陸大偉

上海建工集團股份有限公司總承包部 上海 200080

近年來，城市核心區(qū)市政工程作業(yè)環(huán)境越來越復(fù)雜，對常規(guī)的施工工藝、周邊環(huán)境保護、城市運行干擾等的要求也日益趨嚴(yán)[1]。頂管法作為一種成熟的市政工程非開挖施工技術(shù)具有環(huán)境影響小、施工占地少等優(yōu)點，近年來在城市核心區(qū)市政管線施工中得到了廣泛應(yīng)用[2]。在城市核心區(qū)施工時，由于施工作業(yè)場地受限，沉井施工因其施工作業(yè)面較小、施工環(huán)境影響小而被越來越多地應(yīng)用于頂管施工中[3]。

沉井施工常用的結(jié)構(gòu)形式有圓形混凝土沉井、鋼板樁沉井和鋼沉井等。圓形混凝土沉井施工土體阻力大、井壁存在拉裂風(fēng)險、不可周轉(zhuǎn)利用；鋼板樁沉井用鋼量大、打樁設(shè)備復(fù)雜、振動噪聲大[4-5]。以上2種沉井結(jié)構(gòu)形式在城市核心區(qū)應(yīng)用受到較多限制。

鋼沉井依靠自身質(zhì)量和外部荷載作用下沉，且鋼沉井結(jié)構(gòu)可在工廠預(yù)制、現(xiàn)場焊接，具有環(huán)境影響小、施工噪聲小、設(shè)備簡單等優(yōu)點，十分適合城市核心區(qū)施工需求。為此，本文結(jié)合具體工程需求，系統(tǒng)研究總結(jié)預(yù)制鋼沉井施工關(guān)鍵技術(shù)，可為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

商丘路頂管工作井位于上海市周家嘴路商丘路口南側(cè)，為新建路—梧州路段兩港截流總管改排服務(wù)，深12 m、內(nèi)徑6 m，采用壓沉法工藝進行下沉，下沉?xí)r底部預(yù)留高3.5 m的土塞。工作井井身由厚28 mm的Q235鋼板制成，單節(jié)高度2 m。

節(jié)段上端口采用20b槽鋼內(nèi)側(cè)抱箍加強；節(jié)段中間采用厚28 mm鋼板內(nèi)側(cè)抱箍加強；下部刃角采用Q235鋼板圈制，外包于井身，高度為1 m，底部設(shè)坡口。

頂管工作井北側(cè)有現(xiàn)狀電力220 kV超高壓排管，排管中心距離井身為7 m；西側(cè)有DN1 200雨水管，埋深約3.5 m，管中心距離井身為7.9 m；東側(cè)為自來水市北有限公司調(diào)度室1層房屋，距井身為27.3 m。施工現(xiàn)場場地狹小，不具備鋼井身現(xiàn)場加工條件。同時，周邊環(huán)境復(fù)雜，鋼沉井施工過程需要密切監(jiān)測結(jié)構(gòu)本體及周邊環(huán)境安全。

2 鋼沉井施工流程

結(jié)合工程所在具體位置、場地布置、地質(zhì)條件等因素，經(jīng)方案比選論證：鋼沉井節(jié)段在工廠內(nèi)分塊分段制作，現(xiàn)場焊接拼裝，沉井施工過程中采用自動化監(jiān)測技術(shù)確保結(jié)構(gòu)本體與周邊環(huán)境安全。

鋼沉井的總體施工工藝流程為：進場準(zhǔn)備及測量放線→開設(shè)樣溝→鋼井身場外制作及運輸→地梁施工→下節(jié)井身就位及拼裝→第1節(jié)下沉→上節(jié)拼裝→第2節(jié)下沉→封底及底板施工→旋噴洞口及后靠加固→側(cè)壁注漿加固→頂管后靠施工。

3 鋼沉井施工關(guān)鍵工藝

3.1 鋼沉井構(gòu)件加工及運輸

3.1.1 鋼沉井構(gòu)件單元劃分

由于施工現(xiàn)場場地狹小，現(xiàn)場不具備鋼沉井加工場地，因此鋼沉井結(jié)構(gòu)采用工廠分塊加工制作，現(xiàn)場拼裝焊接的施工工藝，可有效提升施工進度。鋼沉井構(gòu)件單元劃分，充分考慮中心城區(qū)道路運輸能力的限制，將高12 m的沉井結(jié)構(gòu)分為6環(huán)制作（即每環(huán)高2 m），考慮單環(huán)整體制作構(gòu)件質(zhì)量較大，吊裝及運輸受限，每環(huán)劃分為3段進行加工制作（圖1）。

