甌江三角洲深厚軟土層中沉井施工技術(shù)研究*

宋立偉，王二成，蔡送寶，楊 雪，張文帥

(1.天津市賽英工程技術(shù)咨詢有限公司，天津 300051； 2.河北工程大學(xué)土木工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038)

0 引言

在地下空間的開(kāi)發(fā)中，沉井結(jié)構(gòu)具有剛度大、防水效果好等優(yōu)點(diǎn)，因此在大型橋梁基礎(chǔ)、地下停車(chē)庫(kù)、地下管廊及隧道工程中的應(yīng)用越來(lái)越多，但在下沉過(guò)程中沉井姿態(tài)控制是個(gè)難題，特別是對(duì)于深度較大的沉井，姿態(tài)控制的好壞直接決定工程項(xiàng)目的成敗，并且沉井會(huì)給周邊環(huán)境帶來(lái)影響，項(xiàng)目實(shí)施之前需對(duì)沉井引起周邊地表沉降及對(duì)臨近建(構(gòu))筑物的影響做出評(píng)估。圍繞沉井存在的一些問(wèn)題，很多專家、學(xué)者和工程技術(shù)人員開(kāi)展了很多研究工作。周和祥等[1]對(duì)直壁式、階梯式井壁開(kāi)展離心機(jī)模型試驗(yàn)，分析沉井側(cè)壁摩阻力的分布規(guī)律；彭儀譜等[2]對(duì)滬通長(zhǎng)江大橋主塔沉井著床灌注隔倉(cāng)混凝土的過(guò)程進(jìn)行了有限元模擬分析，得出了不同施工階段下刃腳受土壓力的變化；王正振等[3]用PLAXIS 3D有限元軟件對(duì)某大橋南錨碇沉井進(jìn)行了分析，計(jì)算出沉井在施工及運(yùn)營(yíng)階段的最大豎向位移及水平位移；陳國(guó)平[4]通過(guò)重型井點(diǎn)降水的輔助工藝，解決了軟土地基沉井施工困難的問(wèn)題；汪成龍[5]基于五峰山長(zhǎng)江大橋北錨碇下沉項(xiàng)目，提出十字槽同步開(kāi)挖、分區(qū)開(kāi)挖、預(yù)留核心土等措施，降低結(jié)構(gòu)應(yīng)力，保證了結(jié)構(gòu)安全。此外，還有其他學(xué)者及工程技術(shù)人員[6-10]對(duì)沉井進(jìn)行了相關(guān)研究。

1 工程概況

溫州市鹿城區(qū)七都島—鐵塔公園跨甌江電力隧道工程包括2座沉井和1段跨甌江電力隧道，電力隧道采用頂管法施工，頂管自鹿城區(qū)七都島側(cè)工作井始發(fā)，下穿甌江至甌江路側(cè)接收井，電力隧道全長(zhǎng)1 202.4m。七都島側(cè)工作井為變壁厚的圓形沉井，外徑為14.2m，壁厚為0.9，1.1m，沉井深度為32.42m，采用沉井法施工。

沉井西側(cè)為樟里村浮沙赤巖廟，沉井結(jié)構(gòu)外邊界距離大雄寶殿的最近距離為25m；沉井東側(cè)為現(xiàn)狀110kV高壓線架空鐵塔，沉井結(jié)構(gòu)外邊線距離鐵塔基礎(chǔ)的最近距離為21m；沉井南側(cè)為現(xiàn)狀村間水泥路，沉井結(jié)構(gòu)外邊線距離村間路的最近距離為15m。寺廟建筑對(duì)地基沉降變形比較敏感，對(duì)沉井下沉過(guò)程中引起周邊圍巖土體變形提出了較高的要求。

工程地貌屬河口三角洲，土層工程地質(zhì)條件較差，分布有深厚的軟土地層，土層含水量高、靈敏度高。土層自上而下依次為：①2黏土、②1淤泥夾粉砂、②2粉砂含淤泥、②3淤泥、②4粉砂含淤泥、③1淤泥質(zhì)黏土、黏質(zhì)粉土、③3卵石，沉井側(cè)摩阻力如表1所示。

