大型沉井在深厚軟土及復雜環境下的應用研究

歐松松，袁 杰

（珠海市規劃設計研究院，廣東 珠海 519000）

1 工程概述

1.1 工程概況

斗門區井岸城區生活污水處理廠提標擴容工程項目占地面積37 663 m2，首期污水廠現狀規模為3.5 m3/d，本次提標擴建規模為4.5萬m3/d。廠址位于珠海市斗門區珠峰大道南側，華發水郡小區東側，世榮作品一號小區南側，緊鄰醒獅涌東岸及黃楊河。其中，高效沉淀池（圖1）大型沉井平面尺寸為30.9 m×29.4 m，沉井基坑深度約為11.3 m，地面標高為＋4.1 m，沉井刃腳底標高－6.0 m，沉井共分兩次下沉，初次下沉5.0 m，二次下沉5.1 m，結構側壁厚0.9 m。沉井下沉方式采用帶水下沉施工工藝。

圖1 高效沉淀池沉井現場平面圖

本工程原設計高效沉淀池基坑采用排樁支護方案為“D800灌注樁+坑內大直徑水泥攪拌樁加固”，排樁外側止水帷幕采用連續咬合的D600水泥攪拌樁，現場已施工完成D800灌注樁和外側止水帷幕樁。后考慮到新冠肺炎疫情的影響，工期滯后兩個月，導致施工期處于汛期，且施工場地臨近黃楊河，易遭遇雨季強臺風，高潮位時存在河水倒灌入基坑的風險。同時基坑支護的內支撐一定程度會影響坑內土方開挖和主體結構支模澆筑的施工進度。施工方對類似規模沉井工藝經驗較豐富，且先后已完建多座沉井。經專家論證綜合評估后對本項目高效沉淀池基坑設計方案由“排樁支護”變更為“沉井施工”。

1.2 水文地質概況

依據本項目地勘報告，擬建場地原始地貌單元屬濱海灘涂地貌，后經人工填平。現場地為污水處理廠用地，場內分布有現狀建筑物（正常運營）、綠植及廠內道路，擬擴建的污水處理廠東北面為施工道路，西南面為雞啼門海域，東南面為艾美酒店施工工地，場地整體地勢平坦。

高效沉淀池沉井處地質土層自上而下依次為①素填土（黃褐、灰色，結構松散，密實度不均勻，未完成自重固結，層厚4.5 m）；②淤泥（灰、深灰色，含少量砂，飽和，流塑狀，層厚30.0 m）；③2淤泥質粘土（灰、深灰色，含有機質，呈飽和，軟塑狀態，層厚8.3 m）；⑤1全風化花崗巖（為極軟巖，巖石基本質量等級Ⅴ級，巖體極破碎，層厚1.9 m）、⑤2中風化花崗巖（灰白色～青灰色，中粗粒結構，塊狀構造，屬堅硬巖，巖石質量等級Ⅳ～Ⅲ級，層厚2.5 m），沉井設計刃腳底標高位于②淤泥層中，地基土承載力特征值fak=40 kPa。

1.3 沉井周邊環境概況

沉井基坑周邊環境復雜，1~2倍基坑影響范圍內均為現狀建（構）筑物，距離北側現狀CAST生化池約14.9 m，距離西側距離現狀宿舍約7.2 m，東側距離現狀污泥脫水間約9.2 m。因本次提標擴建施工過程，需保證首期污水廠現狀建筑單體正常運行不能中斷，因此高效沉淀池沉井施工過程中需加強對現狀建筑的保護和監測措施，避免對其造成破壞，影響污水處理廠的正常運行。

2 工程設計與施工難點分析

高效沉淀池沉井基坑周邊環境復雜，場地淤泥和淤泥質土層平均厚度約40 m。如何解決沉井主體結構地基承載力和工后沉降問題；確保沉井能順利下沉不出現超沉、突沉、傾斜及鄰近建筑物開裂等問題；減小對周邊環境的影響和軟土層的擾動；成為了本次沉井基坑設計施工的重點和難點，以下為設計與施工難點分析。

