李慶松

（中鐵二十二局集團(tuán)第三工程有限公司 福建廈門 361000）

1 工程概況

本工程為“廈門翔安新機(jī)場(chǎng)片區(qū)地下綜合管廊項(xiàng)目機(jī)場(chǎng)快速路過海段沉井、φ3 000 mm頂管工程”，為全國(guó)第一條跨海頂管，頂管全長(zhǎng)982 m。工作井位于廈門東海岸公園大道附近的海岸吹填造地段，沉井距離漲潮水位40 m，施工地表高程為+6.2 m。工作井采用沉井法施工，尺寸為13.8 m（長(zhǎng)）×10 m（寬），深度25.14 m，墻身厚度以1.6 m、1.4 m、1.2 m向上遞減，各參數(shù)見圖1。

根據(jù)地勘報(bào)告，工作井場(chǎng)區(qū)地下水位受地形地貌、人工回填及潮汐影響，變化較大。勘探期間測(cè)得各孔初見水位埋深為1.8～2.2 m，混合穩(wěn)定水位埋深為1.9～2.4 m。另據(jù)部分鉆孔（下套管對(duì)上部海水或其他含水層段進(jìn)行隔水處理）對(duì)各砂層承壓水位的觀測(cè)結(jié)果，各含水砂層的承壓特征較明顯。各地層地質(zhì)情況具體見圖2。

圖1 工作井平面（單位：mm）

2 沉井施工方案選擇

2．1 排水方案選擇

圖2 工作井地質(zhì)柱狀圖（單位：m）

2．2 井內(nèi)出土方案確定

根據(jù)沉井所處的水文地質(zhì)情況，分析后認(rèn)為施工過程中最大程度地降低井身基礎(chǔ)及周圍土體的擾動(dòng)是保證沉井安全、精確下沉到位的前提條件。原設(shè)計(jì)方案采用桁吊出土的方案（桁吊兼用于后期管節(jié)、施工材料的吊裝），考慮到桁吊運(yùn)行過程中對(duì)周邊地層擾動(dòng)較大，地表可能會(huì)出現(xiàn)沉降，影響桁吊軌道安全運(yùn)行，增加沉井施工時(shí)不可控的風(fēng)險(xiǎn)因素，所以決定變更設(shè)計(jì)方

圖3 高壓注漿平面布置（單位：mm）

由于沉井位于海灘上，地層大部分為透水型的中粗砂層，水位較高，受海洋潮汐影響較大。單獨(dú)采用井點(diǎn)降水效果不明顯，同時(shí)采用井點(diǎn)降水施工時(shí)地表易發(fā)生沉降造成沉井內(nèi)涌砂、井身突沉、偏位等，存在的安全質(zhì)量隱患較多，風(fēng)險(xiǎn)較高。所以決定采用井體四周高壓注漿的方案，注漿作為止水帷幕的同時(shí)起到加固地層的作用。高壓注漿孔位單側(cè)布置3排，排間距1 m，深度26 m。注漿孔位布置見圖3。案。替代方案也考慮沉井下沉深度較淺時(shí)采用液壓伸縮長(zhǎng)臂挖掘機(jī)，此方案單一設(shè)備即可滿足施工要求，成本投入較低。但長(zhǎng)臂挖機(jī)施工時(shí)需要側(cè)面填筑施工平臺(tái)，由于地質(zhì)情況較差，井體易出現(xiàn)單向側(cè)壓力過大而出現(xiàn)偏移的情況。綜合考慮后決定采用小型挖掘機(jī)配合汽車吊的出土方案，即井內(nèi)兩個(gè)倉各放一臺(tái)30挖掘機(jī)，地面兩臺(tái)75 t的汽車吊利用料斗出土。

3 施工工藝

3．1 施工工藝流程

本沉井施工分四節(jié)制作、下沉，第一節(jié)（刃腳）5.35 m，第二節(jié)5.4 m，第三節(jié)5.3 m，第四節(jié)4.75 m，通風(fēng)口在封底、頂管完成后再施工。具體工作流程見圖4。

