復(fù)雜地質(zhì)條件下沉井施工的控制措施與分析

吳哲元

（上海建浩工程顧問有限公司，上海市 200030）

0 引言

隨著城市場(chǎng)地的限制和周圍環(huán)境的影響，沉井工藝越來越多地被用于各類市政工程項(xiàng)目中。沉井施工在場(chǎng)地狹窄的情況下可施工至地下50余m處，對(duì)周圍環(huán)境影響較小；可在地質(zhì)、水文條件復(fù)雜的地區(qū)施工；不需復(fù)雜的機(jī)具設(shè)備、與大開挖相比，可減少挖、運(yùn)和回填的土方量。其缺點(diǎn)是施工工序較多、技術(shù)要求高、質(zhì)量控制難。

1 工程概況

上海某排海管工程，其壓力井采用壓沉法施工，壓力井兼做頂管工作井。沉井為圓形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，內(nèi)徑20 m、外徑23 m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35，抗?jié)B等級(jí)S8；沉井內(nèi)部為井字底梁，梁底和刃腳寬度分別為1 000、850?？傁鲁粮叨?6.5 m，分2次下沉，第一次下沉9.5 m，第二次采用不排水下沉方式，下沉17 m。

2 水文地質(zhì)情況

根據(jù)地勘報(bào)告，該區(qū)域自上而下土層承載力和摩阻力情況見表1。

由表1可以看出，沉井穿越土層復(fù)雜、土質(zhì)軟硬不均，沉井在下沉過程中易發(fā)生突沉、傾斜。其中影響本工程的主要不良地質(zhì)條件有吹填土、明浜、地下障礙物等。

表1 土層承載力和摩阻力情況

擬建場(chǎng)地內(nèi)地下水主要有淺部土層的潛水、中部第⑤2層的微承壓含水層以及深部第⑦層中的承壓含水層。上述含水層對(duì)本工程基坑開挖、沉井施工均有直接影響。

潮位特征值：最高潮位5.68 m，最低潮位0.21 m，平均潮位3.40 m，10 a一遇潮位5.07 m，本工程設(shè)計(jì)水位按照10 a一遇潮位。

3 影響因素分析

（1）沉井東側(cè)為兩根DN800現(xiàn)狀排海管，壁厚10 mm，排海管基礎(chǔ)頂標(biāo)高埋深約3 m，基礎(chǔ)總埋深約7 m，沉井井壁外邊距其下部基礎(chǔ)邊凈距5 m，距上部基礎(chǔ)邊9.3 m?，F(xiàn)狀排海管外部基礎(chǔ)采用M10漿砌塊石支護(hù)，基礎(chǔ)內(nèi)采用泥結(jié)碎石填充將DN800管道包裹；管道下部基礎(chǔ)為沖泥管袋，采用干砌塊石和袋裝碎石護(hù)坡。施工期間要密切給予關(guān)注，并做好應(yīng)急保護(hù)準(zhǔn)備。

（2）沉井所處位置水位標(biāo)高較高，在+3.0 m左右，地表下約3 m范圍為建筑垃圾，由于水位太高，對(duì)沉井基坑墊層施工、下臥層承載力、下沉施工極為不利。

（3）沉井施工上部存在4.1 m厚雜填土，下臥層為①1-2淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土承載力低。

（4）井內(nèi)設(shè)置有井字梁，相對(duì)取土空間較小，易發(fā)生偏出土情況，也易發(fā)生傾斜及扭轉(zhuǎn)。

（5）井字梁梁底和刃腳寬度分別為1 000、850，同時(shí)由于第二次下沉采用不排水下沉，比一般沉井下沉阻力大。

（6）本工程沉井為超深圓形沉井，超深沉井糾偏是沉井下沉施工的重難點(diǎn)控制環(huán)節(jié)。

4 技術(shù)控制措施

4.1 針對(duì)現(xiàn)狀排海管的保護(hù)

（1）通過雷達(dá)勘探和實(shí)際開挖，準(zhǔn)確摸排老排海管的實(shí)際位置，并布置直接沉降觀測(cè)點(diǎn)，做好標(biāo)記，指導(dǎo)施工；

（2）采用雙排三重管高壓旋噴樁進(jìn)行隔離加固，樁長(zhǎng)8 m，深度超過現(xiàn)狀排海管基礎(chǔ)2 m以上；

（3）采用H500×300×11×18型鋼懸吊保護(hù)，通過計(jì)算，沿現(xiàn)狀排海管方向每間隔3m放置一根9 m長(zhǎng)H型鋼，φ18 mm鋼絲繩懸吊，如圖1所示。

圖1 現(xiàn)狀排海管懸吊保護(hù)

4.2 切斷地表水源并對(duì)表層雜填土進(jìn)行處理

（1）以沉井為中心，在沉井外圍3.5 m處，采用攪拌樁內(nèi)插H型鋼的方式進(jìn)行止水加固，將河浜水阻斷，攪拌樁樁長(zhǎng)28 m，內(nèi)插H型鋼樁長(zhǎng)28 m，嚴(yán)格控制施工質(zhì)量。

