據(jù)壓沉裝置高度，可選擇1.5 m～1.7 m高?？v向鋼筋采用直螺紋連接，相鄰鋼筋錯位連接。施工縫可采用雙層遇水膨脹止水條(或單層止水鋼板)。

1.5 加壓下沉

下沉前將泡沫板用“香蕉水”溶解，減小井外壁摩擦阻力。待標準節(jié)達到設(shè)定強度后進行壓沉，壓沉裝置行程、壓力和頻率可通過遠程終端控制。壓沉到位后進行下一節(jié)制作，直至下沉到設(shè)計標高(見圖5)。

2 地錨式壓入沉井

“地錨式壓入沉井”與“節(jié)段式加壓下沉”工藝流程基本一致。主要區(qū)別在于沉井結(jié)構(gòu)制作采用的是常規(guī)的分節(jié)制作；另外壓沉設(shè)備也不相同，采用穿心千斤頂通過高強度預應力混凝土錨索與地錨樁承臺相連，提供下壓力，如圖6，圖7所示[2]。

反力錨箱由上、下部鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)成，上、下部鋼結(jié)構(gòu)之間通過法蘭和M27高強度螺栓連接，下部鋼結(jié)構(gòu)預埋在承臺內(nèi)，將力傳往下部的地錨樁，如圖8，圖9所示[2]。

3 工程實例

3.1 實例一：長江、沙湖水環(huán)境提升工程W2工作井

3.1.1工程概況

W2井為圓形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，屬臨時工作井。內(nèi)徑13 m，壁厚1.2 m，結(jié)構(gòu)高度21.5 m，下沉深度22.8 m。井外設(shè)800 mm厚CSM工法樁止水帷幕，深度40 m。

3.1.2工程地質(zhì)、地下水

地下土質(zhì)見表1。

表1 W2井地下土質(zhì)

上層滯水賦存于①-1層雜填土中。②-1,②-2,②-3,②-4層主要由粘性土構(gòu)成，為相對隔水頂板，滲透性微弱，基本不含水。場區(qū)③-1,③-2,④層為砂性土，有孔隙承壓水賦存，其含水層與長江河床透水介質(zhì)直接相通。

3.1.3施工方法及效果

采用“節(jié)段式加壓下沉”工藝，采用排水下沉、干封底。沉井總重24 587 kN，刃腳層高4.35 m。標準節(jié)高1.5 m，單節(jié)重1 824.33 kN，共12節(jié)。采用12套壓沉裝置，單個千斤頂額定頂力1 000 kN。

下沉過程中井內(nèi)土塞保持在1.0 m～1.5 m間，單個壓沉裝置最大反壓力控制在840 kN內(nèi)，下沉系數(shù)在1.10～1.20之間，下沉較為平穩(wěn)。下沉到位后刃腳最大高差為68 mm，小于規(guī)范允許值min(1%L=142 mm，300 mm)。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，周邊10 m范圍內(nèi)最大沉降量為75 mm。

3.2 實例二：鎮(zhèn)江海綿城市綜合治理工程W5工作井

3.2.1工程概況

W5井為圓形鋼筋混凝土永久結(jié)構(gòu)。內(nèi)徑15.6 m，壁厚1.5 m，結(jié)構(gòu)高度27.90 m，下沉深度30.4 m，刃腳底梁為井字結(jié)構(gòu)。井外設(shè)2排850@250 mm三軸攪拌樁止水帷幕，深度35 m。

3.2.2工程地質(zhì)、地下水

地下土質(zhì)見表2。

表2 W5井地下土質(zhì)

潛水主要賦存于①-2層素填土、②-2-1層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、②-2-2層粉質(zhì)粘土夾粉土的孔隙中；微承壓水主要賦存于②-3層粉砂夾粉質(zhì)粘土、②-2a粉砂的孔隙中。

3.2.3施工方法及效果

采用“節(jié)段式加壓下沉”工藝，排水下沉。沉井總重55 054.7 kN，刃腳層高5.50 m。標準節(jié)高1.7 m，標準節(jié)重3 052.1 kN，共13節(jié)。采用14套壓沉裝置，單個千斤頂額定頂力1 000 kN(見圖10)。

當沉井下沉到20 m以后時，沉井下沉困難。在井外壁采取氣幕、膨潤土注漿助沉措施情況下，下沉系數(shù)依然較小。

經(jīng)分析，原因除了沉井內(nèi)井字梁面積較大以及刃腳踏面過寬，增加了端面阻力外；另一個原因就是每次接高啟動下沉時，均需克服土體靜摩擦，增加了下沉阻力。沉井周邊難以形成穩(wěn)定的泥漿套，氣幕的頻繁使用勢必造成周邊土體的擾動加大，逐漸變成周邊土體沉降。

3.3 實例三：鎮(zhèn)江某取水工程雙沉井施工

3.3.1工程概況

頂管工作井1號、2號井均為圓形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，屬永久結(jié)構(gòu)。內(nèi)徑15 m，壁厚1.3 m，下沉深度38.5 m，兩井間距14.6 m。

1號井距離長江護堤僅15 m，2號井距離汽渡碼頭15.4 m。

3.3.2工程地質(zhì)、地下水

地下土質(zhì)見表3。

表3 1號井地下土質(zhì)

