灘涂地域大型鋼筋混凝土沉井下沉技術研究

李慶松

（中鐵二十二局集團第三工程有限公司 福建廈門 361000）

1 工程概況

本工程為“廈門翔安新機場片區地下綜合管廊項目機場快速路過海段沉井、φ3 000 mm頂管工程”，為全國第一條跨海頂管，頂管全長982 m。工作井位于廈門東海岸公園大道附近的海岸吹填造地段，沉井距離漲潮水位40 m，施工地表高程為+6.2 m。工作井采用沉井法施工，尺寸為13.8 m（長）×10 m（寬），深度25.14 m，墻身厚度以1.6 m、1.4 m、1.2 m向上遞減，各參數見圖1。

根據地勘報告，工作井場區地下水位受地形地貌、人工回填及潮汐影響，變化較大。勘探期間測得各孔初見水位埋深為1.8～2.2 m，混合穩定水位埋深為1.9～2.4 m。另據部分鉆孔（下套管對上部海水或其他含水層段進行隔水處理）對各砂層承壓水位的觀測結果，各含水砂層的承壓特征較明顯。各地層地質情況具體見圖2。

圖1 工作井平面（單位：mm）

2 沉井施工方案選擇

2．1 排水方案選擇

圖2 工作井地質柱狀圖（單位：m）

2．2 井內出土方案確定

根據沉井所處的水文地質情況，分析后認為施工過程中最大程度地降低井身基礎及周圍土體的擾動是保證沉井安全、精確下沉到位的前提條件。原設計方案采用桁吊出土的方案（桁吊兼用于后期管節、施工材料的吊裝），考慮到桁吊運行過程中對周邊地層擾動較大，地表可能會出現沉降，影響桁吊軌道安全運行，增加沉井施工時不可控的風險因素，所以決定變更設計方

圖3 高壓注漿平面布置（單位：mm）

由于沉井位于海灘上，地層大部分為透水型的中粗砂層，水位較高，受海洋潮汐影響較大。單獨采用井點降水效果不明顯，同時采用井點降水施工時地表易發生沉降造成沉井內涌砂、井身突沉、偏位等，存在的安全質量隱患較多，風險較高。所以決定采用井體四周高壓注漿的方案，注漿作為止水帷幕的同時起到加固地層的作用。高壓注漿孔位單側布置3排，排間距1 m，深度26 m。注漿孔位布置見圖3。案。替代方案也考慮沉井下沉深度較淺時采用液壓伸縮長臂挖掘機，此方案單一設備即可滿足施工要求，成本投入較低。但長臂挖機施工時需要側面填筑施工平臺，由于地質情況較差，井體易出現單向側壓力過大而出現偏移的情況。綜合考慮后決定采用小型挖掘機配合汽車吊的出土方案，即井內兩個倉各放一臺30挖掘機，地面兩臺75 t的汽車吊利用料斗出土。

3 施工工藝

3．1 施工工藝流程

本沉井施工分四節制作、下沉，第一節（刃腳）5.35 m，第二節5.4 m，第三節5.3 m，第四節4.75 m，通風口在封底、頂管完成后再施工。具體工作流程見圖4。

圖4 施工工藝流程

3．2 分節制作沉井

（1）本工程工作井、接收井井壁按設計要求分4節制作施工（第5節為通風亭，待沉井底板及各層板面完成之后再施工）。沉井采用現場立模澆筑的方法制作，按照工藝流程圖的順序分節制作、下沉，各節井身之間的施工縫設置鋼板止水帶。井身施工過程中預埋用于輔助下沉的射水管道，防止沉井下沉過程中出現堅硬土層等其他因素導致下沉困難。沉井制作時應注意預埋隔層、防火門、樓梯、管廊接入口等連接鋼筋及預埋件并保證位置準確。

（2）井身現澆時腳手架的搭設嚴禁支撐在地面上，防止沉井接高施工過程中井身下沉造成腳手架失穩。本次沉井制作采用井身上預埋槽鋼當作腳手架支撐面的方案，井內側用模板滿鋪，用作作業平臺的同時也保證施工安全，施工完成后割除槽鋼，涂刷防腐劑。

