吹填人工島硬土層中超深沉井施工關(guān)鍵技術(shù)

徐 杰

(上海市基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司，上海 200000)

1 概述

1.1 工程概況

北海市鐵山港區(qū)污水處理廠排海管工程，設(shè)計(jì)排放流量為23萬(wàn)t/d。工程分為陸域埋管段及海域頂管段兩大部分。其中，海域頂管段分兩個(gè)區(qū)間施工，頂管1區(qū)間長(zhǎng)度為2 180 m，頂管2區(qū)間長(zhǎng)度為1 420 m。2座頂管工作均位于海域內(nèi)的人工島上，為頂管施工的作業(yè)平臺(tái)。1號(hào)工作井內(nèi)徑14.6 m，高度35.4 m，2號(hào)工作井內(nèi)徑12.6 m，高度35.4 m，2座沉井下沉深度均為35.4 m。

1.2 地質(zhì)水文資料

沉井下沉施工區(qū)域位于北部灣鐵山港海域內(nèi)，下沉需穿越的土層主要為表層的人工島回填砂，②粗礫砂，④淤泥質(zhì)黏土，⑤粗砂，⑧黏性土，⑩中粗砂，黏性土。地質(zhì)資料見表1。

表1 工程地質(zhì)情況表

2 沉井下沉難點(diǎn)

1)下沉對(duì)人工島結(jié)構(gòu)影響范圍大。

人工島為沉井施工平臺(tái)，頂面為50 m×50 m，結(jié)構(gòu)形式為島芯回填砂+砂袋圍堰+外側(cè)塊石護(hù)坡，尤其是2號(hào)人工島回填砂的高度達(dá)到了10.8 m(見圖1)。

2座沉井的下沉均達(dá)到35.4 m，根據(jù)下沉深度與影響范圍1∶1的關(guān)系，整座人工島均處于沉井下沉的影響范圍內(nèi)，下沉將影響人工島的結(jié)構(gòu)安全。因此，必須采用有效措施進(jìn)行下沉施工，確保人工島的正常使用功能，保障后續(xù)頂管施工可以順利實(shí)施。

2)地層堅(jiān)硬，下沉難度大。

根據(jù)地質(zhì)勘探報(bào)告顯示，⑧黏性土層層厚達(dá)到10.2 m，承載力特征值為280 kPa，黏性土承載力特征值達(dá)到330 kPa。

同時(shí)，考慮人工島的結(jié)構(gòu)安全，沉井下沉工藝全程均采用不排水下沉。因此，必須采取針對(duì)性措施保障下沉順利完成。

3 主要施工措施

3.1 沉井下沉施工對(duì)人工島結(jié)構(gòu)安全采取的保護(hù)措施

沉井下沉的難題之一就是對(duì)人工島的保護(hù)。在全程均采用不排水下沉工藝的前提條件下，如何滿足人工島回填砂層微擾動(dòng)的要求，這是至關(guān)重要的一點(diǎn)。針對(duì)這一特殊工況我們采取以下幾種措施：

1)本工程2座沉井均沒有設(shè)置底梁，下沉初期采用55 t履帶吊配備抓斗取土，沉井可以快速穿越人工島的回填砂層，刃腳插入原狀土層，減少下沉對(duì)回填砂層的擾動(dòng)時(shí)間。

2)在距離沉井外壁3 m設(shè)置一圈雙排φ600@450的高壓旋噴樁圍護(hù)，在下沉過程中，減小了下沉對(duì)井周邊土體的擾動(dòng)。

3)第一次下沉深度達(dá)到3 m后，就啟用地面灌漿措施，讓井外壁形成具有一定厚度泥膜，減少下沉對(duì)周邊土體的帶土效應(yīng)。

4)平衡井內(nèi)外水壓力，讓井內(nèi)水位高度始終高于海域高潮位的水位，平衡井內(nèi)外由于水土壓力差的原因，而產(chǎn)生井外土體塌方、井內(nèi)土體隆起的風(fēng)險(xiǎn)。

