楊明輝

(福州市地鐵建設工程質量安全監(jiān)督站 福建福州 350007)

0 引言

在城市道路軟弱富水地層施工沉井，為嚴格控制地表沉降，通常設置一圈水泥加固帷幕作為隔離樁，減小沉井周邊地層沉降變形。在城市狹窄場空間內施工水泥加固帷幕，較可行的方案是采用機械較小、靈活的三重管高壓旋噴樁機施工，當旋噴鉆桿的高壓射流切削攪拌土體時，水泥漿在高壓射流的推動下向砂層四周擴散入沉井開挖面，當沉井開挖下沉到砂層時井壁與水泥加固突出體密貼，造成懸空停沉。

基于此，本文以城市狹窄空間內施工沉井及支擋帷幕工程為依托，從沉井制作及下沉的施工過程與沉井卡樁前后采取的處理辦法進行詳細闡述，體現本方法的實用性，為今后如有類似工程提供參考。

1 工程概況

1.1 沉井簡介

福州地鐵4號線220 kV電纜隧道3#沉井為圓形鋼筋混凝土結構，直徑9.2 m，結構高15.72 m，壁厚0.85 m，下沉深18.4 m，距沉井外壁0.7 m豎向設置4排φ850@600三重管旋噴樁支擋帷幕，沉井示意圖如圖1所示。該沉井位于城市主干道遠洋路與前橫南路交匯處，220 kV架空高壓線與沉井斜交，水平距離3 m，垂直距離27 m，沉井距離光明港河160 m，施工場地狹窄。沉井與周邊環(huán)境效果圖如圖2所示。

圖1 沉井示意圖

圖2 沉井與周邊環(huán)境效果圖

1.2 工程地質條件

沉井所在區(qū)域地貌為海陸交互相沖海積地貌，場地地形較平坦，地面標高在6.65 m～7.87 m，松散層孔隙承壓水初見水位埋深為3.15 m～4.21 m，標高為3.03 m～4.13 m；沉井開挖范圍內地層主要為雜填土、淤泥、淤泥夾砂、(含泥)中細砂、淤泥質土、粉質粘土，沉井刃腳位于淤泥質土，土層分布及物理力學特性如表1所示。(含泥)中細砂呈深灰色，中密為主，局部稍密，飽和，以細砂和中砂為主，顆粒級配良好，標貫實測擊數8擊～29擊，強透水性；淤泥為深灰色，流塑～軟塑狀態(tài)，含腐植質、有機質，以及少量砂，有腥臭味，標貫實測擊數2擊～4擊，微透水性；淤泥夾砂呈深灰色，淤泥夾砂為可塑，以粘粒為主，多夾2 mm～10 mm粉細砂薄層，呈千層餅狀分布規(guī)律，另含有腐爛植物碎屑，有腥臭味，標貫實測擊數3擊～9擊，弱透水性，沉井地質橫斷面圖如圖3所示。

表1 土層分布及物理力學特性

圖3 沉井地質橫斷面圖

2 工程施工難點

2.1 狹小空間沉井及水泥加固帷幕施工

(1)沉井圍擋面積372 m2，沉井距離高壓線水平距離3 m，垂直距離27 m，三軸攪拌樁機鉆桿高度41 m，已超過高壓線限高標準。所以選擇小型化高壓旋噴樁機施工，型號XP-30。在富水軟弱地層中，高壓旋噴射流切削、攪拌各強度不同土層時成樁直徑不一致，攪拌不均勻，兩樁搭接成格構狀，在樁體薄弱處，外部水頭壓力的沖擊下產生滲流，并將外部砂土帶入基坑內使沉井周邊地層存在脫空、開裂、變形風險。

(2)受場地空間限制，沉井與周圈水泥帷幕樁的外放距離為700 mm，砂層水平和垂直滲透系數為25m/d，高壓旋噴射流壓力達到35 MPa，使噴射的水泥漿在水壓、漿壓的推動下向砂層中不斷滲透擴散至沉井周圈將砂層固結。三重管高壓旋噴樁在砂層中成樁效果差，砂層中的水泥顆粒在尚未固化前易被水流從孔隙中帶走，致使旋噴樁樁體受到不同程度離析、侵蝕[1]。沉井下沉至此地層時，井壁易與水泥突出體貼緊而造成懸空停沉。

2.2 沉井克服外部阻力下沉

通過各地層下沉系數計算，當沉井結構全部施工完成下沉至砂層時，沉井下沉系數僅0.98，無法滿足《建筑施工計算手冊》中規(guī)定的1.20下沉安全系數，在結構自重小于沉井周圈側摩阻力的情況下，如何依靠沉井自重均勻下沉也是該工程施工過程中需要解決的難題。