由表3可知，沉井終沉階段有2.7 m高左右位于較硬的⑤層粉質(zhì)粘土層。

上層滯水賦存于①-1層雜填土中。地下水主要為潛水和微承壓水，主要賦存于粉砂土層、粘性土與砂性土的夾層中，含水層厚度大、透水性較強。

3.3.3施工方法及效果

采用“地錨式壓入沉井”工藝，不排水施工。沉井總重64 041 kN，分8次制作4次下沉，1～4節(jié)各節(jié)重量分別為13 856 kN，15 254 kN，14 089 kN，20 842 kN。采用8套壓沉裝置，單個千斤頂額定頂力6 000 kN(見圖11)。

下沉到位后刃腳最大高差為55 mm，小于規(guī)范允許值min(1%L=163 mm，300 mm)。在采用氣幕、注漿助沉措施下，下沉過程中井內(nèi)土塞保持在2.5 m～3.5 m間，下沉系數(shù)在1.20～1.35之間，下沉較為平穩(wěn)。

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，兩井之間及井周10 m范圍內(nèi)最大沉降量為6 mm，對長江江堤和汽渡碼頭無影響。

4 兩種輔助壓沉方法對比分析

通過上述工程實例，從技術(shù)可行性、安全可靠性、工期、成本幾個方面對兩種輔助壓沉方法進行對比。

4.1 技術(shù)可行性

1)土質(zhì)適應性。

兩種方法在粉質(zhì)粘土、粉土、淤泥質(zhì)土、粉砂等軟土層中均適宜。但在粘土等硬質(zhì)土層中，因極限承載力較大，啟動時需要較大的下壓力?！肮?jié)段式加壓下沉”的壓沉裝置采用型鋼焊接而成，單個裝置所能承受的反壓力有限，且接高自重小，無法提供足夠的下壓力。而“地錨式壓入沉井”因接高自重重、壓沉裝置提供的反力大，在硬質(zhì)土層中比“節(jié)段式加壓下沉”更適合。

2)地下水的影響。

因地下水的浮力會消減部分下壓力，使下沉系數(shù)變小。原因同1)，“節(jié)段式加壓下沉”受地下水影響更大。

3)深度適宜性。

“節(jié)段式加壓下沉”接高次數(shù)多，每次接高啟動都需要克服土體靜摩擦；且下沉不連續(xù)，使井壁外泥漿套難以形成，靜摩擦系數(shù)大。隨著深度的增加，摩阻力增加，啟動更加困難。建議下沉深度在20 m內(nèi)。

而“地錨式壓入沉井”接高次數(shù)少，接高啟動后，井外壁能形成連續(xù)的泥漿套，滑動摩擦阻力小，適用更深的深度。建議下沉深度在40 m以內(nèi)，也有實例下沉至更深深度[1]。

4)對周邊環(huán)境影響。

“節(jié)段式加壓下沉”在下沉一定深度后，每次接高時，均需配合使用氣幕或降低井內(nèi)土塞方能啟動下沉，使周邊土體擾動頻繁，易造成周邊沉降。而“地錨式壓入沉井”由于分節(jié)次數(shù)少，井壁外能形成完整漿套，且連續(xù)下沉，井外土體受到擾動小，對周邊環(huán)境影響小。

4.2 安全可靠性

“節(jié)段式加壓下沉”標準節(jié)高度低，內(nèi)懸挑腳手架利用預留的對拉螺桿即可固定，外腳手架采用簡易腳手架，操作簡易、高空作業(yè)風險低。

“地錨式壓入沉井”采用常規(guī)分節(jié)制作，分節(jié)高度較高，接高時內(nèi)懸挑架需采用預埋工字鋼作為支撐梁，腳手架安裝、拆除時高空作業(yè)風險較大。

4.3 工期

以內(nèi)徑15.6 m，壁厚1.5 m，制作27.9 m，下沉深度30.4 m為例，分別對兩種壓沉方法工期進行比較，見表4。

表4 工期對比

從表4可以看出，“地錨式壓入沉井”較“節(jié)段式加壓下沉”工期短。

4.4 成本

兩種壓沉方法地錨樁、導梁、承臺施工方法基本一致。區(qū)別在于周轉(zhuǎn)材料、勞務(wù)和機械、設(shè)備的投入，主要從這些方面進行對比分析,見表5。

表5 成本對比

由表5可知，“節(jié)段式加壓下沉”成本低于“地錨式壓入沉井”。

4.5 總結(jié)

根據(jù)以上分析，兩種壓沉工藝綜合對比見表6。

表6 兩種壓沉工藝綜合對比表

5 結(jié)語

1)“節(jié)段式加壓下沉”成本相對較低，高空作業(yè)風險小，適合下沉深度20 m內(nèi)，周邊沉降要求較寬松的沉井。

2)“節(jié)段式加壓下沉”水平施工縫多，臨時結(jié)構(gòu)中影響較小；在對結(jié)構(gòu)強度、抗?jié)B要求更高的永久結(jié)構(gòu)中，會增加工期和成本。

3)“地錨式壓入沉井”適用更復雜的地質(zhì)、周邊環(huán)境。在硬質(zhì)土層、地下水豐富條件下具有更大優(yōu)勢；對周邊沉降影響極小。

4)“地錨式壓入沉井”在沉井下沉深度大于20 m以后，優(yōu)勢更為明顯。

實際施工中，需針對兩種輔助壓沉工藝的不同特點，進行更進一步的比較，以選擇安全而高效的施工方法。