復雜地質條件下沉井施工的控制措施與分析

吳哲元

（上海建浩工程顧問有限公司，上海市 200030）

0 引言

隨著城市場地的限制和周圍環境的影響，沉井工藝越來越多地被用于各類市政工程項目中。沉井施工在場地狹窄的情況下可施工至地下50余m處，對周圍環境影響較小；可在地質、水文條件復雜的地區施工；不需復雜的機具設備、與大開挖相比，可減少挖、運和回填的土方量。其缺點是施工工序較多、技術要求高、質量控制難。

1 工程概況

上海某排海管工程，其壓力井采用壓沉法施工，壓力井兼做頂管工作井。沉井為圓形鋼筋混凝土結構，內徑20 m、外徑23 m，混凝土強度等級為C35，抗滲等級S8；沉井內部為井字底梁，梁底和刃腳寬度分別為1 000、850。總下沉高度26.5 m，分2次下沉，第一次下沉9.5 m，第二次采用不排水下沉方式，下沉17 m。

2 水文地質情況

根據地勘報告，該區域自上而下土層承載力和摩阻力情況見表1。

由表1可以看出，沉井穿越土層復雜、土質軟硬不均，沉井在下沉過程中易發生突沉、傾斜。其中影響本工程的主要不良地質條件有吹填土、明浜、地下障礙物等。

表1 土層承載力和摩阻力情況

擬建場地內地下水主要有淺部土層的潛水、中部第⑤2層的微承壓含水層以及深部第⑦層中的承壓含水層。上述含水層對本工程基坑開挖、沉井施工均有直接影響。

潮位特征值：最高潮位5.68 m，最低潮位0.21 m，平均潮位3.40 m，10 a一遇潮位5.07 m，本工程設計水位按照10 a一遇潮位。

3 影響因素分析

（1）沉井東側為兩根DN800現狀排海管，壁厚10 mm，排海管基礎頂標高埋深約3 m，基礎總埋深約7 m，沉井井壁外邊距其下部基礎邊凈距5 m，距上部基礎邊9.3 m。現狀排海管外部基礎采用M10漿砌塊石支護，基礎內采用泥結碎石填充將DN800管道包裹；管道下部基礎為沖泥管袋，采用干砌塊石和袋裝碎石護坡。施工期間要密切給予關注，并做好應急保護準備。