圖4 施工工藝流程

3．2 分節(jié)制作沉井

（1）本工程工作井、接收井井壁按設(shè)計(jì)要求分4節(jié)制作施工（第5節(jié)為通風(fēng)亭，待沉井底板及各層板面完成之后再施工）。沉井采用現(xiàn)場(chǎng)立模澆筑的方法制作，按照工藝流程圖的順序分節(jié)制作、下沉，各節(jié)井身之間的施工縫設(shè)置鋼板止水帶。井身施工過程中預(yù)埋用于輔助下沉的射水管道，防止沉井下沉過程中出現(xiàn)堅(jiān)硬土層等其他因素導(dǎo)致下沉困難。沉井制作時(shí)應(yīng)注意預(yù)埋隔層、防火門、樓梯、管廊接入口等連接鋼筋及預(yù)埋件并保證位置準(zhǔn)確。

（2）井身現(xiàn)澆時(shí)腳手架的搭設(shè)嚴(yán)禁支撐在地面上，防止沉井接高施工過程中井身下沉造成腳手架失穩(wěn)。本次沉井制作采用井身上預(yù)埋槽鋼當(dāng)作腳手架支撐面的方案，井內(nèi)側(cè)用模板滿鋪，用作作業(yè)平臺(tái)的同時(shí)也保證施工安全，施工完成后割除槽鋼，涂刷防腐劑。

3．3 沉井下沉

（1）沉井下沉采用排水下沉的方式，利用井底明排及管井排水，把水位控制在刃腳50 cm以下。小型挖掘機(jī)從中間向刃腳逐步開挖，利用井體的自重破土下沉。兩個(gè)倉室的挖掘機(jī)應(yīng)該同步、均衡、對(duì)稱開挖。井體出現(xiàn)偏移時(shí)，應(yīng)在監(jiān)控量測(cè)的指導(dǎo)下，挖掘機(jī)在下沉較慢的位置加大開挖速度，利用出土的順序跟出土速度及時(shí)糾偏。每節(jié)沉井下沉應(yīng)留1.0 m的高度在工作地面以上，防止沉井接高過程中沉井自沉影響模板及腳手架的穩(wěn)定，同時(shí)起到圍護(hù)的作用。

（2）當(dāng)沉井下沉至距離設(shè)計(jì)標(biāo)高1.0 m左右時(shí)應(yīng)放慢下沉速度，同時(shí)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，出現(xiàn)偏移立即以糾偏為主、下沉為輔，在保證井身穩(wěn)定的前提下緩慢下沉；至設(shè)計(jì)標(biāo)高30～50 cm時(shí)應(yīng)清理基底，停止取土下沉（留置高度按土質(zhì)及下沉過程中具體情況確定），讓出沉井自沉的高程空間，防止超沉。

3．4 沉井施工測(cè)量

沉井下沉?xí)r需加強(qiáng)測(cè)量監(jiān)控，以便及時(shí)掌握沉井偏移、傾斜等情況，觀測(cè)點(diǎn)設(shè)置在井體頂部的四個(gè)角及井體隔墻的中心點(diǎn)位置。四角標(biāo)高及軸線位移正常下沉?xí)r每2 h測(cè)量一次［1］，必要時(shí)應(yīng)連續(xù)觀測(cè)，及時(shí)糾偏。終沉階段每小時(shí)測(cè)量一次，當(dāng)沉井下沉接近設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)應(yīng)連續(xù)觀測(cè)，防止超沉。

