羅婷尹

廣東省基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司 廣東 廣州 510700

沉井結(jié)構(gòu)具有良好的整體性和止水效果，且施工簡(jiǎn)便、造價(jià)低廉，因而得到廣泛的應(yīng)用。但沉井施工工藝受地質(zhì)條件、地下水埋深、井體設(shè)計(jì)埋深、井體自重等因素影響較大，施工措施不當(dāng)便會(huì)導(dǎo)致下沉達(dá)不到設(shè)計(jì)深度、井體傾斜度偏大、封底混凝土滲漏、周邊沉降嚴(yán)重，對(duì)鄰近構(gòu)筑物造成危險(xiǎn)等后果。

目前，針對(duì)沉井下沉困難問題[1]，一般采取的助沉措施有泥漿潤(rùn)滑套法、壓重法、高壓射水法、壁后壓氣法[2]等，一般沉井助沉措施多在沉井開始階段就實(shí)施，而且多用于沉井井壁外，以降低井壁與外部土體間的摩擦力為目的。而針對(duì)沉井下沉后施工階段出現(xiàn)的下沉停滯問題，單一及常規(guī)的助沉措施很難達(dá)到良好的助沉效果，且實(shí)施成本太高，耗時(shí)長(zhǎng)[3-7]。

深厚粉細(xì)砂層下沉停滯沉井綜合助沉施工技術(shù)采用沉井外部分級(jí)配重，多臺(tái)沖孔鉆機(jī)環(huán)形沖孔成槽，井內(nèi)配置優(yōu)質(zhì)泥漿循環(huán)減阻，井外施作鋼板樁圍堰以確保泥漿質(zhì)量，防止井外砂層回流，多措并舉以達(dá)到助沉目的，是傳統(tǒng)施工工藝通過合理創(chuàng)新，在新的施工領(lǐng)域進(jìn)行改良及優(yōu)化的創(chuàng)新成果。本技術(shù)與常規(guī)助沉措施相比，處理難度更低，可操作性更強(qiáng)，處理速度更快，成本也更低。

1 工程概況

江高凈水廠配套主干管網(wǎng)工程、人和2號(hào)泵站（擴(kuò)建）施工（標(biāo)段一）項(xiàng)目位于廣州市白云區(qū)，管道全長(zhǎng)約15.7 km，主要采用頂管法施工，沉井采取不排水開挖下沉，沉井?dāng)?shù)量為177座，形狀有圓形與矩形，根據(jù)不同路段，沉井深度在6～18 m。

場(chǎng)地地質(zhì)主要為粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂、中粗砂，地下水位埋深1.2～3.8 m。施工過程中部分沉井下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高最后1.5～2.5 m停滯，難沉井位（W13#井、W19#井、W27#井、W29#井、W31#井）均處于田南路段，田南路段地質(zhì)為砂層且地下水豐富。

2 沉井下沉停滯原因分析

傳統(tǒng)沉井先在地面或基坑內(nèi)制作開口的鋼筋混凝土井身，待其達(dá)到規(guī)定強(qiáng)度后，在井身內(nèi)部分層挖土運(yùn)出，隨著不斷挖土，土面降低，沉井井身在其自重或其他措施協(xié)助下克服土壁間的摩擦力和刃腳反作用力，不斷下沉，直至設(shè)計(jì)標(biāo)高就位，然后進(jìn)行封底。由于地質(zhì)條件不同，沉井受土體的摩擦力、刃腳處反作用力也不同，當(dāng)沉井自重不足以克服土體摩擦力及反作用力時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致沉井很難繼續(xù)下沉，必須通過施加一定的壓力或采取一定的助沉措施才能夠繼續(xù)下沉。

本項(xiàng)目無(wú)法下沉到位的沉井均已經(jīng)下沉了一定深度，很多已有的沉井助沉措施及方法也不適用，或?qū)嵤┏杀咎?。通過對(duì)項(xiàng)目地質(zhì)條件及現(xiàn)場(chǎng)開挖的巖樣進(jìn)行分析，造成沉井難以下沉的原因可能有幾點(diǎn)：

