沉井結構在平面不規則污水提升泵站中的應用研究

熊勃 劉帥花

(1.安徽省城建設計研究總院股份有限公司華南分公司 廣州510651;2.廣州嘉聯工程技術咨詢有限公司 511300 )

引言

沉井是一種在地面制作,通過除去井內土體的方法使之下沉到地下某一深度的井體結構,是一項古老掘井作業發展而來的技術。沉井的埋深可以較大,而且整體性強,穩定性好,有較大的承載面積,可以承受較大的垂直荷載和水平荷載,且沉井既是基礎,又是施工時的擋土和擋水構筑物,下沉過程中無須再設置支護系統,簡化了施工[1]。鑒于其在建造地下構筑物或深基坑中的優越性,隨著施工技術及施工機具的不斷發展而獲得越來越廣泛的應用[2]。污水提升泵站一般平面尺寸不大,但通常埋置較深,一般的做法是參照民用建筑的基坑做好基坑支護然后再施工泵房結構,往往基坑支護的造價占比超過主體結構,由于泵房平面尺寸與一般民用建筑相比較小,可以通過一些技術手段將泵站做成沉井結構,沉井結構既作為泵房的基礎又兼作泵站的基坑支護結構,既縮短了工期,又大大節省了投資。本文通過廣州市某污水提升泵站的沉井結構進行應用分析。

1 工程概況

長洲島污水提升泵站位于廣州市黃埔區長洲島西北部,安新街的北部,該泵站負責將整個長洲島片區面積853.5hm2的污水進行收集,納污范圍內的污水經管道重力流入污水提升泵站,污水通過泵站提升后經過江管進入琶洲七號泵站,最后進入瀝窖污水處理廠進行處理。泵站實際占地面積約2839.5m2,根據地質報告,本工程地層從上往下主要為:

(1)素填土層①-1: 本層分布廣泛,各鉆孔均有揭露。雜色,稍濕,松散,主要由粘性土、中細砂及碎石塊組成,厚度約1.5m ～2.5m。

(2)粉質粘土②-2: 紅黃色,灰黃色,濕,可塑,局部硬塑,含較多細砂,厚度約1.5m ～3.3m。

(3)砂質粘性土④-2: 灰黃色,紅黃色,稍濕,硬塑,遇水易軟化崩解,為混合巖風化殘積土,厚度約1.50m ～4.9m。

(4)全風化混合巖⑥-1: 灰黃色,巖石風化劇烈,巖芯手可折斷,遇水易軟化崩解,巖芯呈堅硬土狀,厚度約3.0m ～4.0m。

(5)強風化混合巖⑥-2: 灰黑色,灰黃色,巖石風化劇烈,巖芯手可折斷,遇水易軟化崩解,巖芯呈半巖半土狀,厚度約9.0m ～10.30m。

(6) 中風化混合巖⑥-3: 灰黃色,灰白色,中細粒結構,塊狀構造,巖石較堅硬,較新鮮,擊之聲較脆,巖芯呈塊～短柱狀,厚度約2.50m ～3.0m。

本場地地表水主要為其南側的瀝窖水道、北側的官洲海以及中部的深井涌,與珠江水相通,水位和流量受珠江水影響十分明顯,并隨季節性變化而變化。場地地下水埋藏較淺,按賦存介質類型分為砂層孔隙水、基巖裂隙水兩種類型,孔隙水主要賦存于人工填土層中,富水性較好,水量較豐富; 裂隙水主要賦存于震旦系混合巖之裂隙中,場地穩定水位埋深介于0.50m ～6.30m 之間,并隨著珠江河潮汐變化而變化。抗浮設計水位按室外地面標高計算。

2 設計方案

污水提升泵站長24.5m,寬4m ～11.9m,深度約12m,泵站呈不規則矩形,由于泵站埋深較深,且現場地質條件復雜,地下水位較高,填土層中含水量較豐富,且臨近珠江,對明挖基坑施工不利,故泵站初擬采用1m 厚地下連續墻+鋼管內支撐的基坑支護形式進行開挖。為了盡量節省造價和工期,可將地下連續墻兼作泵站的外壁結構,在連續墻的內側做一350mm厚的內襯墻,如圖1 所示。

圖1 泵站基坑支護示意(單位： mm)Fig.1 Schematic diagram of foundation pit support of pumping station (unit: mm)

若采用該方案,則泵站墻體厚度達到1.35m,且由于基坑深度達到12m,采用連續墻支護需要一定的嵌固深度,基坑造價將較高; 且由于基坑不規則,基坑內不便于設置鋼管內支撐的換撐結構,將大大影響施工進度,進而影響整個項目的順利推進。

