上海市中心城區復雜環境下泵房沉井施工案例

顧李明

（上海市城市排水有限公司，上海市 200233）

0 引 言

隨著城市化進程的發展，在上海市中心城區進行工程建設的周邊環境日益復雜，受制于復雜環境的限制，曾經作為泵房主要施工方式的沉井在中心城區的應用逐漸減少。沉井具有投資省、工期短、作業占地小、土方開挖量少等優點[1]，與基坑支護施工相比具有一定的優勢，在保護好周邊環境時，沉井仍然是泵房施工可采用的較好方式之一。

1 工程概況

1.1 工程簡介

本工程位于上海市虹口區曲陽污水處理廠內，為解決曲陽、東體育排水系統初期雨水放江造成污染問題，在曲陽污水處理廠內新建初雨提升泵房一座，泵房下部采用沉井施工，沉井平面尺寸20.7 m×27.3 m，刃腳深度16.6 m。

1.2 周邊環境條件

沉井北側為現狀鼓風機房，由兩部分組成，其中南側部分為兩層磚混結構，天然地基，筏板基礎，基礎埋深3 m，與沉井最小距離為15.3 m；沉井東側為廠區內兩棟生產用房，與沉井最小距離為16.9 m；沉井南側12 m 處為污水廠與上海外國語大學的共用圍墻，18.2 m 處為學校的教學樓；沉井西側緊鄰本工程擬建匯水井基坑。沉井周邊環境見表1 和圖1。

圖1 沉井周邊環境示意圖（單位：m）

表1 沉井周邊環境一覽表

1.3 地質條件

沉井深度范圍內的地基土主要為①1層填土、②3層灰色砂質粉土、④層灰色淤泥質黏土。①1層填土組成較為復雜，均勻性較差，工程性質差，對沉井穩定極為不利。②3層灰色砂質粉土，局部為黏質粉土，擬建場地普遍分布，松散～稍密，中壓縮性，工程性質較好，但為可液化土層，在地下水的滲流作用下易發生流砂現象，造成沉井位移、傾斜、超沉、井外地面坍塌。④層灰色淤泥質黏土，強度低，靈敏度高，流塑，高壓縮性，工程性質較差，是本場地主要軟弱層之一，容易造成沉井突沉、超沉、偏斜。

地下水主要為淺層潛水及賦存于⑦層砂質粉土中的承壓水，地下水補給來源主要為大氣降水與地表徑流。在⑦層承壓水水頭埋深3.0 m 的最不利條件下，可能發生突涌。

各土層物理力學性質參數見表2。

表2 土層力學參數

1.4 工程方案

提升泵房沉井結構平面尺寸20.7 m×27.3 m，底板埋深15.0 m，刃腳埋深16.6 m。沉井外壁厚度1.1 m，內部由縱橫兩道統高內隔墻和三榀豎向框架分隔為十個倉室，倉室凈寬3.5～5.65 m，沉井結構平面和豎向布置見圖2、圖3。沉井起沉標高1.80 m，自上而下穿過②3層灰色砂質粉土、④層灰色淤泥質黏土。第④層灰色淤泥質黏土為流塑狀態，為防止發生突沉、超沉事故，設計圖紙對沉井井壁及內分隔墻位置的刃腳下土體采用水泥土攪拌樁進行加固，樁長20 m，樁頂位于起沉標高，樁端進入⑤1層灰色粉質粘土層。

圖2 沉井結構平面布置圖（單位：mm）

圖3 沉井豎向框架布置圖（單位：mm）

2 施工方案

2.1 施工難點及應對措施

（1）難點一：周邊環境復雜，保護要求高。

本工程沉井周邊環境復雜，東、南、北三個方向2倍下沉深度范圍內存在現狀房屋，其中北側鼓風機房為淺基礎，土體擾動容易影響其結構安全。且沉井在②3層灰色砂質粉土中下沉過程中，在井內外存在水頭壓力差的情況下，極易發生井內涌土、井外塌方的不利現象，對沉井周邊環境帶來風險。

