徐 英 武

(1.上海市基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司,上海 200002； 2.上海城市非開挖建造工程技術(shù)研究中心,上海 200002)

0 引言

在我國城市化進(jìn)程高速發(fā)展的今天，土地資源越發(fā)緊張。沉井以不需要大開挖，占地面積小，既可作結(jié)構(gòu)，又可作圍護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，近年來被大量運(yùn)用于地下構(gòu)筑物施工中。隨著地下工程的日益復(fù)雜化，逐漸出現(xiàn)了下沉深度深、穿越堅(jiān)硬土層、周邊環(huán)境沉降控制要求高的沉井。超深沉井傳統(tǒng)工藝存在水下大深度取硬土困難，下沉系數(shù)不夠，對(duì)周邊土體擾動(dòng)較大等弊端。采用豎向壓入式沉井在堅(jiān)硬土層中的應(yīng)用技術(shù)，在沉井下沉系數(shù)不足時(shí)可利用壓沉設(shè)備提供下壓力輔助沉井下沉，同時(shí)采用超高壓破碎設(shè)備在大深度水下破除硬土，實(shí)現(xiàn)沉井順利下沉，同時(shí)徐鵬飛等[1]認(rèn)為壓沉工藝能有效保護(hù)周邊環(huán)境。

豎向壓入式沉井在堅(jiān)硬土層中的應(yīng)用包含沉井壓沉和水下大深度硬土破除兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，沉井壓沉是采用井外設(shè)置配重承臺(tái)，利用牛腿反力架和千斤頂反壓沉井，在保持沉井刃腳土塞時(shí)增大下沉系數(shù)，水下大深度硬土破除是利用超高壓水流破碎設(shè)備對(duì)井內(nèi)堅(jiān)硬土層進(jìn)行切割破碎，便于井內(nèi)后續(xù)取土下沉。

1 概況

1.1 工程概況

鎮(zhèn)江市大港水廠一期取水工程位于鎮(zhèn)江新區(qū)，位于長江南岸江心汽渡旁，兩座取水沉井均采用鋼筋混凝土圓形沉井，外徑17.6 m，壁厚1.3 m，刃腳頂寬1.5 m，刃腳底部絕對(duì)標(biāo)高為-33.0 m，沉井頂部絕對(duì)標(biāo)高為+8.2 m，總高為41.2 m，底板厚1 m，混凝土強(qiáng)度為C30，鋼筋為HRB400，墊層為C20素混凝土。地面起沉標(biāo)高+5.5 m，下沉深度38.5 m。

1.2 工程周邊環(huán)境特點(diǎn)

兩座沉井距離較近，相距僅15 m，井位周邊涉及敏感環(huán)境，西側(cè)沉井距離長江堤線15 m，東側(cè)沉井距離汽渡碼頭道路15 m，沉井下沉深度38.5 m，沉井下沉施工存在一定的影響半徑，其值約為沉井下沉速度的1.5倍[2]，周邊建構(gòu)筑物均在沉井下沉影響范圍內(nèi)，需嚴(yán)格控制沉井下沉對(duì)周邊環(huán)境影響。

1.3 工程地質(zhì)概況

場地工程范圍內(nèi)根據(jù)地基土的特性、成因及物理力學(xué)性質(zhì)，影響沉井下沉的土層主要分為5層，分別為①雜填土、③-1淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、④-1粉砂、④-2粉質(zhì)粘土、⑤粉質(zhì)粘土，其中沉井終沉階段穿越⑤粉質(zhì)粘土地基承載力特征值為230 kPa，在大深度高圍壓條件下地基承載力極限值可為特征值的3倍，高達(dá)690 kPa，土質(zhì)極為堅(jiān)硬。

2 敏感環(huán)境下超深沉井施工特點(diǎn)

沉井下沉影響范圍內(nèi)存在多項(xiàng)敏感環(huán)境建構(gòu)筑物如汽渡碼頭、道路及長江堤岸等，施工過程中必須嚴(yán)格控制周邊土體沉降。沉井下沉造成周邊土體擾動(dòng)的影響因素眾多，韓石忠等[3]指出最重要原因是由于沉井內(nèi)挖空，井內(nèi)外地下水位差引起的滲透作用，使水帶土涌入井內(nèi)，井外土體不斷減少，從而引起地面沉降。故為平衡井內(nèi)外水位差，沉井下沉全程采用不排水下沉工藝。