表1 沉井側(cè)摩阻力

2 沉井設(shè)計(jì)

2.1 沉井支護(hù)結(jié)構(gòu)

沉井距離既有高壓線塔、廟宇較近，且沉井深度達(dá)32.42m，為了減小對(duì)周邊環(huán)境的影響，在距離井壁外側(cè)3m布置1圈18m長(zhǎng)SP-U400×170拉森鋼板樁，鋼板樁頂部設(shè)置1m×0.8m的混凝土冠梁，澆筑C20混凝土。

2.2 第1節(jié)井壁澆筑前地基土換填

第1節(jié)井壁澆筑高度為11.7m，自重較大，天然地基承載力無(wú)法滿足要求，需對(duì)刃腳墊梁下1.5m深土體進(jìn)行換填處理，用中砂分層回填密實(shí)，提高刃腳下土體的承載力，如圖1所示。

圖1 地基土換填

2.3 沉井分節(jié)及下沉控制系數(shù)計(jì)算

沉井井壁結(jié)構(gòu)總高度為32.42m，根據(jù)CECS 137∶2015《給水排水工程鋼筋混凝土沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》中對(duì)下沉系數(shù)及下沉穩(wěn)定系數(shù)的要求，井壁結(jié)構(gòu)分成5次進(jìn)行澆筑和下沉，每次澆筑的井壁高度分別為11.7，4.5，3.87，6.4，5.95m，分5次下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高，每次下沉的控制系數(shù)如表2所示。

表2 各次下沉控制系數(shù)計(jì)算值

沉井結(jié)構(gòu)采用C40混凝土澆筑,抗?jié)B等級(jí)為P12，井壁外側(cè)涂刷2道水柏油防水。

3 沉井施工控制要點(diǎn)

3.1 分倉(cāng)排泥，井筒下沉

排泥采用虹吸法，井內(nèi)灌滿水，用帶有葉片的攪拌設(shè)備將倉(cāng)內(nèi)土體攪拌成泥漿，然后用虹吸泵將泥漿排放到泥漿池內(nèi)，靜置待水土分離后再將表層清水泵回至井筒內(nèi)，繼續(xù)用于攪拌泥漿，循環(huán)往復(fù)將井底土體帶出，各分倉(cāng)內(nèi)均勻?qū)ΨQ排泥，井筒同步下沉。

3.2 沉井姿態(tài)控制及糾偏措施

沉井下沉過(guò)程中，在井壁上布置水準(zhǔn)觀測(cè)點(diǎn)，通過(guò)水準(zhǔn)儀監(jiān)測(cè)下沉過(guò)程中井筒的姿態(tài)，根據(jù)下沉姿態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)整取土位置，對(duì)井筒進(jìn)行動(dòng)態(tài)糾偏。

沉井下沉過(guò)程中出現(xiàn)了較大沉降差，通過(guò)分倉(cāng)取土的方式進(jìn)行姿態(tài)糾偏效果不明顯，為了對(duì)井筒進(jìn)行及時(shí)有效的糾偏，采取一側(cè)架設(shè)臨時(shí)鋼管支撐與對(duì)側(cè)打設(shè)旋噴泥漿減阻潤(rùn)滑的方法進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整。

在靠近沉降量小的一側(cè)土層中打設(shè)2排φ800mm@600mm的膨潤(rùn)泥漿高壓旋噴樁，降低該側(cè)井壁側(cè)摩阻力，加快該側(cè)井筒下沉速度；在沉降量大的另一側(cè)用8m長(zhǎng)、φ300×12鋼管作為臨時(shí)支撐,加大該側(cè)井筒的阻滑力，降低該側(cè)井筒的下沉速度，兩側(cè)同時(shí)發(fā)揮作用，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)井筒姿態(tài)的調(diào)整。井壁上開(kāi)鑿500mm×500mm×400mm(高×寬×深)的頂洞，每根臨時(shí)鋼管支撐下部澆筑1 500mm×1 000mm×500mm(長(zhǎng)×寬×厚)的獨(dú)立底座，3根臨時(shí)支撐鋼管底部用槽鋼焊接，加強(qiáng)支撐之間的整體性，底座布置在換填的砂層上，允許其有適當(dāng)?shù)某两滴灰疲苊馀R時(shí)支撐效果過(guò)大導(dǎo)致井筒發(fā)生反向偏移。