1）項(xiàng)目粉細(xì)砂層深厚，開挖過程中粉細(xì)砂層顆粒間距小，較為密實(shí)，增大了井壁摩擦力及刃腳處的阻力。

2）深厚粉細(xì)砂層黏聚力較小，沉井內(nèi)部土體開挖后，井壁的砂層立刻向沉井內(nèi)部滑塌，并迅速補(bǔ)充刃腳處的空隙，同時(shí)帶動(dòng)零星孤石滑移至沉井刃腳處及周邊，形成支點(diǎn)，支撐沉井，導(dǎo)致沉井無(wú)法正常下沉。

3）刃腳處有零星孤石或不規(guī)則斷層巖石，沉井僅靠自重或外部分級(jí)配重?zé)o法正常下沉。

針對(duì)項(xiàng)目沉井下沉停滯的特殊情況，必須創(chuàng)新一種適用于深厚粉細(xì)砂層條件的沉井助沉施工技術(shù)。沉井無(wú)法下沉將嚴(yán)重影響頂管等后續(xù)施工作業(yè)，為攻克這一難題，項(xiàng)目部成立了創(chuàng)新技術(shù)攻關(guān)小組，通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境、地質(zhì)及水文情況、傳統(tǒng)沉井下沉措施、多年地下工程施工經(jīng)驗(yàn)及國(guó)內(nèi)外類似情況處理方法等進(jìn)行綜合分析并深入研究，通過利用沖孔鉆機(jī)、H型鋼及預(yù)制混凝土配重塊、鋼板樁高頻振動(dòng)錘，創(chuàng)新性地提出一種下沉停滯沉井施工綜合助沉施工技術(shù)。

3 綜合助沉施工工藝流程

沉井施工綜合助沉施工工藝流程為：施工剩余沉井井壁→場(chǎng)地平整→測(cè)量放線→沉井外施作鋼板樁圍堰→沖孔鉆機(jī)就位→沖擊成孔→成孔檢測(cè)→鉆機(jī)移位→沖孔鉆機(jī)循環(huán)施工至井內(nèi)環(huán)形成槽→沉井頂部吊裝H型鋼→沉井頂部吊裝混凝土配重塊→沉井下沉→沉井下沉到位。

4 綜合助沉施工操作要點(diǎn)

1）施工剩余沉井井壁。根據(jù)沉井下沉停滯位置距離設(shè)計(jì)井底標(biāo)高，控制沉井井壁施工高度，一次施工到位。先施工沉井剩余井壁，有利于提高沉井自重，也有利于增加混凝土強(qiáng)度，為后續(xù)配重受壓提供良好的自身?xiàng)l件。

2）場(chǎng)地平整。鋼板樁及沖孔鉆機(jī)進(jìn)場(chǎng)施工前，必須先平整場(chǎng)地，若存在淤泥地層，可采取換土回填、鋪設(shè)鋼板等方法。場(chǎng)地平整的基本要求是井壁四周可擺放3臺(tái)沖孔鉆機(jī)及1臺(tái)50 t以上的吊車。

3）測(cè)量放線。

① 根據(jù)井位形狀，由現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量員根據(jù)沉井尺寸、鋼板樁與沉井施工距離，按均勻、等距布設(shè)的要求，由3臺(tái)沖孔鉆機(jī)放出沖孔位，在對(duì)應(yīng)井頂處用紅色油漆做好標(biāo)記，保證每次沖孔定位準(zhǔn)確。

② 根據(jù)沖樁深度，在鋼絲繩上做好標(biāo)記，鉆機(jī)沖擊具體深度視施工中沉井下沉情況而定，以W19#井試點(diǎn)為例，井壁差2 m下沉到位，考慮沖樁過程中可能出現(xiàn)的局部坍孔以及泥漿沉淀對(duì)孔深產(chǎn)生的影響，沖孔深度在刃腳以下2 m再加深2 m，即共4 m（圖1）。