（2）沉井所處位置水位標高較高，在+3.0 m左右，地表下約3 m范圍為建筑垃圾，由于水位太高，對沉井基坑墊層施工、下臥層承載力、下沉施工極為不利。

（3）沉井施工上部存在4.1 m厚雜填土，下臥層為①1-2淤泥質粉質黏土承載力低。

（4）井內設置有井字梁，相對取土空間較小，易發生偏出土情況，也易發生傾斜及扭轉。

（5）井字梁梁底和刃腳寬度分別為1 000、850，同時由于第二次下沉采用不排水下沉，比一般沉井下沉阻力大。

（6）本工程沉井為超深圓形沉井，超深沉井糾偏是沉井下沉施工的重難點控制環節。

4 技術控制措施

4.1 針對現狀排海管的保護

（1）通過雷達勘探和實際開挖，準確摸排老排海管的實際位置，并布置直接沉降觀測點，做好標記，指導施工；

（2）采用雙排三重管高壓旋噴樁進行隔離加固，樁長8 m，深度超過現狀排海管基礎2 m以上；

（3）采用H500×300×11×18型鋼懸吊保護，通過計算，沿現狀排海管方向每間隔3m放置一根9 m長H型鋼，φ18 mm鋼絲繩懸吊，如圖1所示。

圖1 現狀排海管懸吊保護

4.2 切斷地表水源并對表層雜填土進行處理

（1）以沉井為中心，在沉井外圍3.5 m處，采用攪拌樁內插H型鋼的方式進行止水加固，將河浜水阻斷，攪拌樁樁長28 m，內插H型鋼樁長28 m，嚴格控制施工質量。

（2）同時在地面布置擋水墻，防止地表補給；基坑內做好降排水措施，保證坑內水位。

（3）在進行外圍工法樁施工時，對沉井范圍進行換填處理，將表面4 m厚的建筑垃圾等障礙物清除后，采用中粗砂進行分層回填、夯實，分層換填厚度20~30 cm，壓實度不小于97%，砂墊層換填總厚度2 m[1]。同時考慮設置集水井，換填過程中連續降水，降水深度至坑底以下500 mm，保證下臥層有足夠的承載力。在換填之前，進行承載力驗算。（詳見圖2）

圖2 換填砂墊層和設置集水井剖面

4.3 均挖、勤測、勤糾、控制好高差

（1）合理選擇運用糾偏措施：一是偏除土糾偏；二是井外射水、井內偏除土糾偏；三是壓重糾偏；四是千斤頂輔助糾偏等措施。

（2）控制好每倉之間的取土深度，底面高差不大于0.5～1 m，鍋底深度不超過1 m。

（3）控制好外墻刃腳下的土體，一般不宜挖除該處土體，如被破壞則極易產生涌土現象。

（4）沉井下沉時，井倉內應對稱挖土，均勻下沉，先沖吸中央部位的土體，再沖吸刃腳下土，施工時應隨時觀測下沉情況，每6 h觀測一次四角高差，若發現傾斜，及時采取糾偏措施，嚴禁出現刃腳被局部擱置等現象。

（5）施工中作好沉井下沉記錄工作，畫出下沉的速度圖，為終沉施工提供可靠的數據依據。

4.4 采用壓沉等措施降低下沉阻力

（1）在施工中采用調整鍋底挖土的方式、形狀來改變井底刃腳踏面和底梁底面的土反力的分布狀況。

（2）設置觸變泥漿減阻注射口，沉井制作過程中，結合沉井下沉系數，沿井壁外側圓周布設1層，每層均布48只注射口。

（3）采用壓沉助沉措施。通過計算，在穿越⑤2層砂質粉土層及⑥層粉質黏土層時，即使采用泥漿減阻并掏部分刃腳斜面、底梁面，在終沉階段下沉系數卻依然小于1。因此考慮采用壓沉助沉方式，沉井下沉系數計算如表2所示。

表2 沉井下沉系數計算表

沉井下沉系數計算[2]公式如下所示：

式中：G為分次下沉時井體自重，kN，不考慮封底混凝土和底板；Ft為地下水浮力；T為井壁總摩阻力；R1為刃腳踏面及斜面下土的支承力；R2為底梁下土的支承力。

壓沉采用環形混凝土承臺+鋼絞線+外井壁焊制鋼牛腿的形式，利用穿心千斤頂，設置8個壓沉點位，單點可提供250T反力，總計能夠提供2 000 t的重量儲備，配合沉井下沉。由于沉井壁頂端標高為+5.5 m，地面標高為+6.0 m，考慮牛腿與配重鋼筋混凝土環，則鋼筋混凝土埋入現狀地面下約5.0 m。壓沉過程采用PLC自動化控制系統，將“壓沉”施工的精確度進一步升級提高（見圖3）。

圖3 壓沉工藝模擬圖

4.5 終沉階段糾偏控制

（1）當沉井的下沉到最后2 m時即進入終沉階段。挖土鍋底形狀由“凹”面逐步過渡到“凸”形反鍋底，并且適當放慢取土速度和數量，嚴格按照均勻對稱的原則布置取土范圍，當沉井四周控制點高差大于20 mm時，應及時糾偏，糾偏方法以調整挖土深度為主，外刃腳土塞部分土體易涌進，不準沖挖。