3．5 沉井糾偏

（1）沉井下沉過程中難免出現(xiàn)偏移現(xiàn)象。土層軟硬不均、地質(zhì)突變、孤石、開挖取土方式、地面堆載、涌水涌砂等原因都會(huì)導(dǎo)致沉井偏移。下沉前應(yīng)結(jié)合本項(xiàng)目的特點(diǎn)，分析將出現(xiàn)導(dǎo)致沉井偏移的因素，采取有針對(duì)性的預(yù)防措施，從源頭上減少出現(xiàn)偏移的概率。

（2）沉井出現(xiàn)偏移時(shí)，簡(jiǎn)便有效的糾偏措施就是在監(jiān)控量測(cè)的指導(dǎo)下控制取土順序及取土速度，根據(jù)“沉多則少挖，沉少則多挖”的原則，在刃腳較高一側(cè)加強(qiáng)挖土。必要時(shí)輔以井外射水和局部偏心壓載的方式糾偏。小型挖掘機(jī)配合汽車吊出土的方案在下沉過程中可以精確地控制偏移量。

（3）沉井下沉過程中遇到孤石時(shí)，小型挖掘機(jī)配合汽車吊出渣的問題也有較為便捷、安全的解決措施。遇到孤石時(shí)可用小型挖掘機(jī)掏空孤石周邊刃腳下的土體，再用中粗砂或者碎石填充刃腳底部，防止孤石清除過程中井體突沉?？紤]到軟弱土層的外部環(huán)境，孤石清除不宜采用爆破的方式，需采用空壓機(jī)等風(fēng)動(dòng)工具鑿除、松動(dòng)孤石，再由小型挖掘機(jī)清理石渣。

3．6 沉井封底

當(dāng)沉井下沉到設(shè)計(jì)標(biāo)高，經(jīng)2～3 d后，下沉已趨于穩(wěn)定，在8 h內(nèi)累計(jì)＜10 mm時(shí)，即可進(jìn)行沉井封底。本沉井設(shè)置了止水帷幕及管井，所以采取排水封底的方案，但沉井刃腳位于承壓水層，所以為了防止封底過程中產(chǎn)生突涌，在封底時(shí)設(shè)置了泄水井，同時(shí)封底施工選擇在海水退潮的時(shí)間段。

4 沉井力學(xué)指標(biāo)驗(yàn)算

4．1 沉井下沉驗(yàn)算

沉井下沉?xí)r，井壁與土間的摩阻力和地層對(duì)刃腳的反力，其比值即為下沉系數(shù)K，取值不小于1.15～1.25。井壁與土層間的摩阻力計(jì)算，在5 m深處增大到（0.5～0.7）fx，5 m以下不變，在臺(tái)階處增大到fx［2-4］。計(jì)算簡(jiǎn)圖見圖 5。

沉井下沉系數(shù)的驗(yàn)算公式為：

式中：K為安全系數(shù)，取值一般為1.15～1.25；Q為沉井自重及附加荷載（kN）；B為被井壁排出的水量（kN），如采取排水下沉法時(shí)［5-9］，B＝0；T為沉井與土間的摩阻力（kN），T＝U·［1／2（H+h1-2．5）］·f；h1為沉井下部臺(tái)階高度；U為外壁周長(zhǎng)；D為沉井外徑（m）；H為沉井全高（m）；f為井壁與土間的摩阻系數(shù)，由地質(zhì)資料提供；R為刃腳反力（kN），如將刃腳底部及斜面的土方挖空，則R＝0。本工程沉井驗(yàn)算條件見表1。

圖5 計(jì)算簡(jiǎn)圖

表1 工作井驗(yàn)算條件

沉井外壁尺寸：17×13.2 m。

第一節(jié)沉井自重：G1＝436.32×25＝10 908 kN

第二節(jié)沉井自重：G2＝454.64×25＝11 366 kN

第三節(jié)沉井自重：G3＝383.144×25＝9 578.6 kN

第四節(jié)沉井自重：G4＝235.8×25＝5 895 kN

沉井總重：G＝G1+G2+G3+G4＝37 747.6 kN

根據(jù)方案設(shè)計(jì)，第一節(jié)下沉留1 m外露，則第一節(jié)需下沉的高度為4.35 m，第二節(jié)下沉的高度為5.4 m，第三節(jié)下沉的高度為5.3 m，第四節(jié)下沉高度為5.75 m。