3 沉井下沉參數分析

施工前分析沉井參數：高15.72 m，壁厚0.85 m，分5節(jié)制作，每節(jié)高3.6 m，分3次下沉，沉井第一、二節(jié)井壁在地面制作，排水下沉；沉井第三節(jié)井壁接高，排水下沉；沉井第四、五節(jié)井壁接高，不排水下沉開挖至設計標高，沉井不同工況下沉力分析表如表2所示。

表2 沉井不同工況下沉力分析表

4 沉井施工

4.1 水泥加固帷幕施工及取芯驗證

(1)沉井周圈支擋帷幕采用四排φ850@600三重管旋噴樁，樁長24.4 m，42.5級普通硅酸鹽水泥，水泥摻量為35%，水灰比為1，流量72L/min，旋噴樁射流壓力35 MPa，旋噴樁施工順序為先內圈后外圈，隔孔分序的方式。

(2)沉井與帷幕間隙700 mm，約束沉井空間位置，防止沉井轉動造成洞門過大的位移；沉井與帷幕間的土體在沉井下沉過程中塌落，使沉井依靠自重下沉，沉井水泥加固帷幕圖如圖4所示。

(a)平面圖

(3)在第一節(jié)井壁等待強度同時回填刃腳外側土體，地質鉆機沿刃腳外側200 mm周圈鉆孔取芯8個孔，取芯深度從地面至沉井標高，探明沉井下沉空間內水泥結塊情況，鉆孔取芯平面布置圖如圖5所示。

(4)在第一節(jié)井壁施工的同時進行的地質鉆孔取芯，鉆芯芯樣圖，如圖6所示，揭示出沉井深度方向從地面以下13.5 m～16.7 m，含泥中細砂層范圍3.2 m較完整水泥結塊，與井壁密貼停沉。沉井下沉是頂管始發(fā)的關鍵步驟，直接影響工程的總體工期，在無法井內處理障礙物的情況下，需采取快速有效的方法破除井壁周圈的卡樁，保證沉井下沉。

圖5 鉆孔取芯平面布置圖

圖6 鉆芯芯樣圖

4.2 沉井結構施工

(1)沉井刃腳高2.3 m，踏面寬0.25 m，第一節(jié)立模制作高度宜控制在3 m～5 m，本沉井第一節(jié)高3.6 m，主要目的為方便支模，減少模板的切割，減小混凝土澆筑及養(yǎng)護過程中刃腳基底接觸面積小造成刃腳應力集中沉陷，結構變形；沉井第一節(jié)在地面以下2 m制作，初見承壓水位為地面以下3.9 m，使沉井施工有干燥可靠的承載基面；沉井第一節(jié)井壁必須達到設計強度100%，才可進行上一節(jié)井壁接高，防止第一節(jié)刃腳混凝土開裂破碎[1]，沉井第一節(jié)井壁制作斷面圖如圖7所示。

圖7 沉井第一節(jié)井壁制作斷面圖

(2)第一節(jié)井壁強度達到設計強度，進行第二節(jié)混凝土井壁的混凝土澆筑，以上各節(jié)混凝土強度達到設計強度的70%進行開挖下沉[2]，首節(jié)開挖地層為淤泥夾砂層，采用沉井中部掏挖向四周刃腳延伸方法，每次開挖深0.5 m，依次開挖，沉井切土下沉，在地面剩余第二節(jié)井壁500 mm時進行第三節(jié)井壁接高。

(3)沉井第三節(jié)井壁接高后采取上述方法開挖至設計標高，接高沉井第四、五節(jié)井壁的主要目的：①在進入含泥中細砂層前增加沉井自重抵抗此地層摩阻力增加；②進入含泥中細砂層同時會出現水泥硬化結塊體，在處理水泥結塊后，沉井會有較大程度的下沉，且沉井頂部土體因旋噴樁加固未成樁與水體浸泡等原因出現小的坍塌，再下沉后接高井壁可能出現安全風險，沉井第三節(jié)井壁制作斷面圖如圖8所示。

圖8 沉井第三節(jié)井壁制作斷面圖

(4)沉井第四、五節(jié)井壁接高后開挖下沉方法改為不排水下沉，考慮旋噴樁護壁可能存在缺陷，為確?；油獾乃安挥咳牖觾?，將沉井注水，使沉井內外靜水壓力平衡，將沉井周邊地層脫空、開裂、變形的風險降到最低，基坑周邊環(huán)境不受影響。下沉采用掏挖刃腳的方法，先挖沉井中部土體，再對稱地將刃腳下掏空，并挖出刃腳外，將刃腳與隔離樁之間700 mm空隙的土體挖除，降低井壁與周邊土體的摩阻力，沉井下沉，沉井第四、五節(jié)井壁接高斷面圖如圖9所示。

