沉井在上海某綜合管廊中的應用實例與分析

孫建海，樊 云，陳 挺，石 磊，孫 可

（1.上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200129；2.上海斯美科匯建設工程咨詢有限公司，上海市 200433）

1 概述

1.1 工程概況

隨著城市建設不斷發展完善，在城市建筑密集區域進行地下市政設施建設的情況比較常見，由此而產生的大量拆、搬遷及建筑安全問題逐漸突出。沉井具有作業占地面積小、土方開挖量少的特點,在城市地下市政工程應用中越來越常見。市政工程中常見的沉井為獨立構造形式的鋼筋混凝土結構，一般由刃腳、井壁、底板、頂板等組成。

該工程位于上海市松江南部大型居住社區，穿越松衛北路（市級道路）和洞涇港（六級航道），頂管工程全長504 m，分一個工作井和兩個接收井。工作井設置在松衛北路西側，兩個接收井分別設置在松衛北路東側和洞涇港西側（見圖1）。由工作井出發，三道頂管先南后北再中間，依次頂向洞涇港西側接收井，相鄰頂管前后頂管機位置大于50 m。沉井平面尺寸為29.9 m×17.2 m，三道頂管頂進，結構受力復雜，沉井外側距城市主干路最近距離11.78 m，需采取有效的防護措施（見圖2）。

圖1 沉井位置關系平面圖

圖2 沉井結構示意圖（單位：mm）

1.2 自然條件

施工區域周邊主要為農田、荒地，地下水由淺部土層中的潛水和深部粉（砂）性土層中的（微）承壓水組成。經勘察，擬建場地地下潛水水位埋深為0.61～1.42 m（標高 1.87～3.10 m）；承壓水水位低于潛水位，呈周期性變化，埋深3.0～12.0 m。現場布置承壓水頭觀測孔CY1、CY2、CY3，承壓水頭埋深和標高見表1。

表1 承壓水頭管材結果匯總

1.3 工藝選擇

不排水下沉是指在沉井下沉過程中不采取措施將井內滲出的地下水排出，沉井下沉過程中，井內水位保持與井外地下水位齊平[1]。不排水下沉利用機械設備吸泥出土，吸出的泥漿通過管道排放至泥漿池，經沉淀后將上層清水排至指定位置，土方運至堆土點。

排水下沉是指在下沉時采取降水、排水措施使地下水位降低或阻斷，使沉井內幾乎無地下水滲出（見圖3）。該方法主要優點如下：

（1）井內無水，作業人員可以及時了解下沉及出土情況、井底土面高低、刃腳及底梁與土面的接觸狀況，根據測量數據，安排出土與糾偏，控制下沉質量。

（2）下沉速度快，排水下沉較不排水下沉速度快 2～5 倍[2]。

（3）經濟效益顯著，采取排水下沉，可實現干封底，提高封底質量，節省大量的人、機、料。

（4）節省場地，排水下沉無須準備泥漿池，出土土方可直接運出場外。

沉井下沉工藝選擇需綜合考慮安全、質量、進度、成本等因素，工藝不同，施工費用也不同。根據費用測算，一個工作井或接收井不排水下沉較排水下沉施工整體費用相差150萬左右（見表2）。經綜合考量，該次沉井采取排水下沉的施工方法。

表2 沉井排水下沉與不排水下沉施工費用對比

2 沉井的施工計算

沉井施工前應對墊層厚度、下沉系數、接高穩定性、抗浮系數等內容進行計算與驗算[3]。

2.1 砂墊層計算

該項目沉井采用五次澆筑，兩次下沉；第一次澆筑刃腳及以下部分底梁，第一次下沉在第三次澆筑完成并符合下沉條件后進行。

（1）第一次澆筑完成，砂墊層上部總荷載為[1183.00×2600+1149.66×（150+100）+61.82×2500+147.63×2000]/100=38130.25（kN）。

砂墊層實際所受應力為

式中：T為總荷載，kN；F為混凝土墊層面積，m2。因123.359 kPa≤[δ]=200 kPa，故砂墊層穩定。

（2）砂墊層之下的下臥層是通過砂墊層一定厚度的應力擴散而承受到上部的重量。該項目基坑開挖依現有施工條件，下臥層預計將坐落于粉質黏土層。據相關資料取粉質黏土容許承載力[R]=85 kPa，故該下臥層的極限承載力折減值為

式中：Pu為極限承載力折減值，kPa；[R]為容許承載力，kPa；K1為容許承載力轉換為極限承載力系數，一般取K1=2；K2為極限承載力折減系數，K2=0.8～0.95，當下臥層為粉質黏土或砂質粉土等強度較高、壓縮性較低的土層時，可取0.9～0.95，該工程起沉標高位于粉質黏土，故取K2＝0.9；K3為當沉井多節制作一次下沉、最后一節制作完成時，沉井中自重超載系數的倒數，取K3=0.83～0.87，為安全考慮，該工程取K3=0.83。

