歐松松，袁 杰

（珠海市規(guī)劃設(shè)計研究院，廣東 珠海 519000）

1 工程概述

1.1 工程概況

斗門區(qū)井岸城區(qū)生活污水處理廠提標擴容工程項目占地面積37 663 m2，首期污水廠現(xiàn)狀規(guī)模為3.5 m3/d，本次提標擴建規(guī)模為4.5萬m3/d。廠址位于珠海市斗門區(qū)珠峰大道南側(cè)，華發(fā)水郡小區(qū)東側(cè)，世榮作品一號小區(qū)南側(cè)，緊鄰醒獅涌東岸及黃楊河。其中，高效沉淀池（圖1）大型沉井平面尺寸為30.9 m×29.4 m，沉井基坑深度約為11.3 m，地面標高為＋4.1 m，沉井刃腳底標高－6.0 m，沉井共分兩次下沉，初次下沉5.0 m，二次下沉5.1 m，結(jié)構(gòu)側(cè)壁厚0.9 m。沉井下沉方式采用帶水下沉施工工藝。

圖1 高效沉淀池沉井現(xiàn)場平面圖

本工程原設(shè)計高效沉淀池基坑采用排樁支護方案為“D800灌注樁+坑內(nèi)大直徑水泥攪拌樁加固”，排樁外側(cè)止水帷幕采用連續(xù)咬合的D600水泥攪拌樁，現(xiàn)場已施工完成D800灌注樁和外側(cè)止水帷幕樁。后考慮到新冠肺炎疫情的影響，工期滯后兩個月，導(dǎo)致施工期處于汛期，且施工場地臨近黃楊河，易遭遇雨季強臺風(fēng)，高潮位時存在河水倒灌入基坑的風(fēng)險。同時基坑支護的內(nèi)支撐一定程度會影響坑內(nèi)土方開挖和主體結(jié)構(gòu)支模澆筑的施工進度。施工方對類似規(guī)模沉井工藝經(jīng)驗較豐富，且先后已完建多座沉井。經(jīng)專家論證綜合評估后對本項目高效沉淀池基坑設(shè)計方案由“排樁支護”變更為“沉井施工”。

1.2 水文地質(zhì)概況

依據(jù)本項目地勘報告，擬建場地原始地貌單元屬濱海灘涂地貌，后經(jīng)人工填平。現(xiàn)場地為污水處理廠用地，場內(nèi)分布有現(xiàn)狀建筑物（正常運營）、綠植及廠內(nèi)道路，擬擴建的污水處理廠東北面為施工道路，西南面為雞啼門海域，東南面為艾美酒店施工工地，場地整體地勢平坦。

高效沉淀池沉井處地質(zhì)土層自上而下依次為①素填土（黃褐、灰色，結(jié)構(gòu)松散，密實度不均勻，未完成自重固結(jié)，層厚4.5 m）；②淤泥（灰、深灰色，含少量砂，飽和，流塑狀，層厚30.0 m）；③2淤泥質(zhì)粘土（灰、深灰色，含有機質(zhì)，呈飽和，軟塑狀態(tài)，層厚8.3 m）；⑤1全風(fēng)化花崗巖（為極軟巖，巖石基本質(zhì)量等級Ⅴ級，巖體極破碎，層厚1.9 m）、⑤2中風(fēng)化花崗巖（灰白色～青灰色，中粗粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，屬堅硬巖，巖石質(zhì)量等級Ⅳ～Ⅲ級，層厚2.5 m），沉井設(shè)計刃腳底標高位于②淤泥層中，地基土承載力特征值fak=40 kPa。

1.3 沉井周邊環(huán)境概況

沉井基坑周邊環(huán)境復(fù)雜，1~2倍基坑影響范圍內(nèi)均為現(xiàn)狀建（構(gòu)）筑物，距離北側(cè)現(xiàn)狀CAST生化池約14.9 m，距離西側(cè)距離現(xiàn)狀宿舍約7.2 m，東側(cè)距離現(xiàn)狀污泥脫水間約9.2 m。因本次提標擴建施工過程，需保證首期污水廠現(xiàn)狀建筑單體正常運行不能中斷，因此高效沉淀池沉井施工過程中需加強對現(xiàn)狀建筑的保護和監(jiān)測措施，避免對其造成破壞，影響污水處理廠的正常運行。