（2）終沉階段是沉井的關鍵時刻，故一定要加強觀測，測量在最后階段應每次不超過1 h，并及時提供一份測量報告，以便嚴格控制沉井的下沉速率。

（3）由于井內外水頭差較大，地下水補給量較大，為保證沉井下沉階段的穩定，防止井內出現涌水、涌砂現象，因此沉井第二次下沉采取不排水下沉，空氣吸泥方式出土，布置約4套沖吸設備，空氣吸泥吸出的泥漿通過管道就近排放到泥漿池中，潛水員水下配合清理死角。

（4）一旦沉井刃腳踏面標高達到設計要求的標高，立即停止取土，可用大石塊拋填，測量密切注意觀測，24 h內沉井下沉不大于10 mm。沉井施工到位后，測量要求每4～6 h觀測一次四角方向高差。

4.6 封底及底板施工

（1）終沉后，須進行封底作業，由于本工程第二次下沉采用不排水下沉方式，因此，封底作業須采用水下混凝土澆筑工藝。水下混凝土澆筑必須控制好導管的氣密性、初灌量、導管埋入混凝土的深度、混凝土的塌落度等指標，在水下混凝土澆筑過程中，導管的提升也是一個關鍵問題，必須做到慢提快落，并嚴防將導管拔出混凝土外的事故發生，導管插入混凝土內深度控制在1 m以上為宜[3]。

（2）封底混凝土澆筑完畢后，混凝土養護時必須保證井內水位高于井外地下水位1~2 m。在澆筑時，多留置幾組同條件試塊。待封底混凝土達到設計強度的100%后，方能進行抽水，抽水到位后，立即施做底板。在施工鋼筋混凝土底板前，必須將底板和井壁接觸處鑿毛部位進行清洗，避免封底后滲漏，底板澆筑前必須對施工用預埋件進行檢查，確保位置正確。鋼筋混凝土底板施工，施工時遵循平衡、對稱的原則。

5 成效分析

5.1 最終偏差

終沉后，經復核，在24 h內沉井下沉不大于10 mm后，最終的井壁四周高差為0，50，90，40（mm）。

5.2 周邊沉降分析

對周邊環境監測數據進行分析，在下沉過程中有兩次變形發生較大變化的時段，第一次發生在剛開始第二次下沉的初始階段，由于兩次下沉的時間間隔較長，引起土體固結，在剛開始第二次下沉時，周邊環境變化較大，日最大變化量達36 mm（詳見圖4）；第二次是發生在下沉至21.2 m左右，進入⑤2砂質粉土階段，由于土層承載力的提高，造成下沉速度緩慢，周邊環境變化較大，日最大變化量達36 mm（詳見圖5）。

圖4 第一次沉降量發生較大變化（單位：mm）

圖5 第二次沉降量發生較大變化（單位：mm）

6 結語

本項目沉井施工，采用了隔斷地表水源、表層土換填砂墊層、設置觸變泥漿減阻、千斤頂壓沉助沉等技術措施，并對東側現狀排海管進行了隔斷、懸吊保護等措施，為壓力井最終準確下沉到設計標高提供了多層保證，根據終沉后的沉降偏差進行復核，也達到了規范允許偏差要求（規范為＜1%/d，且≤300）。

本次沉井第二次下沉共計時間115 d，下沉深度為17 m。雖然采取了各種措施，但終沉階段下沉依然非常困難，究其原因，可能存在三方面因素：

其一，井內采用井字梁，且井字梁梁底和刃腳寬度分別為1 000、850，造成下沉阻力明顯增大，建議可在以后的設計中，優先考慮設置十字梁，相應減小梁底和刃腳的寬度；

其二，由于井壁外側為現狀排海管，為保護周邊環境，限制了輔助下沉的其他措施使用；

其三，由于黏土層存在固結等特殊的性質，同時又在沉井外圍進行了攪拌樁等隔斷措施，使土層的性質發生了變化，也增大了相應的下沉阻力，因此在今后的方案計算時，也應考慮這方面的因素。