楊子松 王海俊 姚人杰 張哲彬 尤士杰

上海市基礎(chǔ)工程集團有限公司 上海 200433

市政管網(wǎng)更新或翻排時，往往需新建一些小型基坑，用作頂管施工的工作井。通常這類基坑不深，面積也不大，但設(shè)計要件并不會因規(guī)模小而減少。在蘇浙滬等軟土及地下水豐富地區(qū)，此類小型基坑也得設(shè)置支擋和止水結(jié)構(gòu)，各類工序都必不可少，也會有基坑開挖帶來的土體變形等弊端。這類問題已有較多論述，不再說明。尤其在城區(qū)，通常的基坑工程將對周邊管線、交通及環(huán)境帶來影響，有時連作業(yè)場地都受到較大影響。如何在核心城區(qū)快速、綠色地建造此類小型頂管工作井是一個現(xiàn)實的課題。

沉井是一個可選方案[1]，對于在核心城區(qū)這一施工邊界，混凝土現(xiàn)澆沉井分節(jié)現(xiàn)澆、養(yǎng)護、下沉，工期較長，對周邊環(huán)境壓力較大，并不適用。為解決現(xiàn)場現(xiàn)澆工期較長的問題，實踐中已經(jīng)出現(xiàn)預(yù)制裝配式沉井。比如整環(huán)預(yù)制并在環(huán)間設(shè)置預(yù)應(yīng)力連接的混凝土沉井[2]，或豎向整片預(yù)制并在片間設(shè)置連接的混凝土沉井[3]。進一步，不僅環(huán)與環(huán)、片與片之間預(yù)制拼裝，整體分片拼裝的混凝土沉井也已有工程實例[4]。另外，為了進一步優(yōu)化井身受力，減少井身尺寸，可以將鋼筋混凝土預(yù)制件優(yōu)化為鋼-混凝土預(yù)制件[5]。以上裝配式沉井解決了現(xiàn)場施工工期或場地的問題，但不能有效地解決沉井下沉對周邊環(huán)境的影響，特別是周邊存在敏感管線時。壓入法沉井[6]可以輔助沉井下沉并控制井身垂直度，進而減少對周邊環(huán)境的影響。

為解決城區(qū)沉井現(xiàn)場實施工期、場地及環(huán)境影響的限制，本文將介紹一種新的小型工作井建造工藝，利用壓入法將鋼板預(yù)制件形成的分節(jié)井身快速壓入，以形成受力和止水構(gòu)造。

1 壓入法鋼殼沉井工藝

為減少沉井下沉對周邊環(huán)境的影響，井身尺寸要足夠小，所以選擇鋼板做井身。為了保證基坑整體穩(wěn)定，井身做成圓形以充分發(fā)揮拱效應(yīng)。為方便運輸及現(xiàn)場堆放，圓形鋼井身可以分節(jié)、分片，環(huán)及片間直接焊接以形成整體。為保證井身下沉的垂直度，選擇用壓入法下壓。鋼殼沉井下沉到位后，是否封底、如何取土等都是通常沉井施工的內(nèi)容，可根據(jù)水文地質(zhì)條件選用，不在本文討論之列?？傮w工藝為：場外加工及場內(nèi)準(zhǔn)備→單環(huán)現(xiàn)場拼裝成整體→第1環(huán)就位→依次進行前i環(huán)拼裝→安裝下壓系統(tǒng)，前i環(huán)下壓→拆除下壓系統(tǒng)，將第i＋1環(huán)與第i環(huán)進行拼裝→依次進行前i＋j環(huán)拼裝→重新安裝下壓系統(tǒng)，前i＋j環(huán)下壓→重復(fù)上述過程，至鋼井身全部下壓入土。

施工中各類處置方式可視具體情況來決定。分節(jié)高度和一環(huán)分片數(shù)量可以根據(jù)運輸及現(xiàn)場堆放場地確定；下沉中可根據(jù)下壓力考慮注入減摩泥漿等措施；降水方案及鋼殼沉井底部是否用注漿封底可根據(jù)水文地質(zhì)條件確定。另外，根據(jù)鋼殼沉井是否作為永久結(jié)構(gòu)的一部分，可采用隨挖隨撐或結(jié)構(gòu)逆筑、順筑的方案。此類問題不再贅述。

從以上工藝流程中看，相對于常用的灌注樁＋止水帷幕基坑，壓入法鋼殼沉井優(yōu)勢明顯。首先，現(xiàn)場作業(yè)時間大大縮短；其次，現(xiàn)場不需要三軸攪拌樁等大型設(shè)備，作業(yè)場地??；再者，總造價減少，一層鋼殼既能形成止水能力，也能與支撐一起形成穩(wěn)定的基坑圍護。這對核心城區(qū)基坑施工有著明顯社會和經(jīng)濟價值。工藝在實踐中還需驗證：整個體系能否在開挖之后保持受力穩(wěn)定，周邊土體變形能否控制在可承受的范圍內(nèi)？