2 工程設(shè)計與施工難點分析

高效沉淀池沉井基坑周邊環(huán)境復(fù)雜，場地淤泥和淤泥質(zhì)土層平均厚度約40 m。如何解決沉井主體結(jié)構(gòu)地基承載力和工后沉降問題；確保沉井能順利下沉不出現(xiàn)超沉、突沉、傾斜及鄰近建筑物開裂等問題；減小對周邊環(huán)境的影響和軟土層的擾動；成為了本次沉井基坑設(shè)計施工的重點和難點，以下為設(shè)計與施工難點分析。

2.1 沉井下沉安全系數(shù)驗算

沉井下沉自上而下依次開挖的土層為素填土和淤泥，沉井刃腳底位于淤泥層中，淤泥呈飽和，軟塑狀態(tài)，地基承載力特征值fak=40 kPa不滿足沉井的地基承載力要求，易導(dǎo)致沉井出現(xiàn)超沉、突沉、傾斜等問題，為解決上述問題，以下需結(jié)合井壁與各土層的摩阻力和地層對刃腳的反力，對沉井下沉系數(shù)和下沉穩(wěn)定性進行驗算分析。

沉井下沉系數(shù)驗算公式為Kst=（Gik-Ffw.k）/Ffk，

式中，Kst為下沉系數(shù)，規(guī)范取值應(yīng)≥1.05；Gik為沉井自重標準值（包括外加助沉重量的標準值，單位kN）；Ffw.k為下沉過程中水的浮托力標準值（kN）；Ffk為井壁總摩阻力標準值（kN），各工況下沉系數(shù)驗算結(jié)果見表1。

表1 下沉系數(shù)驗算結(jié)果

沉井下沉穩(wěn)定系數(shù)驗算公式為

式中，Kst.s為下沉穩(wěn)定系數(shù)，規(guī)范取值應(yīng)為0.8~0.9；Gik為沉井自重標準值（包括外加助沉重量的標準值，單位kN）；F'fw.k為驗算狀態(tài)下水的浮托力標準值（kN）；F'fw為驗算狀態(tài)下井壁總摩阻力標準值（kN），Rb為沉井刃腳、隔墻和底梁下地基土的極限承載力之和（kN）。各工況下沉穩(wěn)定性系數(shù)驗算結(jié)果見表2。

表2 下沉穩(wěn)定性系數(shù)驗算結(jié)果

2.1 沉井樁基礎(chǔ)設(shè)計

因場地的素填土還未完成固結(jié)，且淤泥和淤泥質(zhì)土層很厚，現(xiàn)場首期廠的建筑單體與場地的差異沉降較大，出現(xiàn)各建筑門口臺梯與地表脫離現(xiàn)象。為減小高效沉淀池主體結(jié)構(gòu)的工后沉降，本次沉井“樁基礎(chǔ)”設(shè)計選用的是承載能力強的PHC-500AB-125管樁基礎(chǔ)，樁底持力層入風(fēng)化巖?？紤]到沉井制作前先行打設(shè)管樁，在后期沉井下沉過程中，沉井外圍一定范圍及深度內(nèi)的土體從刃腳底涌入井內(nèi)，會使井內(nèi)樁基礎(chǔ)發(fā)生水平位移、傾斜或斷樁等問題，且影響沉井內(nèi)的機械取土和延緩工期進度。故樁基礎(chǔ)設(shè)計與施工也是深厚軟土區(qū)域大型沉井的一個難點問題。

