大型深基坑沉井變形分析與糾偏加固技術研究

傅小能

（中鐵二十四局集團安徽工程有限公司，安徽 合肥 230000）

1 工程概況

某72m 連續梁跨越運河，主墩承臺尺寸為18.8m×12.4m，基坑開挖深度為13.752m，基坑采用沉井作為支護結構。主墩基坑所在位置地質情況為第四系全新統沖積層黏性土、粉土、砂類土，第四系上更新統沖積層黏性土、粉土、砂類土，巖土層，具體見表1。沉井為鋼筋混凝土矩形構筑物，分為兩次澆筑下沉，設計參數見表2 所示。在沉井下沉至13.052m 時，橫橋向沉井壁產生嚴重開裂變形。沉井平面圖及立面圖如圖1 和圖2 所示。

表1 沉井基坑開挖土層表

表2 沉井結構設計一覽表

圖1 沉井平面布置圖

圖2 沉井平面布置圖

2 沉井變形原因分析

根據現場觀測記錄顯示，沉井橫橋向出現明顯彎曲和斷裂，在小里程中心位置處最大變形量達到96cm，且1.5m 范圍內產生不同程度的豎向裂縫，大里程井壁中心處變形達到24cm，未出現斷裂。具體詳見圖3 所示。

圖3 沉井開裂變形現場實景圖

通過對沉降的結構形式、受力特點以及變形開裂位置進行分析，得出以下幾點導致沉井發生變形的原因：

（1） 沉井下沉時混凝土強度未達到設計要求，井壁外側土壓力過大，導致沉井結構內側混凝土拉應力過大，出現不同程度的開裂變形。

（2） 沉井斷裂側為施工平臺及臨時棄土點，對面一側臨近運河，斷裂時棄土點堆土高度與河堤高差達7.5m，造成單邊土壓力過大，導致井壁內外產生斷裂變形。

（3） 沉井下沉挖土時，35t 的長臂挖掘機在距離井壁長邊跨中1.0m 位置處持續作業。根據受力分析沉井跨中受力最大，屬于沉井結構受力薄弱部位。施工荷載的增加導致井壁變形。

3 沉井變形糾偏處理措施

3.1 引孔釋放應力

在距離井壁外5m 處，通過采用長螺旋機鉆孔，釋放土應力，降低土對井壁產生的壓力，控制井壁的持續變形，減小沉井斷裂側復位時反作用力。詳見圖4 所示。引孔采用梅花型布置，以沉井中心線為基準，每側7 孔，每孔深度7m，直徑0.5m，橫橋向間隔0.3m，順橋向間隔1m，共計3 排，引孔布置見圖5 所示。

3.2 沉井斷裂側卸載

圖4 引孔現場平面布置圖

圖5 引孔現場施工實景圖

對施工作業平臺及臨時棄土點卸載，卸載至第一節沉井頂，每次取土深度3m，寬度2m，長度6m，取土位置靠近井壁，主要作用降低井壁的主動土壓力。

3.3 沉井復位

（1） 搭設沉井作業通道，對坑底土體進行壓實、平整完成后，在沉井順橋向中心線兩側各3m 范圍內鋪設竹節板。竹節板上鋪設方木，搭設碗扣式滿堂腳手架，順橋向和橫橋向立桿間距均1.5m，掃地桿高度30cm。并根據現場頂鐵、內撐位置進行適當微調。搭設過程中需符合規范要求。

（2） 第一層腳手架搭設至刃腳上部3m 處，在腳手架上鋪設方木，用于放置油頂、頂鐵、炮撐等糾偏加固材料、設備。第一層腳手架中安置4 道頂進設備，下鋪竹節板用以調平、對中。每道頂進設備前后對應井壁位置處密貼鋼板。具體措施為在內井壁鑿除混凝土保護層，將鋼板四角的連接鋼筋與井壁鋼筋進行搭接焊接連接，密貼2cm 厚鋼板，每塊鋼板尺寸為1.5m*1.5m。采用焊接的方式將HW200*200 型鋼小縱梁固定于鋼板上。安裝雙拼25 號工字鋼橫梁，密貼小縱梁。

（3） 在頂進設備安裝完畢后，采用長臂挖掘機，平行于沉井長邊方向進行取土，減小土側壓力。初次取土深度3m，寬度2m，長度6m，取土位置靠近井壁。

（4） 鑿除井壁斷裂位置處的內測混凝土保護層，在5mm 厚鋼板上焊接U 型鋼筋，與井壁鋼筋進行焊接連接，鋼板尺寸為200cm*40cm，共設置18 塊鋼板，鋼板間距15cm，每塊鋼板上設置6 個Φ20mm 預留孔，對預留口進行清洗之后，采用螺栓錨固于井壁，并植入植筋膠。具體詳見圖6 所示。