5)在人工島四周設(shè)置沉降觀測(cè)點(diǎn)，下沉階段按照2次/d，沉井制作階段1次/d的頻率，監(jiān)測(cè)人工島沉降情況，指導(dǎo)施工。

3.2 沉井下沉穿越硬土層的針對(duì)性措施

沉井中后期下沉?xí)r，主要穿越的地層為⑤中粗砂、⑧層黏性土、⑩層粗砂、層黏性土等交互土層，上述土層承載力特征值高，尤其是黏性土層達(dá)到330 kPa。因而，在下沉后期，沉井存在下沉系數(shù)不足，無(wú)法順利下沉到設(shè)計(jì)終沉標(biāo)高的難題。針對(duì)這一工況條件，主要采取以下幾種下沉工藝來解決這個(gè)問題。

1)從人工島的結(jié)構(gòu)、邊坡安全出發(fā)。下沉措施分為兩種工藝，刃腳底部為中粗砂層則采用吊車抓泥快速下沉，刃腳底部為⑧或黏性土層時(shí)，采用潛水員配合“空氣吸泥”進(jìn)行沉井下沉，利用超高壓射水裝置將黏性土沖刷成泥漿排出井內(nèi)。

2)在超高壓水沖刷黏土層效果不佳的情況下，采用我司自行研制的鉆吸設(shè)備進(jìn)行破土下沉，該設(shè)備自重約為300 kg，在設(shè)備前端布置2個(gè)切削刀盤破壞土體，單次切削50 cm厚度的土體后，由“空氣吸泥”機(jī)將泥漿排出井內(nèi)，平均一天可切削2 m厚的井內(nèi)土體(見圖3)。

3)受超高壓射水裝置沖泥的局限性，只能對(duì)井內(nèi)土體進(jìn)行沖泥，無(wú)法掏空刃腳底部黏性土層，沉井仍然無(wú)法順利下沉。因而在沉井制作階段，在井壁內(nèi)按照梅花形布置預(yù)埋6寸管，在沉井頂部搭設(shè)平臺(tái)，利用高壓旋噴鉆機(jī)將刃腳底部黏性土沖散成泥漿，削弱刃腳土體反力，幫助沉井下沉(見圖4～圖6)。

4)觸變泥漿助沉法是一種較好的助沉減阻方法，能在較大程度降低頂管井對(duì)周圍土體擾動(dòng)影響。為了使沉井外壁可以形成一層泥膜，本工程泥漿減阻采用井外壁注漿結(jié)合地面灌漿工藝。對(duì)沉井外壁的注漿孔布置重新進(jìn)行調(diào)整，沿井外壁豎向布置4道壓漿環(huán)，每道注漿環(huán)豎向間距為3 m，每道壓漿環(huán)由環(huán)向8組壓漿管組成。

4 施工效果

1)在沉井下沉的過程中，1號(hào)島的防汛墻布置了10個(gè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，最大沉降量為2.6 cm；同樣，在2號(hào)島防汛墻上也布置了10個(gè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，最大沉降量為1號(hào)點(diǎn)，累計(jì)沉降1.2 cm。人工島的結(jié)構(gòu)安全得到保證，后續(xù)頂管施工可以正常展開(見圖7)。

2)1號(hào)井下沉過程中，由于地質(zhì)勘探的差異性，一半刃腳插入⑤中粗砂層，一半刃腳遇到⑧黏性土層，在采用超高壓水沖擊井內(nèi)黏性土和旋噴鉆機(jī)沖散刃腳底部土體的措施，沉井順利下沉，平均下沉速度30 cm/d，沉井終沉刃腳高差不大于10 cm，滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

5 結(jié)語(yǔ)

超深沉井施工在取排水工程的應(yīng)用日趨廣泛，其中越來越多的施工案例涉及到超高水壓、復(fù)雜土質(zhì)等工況。本文針對(duì)海域內(nèi)人工島保護(hù)，超深沉井下沉等關(guān)鍵技術(shù)，提出了相關(guān)可行性措施，并在實(shí)際施工中得到有效驗(yàn)證，可為今后類似工程提供有益的參考依據(jù)。