王崢

（上海宏波工程咨詢管理有限公司，上海市 201707）

超深、大長(zhǎng)細(xì)比沉井關(guān)鍵技術(shù)研究

王崢

（上海宏波工程咨詢管理有限公司，上海市 201707）

以白龍港南線輸送干線SST1.2標(biāo)過(guò)江管為例，主要闡述超深、大長(zhǎng)細(xì)比沉井施工中的關(guān)鍵技術(shù)和控制措施，著重闡述了沉井分層、減阻措施、下沉工藝以及沉降控制等。

超深沉井；分層；減阻；沉降控制

0 引言

隨著城市化的發(fā)展，一線城市的地上空間、地下淺層空間開發(fā)日趨飽和，市政基礎(chǔ)設(shè)施如污水干線、地鐵等新（改）建公共管線勢(shì)必向尚未開發(fā)的城市深層土中開發(fā)，此類深埋管線的施工階段需臨時(shí)實(shí)施的工作井（轉(zhuǎn)折井）深度也隨之不斷加深，在上海等軟土地基環(huán)境下開挖超過(guò)30 m的基坑通常采用地下連續(xù)墻等圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式，但由于地下連續(xù)墻施工工藝所使用的大型機(jī)械設(shè)備多，以及鋼筋籠的制作和吊裝，需要大面積的施工場(chǎng)解決了超深、大長(zhǎng)細(xì)比沉井制作、下沉、減阻、減少周圍沉降等施工難題和質(zhì)量通病。

1 工程概況

上海市城市環(huán)境項(xiàng)目APL三期城市污水管理子項(xiàng)目（上海市污水治理白龍港區(qū)域南線輸送干管完善工程）浦西過(guò)江管及連接管主要工程，管道自華涇路提升泵站穿越黃浦江，沿林浦路，S20公路至濟(jì)陽(yáng)路交匯井（見圖1），總長(zhǎng)3 705 m，其中過(guò)江管Φ2700，L=1 105 m；浦江連接管Φ2700，L=2 575 m，均采用“F”型鋼承插口式鋼筋混凝土管，楔形橡膠圈接口，管道平均埋深6.00～10.20 m。包括頂管工作井3座，頂管接收井4座。

1.1 W2#井沉井概況

W2#井為過(guò)江頂管的工作井，采用沉井工藝實(shí)施，內(nèi)徑為Φ11 m，沉井總高度30.61 m，井壁厚度為1.3 m，長(zhǎng)細(xì)比達(dá)到2.25∶1。沉井井壁、底板混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35，抗?jié)B等級(jí)為P10，混凝土墊層強(qiáng)度等級(jí)為C25水下混凝土。

圖1 工程地理位置圖（單位：m）

1.2 工程地質(zhì)

W2工作井位于S20南側(cè)400 m，林浦路東側(cè)35 m綠化帶內(nèi)，地面標(biāo)高為+4.97 m。在井位西南方向距離井邊12.70 m處有磚砌一層民房，為磚砌結(jié)構(gòu)無(wú)基礎(chǔ)；距井位南側(cè)14.83 m處有一高壓電線桿；井位西側(cè)36.37 m處有一電力管線100×100（4孔直埋有蓋板）埋深0.8 m；通過(guò)勘查資料及實(shí)地排查，施工現(xiàn)場(chǎng)無(wú)其它地下管線。

沉井施工時(shí)主要涉及的土層為：①1雜填土、②1褐黃色粉質(zhì)粘土、②2灰黃色粉質(zhì)粘土、③1灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、③t灰色粘質(zhì)粉土、④1灰色淤泥質(zhì)粘土、⑤1灰色粘土、⑤2-1灰色砂質(zhì)粉土夾粉質(zhì)粘土、⑤2t灰色粉質(zhì)粘土夾粘質(zhì)粉土、⑤2-2灰色粉砂、⑤3-1灰色粉質(zhì)粘土、⑦1草黃～灰黃色砂質(zhì)粉土。沉井封底時(shí)，刃腳處于⑦1草黃～灰黃色砂質(zhì)粉土。

2 沉井分節(jié)制作、分次下沉分析

2.1 設(shè)定分節(jié)數(shù)量、下沉次數(shù)

