復雜環(huán)境下微擾動壓入式薄壁鋼沉井工藝研究

劉桂榮

（上海市基礎工程集團有限公司，上海 200433）

1 概述

隨著國內各大城市建設的深入發(fā)展，市政配套如供排水、燃氣、電力電纜管道系統(tǒng)面臨新的升級和改造，此類工程配套的大量工作井位于中心城區(qū)交通要道或狹小的場地上，由于能占用的場地極為有限，需要開發(fā)替代傳統(tǒng)地墻圍護的新工藝，減小工作井占地對交通及周邊環(huán)境的影響。

龍華污水廠廠外管道工程1．2 標項目9 號接收井即面臨以上問題，井位地處道路交叉口，原設計地墻圍護工藝由于場地問題難以實施，需考慮其他替代方案進行施工。而沉井壓沉工藝經過國內十余年的發(fā)展升級，已成功運用于多個復雜環(huán)境下的沉井工程，同時也積累了一定的施工經驗和周邊沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)［1］。上海建工基礎集團作為國內首先開發(fā)壓入式沉井工藝的施工單位，為克服傳統(tǒng)沉井工藝對周邊環(huán)境影響大的缺點，結合以往成功實例，聯(lián)合設計單位進行了多種工況下沉井壓沉工藝研究，提出沉井井體結構與封底優(yōu)化設計，增設具有三重功能的井外隔離抗拔樁，綜合運用多種輔助下沉工藝，改進取土工藝并研制井下挖土專用設備，研發(fā)了復雜敏感環(huán)境下微擾動壓入式薄壁沉井工藝。該工藝擬應用于試點工程9 號接收井，并將在項目實施中作進一步理論與實測研究，經總結完善、優(yōu)化升級后擬在其他狹小場地內的超深工作井工程中推廣應用。

2 試點工程概況

試點工程為龍華初期雨水調蓄水工程廠外管道標，管道路由：沿欽州北路－欽州路－定安路－南寧路至龍華污水處理廠，盾構及頂管隧道總長度約8 km，沿線共設工作井10 座。

其中9 號接收井位于欽州路南寧路丁字路口，原設計為圓形接收井，開挖深度為25．42 m，工作井外尺寸為18．4 m；圍護結構采用地下連續(xù)墻，長度58 m；地墻副間止水采用MJS 工藝。9 號接收井周邊環(huán)境見圖1。

圖1 9 號接收井周邊環(huán)境平面示意圖

但由于井位地處市政道路上，交通組織困難導致施工占地面積受限，無法滿足地墻施工鋼筋籠制作及吊裝作業(yè)的需求。同時經風險評估，該地墻圍護方案還存在風險及難點如下：1） 鬧市區(qū)市政道路上吊裝大型鋼筋籠施工作業(yè)的安全風險高；2） 基坑開挖期間長時間降承壓水可能導致周邊沉降難以滿足敏感環(huán)境要求；3） 地墻接縫滲漏導致的深基坑開挖風險較高；4） 鑿除洞門口地墻工藝實施盾構機進洞方式滲漏風險較高；5） 地墻及基坑開挖施工周期長，難以滿足該工程作為環(huán)保督查項目進度需求。

綜上所述，考慮風險評估及進度需求，施工場地臨時占用困難等實際情況，該井位難以實施地墻圍護作業(yè)，需考慮采用合理的替代方案進行設計變更后施工9 號接收井。

3 微擾動壓入式沉井變更方案的總體思路

建造9 號接收井的主要設計目的為滿足地下不同高程隧道盾構機進洞需要，鑒于接收井施工客觀存在的難點，以最大限度減小對周邊環(huán)境的影響為出發(fā)點，施工方在優(yōu)化盾構機進洞工藝后，提出了減小井體尺寸后施作微擾動壓入式鋼格構薄壁沉井作為替代方案。

微擾動壓入式鋼格構薄壁沉井變更方案總體思路及要點如下：

1） 在沉井井壁外側先行施工一圈咬合樁圍護，圍護樁與沉井平面位置關系如圖2 所示，剖面關系如圖3 所示。該圍護樁既作為壓入式沉井下壓力反力提供裝置，又兼作薄壁沉井下沉到位后抵抗浮力的抗拔樁、沉井下沉中環(huán)境隔離保護樁。