3．3 沉井下沉

（1）沉井下沉采用排水下沉的方式，利用井底明排及管井排水，把水位控制在刃腳50 cm以下。小型挖掘機從中間向刃腳逐步開挖，利用井體的自重破土下沉。兩個倉室的挖掘機應該同步、均衡、對稱開挖。井體出現偏移時，應在監控量測的指導下，挖掘機在下沉較慢的位置加大開挖速度，利用出土的順序跟出土速度及時糾偏。每節沉井下沉應留1.0 m的高度在工作地面以上，防止沉井接高過程中沉井自沉影響模板及腳手架的穩定，同時起到圍護的作用。

（2）當沉井下沉至距離設計標高1.0 m左右時應放慢下沉速度，同時加強監測，出現偏移立即以糾偏為主、下沉為輔，在保證井身穩定的前提下緩慢下沉；至設計標高30～50 cm時應清理基底，停止取土下沉（留置高度按土質及下沉過程中具體情況確定），讓出沉井自沉的高程空間，防止超沉。

3．4 沉井施工測量

沉井下沉時需加強測量監控，以便及時掌握沉井偏移、傾斜等情況，觀測點設置在井體頂部的四個角及井體隔墻的中心點位置。四角標高及軸線位移正常下沉時每2 h測量一次［1］，必要時應連續觀測，及時糾偏。終沉階段每小時測量一次，當沉井下沉接近設計標高時應連續觀測，防止超沉。

3．5 沉井糾偏

（1）沉井下沉過程中難免出現偏移現象。土層軟硬不均、地質突變、孤石、開挖取土方式、地面堆載、涌水涌砂等原因都會導致沉井偏移。下沉前應結合本項目的特點，分析將出現導致沉井偏移的因素，采取有針對性的預防措施，從源頭上減少出現偏移的概率。

（2）沉井出現偏移時，簡便有效的糾偏措施就是在監控量測的指導下控制取土順序及取土速度，根據“沉多則少挖，沉少則多挖”的原則，在刃腳較高一側加強挖土。必要時輔以井外射水和局部偏心壓載的方式糾偏。小型挖掘機配合汽車吊出土的方案在下沉過程中可以精確地控制偏移量。

（3）沉井下沉過程中遇到孤石時，小型挖掘機配合汽車吊出渣的問題也有較為便捷、安全的解決措施。遇到孤石時可用小型挖掘機掏空孤石周邊刃腳下的土體，再用中粗砂或者碎石填充刃腳底部，防止孤石清除過程中井體突沉。考慮到軟弱土層的外部環境，孤石清除不宜采用爆破的方式，需采用空壓機等風動工具鑿除、松動孤石，再由小型挖掘機清理石渣。

3．6 沉井封底

當沉井下沉到設計標高，經2～3 d后，下沉已趨于穩定，在8 h內累計＜10 mm時，即可進行沉井封底。本沉井設置了止水帷幕及管井，所以采取排水封底的方案，但沉井刃腳位于承壓水層，所以為了防止封底過程中產生突涌，在封底時設置了泄水井，同時封底施工選擇在海水退潮的時間段。

4 沉井力學指標驗算

4．1 沉井下沉驗算

沉井下沉時，井壁與土間的摩阻力和地層對刃腳的反力，其比值即為下沉系數K，取值不小于1.15～1.25。井壁與土層間的摩阻力計算，在5 m深處增大到（0.5～0.7）fx，5 m以下不變，在臺階處增大到fx［2-4］。計算簡圖見圖 5。

