复杂地质条件下沉井施工的控制措施与分析

吴哲元

（上海建浩工程顾问有限公司，上海市 200030）

0 引言

随着城市场地的限制和周围环境的影响，沉井工艺越来越多地被用于各类市政工程项目中。沉井施工在场地狭窄的情况下可施工至地下50余m处，对周围环境影响较小；可在地质、水文条件复杂的地区施工；不需复杂的机具设备、与大开挖相比，可减少挖、运和回填的土方量。其缺点是施工工序较多、技术要求高、质量控制难。

1 工程概况

上海某排海管工程，其压力井采用压沉法施工，压力井兼做顶管工作井。沉井为圆形钢筋混凝土结构，内径20 m、外径23 m，混凝土强度等级为C35，抗渗等级S8；沉井内部为井字底梁，梁底和刃脚宽度分别为1 000、850。总下沉高度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 水文地质情况

根据地勘报告，该区域自上而下土层承载力和摩阻力情况见表1。

由表1可以看出，沉井穿越土层复杂、土质软硬不均，沉井在下沉过程中易发生突沉、倾斜。其中影响本工程的主要不良地质条件有吹填土、明浜、地下障碍物等。

表1 土层承载力和摩阻力情况

拟建场地内地下水主要有浅部土层的潜水、中部第⑤2层的微承压含水层以及深部第⑦层中的承压含水层。上述含水层对本工程基坑开挖、沉井施工均有直接影响。

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，本工程设计水位按照10 a一遇潮位。

3 影响因素分析

（1）沉井东侧为两根DN800现状排海管，壁厚10 mm，排海管基础顶标高埋深约3 m，基础总埋深约7 m，沉井井壁外边距其下部基础边净距5 m，距上部基础边9.3 m。现状排海管外部基础采用M10浆砌块石支护，基础内采用泥结碎石填充将DN800管道包裹；管道下部基础为冲泥管袋，采用干砌块石和袋装碎石护坡。施工期间要密切给予关注，并做好应急保护准备。

（2）沉井所处位置水位标高较高，在+3.0 m左右，地表下约3 m范围为建筑垃圾，由于水位太高，对沉井基坑垫层施工、下卧层承载力、下沉施工极为不利。

（3）沉井施工上部存在4.1 m厚杂填土，下卧层为①1-2淤泥质粉质黏土承载力低。

（4）井内设置有井字梁，相对取土空间较小，易发生偏出土情况，也易发生倾斜及扭转。

（5）井字梁梁底和刃脚宽度分别为1 000、850，同时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）本工程沉井为超深圆形沉井，超深沉井纠偏是沉井下沉施工的重难点控制环节。

4 技术控制措施

4.1 针对现状排海管的保护

（1）通过雷达勘探和实际开挖，准确摸排老排海管的实际位置，并布置直接沉降观测点，做好标记，指导施工；

（2）采用双排三重管高压旋喷桩进行隔离加固，桩长8 m，深度超过现状排海管基础2 m以上；

（3）采用H500×300×11×18型钢悬吊保护，通过计算，沿现状排海管方向每间隔3m放置一根9 m长H型钢，φ18 mm钢丝绳悬吊，如图1所示。

图1 现状排海管悬吊保护

4.2 切断地表水源并对表层杂填土进行处理

（1）以沉井为中心，在沉井外围3.5 m处，采用搅拌桩内插H型钢的方式进行止水加固，将河浜水阻断，搅拌桩桩长28 m，内插H型钢桩长28 m，严格控制施工质量。

（2）同时在地面布置挡水墙，防止地表补给；基坑内做好降排水措施，保证坑内水位。

（3）在进行外围工法桩施工时，对沉井范围进行换填处理，将表面4 m厚的建筑垃圾等障碍物清除后，采用中粗砂进行分层回填、夯实，分层换填厚度20~30 cm，压实度不小于97%，砂垫层换填总厚度2 m[1]。同时考虑设置集水井，换填过程中连续降水，降水深度至坑底以下500 mm，保证下卧层有足够的承载力。在换填之前，进行承载力验算。（详见图2）

图2 换填砂垫层和设置集水井剖面

4.3 均挖、勤测、勤纠、控制好高差

（1）合理选择运用纠偏措施：一是偏除土纠偏；二是井外射水、井内偏除土纠偏；三是压重纠偏；四是千斤顶辅助纠偏等措施。

（2）控制好每仓之间的取土深度，底面高差不大于0.5～1 m，锅底深度不超过1 m。

（3）控制好外墙刃脚下的土体，一般不宜挖除该处土体，如被破坏则极易产生涌土现象。

（4）沉井下沉时，井仓内应对称挖土，均匀下沉，先冲吸中央部位的土体，再冲吸刃脚下土，施工时应随时观测下沉情况，每6 h观测一次四角高差，若发现倾斜，及时采取纠偏措施，严禁出现刃脚被局部搁置等现象。

（5）施工中作好沉井下沉记录工作，画出下沉的速度图，为终沉施工提供可靠的数据依据。

4.4 采用压沉等措施降低下沉阻力

（1）在施工中采用调整锅底挖土的方式、形状来改变井底刃脚踏面和底梁底面的土反力的分布状况。

（2）设置触变泥浆减阻注射口，沉井制作过程中，结合沉井下沉系数，沿井壁外侧圆周布设1层，每层均布48只注射口。

（3）采用压沉助沉措施。通过计算，在穿越⑤2层砂质粉土层及⑥层粉质黏土层时，即使采用泥浆减阻并掏部分刃脚斜面、底梁面，在终沉阶段下沉系数却依然小于1。因此考虑采用压沉助沉方式，沉井下沉系数计算如表2所示。