圖2 壓入式沉井及圍護樁平面布置圖

圖3 壓入式薄壁鋼混凝土復合沉井與外側咬合圍護樁示意圖

2） 沉井井壁采用整體式鋼格構+混凝土結構，經計算井壁厚度初步按45 cm 考慮。

3） 沉井下沉采用壓沉工藝，利用外側圍護樁頂澆筑頂圈梁后埋設反力裝置，利用穿心千斤頂、鋼絞線、井體預留鋼牛腿進行壓沉及糾偏； 沉井下沉井內取土量及土塞留置量根據(jù)下沉阻力進行調整。

4） 綜合應用刃腳下方地基土預處理（間隔預先鉆孔回填膨潤土） 、下壓過程中井內外壁壓注減阻泥漿、刃腳下方超高壓射水破壞土體等輔助下沉措施，從而實現(xiàn)有效減少沉井下壓力和預留土塞高度，提高工效及減少周邊環(huán)境影響的效果。

5） 沉井刃腳下部一定厚度土體采用MJS 進行加固，起到沉井封底后底板制作期間的基底抗隆起的作用，并經設計核算后適當減少水下封底混凝土厚度，提高底板制作期間的安全性。

6） 沉井下沉到位水下封底后，井壁頂部與咬合樁頂部圈梁進行有效連接，井壁外側壓注雙液快凝漿液提高井外側摩阻力，并靜置一段時間后進行抽水制作底板，防止沉井整體上浮。

7） 圍護樁內外及樁體均布置位移及沉降監(jiān)測點，應用自主開發(fā)的沉井下沉姿態(tài)控制自動測量系統(tǒng)，通過信息化指導壓入式沉井的精細化施工，確保沉井下沉精度滿足設計需求、周邊構筑物與管線的位移及沉降值安全可控。

4 微擾動壓入式薄壁沉井工藝及關鍵技術要點

4．1 井外圍護樁及上部頂圈梁承臺設計

沉井外側增設咬合樁圍護，用以減小沉井施工對周邊環(huán)境影響，同時提供壓入式沉井反力來源，后期圍護樁頂圈梁與井壁結構進行有效連接后可滿足薄壁鋼沉井抗浮需求。為避免盾構進出洞磨樁困難，在洞口外側位置咬合樁鋼筋采用纖維筋替代傳統(tǒng)鋼筋。

建立數(shù)值模型，采用Zone 單元模擬土體，另分別采用Liner 單元和Pile 單元模擬沉井和圍護樁。約束底面三個方向的位移，約束側面法線方向的位移，上表面自由。水平方向基于距沉井的遠近進行網格劃分，原則是遠疏近密，豎直方向按1 m 厚度均勻劃分。模型自中間剖開的剖面示意圖如圖4 所示。

圖4 數(shù)值模擬示意圖

分別取樁長L=30 m，33 m，37 m，41 m，樁距d=2 m，3 m，4 m，共12 種工況進行模擬計算，最終綜合不同圍護樁工況下環(huán)境影響和內力響應，分析評估得：圍護樁長比沉井的深度長5 m ～10 m，樁至沉井外壁凈距d=2 m ～3 m 之間為佳。同時考慮經濟性和壓沉系統(tǒng)布置及施工便利性等因素，擬選取樁底標高至沉井刃腳下方5 m 的樁長及d=2 m。

4．2 薄壁沉井結構設計及優(yōu)化

4．2．1薄壁鋼混凝土復合井體結構設計

9 號井由地墻圍護基坑變更為微擾動壓入式沉井，并對盾構機進洞工藝優(yōu)化，沉井內徑縮小至10 m。由于本次沉井施工點位于市政道路上，傳統(tǒng)鋼筋混凝土結構沉井井壁厚，下沉阻力較大，分次下沉工期較長，結合工程實際擬優(yōu)化為的鋼殼薄壁沉井，鋼格構內填充鋼筋混凝土，井壁壁厚初步考慮450 mm，井壁剖面如圖5 所示［2］。