2.2 沉井結(jié)構(gòu)計算模型分析

沉井下沉是動態(tài)的過程，結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析需考慮各工況下的最不利受力模式，本次對高效沉淀池沉井結(jié)構(gòu)先采用“理正結(jié)構(gòu)”計算模擬沉井各下沉工況的動態(tài)受力模式，再用“YJK有限元整體模擬”校核受力模式。通過對沉井后期使用與施工動態(tài)下沉過程各種不利工況的驗算，確定外壁厚為900 mm，內(nèi)壁厚600 mm，整體劃分為兩節(jié)帶水下沉，第一節(jié)5.0 m（包括刃腳），第二節(jié)5.1 m。為確保沉井兩邊側(cè)壁承受土壓平衡，底板荷載與側(cè)壁有較好傳力，需在沉井內(nèi)部大格間區(qū)域設(shè)置3道臨時隔墻，以平均格間距保證傳力模式合理和清晰，最終將沉井內(nèi)部劃分為16個格間以增加整體剛度，底板與內(nèi)部小墻肢預(yù)留鋼筋后澆。

3 解決方案及關(guān)鍵技術(shù)

3.1 軟土地基加固處理

由表1分析可得，在軟土地區(qū)沉井下沉系數(shù)較大，高效沉淀池沉井刃腳底處于飽和，軟塑狀態(tài)淤泥層中，軟土地基承載力和對井壁的側(cè)摩阻力均較小，實際施工可能會出現(xiàn)“突層、超沉”等問題，為避免上述問題出現(xiàn)，設(shè)計采用對沉井刃腳部位采用“石灰樁或水泥攪拌樁加固軟土的處理措施，能有效提高軟土的地基承載力，確保沉井下沉平穩(wěn)不出現(xiàn)超沉和突沉問題。

由表2中工況3和工況4分析可得，在標高-5 m至-6.7 m下沉段，淤泥未做加固處理時，扣除浮力的沉井自重與側(cè)壁摩阻力和刃腳下地基承載力之和的比值Kst.s=1.95~2.42，與規(guī)范要求的下沉穩(wěn)定性安全系數(shù)差別較大，故該段深度范圍需采用石灰樁或水泥攪拌樁地基處理對淤泥層進行加固處理，提升軟土對沉井的側(cè)壁摩阻力和刃腳下地基承載力。其余工況與規(guī)范要求安全系數(shù)較接近，只需現(xiàn)場施工通過動態(tài)監(jiān)測來調(diào)整井內(nèi)開挖土方量即可解決。此外，沉井施工前施工方需編制沉井專項施工方案和應(yīng)急預(yù)案，并組織施工方案的專項評審。

3.2 周邊現(xiàn)狀建（構(gòu)）筑物保護措施

針對沉井基坑四周均為現(xiàn)狀建（構(gòu)）筑物，距離最近現(xiàn)狀宿舍約7.2 m，處于軟土地區(qū)基坑影響范圍1~2倍基坑挖深內(nèi)，基坑開挖對周邊的影響較大。為確保施工期間各現(xiàn)狀建筑單體仍處于正常運行狀態(tài)，避免對其造成破壞，本次沉井施工采用帶水開挖下沉工藝，沉井外側(cè)已完建的“D800灌注樁+連續(xù)咬合水泥攪拌樁止水帷幕樁”作為隔離保護樁墻，可以很好地起到對周邊現(xiàn)狀建筑物的保護，此外，通過加強現(xiàn)狀建筑和周邊沉降的監(jiān)測，做到提前預(yù)警來保證施工安全。