圖9 沉井第四、五節(jié)井壁接高斷面圖

(5)沉井下沉至砂層段時采用水準儀對沉井下沉速率進行觀察，當下沉速率在1 cm～2 cm或出現停沉時，判定井壁與周圈水泥結塊密貼，井壁卡樁停沉，沉井卡樁位置關系圖如圖10所示。潛水員下井對沉井刃腳進行摸查，確認沉井懸空高度和井壁外側空隙情況。

圖10 沉井卡樁位置關系圖

5 井壁周圈卡樁處理

5.1 鉆孔平臺搭設

(1)在沉井頂面預留頂板梁凹槽，作為鉆孔平臺承托梁擱置點；預留凹槽尺寸長、寬、高均為400 mm；對應凹槽放置3根I40a工字鋼，在3根工字鋼間滿鋪1 cm鋼板，分散鉆機集中荷載，增大受力面積，鉆孔平臺搭設圖如圖11所示。

圖11 鉆孔平臺搭設圖

(2)擬在沉井平臺放置兩臺潛孔鉆機，一臺重5 t，按最不利，在沉井內徑7.5 m中部放置兩臺鉆機施工，計算40a工字鋼跨中下側最大的正應力166.41N/mm2，小于碳素結構鋼Q235抗彎強度205N/mm2，抗彎強度為0.812<1，能滿足鉆機的安全作業(yè)，但施工時任需注意將兩臺鉆機對角布置。

5.2 沖擊破碎水泥結塊

(1)采用2臺履帶式氣動潛孔鉆機，2 m鉆桿，配置直徑100 mm硬質合金鉆頭，距離井壁200 mm周圈布孔密排鉆進。鉆機性能參數：沖擊能11kg/m，沖擊頻率80次/分，工作風壓1.3 MPa。鉆機布置圖如圖12所示。

(2)鉆頭沖擊破碎至沉井底標高后，提升、拆桿至頂面，移動鉆機至下一孔位。

(3)施工效率分析，沉井外周長29 m，鉆孔孔數270根，1臺潛孔鉆機24 h可施工40根，2臺同時作業(yè)，4 d完成周圈水泥結塊破除工作。

圖12 鉆機布置圖

5.3 鋼板樁切削水泥結塊

(1)鉆孔破碎水泥結塊后，將鉆孔平臺拆除吊出；進場15 m鋼板樁和DX500型鋼板樁機，對沉井周圈已破碎成孔洞狀的水泥結塊進行切削，水泥結塊和土體削落至井底。鋼板樁切削示意圖如圖13所示。

圖13 鋼板樁切削示意圖

(2)切削順序應對稱、交錯進行，沉井依靠自重均勻下沉，防止發(fā)生傾斜。

5.4 下沉開挖及封底

(1)沉井下沉后，滑臂挖機掏挖削落至井底的渣土和水泥結塊；滑臂挖機最大開挖深度20 m，滿足沉井深18.4 m需求；沉井刃腳底標高距離終沉底剩余2.4 m，淤泥質土層，掏挖沉井中部土體、向四周延伸，刃腳切土下沉。

(2)沉井下沉距離設計標高100 mm時，停止井內挖土，靠自重下沉至設計或接近設計標高，每1 h觀測一次高差，當沉井下沉速率不大于10 mm/8 h時可進行沉井封底。水下封底前，為防止軟土地基不均勻沉陷，潛水員在刃腳下鋪一層150 mm厚碎石墊層，并對刃腳周圈的泥土進行清理，使水下混凝土與刃腳斜面緊密連接，減少出現夾泥的滲水點。

(3)沉井水下封底采用導管法澆筑，先澆筑井壁周邊的混凝土再向中部推進；水下封底沿沉井刃腳四周每3 m一個點位，計算厚度1.6 m；待水下封底混凝土養(yǎng)護至設計強度的70%后，可抽除沉井內的水[3]。

6 結語

(1)在富水軟弱復雜地層中施工水泥加固帷幕，攪拌樁成樁效果不一，在砂層中，旋噴樁樁體易出現不同程度離析、擴散。在加固帷幕效果不佳時，采用不排水下沉沉井，可降低沉井坑內周圍地層脫空、開裂、變形的風險。

(2)沉井水泥加固帷幕外放距離較小時，有必要對沉井周圈地層進行鉆孔取芯，探明沉井下沉空間內水泥結塊情況。

(3)氣動潛孔鉆機預破碎+鋼板樁切削水泥加固結塊的方法是可行的，操作簡單、效率高，可降低沉井井壁摩阻力。對沉井施工過程中卡樁問題的處理具有一定參考作用。