深厚海相軟土地基超大沉井設(shè)計與施工

姬艷偉 郭 超 李萬華

（江蘇方洋建設(shè)工程管理有限公司，江蘇 連云港 222000）

1 工程概況

連云港市徐圩新區(qū)應(yīng)急備用水源取水泵站工程位于連云港近海沉積軟土地質(zhì)區(qū)域，包含取水頭部、吸水井、泵站及長約13.1 km 輸水管道及設(shè)備安裝等分部工程，設(shè)計取水規(guī)模45 萬m3/d。其中吸水井采用矩形鋼筋混凝土沉井形式，其周邊分布有三條廠區(qū)道路及一處水庫，場地土壤淤泥層較厚，含水率較高，工程地質(zhì)條件較差，施工難度較高。沉井周邊具體地理情況見圖1。

圖1 沉井結(jié)構(gòu)、尺寸及周邊地理情況平面圖

場地地質(zhì)條件：工程位置距離黃海海濱不足10 km，為第四紀海相深厚軟土地質(zhì)。根據(jù)該項目地勘報告，施工現(xiàn)場地質(zhì)情況見表1。

表1 工程地質(zhì)情況表

場地地下水特征：據(jù)地質(zhì)勘探資料，施工現(xiàn)場近年潛水最高水位約2.50 m。承壓水主要集中于粉黏層和黏土層中，富水性一般，主要受上游的側(cè)向徑流補給。

2 沉井設(shè)計

沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為50 年，安全等級為二級，抗震設(shè)防標準8 度，混凝土標號采用C40，抗?jié)B等級P8（S8）。

沉井主體為八格矩形結(jié)構(gòu)，平面外形尺寸17.5 m×42.4 m，沉井高度15.2 m，壁厚0.9～1.1 m，基坑深15.7 m，該沉井外壁及中隔墻即作為其結(jié)構(gòu)主體。沉井具體結(jié)構(gòu)及尺寸見圖1。

3 施工方法

3.1 總體方案

沉井分三節(jié)澆筑、三次下沉，待沉井下沉到設(shè)計標高且底板澆筑完成后再行實施蓋板澆筑。

3.2 施工工藝流程

基坑測量放樣→作業(yè)面開挖→支承樁施工→刃腳墊層施工→制作刃腳及第一節(jié)沉井→鑿除墊層、挖土下沉至-2.8 m→制作第二節(jié)沉井→挖土下沉至-7.5 m→制作第三節(jié)沉井→封砌預(yù)留孔→挖土下沉至設(shè)計標高→插筋及混凝土封底→底板鋼筋綁扎、混凝土澆搗→井內(nèi)隔墻施工→頂管施工→沉井頂板施工。

3.3 止水帷幕

在沉井四周，距沉井外壁0.5m，閉合布置水泥攪拌樁（雙排雙軸）止水帷幕，對周邊土體進行加固并防止?jié)B水涌水。水泥攪拌樁樁徑500 mm，中心距850 mm，樁長17.5 m。具體布置情況見圖2。

圖2 止水帷幕、降水井及鋼板樁平面布置圖

3.4 基坑開挖

為減少沉井下沉深度，本工程先按1:1.5 放坡開挖1.8 m 深基坑作為沉井制作和下沉的作業(yè)面，坑底比沉井周邊寬1 m 以提供支模等工作面。在基坑頂部四周設(shè)置矩形截水溝，截面尺寸500 x 300。

3.5 墊層及結(jié)構(gòu)支承樁

基坑開挖結(jié)束后，為了滿足地基承載力要求，刃腳部位地基換填1.5 m 山場碎石，然后澆筑厚0.2 m 的C20素砼墊層，表面抹光作為刃腳底模。

為了控制沉井下沉速度，防止突沉、傾斜，在沉井刃腳及底梁下方施打支承粉噴樁，樁徑500 mm，樁長13.9 m，中心距1.5 m。

3.5.1 沉井結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)

沉井外壁周長、混凝土重等結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)見表2。

3.5.2 山場碎石墊層驗算

3.5.3 結(jié)構(gòu)支承樁的選擇與驗算

（1）第一節(jié)沉井下沉系數(shù)

式中：Qoi-第i 節(jié)沉井自重；f-土體摩擦系數(shù)（本工程為淤泥層，取9 kPa）；hi-沉井下沉深度；L-井壁周長（取119.8 m）。

計算得第一節(jié)沉井下沉系數(shù) Ki=7.07，下沉系數(shù)過大。

（2）第一節(jié)沉井下沉穩(wěn)定系數(shù)

式中：Q01-第一節(jié)沉井自重；Rf-井側(cè)摩阻力；Ri-沉井刃腳端承力；RI-隔墻的端承力。

式中：σ0-刃腳對應(yīng)土層應(yīng)力（取45kPa，下同）。

計算得第一節(jié)沉井下沉穩(wěn)定系數(shù) K1=2.25 ?1，由此可見，當?shù)谝还?jié)沉井下沉至對應(yīng)標高時，沉井無法止沉并保持穩(wěn)定，須在原地基基礎(chǔ)上采取相應(yīng)的加固措施。