（1）第一節(jié)沉井下沉系數(shù)驗(yàn)算

摩阻力＝（2.52×18+1.83×13）／4.35＝15.9 kPa

K1＝10 908／［（4.35-2.5）×15.9×60.4］＝6.14＞1.25。此時(shí)沉井容易產(chǎn)生突沉，在施工前應(yīng)對(duì)淤泥層進(jìn)行處理，控制均勻除土，在刃腳處除土不宜過深，亦可采用增大刃腳踏面寬度的方法提高刃腳阻力。

（2）第二節(jié)沉井下沉系數(shù)驗(yàn)算

摩阻力 ＝（2.52×18+5.5×13+1.73×25）／9.75＝16.42 kPa

K2＝22 274／［（9.75-2.5）×16.42×60.4］＝3.1＞1.25。此時(shí)沉井同樣容易產(chǎn)生突沉，應(yīng)在施工前應(yīng)對(duì)淤泥層進(jìn)行處理并控制均勻除土，在刃腳處除土不宜過深，亦可采用增大刃腳踏面寬度的方法提高刃腳阻力。

（3）第三節(jié)沉井下沉系數(shù)驗(yàn)算

由于沉井在到達(dá)摩擦力突變位置且在斷面變小處回填砂碎，摩阻力值取26 kPa，所以：

摩阻力 ＝（5.3×26+2.72×13+7.03×25）／15.05＝23.18 kPa

K3＝31 852.6／［（15.5+9.75-2.5）／2×23.18×60.4］＝2＞1.25。為防止沉井下沉過快，可采取與第一、第二節(jié)沉井下沉?xí)r相同的處理措施。

（4）第四節(jié)沉井下沉系數(shù)驗(yàn)算

摩阻力 ＝（11.05×26+4.87×25+4.88×26）／20.8＝25.77 kPa

K4＝37 747.6／［（20.8+9.75-2.5）／2×25.77×60.4］＝1.73＞1.25。為防止沉井下沉過快，可采取與前三節(jié)沉井下沉?xí)r相同的處理措施。

4．2 沉井封底后的抗浮穩(wěn)定性驗(yàn)算

沉井外未回填土，不計(jì)井壁與側(cè)面土反摩擦力的作用，抗浮穩(wěn)定性計(jì)算公式為：

式中：G為沉井自重（kN）；F為地下水向上的浮力（kN）。

沉井自重為井壁和封底混凝土重量：G自＝37 747.6 kN+12 983.04 kN＝50 730.64 kN

地下水向上的浮力：由現(xiàn)場(chǎng)開挖得知在海水漲潮時(shí)水位最高標(biāo)高0.55 m，擬建場(chǎng)地的地下水位標(biāo)高為0.6～-20.2 m，沉井底標(biāo)高為-20.8 m，故驗(yàn)算浮力的地下水深度按20.8 m考慮，則：

抗浮穩(wěn)定性滿足要求［10-12］。

5 結(jié)束語

廈門翔安新機(jī)場(chǎng)片區(qū)地下綜合管廊項(xiàng)目機(jī)場(chǎng)快速路過海段頂管工程工作井施工過程中周邊地層穩(wěn)定，地下水得到有效控制，沉井安全快速地下沉到位，封底穩(wěn)定后最終測(cè)量結(jié)果顯示井身軸線偏移量及四角高程偏差值均在規(guī)范要求內(nèi)，順利完成施工目標(biāo)。本文對(duì)管廊項(xiàng)目過海段頂管工程沉井施工過程中克服了特殊水文、地質(zhì)條件帶來的諸多施工難題進(jìn)行總結(jié)，為今后其他類似工程提供借鑒和參考。