2 沉鋼殼井設(shè)計及計算

從鋼殼下壓過程來看，這是一個沉井工程。從所處的環(huán)境看，這又發(fā)揮著基坑工程的作用。從沉井角度看，薄壁鋼殼與混凝土厚壁沉井有較大區(qū)別。從基坑角度看，平面整體圓形基坑與通常的平面矩形基坑單位寬度驗算也有著不同。GB 51130—2016《沉井與氣壓沉箱施工規(guī)范》（規(guī)范1）、CECS 137—2015《給水排水工程鋼筋混凝土沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》（規(guī)范2）、JGJ 120—2012《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》（規(guī)范3）中相關(guān)驗算內(nèi)容及對策如表1所示，“√”代表需驗算，“—”代表不需驗算。

表1 鋼殼沉井設(shè)計及驗算內(nèi)容

從表1可知，考慮鋼殼沉井的特殊性，應(yīng)重點考慮井身強度和剛度。從基坑工程角度看，沉井的插入比相對較小，滲流穩(wěn)定性、基坑土體隆起、圍護整體傾覆穩(wěn)定性的安全系數(shù)較小甚至不合格，需采取施工措施來滿足。對于滲流穩(wěn)定性，可考慮在施工期間安排降水；對傾覆穩(wěn)定性的計算，要認(rèn)識到，基坑工程中是以圍護單位寬度作計算單元來計算，要在插入比較小的情況下考慮傾覆性問題，可考慮鋼殼沉井整體圓形井身對安全系數(shù)的提高；對于坑底隆起穩(wěn)定性，如果插入比較小，原則上可考慮水下開挖并封底，但此方法將極大地限制工藝使用范圍。驗算中可考慮壓入法下沉所形成的土塞對坑底隆起安全性的提高，當(dāng)然土塞效應(yīng)還有很多參數(shù)需要進一步明確，實際應(yīng)用中還是通過限制沉井平面尺寸來保證坑底隆起安全性。

3 工程應(yīng)用

上海主干道周家嘴路梧州路—新建路段兩港截留總管改排，主線采用頂管法，設(shè)頂管始發(fā)井1座，內(nèi)凈徑8 000 mm，設(shè)頂管接收井2座，內(nèi)凈尺寸為5 000 mm×8 000 mm。工作井均采用鉆孔灌注樁＋止水帷幕的圍護。其中始發(fā)井位于商丘路上，采用φ600 mm灌注樁＋φ800 mm@500 mm雙排高壓旋噴樁，設(shè)2道鋼筋混凝土支撐，基坑深8.5 m，坑底設(shè)厚3 m滿堂坑底加固。場地周邊地上、地下管線復(fù)雜，交通改排困難且對時長有較高限制。基于作業(yè)環(huán)境，設(shè)計了壓入法鋼殼沉井工藝，將大部分的工作放在場外。

地質(zhì)為上海地區(qū)典型軟土，沉井影響范圍內(nèi)的土層主要包括：①1填土、②1粉質(zhì)黏土、③1淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、③t黏質(zhì)粉土夾淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、③淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、④淤泥質(zhì)黏土、⑤黏土。地下水位在地表下3 m。通過試算，鋼殼采用Q235鋼，沉井內(nèi)徑為6 m，外徑6.056 m，壁厚28 mm。井體結(jié)構(gòu)高度12 m，刃腳高3.5 m，井身分6節(jié)，每節(jié)2 m，每節(jié)分3段以便運輸。

計算采用Midas/Civil 2017軟件建立整體模型進行計算。側(cè)壁面板、加勁板、鋼護筒采用板單元模擬，沉井鋼套箱入土部分，土與井壁接觸處考慮土彈簧約束連接。沉井鋼套箱下沉到位，套箱在自重、靜水壓力、土壓力作用下，為最不利工況。以水、土壓力荷載作用于鋼套箱上。鋼套箱結(jié)構(gòu)為圓形，結(jié)構(gòu)驗算時，考慮等壓荷載和50%偏壓荷載作用這2種不利工況。計算結(jié)果顯示，下沉系數(shù)無法滿足要求，需采取助沉措施。

需要說明的是，此鋼殼沉井基坑不滿足DG/T J08-61—2010《基坑工程技術(shù)規(guī)范》抗隆起穩(wěn)定驗算6.3條?？紤]到一般基坑工程基底暴露時間相對較長，而此工程面積小且基底暴露時間短，實施中是直接開挖到基底然后使用混凝土迅速封底。