（3）三節制作完成后總荷載=鋼筋混凝土荷載+模板及施工荷載+素混凝土墊層荷載+磚模荷載：[2394.59×2600+884×（150+100）+61.82×2500+147.63×2000]/100=68967.44（kN）。

單位（每米）刃角（梁）所受荷載：G=68967.44/135.5=508.985（kN/m）。

中粗砂墊層應力擴散角θ取35°。

刃角底中心長度=[（29.9-2×1）+（17.2-2×1）]×2=86.20（m），刃角底墊層寬 2.5 m。

隔墻及橫梁長度為49.3 m，隔墻及橫梁底墊層寬2.0 m。

刃角及底梁總長度=86.2+49.3=135.5（m）。

（4）根據《沉井與氣壓沉箱施工技術規程》（DG/TJ08-2084—2011）中4.2節，砂墊層厚計算如下：

式中：p為基底壓力標準值，kN/m2；hs為砂墊層厚度，m；G 為單位（每米）刃角（梁）所受荷載，kN/m；rs為砂的天然重度，kN/m3，可取15；BL為素混凝土墊層的寬度，m，BL=B+2b1，計算時取 b1=hc；b1為素混凝土外挑寬度，m，可取b1≥hc（hc為素混凝土墊層厚度）；α為砂墊層的壓力擴散角，取35°；fa為修正后的地基承載力特征值，kPa；b為刃腳踏面寬度，m；B為刃角寬度，m。

砂墊層厚度取2.4 m，得p=122.85≤126.99。

2.2 下沉系數計算

沉井下沉系數一般采用K≥1.05～1.25作為下沉的控制指標。剩余下沉穩定系數可按下式計算：

式中：G為分次下沉時井體自重，kN，不考慮封底混凝土和底板；F為地下水浮力，由于為排水下沉，所以F=0；T為沉井下沉時土層與井壁的總摩阻力，T=LA；L為沉井外壁周長94.2 m；A為單位周長磨阻力，kN/m，可按A=hf0計算；h為沉井下沉深度，m；R為刃腳踏面及斜面下土的支承力，R=AiRj；Ai為底梁下土的總支承面積；Rj為刃腳下土層的極限承載力；f0為單位面積井壁摩阻力，加權平均 kN/m2：

式中：fi為第 i層土的摩阻力，kPa；hi為第 i層土的厚度，m。

沉井下沉系數分析見表3。

表3 沉井下沉系數分析

2.3 接高穩定性計算

沉井在第一次下沉完畢后，接高穩定性是沉井結構接高過程中安全控制的重要指標。沉井的接高穩定性可按下式計算：

式中：G為沉井混凝土井位自重，kN；T為井壁總摩阻力；R為刃腳踏面、斜面及底梁下土的支承力，同下沉系數計算公式；B1為地下水浮力。

沉井第二節接高時，沉井混凝土自重為G=80420 kN，地下水浮力（排水下沉）為0，井壁摩阻力T=23908.0 kN，此時刃腳位于④淤泥質黏土層，該層土地基承載力為50 kN/m2，則此時刃腳踏面及斜面下土的支承力R=232.3×50=11615（kN），可得接收井接高穩定性：

計算表明，沉井在第二節接高時，不能滿足沉井接高穩定性要求。

為保證各沉井接高時的安全，對沉井外圍進行土方回填，井內采取刃腳注砂平衡。井內刃腳踏面以上砂的高度為1.0 m，寬度為2 m。

沉井下臥層地基承載力計算如下（回填砂后）：

式中：r1為井內回填砂的重度17 kN/m3；h為井內刃腳踏面以上砂的高度 1.0 m；m1為 tan2（45°+），砂的內摩擦取 35°，計算為 3.69；r為原地基土的重度 16.8 kN/m3；b為井墻厚度 1.0 m；m為tan2（45°+），土的內摩擦角取10.9°，計算為1.47；c為原地基土的內聚力11 kN/m2。

沉井采取相應措施后，接高穩定性驗算：

由上述計算可知，在第二次接高時，沉井采取刃腳位置留土及灌砂措施，其接高穩定系數經計算大于1，可滿足沉井接高穩定性要求。

2.4 抗浮系數計算

根據《地基基礎設計規范》（DGJ 08-11—2010）要求，沉井抗浮穩定系數按不計井壁摩阻力時，抗浮系數可取1.0。

不計井壁摩阻力時，沉井抗浮穩定系數按下式計算：

式中：Kfw為沉井抗浮系數，規定 Kfw≥1.0；Fbfw，k為水的浮托力標準值，kN。

沉井自重為井壁和封底混凝土重量：

由地質勘察資料知，擬建場地的承壓水水頭埋深3～12 m，原地面標高3.34 m，沉井底標高為-20.5 m，故驗算浮力的地下水深度按21 m考慮，則地下水向上浮力為

綜上，沉井自重可以抵抗地下水的浮力。

3 沉井的施工工藝

3.1 墊層鋪設

沉井基坑開挖使砂墊層鋪設在原狀土上，基坑按1∶1放坡，基坑底面設0.3 m×0.3 m盲溝（見圖 4）。

圖4 沉井基坑開挖示意圖

砂墊層進行分段分層振實鋪設，采用中粗砂，每層厚度300 mm。密實的砂墊層干容重控制在1.65 g/cm3以上。現場砂墊層密實度可用釬探法普查，鋼釬頭部沉入砂面層深度不大于7 cm者為合格。