圖5 薄壁沉井井壁結構剖面圖

該井壁鋼結構如圖6 所示，內外壁均采用30 mm 鋼板，采用縱肋板間隔，縱肋板為20 mm 鋼板，與內外井壁鋼板焊接，同時在格構空間內布置鋼筋并澆筑細石混凝土。經Midas/Civil 2017 軟件建立整體模型進行計算，側壁面板、肋板、井壁采用板單元模擬，水土壓力采用朗肯土壓力計算，并考慮等壓荷載和偏壓荷載作用兩種不利工況，滿足規(guī)范及結構受力及變形要求。

圖6 薄壁沉井井壁鋼結構圖

刃腳上部每次接高2 m，上下環(huán)縫采用鋼板開坡口焊接；根據(jù)現(xiàn)場情況及運輸條件把每節(jié)井壁分為3 塊～5 塊，縱縫也采用坡口焊接連接，并在連接處增設加強板做焊接加固處理。

4．2．2薄壁沉井刃腳結構設計特點

沉井底部刃腳設計高度為5 m，斜踏面高度3 m，考慮盡量減小下壓過程中的阻力，刃腳底部寬度設為10 cm，上部寬度與沉井井壁同寬為45 cm，刃腳處結構類同井壁鋼混凝土復合結構，肋板空腔內鋼筋根據(jù)受力計算加密布置。

4．2．3薄壁沉井封底及抗浮、抗隆起設計

本工程沉井采用不排水下沉，到位后采用水下封底。由于沉井重量較小，經抗浮驗算，設計5 m 封底厚度與井體結構聯(lián)合受力，仍不能滿足規(guī)范的抗浮要求。經與設計研究擬采取終沉到位后，在不抽水工況下，通過圍護樁頂圈梁預留預埋件與鋼格構井壁進行有效連接，利用圍護樁作為抗拔樁，提供足夠的抗浮力。

沉井終沉開挖深度32 m，由于井壁結構插入比較小及存在下部承壓水層，需控制沉井下沉到位后抽水制作底板期間的土體隆起及下部承壓水突涌風險； 考慮一定安全富裕量，水下封底混凝土厚度仍按5 m 設置，并在其刃腳下方4 m 土體進行MJS 加固，同時在圍護樁與井壁間預留3 口降水井作為應急儲備措施，可短時間應急降低地下承壓水水頭，確保工程施工安全。

4．3 壓入式沉井工法及技術控制要點

壓入式沉井工法是人為對沉井施加合理可控的垂直下壓力，使沉井具有適宜的下沉系數(shù)，并輔以其他減阻手段，使下壓力替代重力能夠主導沉井的下沉，在預留土塞的工況下可控下沉，降低施工風險，提高工效，通過減少土體擾動最大限度地降低對周邊環(huán)境的影響。

本次沉井井壁一周均布8 個反力作用點（井壁鋼板外側設置鋼牛腿） ，每個點布設一只150 t 千斤頂，整體可提供最大下壓力為1 200 t；組裝后千斤頂通過穿心鋼絞線、咬合樁及頂部承臺組成完整的壓沉傳力系統(tǒng)，系統(tǒng)受力示意圖如圖7 所示。通過PLC 系統(tǒng)對系統(tǒng)實現(xiàn)遠程控制，及時掌握千斤頂行程位移、油壓等情況。

圖7 壓入式沉井受力示意圖

反力拉錨為多股鋼絞線，可根據(jù)下沉深度靈活調整長度，提供足夠的下壓力，且操作更為便捷。壓沉系統(tǒng)可同步糾偏，也可根據(jù)實際情況單獨糾偏。

本次壓入式沉井考慮多次制作接高、五次下沉，除下沉初期（5 m 范圍內） 采用干下沉，后續(xù)均采用井內加水工況下的不排水下沉（水位液面高于實測承壓水水頭） ，過程中留置土塞高度保持2 m 以上，并根據(jù)周邊沉降數(shù)據(jù)情況進行實時調整。沉井下沉可采用專用液壓抓斗進行取土，在配備泥水分離系統(tǒng)情況下也可采用新型水下絞吸式取土裝置進行取土，該裝置可實現(xiàn)沉井刃腳外壁以內所有空間的全覆蓋高效取土。