沉井為現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物，分層制作和分段下沉劃分方案是沉井施工中首先需確定的，對(duì)超深沉井的順利實(shí)施起到關(guān)鍵作用，確定劃分方案的因數(shù)主要包括：結(jié)構(gòu)尺寸、地質(zhì)條件、工期影響、成本因數(shù)、安全因數(shù)、環(huán)境因數(shù)等。制定方案過(guò)程中需權(quán)衡以上因數(shù)，綜合、系統(tǒng)的進(jìn)行分析，初步設(shè)定分層數(shù)量和下沉次數(shù)后，通過(guò)理論計(jì)算加以驗(yàn)證，如理論計(jì)算不滿足要求，重新進(jìn)行劃分，直至滿足理論計(jì)算。

如本工程沉井高度為30.61 m，屬上海軟土地基，目標(biāo)工期為4個(gè)月，通過(guò)反復(fù)論證和計(jì)算，最終確定采用五次制作兩次下沉，第一次、第二次、第三次制作共15.00 m，采用排水下沉；第四次、第五次制作共15.60m，沉井下沉至標(biāo)高-19.64 m采用排水下沉，因⑤3-1層為灰色粉質(zhì)黏土流塑性強(qiáng)，干沉至⑤3-1層上1.55 m時(shí)開始采用不排水下沉直至設(shè)計(jì)標(biāo)高，見表1。

表1 沉井分層制作、分次下沉表 m

2.2 理論計(jì)算

沉井制作和下沉主要計(jì)算沉井下沉、下沉穩(wěn)定性、接高穩(wěn)定性等系數(shù)。通常情況下，1.05≤下沉系數(shù)≤1.25，下沉穩(wěn)定性系數(shù)小于1.0，接高穩(wěn)定性系數(shù)小于1.0。

（1）第一次下沉系數(shù)驗(yàn)算

式中：Kst1為第一次下沉系數(shù)；G1k為沉井自重標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值（kN）；Ffw,k為下沉過(guò)程中水的浮托力標(biāo)準(zhǔn)值（kN）；Ffk為沉井外壁總摩擦阻力標(biāo)準(zhǔn)值（kN），F(xiàn)fk= U×（H-2.5）×f=43.33×（13.5-2.5）×15=7 149.45 kN；F1為沉井內(nèi)壁、十字底梁總靜摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值（kN）。

式中：U1為沉井的內(nèi)壁周長(zhǎng)34.54（m）；H1為刃腳插入土體深度4.0（m）；U2為十字底梁周長(zhǎng)40（m）；H2為十字底梁插入土體深度3.0（m）；f為土與井壁的單位面積靜摩阻力（15 kPa）。Kst1=(G1k－ Ffw,k)/（Ffk+F1）=1.89＞1.05；滿足要求。

（2）第一次下沉穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算

式中：F′fk為驗(yàn)算狀態(tài)下井壁總摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值（kN），F(xiàn)′fk=U×（H-2.5）×f=43.33×（13.5-2.5）× 15=7 149.45 kN；U為沉井的周長(zhǎng)43.33（m）；H為沉井入土深度（m）；Rb為沉井刃腳、隔墻和底梁下地基土的極限承載力之和（kN），Rb=F×R極= 57.99×240=13 917.6 kN；F為刃腳、底梁支撐面積57.99（m2）；R極為踏面位于⑤1層灰色黏土，踏面下土的極限承載力取240 kPa；F1為沉井內(nèi)壁、十字底梁總靜摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值（kN），F(xiàn)1=U1×H1×f+U2× H2×f=3 872.4 kN；Kst,1=（G1k－F′fw,k）/（F′fk+Rb+F1）= 0.84。故符合kst,s＜1.0,滿足要求

（3）沉井接高穩(wěn)定性措施與計(jì)算

在沉井接高施工前必須按地基承載力和沉井接高后的總重量驗(yàn)算下沉穏定系數(shù)，以保證刃腳下地基的穩(wěn)定性，從而防止沉井出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。主要采用以下兩種穩(wěn)定性措施：

一、沉井第一次下沉結(jié)束后，向井內(nèi)分層回填黃土，使沉井部分刃腳埋置于黃土內(nèi)，增加刃腳踏面的承載面積的同時(shí)提高刃腳下土體極限抗承載力；