3.2 沉井制作

該工程沉井深度在19.3～24.3 m，采取五次制作，兩次下沉（見表4）。

表4 沉井結構形式

沉井制作順序如下：沉井結構制作總高度23.6 m；地面標高3.34 m，基坑開挖挖至高程1.84 m。第一節沉井制作從-20.5 m到-14.7 m，澆筑高度為5.8 m；第二節沉井制作從-14.7 m到-8.5 m，澆筑高度為6.2 m；第三節沉井制作從-8.5 m到-1.7 m，澆筑高度為6.8 m；第一次排水下沉高度18.8 m；第四節沉井制作從-1.7 m到3.1 m，澆筑高度為4.80 m；第二次排水下沉高度3.54 m；第五節沉井制作從3.1 m到3.8 m，澆筑高度為0.70 m。

3.3 沉井下沉

第一節（刃腳及井壁）沉井制作完成后，待其刃腳混凝土強度100%達到設計強度，井壁混凝土強度達到設計強度的70%后進行刃腳墊架拆除和下沉的準備工作[4]。根據沉井結構，將墊層鑿除分為兩塊施工，一塊為底梁下墊層鑿除，一塊為刃腳下墊層鑿除。按照先鑿除底梁墊層，后鑿除刃腳墊層的原則，將底梁混凝土墊層劃為五個區，刃腳下混凝土分為四個區。鑿除順序按照圖5編號進行。

圖5 混凝土墊層鑿除劃塊示意圖

按照編號順序，對稱、均衡、同步鑿除。當沉井發生傾斜時，及時調整鑿除位置，使沉井平穩地切入土中。取土過程中在井外壁刃腳內側保留1 m寬的土堤，土堤高度一般為0.1～0.3 m，隨沉井進尺量增加而適當減少。

初沉時，沉井下沉系數大、重心高、穩定性差，每間隔3～4 h進行一次沉降觀測，平面位移每天測量一次。當測量數據反映沉井偏差超限時，及時調整取土倉號或取土部位，控制每倉之間的取土深度，取土底面高差不應大于50 cm。當測量數據高差較好時，則對稱倉位取土保持正常狀態下沉，并控制好鍋底的深度，一般限制挖土鍋底深度不宜超過1 m，防止井體發生突沉。

下沉過程中，沉井對角刃腳踏面處標高差出現波動，屬正常現象，當高差值大于25 mm時應及時糾偏。糾偏主要采用選擇挖土區域，不均勻對稱挖土。通過不同的挖土深度，采取“高處多挖，低處少挖”來調整井內刃腳踏面的土應力分布，使得沉井改變傾斜狀態，逐步恢復至豎直方向下沉。沉井下沉時，由于沉井重心分布不均勻，首先考慮沉井中間部位的底梁下先挖土。

終沉時刃腳踏面為警示標高，比設計高程拋高20 cm，當沉井的進尺到最后2 m時即進入終沉階段。沉井接近設計圖紙要求達到鍋底尺寸與標高時，應檢查井底鍋底狀況，并且適當放慢取土速度和數量，嚴格按照均勻對稱的原則布置挖土范圍，保證沉井平穩到位。

3.4 沉井封底

當沉井下沉至設計標高，待其基本穩定以后，封底前進行沉降觀測，在8 h內沉降量不超過10 mm可封底[5]。在沉井封底前，基坑底土面挖至設計要求標高，排除沉井內積水，對超挖部分回填砂石。在澆筑素混凝土墊層時，為了防止新澆混凝土被水沖刷，以及因振搗混凝土而產生漏漿現象，在碎石層上鋪一層油氈或中、粗砂，并適當增加混凝土中的水泥用量。

封底按沉井底部梁格結構分格進行；分格次序第一批先封沉井四角，清理一格封一格，并需待四角鋼筋混凝土底板達到一定強度后，再根據沉井面積的大小分成數批進行。

4 結 語

2014年隨著我國政府與社會資本合作模式的展開，以《國務院辦公廳關于推進城市地下綜合管廊建設的指導意見》（國辦發〔2015〕61號）為標志，我國開始全面啟動新一輪城市地下綜合管廊建設工作[6]。沉井是市政工程中修筑地下構筑物的一種施工方法，施工時先制作鋼筋混凝土井身，井身依靠自重或其他輔助措施克服與土體間的摩阻力和刃腳地反力，下沉至設計標高。

沉井工程一是要強化墊層厚度、下沉系數、接高穩定性、抗浮系數等內容的計算，選擇合理安全的方案；二是要注重施工過程控制，提前制定糾偏、突沉等情況的措施。沉井頂管工藝作為非開挖技術，可以有效避免對城市建筑物、交通設施等的影響和破壞，對推動綜合管廊的建設具有非常重要的現實意義。