圖1 沖孔深度立面示意

4）沉井外施作鋼板樁圍堰。沉井外施作鋼板樁圍堰主要針對(duì)沉井下部起保護(hù)作用，可有效防止孔內(nèi)泥漿外流，防止沖擊鉆沖孔造成的坍孔現(xiàn)象，使得刃腳附近形成減阻環(huán)形泥漿槽，降低了刃腳下方反作用力和周邊摩擦阻力，解決了在深厚粉細(xì)砂層中，沉井刃腳開挖時(shí)沉井外壁砂層回流的問題，避免了水土流失造成的地面不均勻沉降，是后續(xù)沖孔助沉的一個(gè)重要技術(shù)措施。

① 施工鋼板樁前，先對(duì)材料進(jìn)行檢查、分類、編號(hào)、矯正樁體。為保證鋼板樁能垂直打入并與板樁墻面平直，先制作和安裝H型鋼圍檁，高度約為離地面50 cm，然后再用吊車將鋼板樁吊至樁位處施打。

② 打樁方法：打樁時(shí)先用吊車把鋼板樁吊起就位，讓其憑自重入土，豎起穩(wěn)定后，再用吊車吊起振動(dòng)錘并夾住鋼板樁，將樁打到要求的深度。鋼板樁施工過程中，為保證鋼板樁的垂直度，用2臺(tái)經(jīng)緯儀在2個(gè)方向加以控制。

③ 鋼板樁壓入時(shí)，應(yīng)采取措施減少施工對(duì)原有建筑物、道路、管網(wǎng)的影響。如在壓入鋼板樁前，先查明地下管網(wǎng)的情況，若遇有地下管線或泄水孔，應(yīng)跳開該處不壓鋼板樁，待開挖后，沿缺口兩邊鋼板樁外側(cè)插入鋼板擋土。打樁時(shí)應(yīng)盡量受力均勻，避免或減少對(duì)基坑兩側(cè)現(xiàn)有行車路面或人行道的破壞或擾動(dòng)。待管道每側(cè)都打了約20 m長(zhǎng)的鋼板樁時(shí)，方可進(jìn)行基坑開挖。

④ 起拔鋼板樁，必須在基坑土方回填夯實(shí)以后進(jìn)行。用吊車吊起振動(dòng)錘并夾住鋼板樁起拔。對(duì)拔樁產(chǎn)生的樁孔須及時(shí)回填中砂，并用水灌實(shí)，做到“邊振邊拔邊回填”，以減少對(duì)鄰近建筑物的影響。

5）沖孔鉆機(jī)就位。

① 根據(jù)定位點(diǎn)安排吊車吊放機(jī)架，在機(jī)架距離地面不高于1 m后，可由工人配合吊車推動(dòng)擺放機(jī)架。

② 就位安裝必須穩(wěn)固、周正、水平。

③ 立好機(jī)架后調(diào)試并安裝起吊系統(tǒng)，將沖錘吊起于定位點(diǎn)對(duì)應(yīng)的井壁內(nèi)側(cè)上方，距離井壁內(nèi)側(cè)200 mm，定位后與原定位置偏差不大于20 mm（圖2）。

圖2 鉆頭與沉井施工位置示意

6）沖擊成孔。鉆機(jī)使用樁徑1 m的沖錘，沖錘可破碎風(fēng)化巖，可有效清除刃腳障礙。沖樁時(shí)井內(nèi)泥漿循環(huán)形成減阻環(huán)形泥漿槽，既可減阻也能攜渣出井。

① 開孔：在開孔階段沖孔速度不宜太快，一般控制每小時(shí)進(jìn)尺在1 m以內(nèi)，相應(yīng)地，提錘高度要小，沖擊次數(shù)要多，這樣產(chǎn)生的沖擊力小，可使孔壁逐漸受水平力的擠壓而密實(shí)。

② 正常沖孔：此時(shí)如果沖擊過猛，進(jìn)度太快，孔壁不能較好地形成，反而會(huì)引起坍孔。所以在開孔階段要嚴(yán)格控制沖孔進(jìn)度，以利于加強(qiáng)孔壁。在已開挖深度以下1 m范圍之內(nèi)，要求盡可能把孔壁護(hù)得牢實(shí)一些，此后進(jìn)入正常沖孔，便不容易產(chǎn)生坍孔問題。經(jīng)過開孔階段之后，即開始正常沖孔，可加快沖錘速度、高度。提錘高度可增至1 m以上，泥漿相對(duì)密度相應(yīng)降低，宜控制在1.5以下。