難點一應對措施：

根據設計圖紙，為保護周邊環境，在沉井北側設置雙排隔離樁，東側和南側設置單排隔離樁，與西側擬建基坑的止水帷幕樁相接，為沉井下沉提供相對封閉的環境，可有效減小下沉施工對周邊建（構）筑物的影響。隔離樁為φ700 雙軸水泥土攪拌樁，搭接250 mm，內插型鋼HM500×300，隔一插一，樁長18 m，樁端進入刃腳以下3.4 m，隔離樁與沉井間距3～6 m，樁頂設鋼筋混凝土冠梁，雙排樁冠梁之間以鋼筋混凝土連板連接，以增加雙排樁整體性和抗側移剛度。

（2）難點二：土層軟硬不均，下沉控制難度高。

沉井下沉過程是動態不平衡的，下沉至既定位置時又必須是平衡的，施工過程中對這種不平衡到平衡的動態控制是沉井施工的難點，尤其是本工程沉井尺寸大、自重大，需穿越較密實的②3層灰色砂質粉土、終沉在靈敏度高流塑狀的④層灰色淤泥質黏土，易產生傾斜、突沉或超沉現象。

難點二應對措施：

a. 在沉井刃腳下方采用雙軸攪拌樁對地基土進行加固。

b. 按分層、均勻、對稱取土的原則，根據沉井姿態動態調整各倉取土速度，做到勤測量勤糾偏，確保井體傾斜值在規范允許范圍以內，避免傾斜擠壓外部土體。同時，對于井體與隔離樁之間塌陷的土體應及時回填，減小橫向土體擠壓。

2.2 施工技術要點

（1）制作、下沉方式

沉井主體結構總高度16.9 m，地面吳淞高程3.80 m，刃腳底標高-12.8 m，起沉標高1.80 m，沉井結構制作總高度15m。沉井下沉施工通常為分段澆筑多次下沉或分段澆筑一次下沉兩種方式。考慮一次下沉方便施工，需驗算刃腳砂墊層厚度以滿足抗壓要求。

經過計算下沉結構的總混凝土方量為1 787.7 m3，總重量為44 692.4 kN。

砂墊層上鋪設250 mm 厚寬1.6 m 的C20 素混凝土墊層。

根據《沉井與氣壓沉箱施工規范》（DG/T J08-2084—2011）第4.2.1 條，砂墊層厚度可按以下公式計算：

式中：P 為砂墊層底部地基土的承載力設計值，kPa；hs為砂墊層厚度，m；G0為沉井沿井壁單位長度重量，kN；γs為砂的天然容重，kN/m3；L 為素混凝土墊層寬度，m，L=2b1+b+n；其中b 為刃腳踏面寬度，m；n為刃腳斜面的水平投影寬度，m；α 為砂墊層的壓力擴散角，取30°。

根據沉井施工情況可知：G0=44 692.4/144=310.4 kN/m（沉井重量44 692.4 kN，計算延米長度144 m）

根據《建筑地基基礎設計規范》（GB 50007—2011）5.2.4 條，砂墊層底部地基土承載力設計值可按以下公式計算：

根據地勘報告及規范可知：

故：p=90+1.0×18×（hs-0.5）≥310.36/（2 hs×0.58 +1.6）+18 hs

求得砂墊層厚度：hs≥1.9 m

最終現場砂墊層厚度hs 取2.0 m。

起沉標高處換填2 m 砂墊層后，地基承載力滿足15 m 高度井體抗壓要求，同時考慮商品混凝土的單次供應量，本工程采用三次澆筑一次下沉的方式。

（2）排水、不排水下沉相結合

沉井四周布置有隔離樁和止水樁，樁底插入④層灰色淤泥質黏土，基本實現了止水效果，考慮到工期和現場排泥等因素，上段沉井采用排水法進行下沉。根據地勘報告，承壓水最高水頭埋深為地面以下3.0 m，⑦層承壓水含水層頂面埋深29.4 m，按照上海市 《基坑工程技術標準》DG/TJ 08-61—2018 第6.7.1 條進行抗承壓水穩定驗算：

式中：γs為承壓水作用分項系數，取1.0；pWK為承壓含水層頂部的水壓力標準值，Pa；γi為承壓含水層頂面至坑底間各土層的重度，kN/m3；hi為承壓含水層頂面至坑底間各土層的厚度，m；γRY為抗承壓水分項系數，取1.05。