圖1 工作井預(yù)制井壁分段俯視示意

3.1.2 鋼沉井構(gòu)件加工制作

為確保構(gòu)件加工制作精度，在加工廠內(nèi)搭設(shè)8 m×8 m拼裝平臺，每環(huán)加工完成后在平臺上試拼裝。預(yù)制沉井拼裝時需要觀察內(nèi)外尺寸，因此以平臺中心為圓心，采用地規(guī)在平臺上畫出φ6 000 mm及φ6 056 mm的圓，沿內(nèi)圓線在平臺上焊接9點靠山，每塊井壁板3塊，便于構(gòu)件單元吊裝就位。

考慮每環(huán)井壁構(gòu)件試拼裝的穩(wěn)定性與便利性，井壁試拼裝內(nèi)壁豎向焊縫采用連接板臨時點焊，以保證試拼裝時結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性和試拼裝后快速拆除。具體的工藝做法如下：每道焊縫采用3塊連接板，設(shè)置在每環(huán)底部向上100 mm處、中間1 000 mm處及上部向下100 mm處，焊縫預(yù)留2～3 mm；下口與平臺上圓重合，上口采用螺旋千斤頂加2 in（管徑50.8 mm）無縫鋼管撐圓，測量直徑誤差不得大于5 mm；測量合格后，加焊內(nèi)壁支撐，內(nèi)壁支撐為2道，設(shè)置在底部向上100 mm處及上部向下100 mm處；在完成待內(nèi)壁支撐焊接后，拼裝焊接加強槽鋼抱箍。豎向焊縫拼裝連接板如圖2所示。

圖2 豎向焊縫拼裝連接板示意

井壁其他結(jié)構(gòu)件焊接完成后，根據(jù)每環(huán)每片井壁編號，選用汽車運達施工現(xiàn)場，在裝車運輸過程中設(shè)置托架，以防結(jié)構(gòu)變形，施工現(xiàn)場和加工廠鋪設(shè)相同的施工平臺，井壁每環(huán)均在平臺上拼裝焊接，復(fù)測井壁直徑，補齊焊縫兩側(cè)加強板等鋼結(jié)構(gòu)，完成以上工作后方可進行整環(huán)吊裝（圖3）。

圖3 拼裝示意

3.2 基礎(chǔ)開挖與地梁施工

基礎(chǔ)開挖前在沉井四周施工影響范圍之外布設(shè)坐標(biāo)控制點和臨時水準(zhǔn)點，在沉井四周設(shè)龍門樁，作為沉井中心、混凝土圈梁和下沉定位的依據(jù)。

3.2.1 基礎(chǔ)開挖

鋼筋混凝土地梁截面尺寸為2 m（寬）×1 m（高），梁下有厚500 mm砂墊層及厚100 mm素混凝土墊層。因此，基礎(chǔ)開挖深度為1.6 m、開挖直徑為16.3 m?；硬捎?5°放坡開挖，如果現(xiàn)場不具備條件，加設(shè)高2 m井壁，以抬高壓地梁高度，配合后續(xù)沉井壓沉施工。基坑開挖完成后立即采用黃砂回填，在沉井中心位置設(shè)置由鋼筋焊制的內(nèi)徑700 mm、高600 mm的集水坑，集水坑四周及底部選用窗紗包裹2層。

3.2.2 地梁施工

1）墊層施工?；A(chǔ)開挖完成，以沉井中心為圓心，安裝內(nèi)徑6 856 mm及11 256 mm、高度100 mm的2圈墊層模板，并澆筑C15混凝土墊層，澆筑完成24 h后，測設(shè)地梁模板與反拉錨點位置，安裝固定預(yù)埋螺栓。

2）地梁鋼筋綁扎。由于地梁高度較大，鋼筋綁扎前必須先用腳手架鋼管延圈梁基礎(chǔ)搭設(shè)綁扎架，搭設(shè)間距為2 m；依次擺放底層、中層及上層鋼筋，擺放時錯開鋼筋接頭，綁扎接頭率為25%、電焊接頭率為50%，綁扎接頭長度為鋼筋直徑的40倍，電焊接頭長度為鋼筋直徑的10倍，并在上層中心鋼筋上畫出箍筋間距300 mm（下拉錨固點兩邊，至另一錨固點1/4處箍筋加密，間距150 mm）。依次穿入箍筋，穿入時注意對半錯開箍筋接口，并調(diào)整箍筋及上層鋼筋的間距，開始綁扎上層鋼筋，上層鋼筋綁扎完后放下層鋼筋，把所有箍筋調(diào)整垂直，下層鋼筋間距調(diào)勻后，開始綁鋼筋。在下層鋼筋綁扎完成后，在圈梁四周間隔2 m設(shè)一個點標(biāo)記側(cè)壁鋼筋間距。按點吊起固定、綁扎側(cè)壁鋼筋，必須先穿入橫向箍筋，橫向箍筋與側(cè)壁鋼筋一起綁扎。側(cè)壁鋼筋綁扎結(jié)束后，在圈梁四周均勻設(shè)置4個點綁扎防拐倒斜向支撐鋼筋，每點圈梁內(nèi)外側(cè)各綁扎1根，方向相對，與側(cè)壁鋼筋綁扎牢固。鋼筋綁扎結(jié)束后，在箍筋正下方間隔1 m擺放1排混凝土墊塊，每排4塊厚50 mm墊塊。然后依次拆除綁扎架，落下圈梁，必須確保箍筋放在墊塊上，圈梁兩側(cè)必須在模板線內(nèi)，并確保與兩邊模板線距離相同（圖4）。