綜合以上分析,采用地下連續墻支護的結構并非本工程的最優方案,為提高施工速度,減少工程造價,可考慮將支護結構與主體結構合二為一(即將基坑支護結構兼作泵站的外池壁),而采用沉井則可較順利地解決該問題,同時,為了便于沉井施工,可將泵站形狀改成較為方正、規則、對稱的日字形,先施工沉井結構,并在沉井上預留內隔墻的鋼筋和接口,待沉井施工完畢后再施工井內的內隔墻,可大大提高施工的便捷性,并降低了造價,沉井結構如圖2 所示。

根據地質報告顯示,除上層填土層外,本工程地層大多為不透水層,且全風化～強風化混合巖揭露較淺,周邊環境較好,鄰近無重要建(構)筑物,為方便施工,本沉井采用排水法下沉,沉井分節制作,一次下沉。沉井施工完畢且混凝土達設計強度后開始頂管施工,待頂管施工完畢,場外管道接入泵站后開始內隔墻施工,內隔墻施工完畢最后施工泵站頂板結構等其余附屬結構。

3 計算分析

沉井結構計算分析主要包括下沉分析、下沉穩定性分析、井壁計算分析及刃腳計算分析等。采用沉井方案的重(難)點在于其能否順利下沉及下沉穩定性的分析,根據相關規范及文獻[3～5],沉井的下沉系數須≥1.05,下沉穩定系數須在0.8 ～0.9 之間。井壁及刃腳的計算分析僅做簡略說明。

圖2 沉井泵站平、剖面示意(單位： mm)Fig.2 Drawing of horizontal section of open caisson pumping station (unit: mm)

3.1 下沉系數計算分析

式中:kst為下沉系數;Gik為沉井自重標準值(kN);Ffw,k為下沉過程中的浮托力標準值(kN);Ffk為井壁總摩阻力標準值(kN)。

由于沉井采用分節制作,一次下沉工藝,根據地質報告,地層情況基本為上軟下硬,故分別驗算沉井下沉至5m 時及下沉至10m 時的下沉系數。

1.當沉井總節下沉至5m 時

采用排水法下沉,Ffw,k=0,Gik=27751kN。根據周邊鉆孔顯示,地面下5m 土層為素填土(1.5m 厚)、粉質粘土(2m 厚)及砂質粘性土(2m厚),其單位側摩阻力標準值fk根據沉井設計規程分別取25kPa、25kPa 及40kPa,其fk加權平均值為30kPa,沉井周長U=75.4m。則:

kst=(Gik-Ffw,k)/Ffk=27751/3960=7.00 ＞1.05,下沉系數滿足要求。

2.當沉井總節下沉至10m 時

根據周邊鉆孔顯示,地面下5m ～10m 地層為全風化混合巖(3m 厚)及強風化混合巖(10m厚),由于規范對該類地層的側摩阻力標準值無明確規定,故參照地質報告的樁側摩阻力特征值對該兩種土層的fk值分別取為50kPa 及60kPa,fk加權平均值為54kPa。則:

kst=(Gik-Ffw,k)/Ffk=27751/25907=1.07 ＞1.05,下沉系數滿足要求。

從以上計算結果可以看出,當沉井下沉至5m 時,下沉系數較大,下沉較快,應繼續分析其下沉穩定性,當沉井繼續下沉至地面下10m時,下沉系數也能滿足要求,但考慮到此處地層情況基本為強風化混合巖,摩阻力較大,應酌情考慮采取注漿減摩措施。根據泵站后續施工過程來看,在下沉至地面下10m 處時沒有采取注漿減摩措施沉井亦能順利下沉,說明按地質報告參考的側摩阻力標準值稍稍偏大,但基本能反應其真實摩阻力,可以參照使用。

3.2 下沉穩定計算分析

當沉井下沉系數過大,或遇到淤泥等軟弱土層時,須驗算下沉穩定性:

式中:kst,s為下沉穩定系數;Rb為沉井刃腳、隔墻和底梁下地基土的極限承載力之和(kN)。

地面下5m 處為砂質粘性土(硬塑),沉井規范沒有給出此種地層的極限承載力標準值參考數據,根據地質報告,該地層的承載力特征值為220kPa,取其地基土極限承載力為440kPa,則:

外圍壁板地基土極限承載力:

中間壁板地基土極限承載力:

故Rb=28151kN,當沉井下沉5m 時,kst,s=(27751 -0)/(3960 +28151)=0.86 ＜0.9

下沉系數已經接近規范允許的限值0.9,初步判斷5m 內沉井下沉將偏快,但由于下沉系數還在規范允許范圍之內,可先不采取糾偏措施并密切監測沉井變化。在實際施工過程中,在下沉至地面下5m 時,沉井下沉速度稍快,但在沒有采取處理措施的情況下仍然能保證其下沉穩定,說明根據地質報告采用的極限承載力數值基本能反應其真實情況。若下沉系數計算值超出規范允許限值,應采取有效措施控制沉井下沉速度,如用木垛在定位墊架處給以支承,并嚴格控制挖土范圍,在刃腳下不挖或部分挖土,同時嚴格按對稱施工,并加強施工監測,防止沉井偏斜。