二、回填3.0 m黃土完成后，向井內(nèi)回灌水至標(biāo)高+3.36 m,提高沉井浮力的同時(shí)可提高刃腳下土體極限抗承載力。

接高穩(wěn)定性系數(shù)K=(G自重-F浮)/(Ffk+Rb)

a.第五次接高至30.61 m時(shí)，沉井自重G自重=38 219.68 kN；

b.回灌水高度為起沉標(biāo)高+3.36，F(xiàn)浮=8563.3 kN；

c.第五節(jié)接高時(shí)，沉井井壁單位靜摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值f取15 kPa,所受靜摩阻力為Ffk；Ffk為沉井外壁、內(nèi)壁、十字底梁總靜摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值（kN）。

Ffk=U1×H1×f+U2×H2×f+U3×H3×f=10 659.51 N式中：U1為沉井的外壁周長(zhǎng)43.33（m）；H1為沉井入土深度14（m）；U2為沉井的內(nèi)壁周長(zhǎng)34.54（m）；H2為刃腳插入回填黃砂深度3.8（m）；U3為十字底梁周長(zhǎng)40（m）；H3為十字底梁插入回填黃砂深度3.0（m）；f為土與井壁的單位面積靜摩阻力（15 kPa）。

d.地基承載力為Rb=F×R極=（54.51+33.6）× 240=21 146.4 kN；

F為刃腳、底梁踏面面積（接高時(shí)，沉井回填黃土至隔墻踏面以上1.5 m，刃腳斜面全部埋置黃土中，計(jì)算刃腳踏面時(shí)取投影面積）；

R極為踏面下土的極限承載力（取240 kPa），踏面處于踏面位于⑤1層灰色黏土。

接高穩(wěn)定性系數(shù)K=(G自重-F浮)/(Ffk+Rb)= 0.93＜1.0

通過(guò)以上計(jì)算，第五次接高時(shí)，地基承載力、井壁靜摩阻力之和大于沉井自重、水的浮托力之差，故接高穩(wěn)定性滿足要求。下沉系數(shù)、穩(wěn)定性統(tǒng)見表2。

表2 下沉系數(shù)、穩(wěn)定性統(tǒng)計(jì)表

3 超深沉井下沉減阻措施

由于本工程沉井高度高，沉井井壁與周圍土體接觸面積大，沉井下沉過(guò)程中若周邊摩阻力大，將影響沉井的正常下沉，為減少沉井下沉井壁摩阻力，本沉井下沉過(guò)程采用泥漿套結(jié)合氣幕法的減摩措施，

3.1 井上灌漿

沉井下沉過(guò)程中，在施工場(chǎng)地布置膨潤(rùn)土攪拌箱，當(dāng)刃腳完全沉入土體中后，開始將攪拌后的膨潤(rùn)土漿液自流填充至沉井周圍，直至沉井下沉結(jié)束。目的是在沉井井壁接觸土體前，形成泥漿套，確保泥漿套形成的效果。

3.2 井下壓漿、氣幕措施

沉井深入土層后，受土壓力影響，沉井周圍土體將緊緊包括沉井，為使泥漿套發(fā)揮潤(rùn)滑作用，且補(bǔ)充泥漿套中的泥漿，在井壁標(biāo)高-20 m、-13 m、-5 m三個(gè)水平面標(biāo)高位置分別預(yù)埋注漿管，水平面間隔2 m設(shè)置一根1寸注漿管（內(nèi)設(shè)單向閥），同時(shí)在井壁標(biāo)高-19 m、-12 m、-4 m三個(gè)水平面標(biāo)高位置分別預(yù)埋氣幕管，氣孔水平間隙30 cm，孔徑4 mm。當(dāng)每層注漿管下沉至起沉標(biāo)高以下時(shí)，該層注漿管開始向井壁四周壓注膨潤(rùn)土漿液。視沉井下沉效果，若下沉較慢、沉井偏斜較大時(shí)，啟用氣幕措施，利用高壓氣體對(duì)井壁進(jìn)行沖刷，同時(shí)對(duì)緊貼井壁周圍的土體進(jìn)行剪切破壞，降低黏結(jié)力，見圖2。