圖6 井壁貼板

（5） 采用8 道雙拼HW200X200 型鋼焊接在井壁鋼板上作為液壓千斤頂頂進的縱梁，在縱梁上設置2 道雙拼25 號工字鋼作為橫梁，在橫梁一側安置4 個FYQ320T-200 油壓千斤頂，液壓行程為1000mm，中間采用頂鐵、炮撐等構件連接，橫梁與小縱梁之間采用不同厚度的鋼板組合成楔塊進行填充，兩側頂進設備間距2.0m，中間間距0.8m。同時準備2 個同型號千斤頂作為備用，根據試頂效果及頂進觀測數據決定是否增加千斤頂數量。詳見圖7 與圖8 所示。井壁外側取土完成后，進行試頂。頂進過程中油壓表控制在18MPa 左右，頂推速度控制在50mm/h 范圍內。沉井在糾偏時緩慢頂進，防止井壁變形發生突變及頂鐵崩離現象。

圖7 液壓千斤頂設備

圖8 液壓千斤頂現場實景圖

（6） 沉井壁復位油頂噸位頂力根據沉井破壞過程主動土壓力確定。根據現場測量，在沉井下沉至地面以下高度H=h2+h4+h5+h6+h1=0.6+1.6+0.8+7.1+2.95=13.05m，橫橋向沉井壁產生嚴重開裂變形，沉井設計高度為13.65m。根據沉井計算書，沉井在沉至標高時被動土壓力合力標準值Epk= 1/4×πrH×Fpk =983655KN，即983.655t，沉 井 糾 偏 采 用4 個FYQ320T-200 油壓千斤頂，理論最大頂力為1280t>983.655t，盈余系數為1.3 倍，滿足沉井糾偏頂推作用力要求。土壓力作用沉井壁破壞面如圖9 和圖10 所示。

圖9 沉井斷面圖

圖10 土壓力分布圖

3.4 斷裂面加固處理

（1） 沉井糾偏復位后，為了提高沉井結構整體剛度，增強沉井抵抗變形的能力，對井壁斷裂面進行加固處理，在距離基坑底部約3.5m 位置處，施作4 道φ630*10 螺旋管進行加固，螺旋管設置在斷裂面兩側，間距分別為2.0m 與5.5m，具體布置詳見圖11 和圖12 所示。在拆除頂進設備及腳手架之前對螺旋管施加預應力，防止井壁發生二次偏位。

圖11 沉井鋼支撐加固現場實景圖

圖12 沉井鋼支撐加固示意圖

（2） 螺旋管內撐安裝完成后，對第二節井壁壓碎處進行鑿除，鑿除寬度為20cm，深度為6m，并對已經切割的鋼筋進行搭接焊接，澆筑C40 混凝土。由下向上每次鑿除深度為1m，待強度達到設計強度的90%后，可繼續重復施工。（3） 在距離基坑頂部約3.0m 位置處，對井壁外斷裂處采用鋼筋混凝土背包進行加固處理，背包的主要結構形式為梯形體，增大井壁受壓面積，提高沉井的整體穩定性。先破除井壁外混凝土，然后井壁內主筋與背包鋼筋焊接，再澆筑C50混凝土形成整體。背包高度為4.0m，長邊為3.0m，短邊長度為2.0m，厚度為1.0m，具體見圖13 及圖14 所示。

圖13 背包結構示意圖

圖14 背包結構現場施工實景圖

4 井壁變形復位的安全監測

4.1 監測目的

（1） 控制沉井復位過程中的姿態，及時調節液壓千斤頂的持荷狀態，指導施工方案的及時調整，保證沉井復位精度。（2） 通過對沉井下沉的實際監測和理論計算的對比分析，為沉井安全下沉提供數據支撐。

4.2 監測點的布置

根據《建筑基坑工程監測技術規范》 （GB50497-2009）要求，對沉井工程的變形監測應貫穿整個基坑的施工過程。變形觀測點主要設置井壁上，在沉井順橋向設置7 個點，橫橋方向設置4 個點。具體監測點布置如圖15 所示。采用全站儀進行監測，并對變形觀測數據進行分析，確保沉井在復位及下沉過程中的變形在安全范圍之內。

圖15 沉井變形監測點布置圖

5 結語

大型深基坑沉井支護結構在下沉過程中容易出現井壁的斷裂變形，影響結構的整體穩定性及安全性，對沉井斷裂變形進行糾偏加固是很必要的。本工程通過分析井壁變形原因，提出了井壁外釋放土應力、卸載土壓力等糾偏措施，并對沉井斷裂處進行復位加固，提高了沉井的整體剛度和安全性，保證了沉井的順利下沉，可以為同類型深基坑工程施工提供借鑒并具有一定的指導意義。