2.1 沉井下沉安全系數驗算

沉井下沉自上而下依次開挖的土層為素填土和淤泥，沉井刃腳底位于淤泥層中，淤泥呈飽和，軟塑狀態，地基承載力特征值fak=40 kPa不滿足沉井的地基承載力要求，易導致沉井出現超沉、突沉、傾斜等問題，為解決上述問題，以下需結合井壁與各土層的摩阻力和地層對刃腳的反力，對沉井下沉系數和下沉穩定性進行驗算分析。

沉井下沉系數驗算公式為Kst=（Gik-Ffw.k）/Ffk，

式中，Kst為下沉系數，規范取值應≥1.05；Gik為沉井自重標準值（包括外加助沉重量的標準值，單位kN）；Ffw.k為下沉過程中水的浮托力標準值（kN）；Ffk為井壁總摩阻力標準值（kN），各工況下沉系數驗算結果見表1。

表1 下沉系數驗算結果

沉井下沉穩定系數驗算公式為

式中，Kst.s為下沉穩定系數，規范取值應為0.8~0.9；Gik為沉井自重標準值（包括外加助沉重量的標準值，單位kN）；F'fw.k為驗算狀態下水的浮托力標準值（kN）；F'fw為驗算狀態下井壁總摩阻力標準值（kN），Rb為沉井刃腳、隔墻和底梁下地基土的極限承載力之和（kN）。各工況下沉穩定性系數驗算結果見表2。

表2 下沉穩定性系數驗算結果

2.1 沉井樁基礎設計

因場地的素填土還未完成固結，且淤泥和淤泥質土層很厚，現場首期廠的建筑單體與場地的差異沉降較大，出現各建筑門口臺梯與地表脫離現象。為減小高效沉淀池主體結構的工后沉降，本次沉井“樁基礎”設計選用的是承載能力強的PHC-500AB-125管樁基礎，樁底持力層入風化巖。考慮到沉井制作前先行打設管樁，在后期沉井下沉過程中，沉井外圍一定范圍及深度內的土體從刃腳底涌入井內，會使井內樁基礎發生水平位移、傾斜或斷樁等問題，且影響沉井內的機械取土和延緩工期進度。故樁基礎設計與施工也是深厚軟土區域大型沉井的一個難點問題。

2.2 沉井結構計算模型分析

沉井下沉是動態的過程，結構內力分析需考慮各工況下的最不利受力模式，本次對高效沉淀池沉井結構先采用“理正結構”計算模擬沉井各下沉工況的動態受力模式，再用“YJK有限元整體模擬”校核受力模式。通過對沉井后期使用與施工動態下沉過程各種不利工況的驗算，確定外壁厚為900 mm，內壁厚600 mm，整體劃分為兩節帶水下沉，第一節5.0 m（包括刃腳），第二節5.1 m。為確保沉井兩邊側壁承受土壓平衡，底板荷載與側壁有較好傳力，需在沉井內部大格間區域設置3道臨時隔墻，以平均格間距保證傳力模式合理和清晰，最終將沉井內部劃分為16個格間以增加整體剛度，底板與內部小墻肢預留鋼筋后澆。

3 解決方案及關鍵技術

3.1 軟土地基加固處理

由表1分析可得，在軟土地區沉井下沉系數較大，高效沉淀池沉井刃腳底處于飽和，軟塑狀態淤泥層中，軟土地基承載力和對井壁的側摩阻力均較小，實際施工可能會出現“突層、超沉”等問題，為避免上述問題出現，設計采用對沉井刃腳部位采用“石灰樁或水泥攪拌樁加固軟土的處理措施，能有效提高軟土的地基承載力，確保沉井下沉平穩不出現超沉和突沉問題。

由表2中工況3和工況4分析可得，在標高-5 m至-6.7 m下沉段，淤泥未做加固處理時，扣除浮力的沉井自重與側壁摩阻力和刃腳下地基承載力之和的比值Kst.s=1.95~2.42，與規范要求的下沉穩定性安全系數差別較大，故該段深度范圍需采用石灰樁或水泥攪拌樁地基處理對淤泥層進行加固處理，提升軟土對沉井的側壁摩阻力和刃腳下地基承載力。其余工況與規范要求安全系數較接近，只需現場施工通過動態監測來調整井內開挖土方量即可解決。此外，沉井施工前施工方需編制沉井專項施工方案和應急預案，并組織施工方案的專項評審。