沉井下沉系數的驗算公式為：

式中：K為安全系數，取值一般為1.15～1.25；Q為沉井自重及附加荷載（kN）；B為被井壁排出的水量（kN），如采取排水下沉法時［5-9］，B＝0；T為沉井與土間的摩阻力（kN），T＝U·［1／2（H+h1-2．5）］·f；h1為沉井下部臺階高度；U為外壁周長；D為沉井外徑（m）；H為沉井全高（m）；f為井壁與土間的摩阻系數，由地質資料提供；R為刃腳反力（kN），如將刃腳底部及斜面的土方挖空，則R＝0。本工程沉井驗算條件見表1。

圖5 計算簡圖

表1 工作井驗算條件

沉井外壁尺寸：17×13.2 m。

第一節沉井自重：G1＝436.32×25＝10 908 kN

第二節沉井自重：G2＝454.64×25＝11 366 kN

第三節沉井自重：G3＝383.144×25＝9 578.6 kN

第四節沉井自重：G4＝235.8×25＝5 895 kN

沉井總重：G＝G1+G2+G3+G4＝37 747.6 kN

根據方案設計，第一節下沉留1 m外露，則第一節需下沉的高度為4.35 m，第二節下沉的高度為5.4 m，第三節下沉的高度為5.3 m，第四節下沉高度為5.75 m。

（1）第一節沉井下沉系數驗算

摩阻力＝（2.52×18+1.83×13）／4.35＝15.9 kPa

K1＝10 908／［（4.35-2.5）×15.9×60.4］＝6.14＞1.25。此時沉井容易產生突沉，在施工前應對淤泥層進行處理，控制均勻除土，在刃腳處除土不宜過深，亦可采用增大刃腳踏面寬度的方法提高刃腳阻力。

（2）第二節沉井下沉系數驗算

摩阻力 ＝（2.52×18+5.5×13+1.73×25）／9.75＝16.42 kPa

K2＝22 274／［（9.75-2.5）×16.42×60.4］＝3.1＞1.25。此時沉井同樣容易產生突沉，應在施工前應對淤泥層進行處理并控制均勻除土，在刃腳處除土不宜過深，亦可采用增大刃腳踏面寬度的方法提高刃腳阻力。

（3）第三節沉井下沉系數驗算

由于沉井在到達摩擦力突變位置且在斷面變小處回填砂碎，摩阻力值取26 kPa，所以：

摩阻力 ＝（5.3×26+2.72×13+7.03×25）／15.05＝23.18 kPa

K3＝31 852.6／［（15.5+9.75-2.5）／2×23.18×60.4］＝2＞1.25。為防止沉井下沉過快，可采取與第一、第二節沉井下沉時相同的處理措施。

（4）第四節沉井下沉系數驗算

摩阻力 ＝（11.05×26+4.87×25+4.88×26）／20.8＝25.77 kPa

K4＝37 747.6／［（20.8+9.75-2.5）／2×25.77×60.4］＝1.73＞1.25。為防止沉井下沉過快，可采取與前三節沉井下沉時相同的處理措施。

4．2 沉井封底后的抗浮穩定性驗算

沉井外未回填土，不計井壁與側面土反摩擦力的作用，抗浮穩定性計算公式為：

式中：G為沉井自重（kN）；F為地下水向上的浮力（kN）。

沉井自重為井壁和封底混凝土重量：G自＝37 747.6 kN+12 983.04 kN＝50 730.64 kN

地下水向上的浮力：由現場開挖得知在海水漲潮時水位最高標高0.55 m，擬建場地的地下水位標高為0.6～-20.2 m，沉井底標高為-20.8 m，故驗算浮力的地下水深度按20.8 m考慮，則：

抗浮穩定性滿足要求［10-12］。

5 結束語

廈門翔安新機場片區地下綜合管廊項目機場快速路過海段頂管工程工作井施工過程中周邊地層穩定，地下水得到有效控制，沉井安全快速地下沉到位，封底穩定后最終測量結果顯示井身軸線偏移量及四角高程偏差值均在規范要求內，順利完成施工目標。本文對管廊項目過海段頂管工程沉井施工過程中克服了特殊水文、地質條件帶來的諸多施工難題進行總結，為今后其他類似工程提供借鑒和參考。