圖2 沉井注漿管、氣幕管預(yù)埋布置圖（單位：m）

主要作用：

（1）減少摩阻力的同時(shí)減少沉井下沉的帶土現(xiàn)象防止周圍土體坍塌，保護(hù)周邊建筑物；

（2）使沉井井壁四周摩阻力均勻，易于糾偏，有利于沉井穩(wěn)定下沉，并且有效防止突沉情況發(fā)生。

4 超深沉井不排水下沉工藝

沉井接高后，第二次下沉至標(biāo)高-19.64 mm前采用排水下沉，因⑤3-1層為灰色粉質(zhì)黏土流塑性強(qiáng)，排水下沉至⑤3-1層上2.65 m時(shí)開始采用不排水下沉直至設(shè)計(jì)標(biāo)高。采用不排水下沉應(yīng)保持井內(nèi)水位，下沉施工過(guò)程中必須嚴(yán)格控制井身垂直度、傾斜度、標(biāo)高等各項(xiàng)指標(biāo)，確保其偏差在允許規(guī)范范圍內(nèi)。

傳統(tǒng)的沉井不排水下沉，需大量潛水員進(jìn)行水下作業(yè)，不僅工期長(zhǎng)，人員安全也帶來(lái)很大隱患。本工程中，采用水下機(jī)械沖土和吸土系統(tǒng)，在下沉過(guò)程中不發(fā)生潛水員作業(yè)，也實(shí)現(xiàn)了24 h全天侯下沉作業(yè)的目的，大大提高下沉數(shù)度。具體工藝為：使用高壓水泵將高壓水流通過(guò)進(jìn)水管分別送進(jìn)沉井內(nèi)的高壓水槍和水力吸泥機(jī)，利用高壓水槍射出的高壓水流沖刷土層，使其形成一定稠度的泥漿匯流至積泥坑，然后用水力吸泥機(jī)將泥漿吸出。由于沉井總高度為30.61 m，對(duì)泥漿泵的揚(yáng)程要求高，現(xiàn)場(chǎng)選用泥漿泵的功率為55 kW，揚(yáng)程45 m。

沖粘性土?xí)r，宜使噴嘴接近90°角沖刷立面，將立面底部沖成缺口使之坍落。挖土順序先中央后四周，并沿刃腳流出土堤，最后對(duì)稱分層沖挖，不得沖空刃腳踏面下的土層。施工時(shí)，應(yīng)使用高壓水槍沖入井底的水量和外部摻入的水量與水力吸泥機(jī)吸出的泥漿量保持平衡。

水力機(jī)械沖泥的主要設(shè)備包括吸泥器（水力吸泥機(jī)或空氣吸泥機(jī)）、吸泥管、揚(yáng)泥管和高壓水管、離心式高壓清水泵、空氣壓縮機(jī)（采用空氣吸泥時(shí)用）等。吸泥器內(nèi)部高壓水嘴處的有效水壓與揚(yáng)泥所需要的水壓的比值平均約為7.5，見圖3。

圖3 水力吸泥機(jī)在水中沖吸土工藝示意圖

在吸泥的時(shí)候，應(yīng)使各種土成為適宜稠度的泥漿的比重：砂類土為1.08～1.18；粘性土為1.09～1.20。吸入泥漿所需的高壓水流量，約與泥漿量相等，吸入的泥漿和高壓水混合以后的稀釋泥漿，在管路內(nèi)的適當(dāng)流速應(yīng)不超過(guò)2～3 m/s。噴嘴處的高壓水流速一般約為30～40 m/s。

偉翔還托北京的朋友給我買了全套的《百家講壇》，他說(shuō)：“曉薇，你做家庭主婦是委屈了些，我也在托朋友給你找工作?！?/p>

實(shí)際應(yīng)用的吸泥機(jī)，其射水管截面與高壓水噴嘴截面的比值約為4～10，而吸泥管截面與噴嘴截面的比值約為15～20。可吸出含泥量約為5～10%，提升高度為35～40 m，噴射速度3～4 m/s。吸泥器配備數(shù)量按沉井大小及土質(zhì)而定，一般為2～6套。75型、78型水力機(jī)械吸泥機(jī)特性見表3。