7）成孔檢測(cè)。成孔檢測(cè)主要針對(duì)孔深。測(cè)量?jī)x器，即沖孔鉆機(jī)自身，對(duì)準(zhǔn)已沖樁孔中軸緩緩放入，當(dāng)沖錘下沉趨于平穩(wěn)，證明沖錘已至孔底，查看鋼絲繩上的標(biāo)記，判斷深度是否達(dá)標(biāo)，誤差不大于20 mm。

8）鉆機(jī)移位。使用吊車將沖孔鉆機(jī)沿逆時(shí)針移動(dòng)1 200 mm（具體距離可根據(jù)實(shí)際沖樁的擴(kuò)孔率調(diào)整），繼續(xù)循環(huán)沖孔步驟（圖3）。

圖3 沖孔鉆機(jī)成孔順序示意

9）沖孔鉆機(jī)循環(huán)施工至井內(nèi)環(huán)形成槽。沿井壁內(nèi)一圈完成沖孔，直至第一個(gè)與最后一個(gè)沖孔位相接（圖4）。

圖4 沖擊成環(huán)形槽施工示意

10）沉井外部分級(jí)配重計(jì)算。以W19#井為例，井身質(zhì)量為703.126 t，沉井下沉系數(shù)為1.05，為使井壁順利下沉，沉井外部分級(jí)配重至少92 t。

11）沉井頂部吊裝H型鋼。根據(jù)沉井尺寸及受力計(jì)算，選用4根長(zhǎng)度為12 m的700 mm×300 mm的H型鋼，在井壁上平行放置，如圖5所示。

圖5 H型鋼布置示意

12）沉井頂部吊裝混凝土配重塊。從中間往兩邊按順序均勻吊放，完成第1層堆放后，第2層采用同樣的方法均勻吊放，共加載至100 t（圖6）。

13）沉井下沉到位。沉井在配重作用下自行下沉，如果下沉停滯，可采取增加外部分級(jí)配重的措施，直至沉井井壁刃腳下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高，達(dá)到預(yù)期效果。

5 實(shí)施效益分析

1）經(jīng)濟(jì)效益分析。江高凈水廠配套主干管網(wǎng)工程、人和2號(hào)泵站（擴(kuò)建）施工（標(biāo)段一）項(xiàng)目工程采用了一種適用于深厚粉細(xì)砂層下沉停滯沉井綜合助沉施工技術(shù)，解決了沉井下沉停滯帶來(lái)的施工難題，避免了因人員及機(jī)械窩工而造成的費(fèi)用增加，縮短了施工工期，節(jié)約了管理費(fèi)用等成本。

圖6 混凝土配重塊布置示意

2）社會(huì)效益分析。深厚粉細(xì)砂層下沉停滯沉井綜合助沉施工技術(shù)，針對(duì)性地解決了深厚粉細(xì)砂層沉井下沉停滯的難題，有效提高了沉井在復(fù)雜地質(zhì)條件下的下沉效率和成功率，為沉井下沉停滯處理提供了一種新的解決方法，降低了工期風(fēng)險(xiǎn)，確保了沉井施工安全，沉井施工進(jìn)度與質(zhì)量也得到了保證。

6 結(jié)語(yǔ)

本技術(shù)研究成果綜合采用了沖孔鉆機(jī)、H型鋼和預(yù)制混凝土配重塊，以及高頻振動(dòng)錘，研究出了一種適用于深厚粉細(xì)砂層下沉停滯沉井綜合助沉施工技術(shù)。該技術(shù)適用范圍廣泛，主要應(yīng)用于沉井下沉后階段施工，有效解決了由于各種地質(zhì)問題造成的沉井下沉困難或停滯難題，可用于填土層、黏土層、粉土層、淤泥層、砂土層、碎石土層、礫卵石層、巖溶發(fā)育巖層或裂隙發(fā)育、風(fēng)化巖層等地層的沉井施工，值得推廣應(yīng)用。

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