（3）第一節(jié)沉井刃腳處地基加固驗算

當?shù)谝还?jié)沉井下沉到位后，加固完成的地基應(yīng)能同時承載第一、二節(jié)沉井的自重和第二節(jié)沉井的施工荷載。

其計算載荷 Q1=Q01+1.15Q02=63554.55 kN ，壁側(cè)摩擦力 Rf1=4312.8 kN ，地基應(yīng)能承受的荷載N1=Q1-Rf1=59241.75kN， 地基能提供的承載力為Ri+R1=9256.5 kN，原地基遠不能滿足所需承載力要求。設(shè)計采用DN500 粉噴樁對地基進行加固處理。根據(jù)樁基試樁報告，取單樁承載力極限值290 kN。

假設(shè)刃腳下需n1根粉噴樁，樁與刃腳接觸面積取為。

則：290n1+ (Sr+Sg-0.24n1) ·σ0≥N1

計算得：n1≥179.07，根據(jù)《給水排水工程構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》等相關(guān)規(guī)范要求，安全儲備系數(shù)按1.1 考慮（下同），所以n1取197 根。

刃腳+地梁全長195.2 m，樁體布置形式為雙排咬合樁（下同），計算得粉噴樁間距 L1=1.98 m，取2.0m。

（4）第二節(jié)沉井下沉后刃腳下的地基處理驗算

當?shù)诙?jié)沉井下沉到位后，加固完成的地基應(yīng)能同時承載整個沉井的自重和第三節(jié)沉井的施工荷載。

其計算載荷 Q2=Q01+ Q02+1.15Q03=90845.55 kN，井壁側(cè)面摩擦力 R =f · h ·L=9380.34 kN。地基應(yīng)能承受的荷載 N2=Q2-Rf2=81465.21 kN ，原地基能提供的承載力為9256.5 kN，原地基遠不能滿足所需承載力要求。加固措施同上。假設(shè)刃腳下需n2根粉噴樁。計算得：n2=258.6， 間距 L2=1.4 m 。

（5）為控制沉井下沉速度，防止出現(xiàn)突沉事故，部分粉噴樁樁頂標高須延伸至砼墊層底。假設(shè)需要n3根粉噴樁，計算得：n3=78 ，間距 L3=5.0 m 。

綜合以上計算結(jié)果可知，刃腳下應(yīng)按每1.4 m 打兩根咬合樁，樁頂分別停留在-8.7 m、-2.8 m、-0.5 m，樁基數(shù)量由下至上逐漸遞減。

3.6 沉井下沉

沉井下沉采用排水挖土下沉。按照井格分為八個挖土區(qū)，從沉井中間向兩側(cè)按順序?qū)ΨQ分層取土，取土厚度不宜過大，控制在0.4 m 左右，刃腳周圍保留1.0 米左右土堤。

下沉時需要注意：1、初沉階段為避免下沉速度過快導致傾斜，應(yīng)嚴格控制刃腳處取土量，盡量少挖土或不挖土，靠沉井自重下沉；2、終沉階段為了避免超沉，應(yīng)嚴格控制開挖深度及刃腳邊留土量保證緩慢下沉，一旦有超沉傾向須及時采取阻沉措施。

3.7 沉井封底

沉井采用排水封底。封底之前需進行8 h 連續(xù)觀測，下沉量滿足規(guī)范要求方可進行封底。

4 遇到的問題及解決方案

4.1 涌土

因沉井下沉深度較深，且沉井下沉的過程中，水庫蓄水，水位落差高達4 m，水和土體都對水泥攪拌樁止水帷幕樁體產(chǎn)生了巨大的側(cè)壓力，原止水帷幕樁體無法承受巨大的剪切力，導致樁體遭到破壞。井外淤泥涌入沉井，原有環(huán)湖路路基、路面坍塌，沉井無法繼續(xù)挖土下沉（水庫及道路位置詳見圖1）。根據(jù)現(xiàn)場勘察情況及專家論證，決定沿沉井東、南兩側(cè)的水泥攪拌樁止水帷幕外側(cè)施打兩排18 m 長拉森鋼板樁，樁頂標高1.2 m，然后清除涌入井中的淤泥后繼續(xù)挖土下沉。拉森鋼板樁平面布置情況見圖2。

4.2 涌水

沉井在第三節(jié)下沉過程中出現(xiàn)大量涌水，涌水導致沉井無法進行挖土下沉作業(yè)。根據(jù)專家現(xiàn)場勘察分析，涌水原因為地下承壓水涌出。經(jīng)專家論證，決定在沉井東側(cè)、西側(cè)及北側(cè)三面共打8 口降水井，井深26 m，打至承壓水層，孔徑40 cm，插入DN315 波紋管，波紋管外壁與孔外壁之間回填碎石。降水井平面布置情況見圖2。

5 結(jié)論

本工程位于連云港近海區(qū)域，在深厚海相軟土地質(zhì)條件下進行大型沉井排水下沉施工，根據(jù)場地地質(zhì)特點及類似工程施工經(jīng)驗，經(jīng)過詳細計算對施工過程中的各種問題采取了針對性措施，加強施工組織管理及控制力度，嚴格按照既定方案進行施工，取得了較好的效果，為同類型工程提供了相關(guān)經(jīng)驗：對于位于近水區(qū)域但是滲透系數(shù)不大的軟土地基來說，排水下沉是首選的下沉方法；對于軟土地基來說，原土層提供的摩阻是有限的，應(yīng)采取相應(yīng)的地基加固措施提高地基的極限承載力和摩阻力。