水力吸泥機(jī)沖土，適于在粉質(zhì)粘土，輕質(zhì)粘土，粉質(zhì)砂土中使用，使用不受水深限制，但其出土率則隨水壓，水量的增加而提高，必要時(shí)應(yīng)向沉井內(nèi)注水，以加高井內(nèi)水位。在淤泥或浮土中使用水力機(jī)械吸泥時(shí)，應(yīng)保持井內(nèi)水位高出井外水位1～2 m。

具體措施如下：

（1）合理安排吸泥設(shè)備，保證大鍋底的形成；

（2）空氣吸泥機(jī)排水量大，為保證井內(nèi)水位平衡，用低壓水泵向井內(nèi)補(bǔ)水;

（3）井內(nèi)水位高于井外地下水位；

（4）吸泥管口離開泥面高度控制在15～20 cm，水槍壓力大于2.0 MPa；在吸泥時(shí)，要進(jìn)行移動(dòng)位置，以提高泥漿濃度；

（6）沖漿：沉井施工人員服從指揮臺(tái)的統(tǒng)一指揮，注意分層對(duì)稱沖漿，不能單邊沖漿，每層厚度不得超過(guò)0.5 m，沖漿應(yīng)由中心向外圍沖，掌握沉井的重心，不能將沉井的刃腳抽空，刃腳邊始終要保持不少于0.5 m寬的泥漿，在離設(shè)計(jì)下沉底標(biāo)高1.5 m以上時(shí)應(yīng)將井底沖成鍋底式，在1.5 m以下時(shí)，將井底沖平，一層沖漿厚度不得大于0.2 m。沉井下沉過(guò)程中，當(dāng)沉井的傾斜未達(dá)到允許值的1/4時(shí)，應(yīng)及時(shí)采取糾偏措施。

5 控制沉井下沉周圍土體沉降措施

為減少沉井下沉對(duì)周圍環(huán)境特別是附近民房建筑物的影響，并確保沉井安全質(zhì)量控制得到保障，在W2#井沉井施工前，圍繞井壁外3 m布置雙排三軸攪拌樁，深度為31 m，見圖4、圖5。

圖4 隔離樁平面布置圖

表3 75型、78型水力機(jī)械吸泥機(jī)特性表

圖5 隔離樁平面剖面圖

主要作用：

（1）隔斷⑤3-1層以上土體地下水、微承壓水（⑤2-1、⑤2-2），有效防止沉井下沉過(guò)程地下水滲入沉井基底，防止發(fā)生流砂、管涌、隆起等不良現(xiàn)象，引起周圍土體沉降；

（2）圓形封閉的圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式，對(duì)沉井周圍土體起到支護(hù)作用，降低沉井下沉的帶土影響，防止周邊土體坍塌，保護(hù)沉井周邊地面建筑物。

沉井下沉完成后，經(jīng)地表沉降觀測(cè)點(diǎn)監(jiān)控，周圍土體沉降剖面見圖6。

圖6 周圍土體沉降剖面圖

根據(jù)以往工程實(shí)例，沉井下沉對(duì)周邊沉降影響的范圍為沉井下沉深度為半徑的圓周面，而采用攪拌樁作為隔離的措施可大大減低沉井下沉對(duì)周圍的沉降影響，如沉降觀測(cè)圖所反映的沉降范圍是以往沉井影響范圍的50%。

6 結(jié) 論

通過(guò)本工程中對(duì)超深、大長(zhǎng)細(xì)比沉井關(guān)鍵技術(shù)的研究和實(shí)施，使本沉井在4個(gè)月的時(shí)間內(nèi)順利完成沉井的制作、下沉和封底作業(yè)，沉井的各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)和規(guī)范要求，且對(duì)周圍的房屋建筑、高壓電線桿等周圍的建（構(gòu)）筑物未產(chǎn)生明顯的沉降影響。本沉井的成功實(shí)施，給今后上海軟土地基條件下超深（下沉深度超過(guò)30 m）沉井施工提供良好的經(jīng)驗(yàn)積累，提高了沉井的適用性，為超深基坑在城市狹小的施工環(huán)境中采用沉井作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的可行性提供依據(jù)。

TU992.05

B

1009-7716（2017）08-0175-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.08.054

2017-05-10

王崢（1970-），男，江蘇江陰人，工程師，從事工程監(jiān)理工作。