根據(jù)計算結(jié)果，設(shè)置配重，在地面設(shè)置2 000 mm×1 000 mm環(huán)梁鋼筋混凝土反力梁，梁內(nèi)預(yù)埋埋件，用以安裝錨具。鋼殼頂部放置壓梁，壓梁為雙拼H700 mm×300 mm型鋼焊接體。通過4個穿心千斤頂提供下壓力。

鋼殼分2次下壓，每次3節(jié)共6 m，每3節(jié)現(xiàn)場焊接并下壓1次。鋼殼就位前，地面先下挖2 m，以清除表層障礙物。第1次下沉耗時205 min，行程2 361 mm，速度約為11.5 mm/min。第1次下壓到位后，拆除反力系統(tǒng)，然后焊接上部3節(jié)鋼殼并再次安裝反力系統(tǒng)進行第2次下沉。第2次下沉耗時320 min，行程5 448 mm，速度約為17 mm/min。

第1次下壓鋼殼摩擦力平均62 kN/m2，第2次下壓采用減摩泥漿后鋼殼摩擦力可減少到6 kN/m2。

4 施工監(jiān)測

壓沉期間進行了自動化監(jiān)測，監(jiān)測設(shè)備布置如圖1所示。因監(jiān)測數(shù)據(jù)較多，對重要監(jiān)測數(shù)據(jù)闡述如下。

圖1 沉井主體監(jiān)測布置示意

周邊土體分層沉降采用多點位移計監(jiān)測，設(shè)2孔，孔深12 m，每孔測量地表下3、6、9、12 m累計沉降量。其中，1孔的數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 土體分層沉降

從圖2可知，土體沉降總體量級很??；3 m深度處受地表施工活動影響，規(guī)律性較差；6、9、12 m處量級都未超過1 mm且變化趨勢趨同；在下壓的1月2日及1月11日，土體呈上臺趨勢，隨后都有不同程度的回落。另外，地面也安排了靜力水準(zhǔn)監(jiān)測，但測量值最大也僅僅為0.05 mm，與儀器誤差量同量級，只能說明變化量微乎其微，故不列此檢測值。在土體中靠近鋼殼處埋設(shè)了2個軸的土壓力盒，埋深為3、6、9、12 m，數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 土壓力

從圖3可知，3 m深處土壓力受地表施工影響顯著，a軸3 m處數(shù)據(jù)規(guī)律性較差；下壓過程中土壓力都有顯著上升，土層越深上升幅度越大，12 m埋深處觀察到約3.5倍上升，但隨后都有回落的趨勢；鋼殼下切亦能導(dǎo)致土壓力提高，2軸在第2次下壓過程中不同標(biāo)高處都表現(xiàn)為土壓力劇增，但下壓向下影響的范圍似有限，在a軸，第1次下壓中9 m并沒有發(fā)生6 m處壓力增加的現(xiàn)象。

圖4是2個水位觀察孔水位變化情況，由圖4可知，下壓會導(dǎo)致周邊孔壓增高，導(dǎo)致水位孔水位增加。增加量需要2～5 d才能消散完成。水壓增加量相對土壓增加量小得多，按照水位最大增加280 mm計算，也僅為28 kPa。

圖4 鋼殼邊水位變化

圖5是1個孔中深層土體水平位移值，可知水平位移值很小，最大也僅達1.3 mm，位移較大值集中在6～9 m區(qū)域。不過因鋼殼開挖前外側(cè)需實施頂管洞口加固，開挖期間內(nèi)未能持續(xù)監(jiān)測到數(shù)據(jù)。不過從感官可知，沉井基坑無較大變形，地面無開裂。

圖5 深層土體水平位移

實施中還安排測量壓梁及鋼殼應(yīng)力，都遠未超過允許值，在此不再贅述。

5 結(jié)語

1）可通過其他方式提供下壓力，比如通過可能設(shè)置的永久抗拔樁作為錨樁來提供下壓力，或者采用振動法振動下沉。

2）驗算中要注意，鋼殼較輕，下沉系數(shù)較小。另外，從基坑角度看，鋼殼沉井插入比小，滲流穩(wěn)定性、傾覆穩(wěn)定性、坑底隆起穩(wěn)定性的安全系數(shù)較小，要注意各類施工措施的配備。比如采用降水來提高抗?jié)B流穩(wěn)定性，通過提高圓形沉井整體的強度及剛度來提高抗傾覆穩(wěn)定性，通過沉井刃角分倉或限制沉井整體平面尺寸來提高坑底抗隆起穩(wěn)定性。

3）通過監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，鋼殼沉井下沉期間完全能保證周邊土體及環(huán)境的安全，相較井壁較厚的混凝土沉井，鋼殼沉井有著無可比擬的優(yōu)勢。后期開挖也取得成功。若要提高開挖期間安全性，可考慮逆作法的工藝。