根據地勘報告及施工條件，刃角底設計標高位于④層土（厚8.5 m，重度16.8 kN/m3），向下依次為⑤1灰色粉質黏土（厚7.5 m，重度17.8 kN/m3）、⑥粉質黏土（厚4.6 m，重度17.8 kN/m3）以及⑦層砂質粉土。

則h1×16.8+7.5×17.8+4.6×17.8≥264×1.05

由上式求得h1≥3.7 m，即滿足抗突涌穩定的④層土最小覆蓋厚度為3.7 m，挖土至標高-10.0 m 以下時，坑底抗突涌安全系數不再滿足規范要求。排水下沉施工速度快、成本低，但對周邊環境影響相對較大，經綜合考慮，本工程下沉至標高-7.0 m 時對井內灌水，改為不排水下沉的方式繼續施工。

3 施工過程

3.1 施工過程控制要點[2-4]

（1）在周邊地面及建（構）筑物布置沉降、位移監測點，對重要管線開挖樣溝確定位置并布置監測點，下沉施工過程中加密監測頻率。

（2）在沉井北、東、南側實施雙軸攪拌樁并插型鋼，西側實施止水樁，平面上閉合，起到隔離和止水的作用。

（3）初沉階段沉井下沉系數較大，取土時先挖中間部分，保留刃腳周圍土體，使刃腳切土下沉，減緩下沉速度，便于糾偏。初沉階段形成的順直下沉通道有利于后續平穩下沉。

（4）取土過程中實時監測土層變化情況，監測分析土體摩阻力與沉井重量的關系，嚴格控制取土位置和取土量，及時跟進測量底梁兩側土塞高度，結合傾斜測量數據及土層特性針對性出土，確保沉井均勻、平穩下沉。

（5）井內取土及時清運，避免在沉井周邊堆土造成沉井四周的土壓力不平衡導致沉井偏斜。

（6）沉井下沉至標高-7.0 m 時，改用不排水下沉方式，維持井內水位標高1.0 m，用兩臺沖吸設備進行水下取土清泥。距離設計標高30 cm 時停止全方位取土，依靠下沉慣性并根據監測結果對下沉滯后的倉室小范圍取土，按勤測勤糾的原則直至達到設計標高并趨于穩定。

（7）沉井基本穩定以后8 h 內沉降量不大于10 mm時進行封底；清理封底混凝土與井壁結合處，清除井底浮泥，修整鍋底，采用導管澆筑水下混凝土封底。

3.2 施工監測[5]

本工程對沉井的幾何姿態和周邊環境進行了全過程監測，其中沉井的幾何姿態監測包括沉井下沉速度、傾斜和水平位移，周邊環境監測包括對周邊地面沉降、地下水位、主要建（構）筑物和管線的監測。

沉井施工過程中，周邊建（構）筑物和管線監測數據均在可控范圍內，未出現較大的沉降或傾斜。以距離沉井最近的鼓風機房為例進行分析，鼓風機房為淺基礎，對沉降變形最為敏感，其豎向位移歷時過程曲線見圖4，結果顯示，場地平整至起沉標高階段監測點開始產生較小的沉降；沉井制作階段因施加了較大的井體超載沉降量增大；初沉時產生了一定的回彈量，隨著下沉的繼續，沉降量持續增大，終沉時東南角監測點達到最大值19.9 mm；封底后沉降量趨于穩定。整個過程中鼓風機房最大沉降量未超過20 mm，差異沉降未超過3/1 000，鼓風機房結構安全，未產生結構裂縫。監測結果表明本工程周邊環境保護措施可靠、施工控制得當，隔離樁的使用隔斷了滑裂面、增大了土體抗側移剛度，是減小對周邊環境影響的有效措施。

圖4 鼓風機房監測點豎向位移歷時過程曲線（單位：mm）

4 結 論

本次泵房沉井工程的順利實施表明，當保護措施合理、施工控制得當時，沉井這種投資省、工期短的施工方法仍可作為周邊環境相對復雜時的泵房工程實施方式之一。本工程的成功實施可為類似條件下沉井工程施工提供參考。