不排水下沉施工在一定程度上解決了井內(nèi)外土體流動(dòng)的問題，卻增加了沉井浮力，減小了下沉系數(shù)。經(jīng)過計(jì)算發(fā)現(xiàn)沉井在下沉過程中后階段下沉系數(shù)極小，終沉系數(shù)僅0.35，在堅(jiān)硬土層無法下沉，在增加沉井自重經(jīng)濟(jì)效益比不佳的情況下，采用沉井外組合式可調(diào)配重液壓壓沉糾偏系統(tǒng)，對(duì)井體結(jié)構(gòu)施加豎向下壓力，增大下沉系數(shù)。

傳統(tǒng)沉井工藝面對(duì)硬土?xí)r通常采用長臂挖機(jī)或抓斗進(jìn)行抓取，但在水下大深度條件下無法作業(yè)，而沉井能夠?qū)崿F(xiàn)順利下沉的必備條件之一就是井內(nèi)土體的取除，因此在壓沉措施之外還必須采用水下大深度硬土破除工藝輔助下沉。

3 壓入式沉井關(guān)鍵工藝的應(yīng)用

3.1 組合式可調(diào)配重液壓壓沉糾偏系統(tǒng)

沉井組合式可調(diào)配重液壓壓沉糾偏系統(tǒng)，包括沉井外部承臺(tái)、牛腿反力架，沉井外部承臺(tái)上沿沉井外壁四周均布可調(diào)配重，形成一套由承臺(tái)自重和可調(diào)配重提供豎向向下重力沉井機(jī)構(gòu)，沉井外壁設(shè)置多個(gè)牛腿反力架，牛腿反力架上部設(shè)置單向自鎖液壓穿心千斤頂，自鎖液壓穿心千斤頂通過鋼絞線連接承臺(tái)，形成一套沉井四周各向的分級(jí)分壓，調(diào)節(jié)沉井高差，輔助沉井糾偏機(jī)構(gòu)。

該系統(tǒng)能解決在沉井下沉困難，下沉系數(shù)過小時(shí)，可根據(jù)需要，在不增加沉井自重的基礎(chǔ)上，增加沉井豎向下壓力，提高沉井下沉系數(shù)。在沉井出現(xiàn)高程偏差時(shí)，可通過調(diào)整不同區(qū)域千斤頂?shù)囊簤河蛪?，給沉井不同區(qū)域施加壓力輔助糾偏。壓沉系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了沉井下沉主導(dǎo)因素由自重向壓沉下壓力的轉(zhuǎn)變，該下壓力足以消除各類土層對(duì)沉井產(chǎn)生的種種不利影響，土質(zhì)對(duì)沉井的影響力大幅減弱，下壓系數(shù)與下壓力成正相關(guān)關(guān)系，施工速度得到大幅增加。

3.2 水下大深度硬土破除技術(shù)

1)研發(fā)超高壓水流破碎硬土設(shè)備。

由于沉井終沉穿越地基承載極限值達(dá)690 kPa的硬土，38 m水深條件下極難進(jìn)行取土，針對(duì)這一條件研發(fā)了超高壓水流破碎硬土設(shè)備，該設(shè)備可在堅(jiān)硬難以破除的土層中，有充分的下鉆能力，并提供41 MPa超高壓力水流切割破碎土體的能力，確保每個(gè)破碎孔位能夠形成足夠的半徑。

對(duì)沉井內(nèi)隔倉空間進(jìn)行合理排布，為盡量保證超高壓水流破碎范圍能夠掃到刃腳和底梁踏面，鉆孔破碎區(qū)間按孔位直徑搭接700 mm規(guī)劃布置，確定平面布置上所有對(duì)應(yīng)的破碎掃除點(diǎn)位后，根據(jù)規(guī)劃點(diǎn)位依次由井中心向井壁施工。