圖4 鋼筋綁扎示意

3）模板選擇。模板選用厚10 mm鋼模板，焊接錨固鋼筋，澆筑完成后作預(yù)埋件使用，在沉井下沉?xí)r在任意位置焊接支撐，輔助沉井糾偏。豎向筋板選用45 mm×90 mm木條，間隔900 mm布置2根。橫向選用φ50 mm腳手管卷圓（內(nèi)圓半徑3 468 mm、外圓半徑5 588 mm），2圈配對、錯開接頭，共2道，設(shè)置在底部以上200、800 mm，豎向筋板與橫向腳手管交會處開孔安裝鎖緊螺栓（開孔φ18 mm，鎖緊螺栓φ16 mm）。模板安裝時應(yīng)先內(nèi)圈、后外圈，準(zhǔn)確測量螺栓孔位置，開孔安裝（圖5）。

圖5 地梁模板示意

4）混凝土澆筑。地梁澆筑C30混凝土，由于厚度較大，分2次澆筑，每次澆筑500 mm。

3.3 預(yù)制鋼沉井現(xiàn)場拼裝

預(yù)制鋼沉井在施工現(xiàn)場設(shè)置拼裝場地，焊接拼裝完成后、吊裝前，需在砂墊層上以沉井中心點為圓心，畫出沉井位置，對稱擺放8塊長2 m的道木，井外200 mm、井內(nèi)1 800 mm；為防止井壁下沉、傾斜，采用水準(zhǔn)儀對道木進行測平。為便于鋼沉井吊裝就位，在地梁4個預(yù)埋件上對稱焊接4組可調(diào)節(jié)導(dǎo)向限位的20#槽鋼。吊裝時量出等分四點吊點位置，4根等長吊具固定四點，選用50 t履帶吊起吊就位，對稱鋼絲繩夾角不得大于60°（圖6）。

圖6 現(xiàn)場拼裝示意

3.4 鋼沉井下沉控制

沉井下沉分2次進行，第1次下沉包括刃腳拼裝3環(huán)、高度6 m，其中地梁面以下1 m、以上5 m。當(dāng)?shù)?次下沉到位后再拼裝焊接剩余3環(huán)6 m。

鋼沉井下沉具體做法如下：沉井下部3環(huán)拼裝焊接完成并檢查合格，在沉井外側(cè)4個沉井下沉滑行限位上方，用經(jīng)緯儀測量放出垂直線，并沿線由下至上畫出尺寸橫線，方便在沉井下沉?xí)r直觀觀測沉井垂直度；沉井第1次下沉，首先拆除刃腳下道木，拆除方法是對稱逐步挖出道木底部黃砂，使用鋼絲繩捆綁道木內(nèi)側(cè)一頭吊起，需2根對稱同時起吊，以防沉井移位。為方便上部井壁拼裝焊接，第1次下沉高度為5 m，梁面以上留1 m。

下沉到位后，拆除壓沉油缸、壓沉梁及環(huán)形壓鐵等壓沉設(shè)備，拼裝焊接上部結(jié)構(gòu)3環(huán)6 m。沉井鋼結(jié)構(gòu)焊接完成并檢驗合格后，開始第2次下沉，與第1次沉井下沉相同，挖土配合糾偏直至下沉到位。

壓沉設(shè)備主要包括環(huán)形壓鐵、壓沉梁、壓沉油缸等，在壓沉過程中技術(shù)負責(zé)人實時觀察沉井下沉情況，四點固定尺寸及4只油缸壓力是否相同，若發(fā)生傾斜及時調(diào)整；當(dāng)沉井下沉到一定深度后，由于井壁與泥土摩擦阻力增加，油缸頂力無法滿足沉井下沉要求時，采用履帶吊抓斗挖出井內(nèi)泥土，配合油缸壓力下沉。若沉井平穩(wěn)下沉，只需從沉井中心挖土；若發(fā)生沉井傾斜，需從高的一側(cè)挖土，挖土?xí)r井口處需有專人指揮，配合沉井糾偏。同時，在井壁外側(cè)低的一面焊接臨時支撐，支在圈梁上，輔助沉井糾偏。