（2）同時(shí)在地面布置擋水墻，防止地表補(bǔ)給；基坑內(nèi)做好降排水措施，保證坑內(nèi)水位。

（3）在進(jìn)行外圍工法樁施工時(shí)，對(duì)沉井范圍進(jìn)行換填處理，將表面4 m厚的建筑垃圾等障礙物清除后，采用中粗砂進(jìn)行分層回填、夯實(shí)，分層換填厚度20~30 cm，壓實(shí)度不小于97%，砂墊層換填總厚度2 m[1]。同時(shí)考慮設(shè)置集水井，換填過程中連續(xù)降水，降水深度至坑底以下500 mm，保證下臥層有足夠的承載力。在換填之前，進(jìn)行承載力驗(yàn)算。（詳見圖2）

圖2 換填砂墊層和設(shè)置集水井剖面

4.3 均挖、勤測(cè)、勤糾、控制好高差

（1）合理選擇運(yùn)用糾偏措施：一是偏除土糾偏；二是井外射水、井內(nèi)偏除土糾偏；三是壓重糾偏；四是千斤頂輔助糾偏等措施。

（2）控制好每倉(cāng)之間的取土深度，底面高差不大于0.5～1 m，鍋底深度不超過1 m。

（3）控制好外墻刃腳下的土體，一般不宜挖除該處土體，如被破壞則極易產(chǎn)生涌土現(xiàn)象。

（4）沉井下沉?xí)r，井倉(cāng)內(nèi)應(yīng)對(duì)稱挖土，均勻下沉，先沖吸中央部位的土體，再?zèng)_吸刃腳下土，施工時(shí)應(yīng)隨時(shí)觀測(cè)下沉情況，每6 h觀測(cè)一次四角高差，若發(fā)現(xiàn)傾斜，及時(shí)采取糾偏措施，嚴(yán)禁出現(xiàn)刃腳被局部擱置等現(xiàn)象。

（5）施工中作好沉井下沉記錄工作，畫出下沉的速度圖，為終沉施工提供可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)。

4.4 采用壓沉等措施降低下沉阻力

（1）在施工中采用調(diào)整鍋底挖土的方式、形狀來改變井底刃腳踏面和底梁底面的土反力的分布狀況。

（2）設(shè)置觸變泥漿減阻注射口，沉井制作過程中，結(jié)合沉井下沉系數(shù)，沿井壁外側(cè)圓周布設(shè)1層，每層均布48只注射口。

（3）采用壓沉助沉措施。通過計(jì)算，在穿越⑤2層砂質(zhì)粉土層及⑥層粉質(zhì)黏土層時(shí)，即使采用泥漿減阻并掏部分刃腳斜面、底梁面，在終沉階段下沉系數(shù)卻依然小于1。因此考慮采用壓沉助沉方式，沉井下沉系數(shù)計(jì)算如表2所示。

表2 沉井下沉系數(shù)計(jì)算表

沉井下沉系數(shù)計(jì)算[2]公式如下所示：

式中：G為分次下沉?xí)r井體自重，kN，不考慮封底混凝土和底板；Ft為地下水浮力；T為井壁總摩阻力；R1為刃腳踏面及斜面下土的支承力；R2為底梁下土的支承力。

壓沉采用環(huán)形混凝土承臺(tái)+鋼絞線+外井壁焊制鋼牛腿的形式，利用穿心千斤頂，設(shè)置8個(gè)壓沉點(diǎn)位，單點(diǎn)可提供250T反力，總計(jì)能夠提供2 000 t的重量?jī)?chǔ)備，配合沉井下沉。由于沉井壁頂端標(biāo)高為+5.5 m，地面標(biāo)高為+6.0 m，考慮牛腿與配重鋼筋混凝土環(huán)，則鋼筋混凝土埋入現(xiàn)狀地面下約5.0 m。壓沉過程采用PLC自動(dòng)化控制系統(tǒng)，將“壓沉”施工的精確度進(jìn)一步升級(jí)提高（見圖3）。

圖3 壓沉工藝模擬圖

4.5 終沉階段糾偏控制

（1）當(dāng)沉井的下沉到最后2 m時(shí)即進(jìn)入終沉階段。挖土鍋底形狀由“凹”面逐步過渡到“凸”形反鍋底，并且適當(dāng)放慢取土速度和數(shù)量，嚴(yán)格按照均勻?qū)ΨQ的原則布置取土范圍，當(dāng)沉井四周控制點(diǎn)高差大于20 mm時(shí)，應(yīng)及時(shí)糾偏，糾偏方法以調(diào)整挖土深度為主，外刃腳土塞部分土體易涌進(jìn)，不準(zhǔn)沖挖。

（2）終沉階段是沉井的關(guān)鍵時(shí)刻，故一定要加強(qiáng)觀測(cè)，測(cè)量在最后階段應(yīng)每次不超過1 h，并及時(shí)提供一份測(cè)量報(bào)告，以便嚴(yán)格控制沉井的下沉速率。