根據(jù)硬土層土質(zhì)情況和破碎設(shè)備的破碎能力，將需穿越的硬土層分為N層，逐層進(jìn)行破碎；超高壓水流破碎設(shè)備鉆進(jìn)至硬土層內(nèi)指定深度，通過噴嘴噴射超高壓水流切割土體，將土體破碎成漿。

2)研發(fā)大深度水下取泥設(shè)備。

在超高壓水流破碎設(shè)備將堅(jiān)硬土體充分、有效破碎完成后，投入大深度水下取泥設(shè)備，利用空氣吸泥原理，將土體破碎后形成的泥漿通過取泥設(shè)備中的排泥管路取離井內(nèi)。

大深度水下取泥設(shè)備與破碎設(shè)備配對(duì)，在同一個(gè)區(qū)域施工，確保破碎土體成漿后能盡快通過取泥設(shè)備排離井底。

在對(duì)規(guī)劃的每一層取泥施工完成后，根據(jù)沉井下沉穿越情況，按序?qū)ο乱粚拥耐馏w作業(yè)。每一層先破碎，后取泥，再下沉，依次循環(huán)此過程，直至沉井完全穿越堅(jiān)硬土層。

3)設(shè)置井內(nèi)多功能聯(lián)動(dòng)浮平臺(tái)。

沉井全程采用不排水下沉工藝，為滿足超高壓水流破碎硬土設(shè)備與大深度水下取泥設(shè)備在水上作業(yè)需求，在井內(nèi)水面上設(shè)置井內(nèi)多功能聯(lián)動(dòng)浮平臺(tái)，提高各類設(shè)備、人員作業(yè)承載能力。

多功能聯(lián)動(dòng)浮平臺(tái)能繞井中心，沿著沉井內(nèi)壁旋轉(zhuǎn)，作業(yè)平臺(tái)上設(shè)置有工作槽供各類設(shè)備鉆桿、管路下放至井底，作業(yè)平臺(tái)載重量大于預(yù)計(jì)平臺(tái)上所有設(shè)備重量。

4 工程實(shí)施效果

沉井在距離終沉標(biāo)高剩余4.7 m時(shí)遭遇⑤粉質(zhì)粘土，全面投入豎向壓入式沉井在堅(jiān)硬土層中應(yīng)用技術(shù)的各項(xiàng)設(shè)備，24 d后完成井底硬土層的預(yù)破碎，48 d后在壓沉工藝的輔助下沉井順利下沉到位，相較于鎮(zhèn)江地區(qū)原丹陽市水廠取水工程同類型沉井所采用的傳統(tǒng)工藝穿越硬土層耗時(shí)3個(gè)月，采用本技術(shù)節(jié)約工期1個(gè)月以上，見圖1。

沉井施工對(duì)周邊建構(gòu)筑物沉降影響監(jiān)測點(diǎn)布置見圖3，J1～J13為汽渡管理用房建筑物監(jiān)測點(diǎn)，F(xiàn)1～F3為防汛墻構(gòu)筑物監(jiān)測點(diǎn)。通過對(duì)沉井下沉過程中全過程的沉降監(jiān)測，各監(jiān)測點(diǎn)最大累計(jì)沉降僅5.5 mm，沉井下沉過程中較好的控制了對(duì)周邊環(huán)境的影響。

5 結(jié)語

針對(duì)背景工程實(shí)際情況，通過上述豎向壓入式沉井在堅(jiān)硬土層中的應(yīng)用技術(shù)，有效的解決了沉井在傳統(tǒng)工藝中出現(xiàn)的周邊環(huán)境擾動(dòng)大、大深度水下硬土難以取除、終沉系數(shù)過小等技術(shù)性難題，順利完成了超深硬土條件下的豎向壓入式沉井微擾動(dòng)施工，為越來越多國內(nèi)外同類型沉井工程提供了可靠經(jīng)驗(yàn)，拓廣了沉井這項(xiàng)傳統(tǒng)工藝在復(fù)雜地質(zhì)和微擾動(dòng)要求環(huán)境條件下的應(yīng)用范圍。