3.2 周邊現狀建（構）筑物保護措施

針對沉井基坑四周均為現狀建（構）筑物，距離最近現狀宿舍約7.2 m，處于軟土地區基坑影響范圍1~2倍基坑挖深內，基坑開挖對周邊的影響較大。為確保施工期間各現狀建筑單體仍處于正常運行狀態，避免對其造成破壞，本次沉井施工采用帶水開挖下沉工藝，沉井外側已完建的“D800灌注樁+連續咬合水泥攪拌樁止水帷幕樁”作為隔離保護樁墻，可以很好地起到對周邊現狀建筑物的保護，此外，通過加強現狀建筑和周邊沉降的監測，做到提前預警來保證施工安全。

3.3 樁基礎施工方案

為解決先施工“管樁基礎”，在施工沉井時，會導致沉井外圍一定范圍及深度內的土體從刃腳底涌入井內，使井內樁基礎發生水平位移、傾斜或斷樁等問題，且影響沉井內的機械取土和延緩工期進度。經驗算發現將“最大錘擊力與錘擊樁機械荷載之和”與“沉井側壁摩阻力與刃腳處承載力之和”的比值較小，結合以往成功案列，本次決定采用“先施工沉井，再沉井頂架設鋼梁作為打樁平臺，將錘擊樁機械騎立鋼梁上施工樁基礎”的方案，如圖2所示。最終通過現場沉井姿態監測和周邊建筑監測發現，打樁效果較好，沉井打樁發生的二次沉降值小于預留沉降值，滿足設計標高要求。后期設計通過加強沉井底板結構配筋和封底混凝土共同受力，將上部荷載傳遞至樁基礎，很好地解決了工后沉降的問題。

圖2 高效沉淀池沉井施工圖

4 沉降監測及結果

高效沉淀池沉井于2020年6月開始入場進行第三方監測，直至沉井下沉到設計標高并完成封底。為確保沉井基坑周邊現狀建筑物的安全，監測人員對周邊的現狀脫泥機房、現狀CAST生化池、現狀宿舍樓均布置了監測點，本次對現狀建筑監測內容為“建筑的沉降、水平位移”，如圖3所示。沉井的糾偏姿態監測由施工單位自行監測。建筑沉降監測累計允許值為20 mm，水平位移累計允許值為15 mm，并設定預警值為3 mm/d。

圖3 沉降位移監測點布置圖

通過監測報告數據分析，本次各現狀建筑的沉降監測點中，如圖4所示“CJ9號點位”日單次最大沉降量為6.4 mm，“CJ9號點位”累計最大沉降量為8.2 mm。各現狀建筑水平位移監測點如圖5所示，“WY7號點位”日單次最大水平位移量為0.7 mm，“WY3號點位”累計最大水平位移量為1.6 mm。依據GB 50497—2019《建筑基坑工程監測技術標準》規范，本次的建筑沉降監測點“CJ9號點位”日最大沉降量為6.4 mm/d＞3 mm/d（預警值）。后經現場踏勘分析發現是基坑周邊堆載土方荷載較大和重型施工機械導致的本次最大沉降量超出預警值。隨后將荷載卸除和嚴禁重型施工機械通行，最后順利完成了本次的封底驗收。

圖4 沉降觀測點-時間關系曲線圖

圖5 位移觀測點-時間關系曲線圖

5 結束語

本工程通過高效沉淀池大型沉井在深厚軟土及復雜環境工況下的成功應用，得出如下幾條結論：

（1）在深厚軟土地區采用“石灰樁或水泥攪拌樁加固軟土”的處理措施，能有效提高軟土的地基承載力，確保沉井平穩下沉不出現“超沉、突沉”等問題。

（2）在上部附加荷載驗算滿足的情況下，可采用“先施工沉井，后施工樁基礎”，能避免井內樁基礎發生水平位移、傾斜或斷樁等問題。

（3）在周邊環境復雜情況下，建議沉井采用“設隔離保護樁墻+帶水下沉工藝”，能減少周邊現狀建筑的沉降和變形。

（4）采用“YJK有限元整體模擬”和“理正結構”動態模擬均難準確模擬沉井實際的受力狀態，“理正結構”計算模型相對更加吻合實際施工工況。