沉井刃腳下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)，井口的標(biāo)高偏差為12cm，根據(jù)GB50141—2008《給水排水構(gòu)筑物工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》的要求，沉井下沉就位后，偏差不大于直徑長(zhǎng)度的1%，且≤300mm，滿足規(guī)范要求。

4 沉井對(duì)周邊環(huán)境影響的數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)對(duì)比分析

根據(jù)沉井所在場(chǎng)地的工程地質(zhì)條件，建立1個(gè)60m×60m×60m的數(shù)值分析模型(見(jiàn)圖2)，預(yù)判沉井刃腳下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高后引起的周邊地表沉降和井底土體的隆起情況。

圖2 數(shù)值計(jì)算模型

模型前、后邊界面上的節(jié)點(diǎn)限制x向位移，左、右邊界面上的節(jié)點(diǎn)限制y向位移，底面節(jié)點(diǎn)限制x，y，z向位移，拉森鋼板繞z軸產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)。實(shí)際工程中樁頂放坡1.5m，建模時(shí)將1.5m厚土體荷載按照27kPa均布荷載等效考慮，均布荷載布置在拉森鋼板樁以外的表面節(jié)點(diǎn)上，土層物理力學(xué)參數(shù)如表3所示。

表3 土層物理力學(xué)參數(shù)

數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，沉井刃腳下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)，沉井周邊地表沉降在15.1～16.5mm，井底土體發(fā)生較大隆起，最大隆起量為62.1mm。

為了監(jiān)控沉井對(duì)鄰建建(構(gòu))筑物的影響，現(xiàn)場(chǎng)布置了若干監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并選取了其中4個(gè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。刃腳下沉就位時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降量如表4所示。

表4 各沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降量

監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降量的數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際測(cè)量進(jìn)行對(duì)比，如圖3所示。

圖3 地表沉降模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

從圖3可以看出，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降量的模擬值與實(shí)測(cè)值吻合比較好，沉降量隨距離的變化規(guī)律也基本一致，測(cè)點(diǎn)沉降的模擬值與實(shí)測(cè)值的最大偏差為3.4mm,基本反映了沉井就位時(shí)地表沉降的規(guī)律。

整個(gè)沉井施工過(guò)程中廟內(nèi)4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降規(guī)律如圖4所示。

圖4 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降變化曲線

井筒下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)，井壁及大梁的結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖5所示。圖5表明，筒型井壁結(jié)構(gòu)受力均勻合理，適用于深度較大的豎井。沉井下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力發(fā)生在靠近井壁結(jié)構(gòu)的十字大梁上，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)該部位的受力分析，并予以適當(dāng)加強(qiáng)。

圖5 井筒結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

1)沉井出現(xiàn)較大的不均勻下沉?xí)r，且分倉(cāng)取土調(diào)整沉井姿態(tài)效果不明顯的情況下，通過(guò)降低沉井單側(cè)側(cè)阻力與加大對(duì)立側(cè)抗滑力的方式可以有效調(diào)整沉井姿態(tài)。

2)數(shù)值計(jì)算結(jié)果與沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)際監(jiān)測(cè)值吻合良好，能夠反映出沉井下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)地表及土層的變形情況，井底土體最大隆起量為62.1mm，但對(duì)封底混凝土的鍋形空間影響不明顯，可以正常進(jìn)行水下封底作業(yè)。

3)井筒結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力發(fā)生臨近井壁的大梁端部截面，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)該部位進(jìn)行適當(dāng)加強(qiáng)。