表2 沉井下沉系数计算表

沉井下沉系数计算[2]公式如下所示：

式中：G为分次下沉时井体自重，kN，不考虑封底混凝土和底板；Ft为地下水浮力；T为井壁总摩阻力；R1为刃脚踏面及斜面下土的支承力；R2为底梁下土的支承力。

压沉采用环形混凝土承台+钢绞线+外井壁焊制钢牛腿的形式，利用穿心千斤顶，设置8个压沉点位，单点可提供250T反力，总计能够提供2 000 t的重量储备，配合沉井下沉。由于沉井壁顶端标高为+5.5 m，地面标高为+6.0 m，考虑牛腿与配重钢筋混凝土环，则钢筋混凝土埋入现状地面下约5.0 m。压沉过程采用PLC自动化控制系统，将“压沉”施工的精确度进一步升级提高（见图3）。

图3 压沉工艺模拟图

4.5 终沉阶段纠偏控制

（1）当沉井的下沉到最后2 m时即进入终沉阶段。挖土锅底形状由“凹”面逐步过渡到“凸”形反锅底，并且适当放慢取土速度和数量，严格按照均匀对称的原则布置取土范围，当沉井四周控制点高差大于20 mm时，应及时纠偏，纠偏方法以调整挖土深度为主，外刃脚土塞部分土体易涌进，不准冲挖。

（2）终沉阶段是沉井的关键时刻，故一定要加强观测，测量在最后阶段应每次不超过1 h，并及时提供一份测量报告，以便严格控制沉井的下沉速率。

（3）由于井内外水头差较大，地下水补给量较大，为保证沉井下沉阶段的稳定，防止井内出现涌水、涌砂现象，因此沉井第二次下沉采取不排水下沉，空气吸泥方式出土，布置约4套冲吸设备，空气吸泥吸出的泥浆通过管道就近排放到泥浆池中，潜水员水下配合清理死角。

（4）一旦沉井刃脚踏面标高达到设计要求的标高，立即停止取土，可用大石块抛填，测量密切注意观测，24 h内沉井下沉不大于10 mm。沉井施工到位后，测量要求每4～6 h观测一次四角方向高差。

4.6 封底及底板施工

（1）终沉后，须进行封底作业，由于本工程第二次下沉采用不排水下沉方式，因此，封底作业须采用水下混凝土浇筑工艺。水下混凝土浇筑必须控制好导管的气密性、初灌量、导管埋入混凝土的深度、混凝土的塌落度等指标，在水下混凝土浇筑过程中，导管的提升也是一个关键问题，必须做到慢提快落，并严防将导管拔出混凝土外的事故发生，导管插入混凝土内深度控制在1 m以上为宜[3]。

（2）封底混凝土浇筑完毕后，混凝土养护时必须保证井内水位高于井外地下水位1~2 m。在浇筑时，多留置几组同条件试块。待封底混凝土达到设计强度的100%后，方能进行抽水，抽水到位后，立即施做底板。在施工钢筋混凝土底板前，必须将底板和井壁接触处凿毛部位进行清洗，避免封底后渗漏，底板浇筑前必须对施工用预埋件进行检查，确保位置正确。钢筋混凝土底板施工，施工时遵循平衡、对称的原则。

5 成效分析

5.1 最终偏差

终沉后，经复核，在24 h内沉井下沉不大于10 mm后，最终的井壁四周高差为0，50，90，40（mm）。

5.2 周边沉降分析

对周边环境监测数据进行分析，在下沉过程中有两次变形发生较大变化的时段，第一次发生在刚开始第二次下沉的初始阶段，由于两次下沉的时间间隔较长，引起土体固结，在刚开始第二次下沉时，周边环境变化较大，日最大变化量达36 mm（详见图4）；第二次是发生在下沉至21.2 m左右，进入⑤2砂质粉土阶段，由于土层承载力的提高，造成下沉速度缓慢，周边环境变化较大，日最大变化量达36 mm（详见图5）。

图4 第一次沉降量发生较大变化（单位：mm）

图5 第二次沉降量发生较大变化（单位：mm）

6 结语

本项目沉井施工，采用了隔断地表水源、表层土换填砂垫层、设置触变泥浆减阻、千斤顶压沉助沉等技术措施，并对东侧现状排海管进行了隔断、悬吊保护等措施，为压力井最终准确下沉到设计标高提供了多层保证，根据终沉后的沉降偏差进行复核，也达到了规范允许偏差要求（规范为＜1%/d，且≤300）。

本次沉井第二次下沉共计时间115 d，下沉深度为17 m。虽然采取了各种措施，但终沉阶段下沉依然非常困难，究其原因，可能存在三方面因素：

其一，井内采用井字梁，且井字梁梁底和刃脚宽度分别为1 000、850，造成下沉阻力明显增大，建议可在以后的设计中，优先考虑设置十字梁，相应减小梁底和刃脚的宽度；

其二，由于井壁外侧为现状排海管，为保护周边环境，限制了辅助下沉的其他措施使用；

其三，由于黏土层存在固结等特殊的性质，同时又在沉井外围进行了搅拌桩等隔断措施，使土层的性质发生了变化，也增大了相应的下沉阻力，因此在今后的方案计算时，也应考虑这方面的因素。