另配置專業(yè)測深設備實時掃描水下泥面三維高程形態(tài)，并派遣潛水員在終沉階段驗證水下工況，實現(xiàn)全程精準控制下沉及糾偏。終沉到位后，潛水員清基后采用水下混凝土封底［3－5］。

4．4 克服沉井下壓過程中阻力較大的輔助措施

1） 井壁壓注減阻泥漿助沉。沉井內外井壁均預留泥漿壓注管路及壓注口，下沉期間可壓注減阻泥漿大幅減小井壁摩阻力；下沉到位后可在外側壓注雙液快凝漿液以提高外側井壁摩阻力。

2） 刃腳下方超高壓射水破土助沉。為應對硬土層或由于壓沉施工后可能產生的刃腳下部黏土產生地基土固結而導致刃腳下方反力增大的問題?？紤]在井壁上從上至下預先埋設管路，管路如圖8 所示，沉井下沉中后期可通過該管路利用MJS 設備對刃腳下方土體進行超高壓射水切削破壞，從而降低刃腳斜面下方土體承載力。預埋管主管由內徑100 mm 以上的鑄鐵管組成，在沉井刃腳每隔1 m ～2 m 布置一個射水孔。射水孔位置應與先期預處理鉆孔錯開布置。進行高壓射水破壞刃腳斜面土體時，應考慮同步對稱布置、同步施工［6］。

圖8 井壁注漿管及高壓射水孔管路布置圖

5 新型微擾動壓入式薄壁鋼沉井工藝的優(yōu)點及效益

1） 與原設計地墻法接收井方案相比，節(jié)約了至少2/3 的施工場地，大大降低了對周邊交通的影響，并減少了管線、綠化搬遷工作量，同時減少了對地下空間的占用深度。

2） 施工工序相對較少，達到部分模塊化作業(yè)，相比地墻圍護后基坑開挖回筑工藝，可較大幅度地縮短工期。

3） 通過沉井外圍咬合樁作為隔離保護體，全程留置土塞工況下運用不排水壓入式下沉方法，并無需降承壓水，可最大限度地降低對周邊敏感環(huán)境的影響；且壓入式沉井下沉中后期均處于水土平衡工況，相比圍護深基坑開挖工藝規(guī)避了由于圍護體質量問題引起的水土滲漏風險［7］。

4） 沉井盾構進洞口可采用低強度砂漿填充+鋼悶板處理，如圖9 所示。與傳統(tǒng)洞口鑿除地墻工藝相比，可大大降低盾構進出洞的滲漏風險。

圖9 沉井接收井穿墻洞口形式

5） 壓入式沉井及外側圍護深度遠小于原地墻，全程無需降水作業(yè)，減少了工作量從而降低工程總體造價，經濟性好；同時能有效節(jié)約地下空間更為綠色環(huán)保。

6 結語

本文在近年來沉井壓沉工藝發(fā)展的基礎上，提出了一種新型微擾動壓入式薄壁鋼沉井工藝，其施工占地小，施工周期短，造價低，無需降水且開挖風險低，周邊環(huán)境影響小，相比傳統(tǒng)地墻圍護后基坑開挖回筑工藝有著顯著的優(yōu)勢；對比VSM 工藝，有著井體尺寸不受限，結構整體性好、造價更經濟等優(yōu)點。微擾動壓入式薄壁沉井工藝極大地減輕了常規(guī)豎井施工對周邊環(huán)境影響問題，對市區(qū)大量超深隧道工作井的施工，具有極為有益借鑒與推廣應用價值。筆者認為該工藝將在未來成為中心城區(qū)復雜環(huán)境下施作大深度管道工作井時，成為替代傳統(tǒng)地墻+深基坑開挖的一項重要綠色建造新技術，并值得繼續(xù)深入研究發(fā)掘和優(yōu)化升級。