3.5 沉井封底與結(jié)構(gòu)底板施工

當(dāng)沉井下沉到位后（井口標(biāo)高＋3.50 m），將井內(nèi)泥土挖到設(shè)計高度，人工配合清理多余浮土，完成后預(yù)埋φ240 mm鋼管泄壓孔，及時拋厚度為300～600 mm的碎石，同時澆筑厚400 mm混凝土墊層。

沉井下沉到位后，如果井內(nèi)土體高度不夠，而井底泥土含水量較高，土質(zhì)較軟，挖土容易引起翻底，需井內(nèi)加水平衡沉井內(nèi)外壓力。水下混凝土澆筑需澆筑漏斗及管道，按照沉井深度連接漏斗及管道，由吊車吊起植入井中，觸底后抬起100～200 mm，混凝土由漏斗及管道導(dǎo)入，至井底向四周涌筑，由專人使用測量繩、多點測量混凝土表面高度，若高度不夠，吊車可輕微上下拉動漏斗（導(dǎo)管下口不可高出混凝土井底面），可使井底混凝土快速涌平，直至達到厚度要求。

壓沉設(shè)備拆除前，必須固定沉井，使用連接板等分四點，將井壁與圈梁固定焊接。以防井內(nèi)抽水因沉井自身質(zhì)量不足引起上浮。待水下混凝土澆筑7～10 d后，同期進行井壁外泥漿置換。排出工作井內(nèi)水，風(fēng)鎬鑿平水下封底混凝土，綁扎焊接封底鋼筋（在上層鋼筋綁扎時需預(yù)留集水井位置），合格完成后澆筑混凝土，振搗密實、抹平。之后，拆除壓漿管，封底壓漿孔。

3.6 鋼沉井施工自動化監(jiān)測

沉井施工過程中對結(jié)構(gòu)主體及周邊環(huán)境進行自動化監(jiān)測，建立由傳感器、采集器、無線數(shù)據(jù)傳輸終端（DTU）、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和云平臺等組成的自動化監(jiān)測系統(tǒng)。沉井結(jié)構(gòu)主體監(jiān)測內(nèi)容包括：下沉深度及井體偏移量、井身應(yīng)力、土體擾動側(cè)土壓力、下沉力、壓沉大梁內(nèi)應(yīng)力、沉井內(nèi)水位等；周邊環(huán)境監(jiān)測內(nèi)容包括：水位、地表沉降、周圍建筑物沉降等。

3.6.1 沉井主體監(jiān)測

井體偏移量及下沉深度監(jiān)測：采用井壁內(nèi)側(cè)安裝2臺雙軸傾斜儀，成90°夾角布置，可實時監(jiān)測井筒傾斜并報警，沉井下沉?xí)r可根據(jù)井壁傾斜度和傾斜方向，及時控制反力錨箱調(diào)整方向。在井壁外側(cè)靠近頂部（可在壓沉梁的底部）安裝4臺激光位移計，位于東南西北4個方向，用于實時監(jiān)控沉井下沉深度。

地梁內(nèi)應(yīng)力監(jiān)測：在地梁縱斷面安裝上下2臺埋入式應(yīng)變計，受力壓沉?xí)r可實時監(jiān)測彎曲應(yīng)力并報警。

井身應(yīng)力監(jiān)測：井壁內(nèi)側(cè)橫斷面安裝4組鋼板計（互成90°），每組縱向橫向各1臺，井壁深度方向共設(shè)2個斷面，按照下沉拼裝順序，分別布設(shè)在2環(huán)、4環(huán)中間位置。

土體擾動側(cè)土壓力監(jiān)測：井壁外側(cè)橫斷面安裝4臺土壓力計，在第2、第4節(jié)中間位置各設(shè)置1個斷面。

3.6.2 沉井周邊土體監(jiān)測布置

地下水位采用滲壓計實時監(jiān)測，通過在土體測斜孔內(nèi)安裝固定式測斜儀監(jiān)測周邊土體深層水平位移，采用靜力水準(zhǔn)儀，在遠端相對穩(wěn)定處布置基準(zhǔn)點監(jiān)測周邊土體地表沉降，采用多點位移計監(jiān)測周邊土體分層沉降。

4 結(jié)語

結(jié)合城市核心區(qū)市政工程管線改遷、新建等施工面臨的施工作業(yè)場地受限、施工作業(yè)面較小、施工環(huán)境影響小等要求，依托具體工程實踐，綜合考慮工程位置、場地布置、地質(zhì)環(huán)境等條件，系統(tǒng)研究了預(yù)制鋼沉井工廠內(nèi)分塊分段制作、現(xiàn)場焊接拼裝下沉關(guān)鍵施工技術(shù)，并建立了沉井施工過程自動化監(jiān)測體系，有效確保了施工過程中結(jié)構(gòu)本體與周邊環(huán)境安全，為后續(xù)類似工程的施工提供了參考經(jīng)驗。