3.3 井壁計算分析

沉井在施工階段是無底無蓋的筒狀結構,因此井壁結構計算通常截取單位高度的一段作為平面框架結構進行計算。沉井各部位的截面及配筋,應綜合各階段最不利的受力狀態進行驗算,此處選取沉井刃腳部位以上1m 進行平面框架結構計算,其計算模型和彎矩圖如圖3、圖4 所示。

圖3 沉井平面框架計算簡圖Fig.3 Calculating sketch of plane frame of caisson

圖4 沉井平面框架水平彎矩Fig.4 Horizontal moment diagram of planar frame of caisson

沉井在使用階段時,可將井壁按雙向板(三邊固定,一邊簡支)逐個計算,或者將整個構筑物整體建模計算,綜合考慮平面框架計算結果以及雙向板計算結果可以得出沉井井壁的配筋。

3.4 刃腳計算分析

刃腳處應按最不利工況計算其豎向內力及水平內力,刃腳的豎向內力分為刃腳的向外彎矩及向內彎矩。刃腳的向外彎矩為沉井初沉時,刃腳下部承受較大的正面及側面阻力,而井壁外側土壓力并不大,此時刃腳根部將產生向外彎矩; 刃腳內側彎矩為沉井下沉至最后階段,刃腳下的土全部挖空,此時刃腳根部水平截面上將產生較大的向內彎矩。刃腳水平內力應考慮刃腳入土時,由于斜面上的土反力產生的橫推力在轉角處使相互垂直的刃腳產生的拉力。本工程刃腳配筋如圖5所示。

圖5 沉井刃腳配筋圖(單位： mm)Fig.5 Reinforcement diagram of caisson cutting edge(unit: mm)

4 施工注意事項

1.本工程沉井采用排水法下沉,沉井分節制作,一次下沉,故沉井下沉前應做好截排水措施,應在沉井井壁外側一定距離打設攪拌樁止水帷幕進行止水,沉井混凝土強度達到設計強度95% 以上時方可下沉。

2.明確施工順序,在井壁與內隔墻相交處預留凹槽和鋼筋,以便內隔墻二次施工時候與之有效連結。沉井制作時應按各專業要求預留孔洞,不得后鑿,并在下沉過程中用鋼板對孔洞進行封堵。

3.沉井下沉過程中應控制下沉速度,隨時注意糾偏,應采用擠土下沉,不得隨意掏空刃腳,挖土應均勻、對稱,采取有效措施保證沉井平衡、均勻和穩定下沉、防止突沉; 沉井下沉時要監控井壁及內隔墻(框架)的不均勻沉降值,防止混凝土開裂,沉井初沉、終沉階段應增加觀測次數,下沉完畢后應對平面位置、終端標高、結構完整性、滲水、裂縫等作全面檢查。沉井施工現場如圖6 所示。

4.沉井下沉完畢后,在沉井與原狀土之間注漿填滿空隙。

圖6 沉井施工現場Fig.6 Construction site photos of open caisson

5 經濟性分析

本工程泵站若按常規方式先做基坑支護結構再做泵站主體結構,則由于現場地形及地質條件限制須采用地下連續墻結構,該支護結構整體造價約570 萬元,由于地下連續墻僅作為基坑支護的臨時結構使用,若再加上作為永久結構使用的內襯墻的造價約45 萬元,則采用該種結構形式的總造價約615 萬元,而本工程通過一系列技術手段最終確定采用了沉井形式,其工程造價約為360 萬元,比采用常規基坑支護形式節省造價約255 萬元,說明沉井結構相較于基坑支護結構經濟性優勢較為明顯。

6 結語

本工程泵站施工按設計指導順利完成,比預定的工期提前約30 天完工,目前該泵站已投入運營,效果良好。該泵站為廣州地區大型污水提升泵站采用沉井結構的首個案例,產生了很好的社會效益和經濟效益。本工程的成功實施可為同類型的污水提升泵站提供以下可供借鑒的經驗:

1.污水提升泵站一般為不規則形狀,不適合采用沉井形式施工,但可將泵站形式做適當改進,使其變成對稱的矩形,則非常適合采用沉井形式,若沉井跨度較大,則可在中間增設隔墻。

2.泵站施工順序一般為先施工沉井,后施工頂管,再施工內隔墻,最后施工泵站頂板結構等其余附屬結構。

3.沉井根據周邊環境及地質情況可采用排水法或不排水法下沉,下沉過程中應著重驗算其下沉系數及下沉穩定系數,當下沉困難時可采用注漿減摩等措施,當下沉過快時可采用支承木垛及控制挖土范圍等措施。