（3）由于井內(nèi)外水頭差較大，地下水補(bǔ)給量較大，為保證沉井下沉階段的穩(wěn)定，防止井內(nèi)出現(xiàn)涌水、涌砂現(xiàn)象，因此沉井第二次下沉采取不排水下沉，空氣吸泥方式出土，布置約4套沖吸設(shè)備，空氣吸泥吸出的泥漿通過管道就近排放到泥漿池中，潛水員水下配合清理死角。

（4）一旦沉井刃腳踏面標(biāo)高達(dá)到設(shè)計(jì)要求的標(biāo)高，立即停止取土，可用大石塊拋填，測(cè)量密切注意觀測(cè)，24 h內(nèi)沉井下沉不大于10 mm。沉井施工到位后，測(cè)量要求每4～6 h觀測(cè)一次四角方向高差。

4.6 封底及底板施工

（1）終沉后，須進(jìn)行封底作業(yè)，由于本工程第二次下沉采用不排水下沉方式，因此，封底作業(yè)須采用水下混凝土澆筑工藝。水下混凝土澆筑必須控制好導(dǎo)管的氣密性、初灌量、導(dǎo)管埋入混凝土的深度、混凝土的塌落度等指標(biāo)，在水下混凝土澆筑過程中，導(dǎo)管的提升也是一個(gè)關(guān)鍵問題，必須做到慢提快落，并嚴(yán)防將導(dǎo)管拔出混凝土外的事故發(fā)生，導(dǎo)管插入混凝土內(nèi)深度控制在1 m以上為宜[3]。

（2）封底混凝土澆筑完畢后，混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)必須保證井內(nèi)水位高于井外地下水位1~2 m。在澆筑時(shí)，多留置幾組同條件試塊。待封底混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的100%后，方能進(jìn)行抽水，抽水到位后，立即施做底板。在施工鋼筋混凝土底板前，必須將底板和井壁接觸處鑿毛部位進(jìn)行清洗，避免封底后滲漏，底板澆筑前必須對(duì)施工用預(yù)埋件進(jìn)行檢查，確保位置正確。鋼筋混凝土底板施工，施工時(shí)遵循平衡、對(duì)稱的原則。

5 成效分析

5.1 最終偏差

終沉后，經(jīng)復(fù)核，在24 h內(nèi)沉井下沉不大于10 mm后，最終的井壁四周高差為0，50，90，40（mm）。

5.2 周邊沉降分析

對(duì)周邊環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在下沉過程中有兩次變形發(fā)生較大變化的時(shí)段，第一次發(fā)生在剛開始第二次下沉的初始階段，由于兩次下沉的時(shí)間間隔較長(zhǎng)，引起土體固結(jié)，在剛開始第二次下沉?xí)r，周邊環(huán)境變化較大，日最大變化量達(dá)36 mm（詳見圖4）；第二次是發(fā)生在下沉至21.2 m左右，進(jìn)入⑤2砂質(zhì)粉土階段，由于土層承載力的提高，造成下沉速度緩慢，周邊環(huán)境變化較大，日最大變化量達(dá)36 mm（詳見圖5）。

圖4 第一次沉降量發(fā)生較大變化（單位：mm）

圖5 第二次沉降量發(fā)生較大變化（單位：mm）

6 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目沉井施工，采用了隔斷地表水源、表層土換填砂墊層、設(shè)置觸變泥漿減阻、千斤頂壓沉助沉等技術(shù)措施，并對(duì)東側(cè)現(xiàn)狀排海管進(jìn)行了隔斷、懸吊保護(hù)等措施，為壓力井最終準(zhǔn)確下沉到設(shè)計(jì)標(biāo)高提供了多層保證，根據(jù)終沉后的沉降偏差進(jìn)行復(fù)核，也達(dá)到了規(guī)范允許偏差要求（規(guī)范為＜1%/d，且≤300）。

本次沉井第二次下沉共計(jì)時(shí)間115 d，下沉深度為17 m。雖然采取了各種措施，但終沉階段下沉依然非常困難，究其原因，可能存在三方面因素：

其一，井內(nèi)采用井字梁，且井字梁梁底和刃腳寬度分別為1 000、850，造成下沉阻力明顯增大，建議可在以后的設(shè)計(jì)中，優(yōu)先考慮設(shè)置十字梁，相應(yīng)減小梁底和刃腳的寬度；

其二，由于井壁外側(cè)為現(xiàn)狀排海管，為保護(hù)周邊環(huán)境，限制了輔助下沉的其他措施使用；

其三，由于黏土層存在固結(jié)等特殊的性質(zhì)，同時(shí)又在沉井外圍進(jìn)行了攪拌樁等隔斷措施，使土層的性質(zhì)發(fā)生了變化，也增大了相應(yīng)的下沉阻力，因此在今后的方案計(jì)算時(shí)，也應(yīng)考慮這方面的因素。