3.3 樁基礎(chǔ)施工方案

為解決先施工“管樁基礎(chǔ)”，在施工沉井時，會導(dǎo)致沉井外圍一定范圍及深度內(nèi)的土體從刃腳底涌入井內(nèi)，使井內(nèi)樁基礎(chǔ)發(fā)生水平位移、傾斜或斷樁等問題，且影響沉井內(nèi)的機械取土和延緩工期進度。經(jīng)驗算發(fā)現(xiàn)將“最大錘擊力與錘擊樁機械荷載之和”與“沉井側(cè)壁摩阻力與刃腳處承載力之和”的比值較小，結(jié)合以往成功案列，本次決定采用“先施工沉井，再沉井頂架設(shè)鋼梁作為打樁平臺，將錘擊樁機械騎立鋼梁上施工樁基礎(chǔ)”的方案，如圖2所示。最終通過現(xiàn)場沉井姿態(tài)監(jiān)測和周邊建筑監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，打樁效果較好，沉井打樁發(fā)生的二次沉降值小于預(yù)留沉降值，滿足設(shè)計標高要求。后期設(shè)計通過加強沉井底板結(jié)構(gòu)配筋和封底混凝土共同受力，將上部荷載傳遞至樁基礎(chǔ)，很好地解決了工后沉降的問題。

圖2 高效沉淀池沉井施工圖

4 沉降監(jiān)測及結(jié)果

高效沉淀池沉井于2020年6月開始入場進行第三方監(jiān)測，直至沉井下沉到設(shè)計標高并完成封底。為確保沉井基坑周邊現(xiàn)狀建筑物的安全，監(jiān)測人員對周邊的現(xiàn)狀脫泥機房、現(xiàn)狀CAST生化池、現(xiàn)狀宿舍樓均布置了監(jiān)測點，本次對現(xiàn)狀建筑監(jiān)測內(nèi)容為“建筑的沉降、水平位移”，如圖3所示。沉井的糾偏姿態(tài)監(jiān)測由施工單位自行監(jiān)測。建筑沉降監(jiān)測累計允許值為20 mm，水平位移累計允許值為15 mm，并設(shè)定預(yù)警值為3 mm/d。

圖3 沉降位移監(jiān)測點布置圖

通過監(jiān)測報告數(shù)據(jù)分析，本次各現(xiàn)狀建筑的沉降監(jiān)測點中，如圖4所示“CJ9號點位”日單次最大沉降量為6.4 mm，“CJ9號點位”累計最大沉降量為8.2 mm。各現(xiàn)狀建筑水平位移監(jiān)測點如圖5所示，“WY7號點位”日單次最大水平位移量為0.7 mm，“WY3號點位”累計最大水平位移量為1.6 mm。依據(jù)GB 50497—2019《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)標準》規(guī)范，本次的建筑沉降監(jiān)測點“CJ9號點位”日最大沉降量為6.4 mm/d＞3 mm/d（預(yù)警值）。后經(jīng)現(xiàn)場踏勘分析發(fā)現(xiàn)是基坑周邊堆載土方荷載較大和重型施工機械導(dǎo)致的本次最大沉降量超出預(yù)警值。隨后將荷載卸除和嚴禁重型施工機械通行，最后順利完成了本次的封底驗收。

圖4 沉降觀測點-時間關(guān)系曲線圖

圖5 位移觀測點-時間關(guān)系曲線圖

5 結(jié)束語

本工程通過高效沉淀池大型沉井在深厚軟土及復(fù)雜環(huán)境工況下的成功應(yīng)用，得出如下幾條結(jié)論：

（1）在深厚軟土地區(qū)采用“石灰樁或水泥攪拌樁加固軟土”的處理措施，能有效提高軟土的地基承載力，確保沉井平穩(wěn)下沉不出現(xiàn)“超沉、突沉”等問題。

（2）在上部附加荷載驗算滿足的情況下，可采用“先施工沉井，后施工樁基礎(chǔ)”，能避免井內(nèi)樁基礎(chǔ)發(fā)生水平位移、傾斜或斷樁等問題。

（3）在周邊環(huán)境復(fù)雜情況下，建議沉井采用“設(shè)隔離保護樁墻+帶水下沉工藝”，能減少周邊現(xiàn)狀建筑的沉降和變形。

（4）采用“YJK有限元整體模擬”和“理正結(jié)構(gòu)”動態(tài)模擬均難準確模擬沉井實際的受力狀態(tài)，“理正結(jié)構(gòu)”計算模型相對更加吻合實際施工工況。