楊 瀛

廣州市第三市政工程有限公司 廣東 廣州 510000

沉井施工是一種能避免土方大開挖的施工方法，區(qū)域限制較小。傳統(tǒng)的矩形或圓形沉井為規(guī)則形狀，在土質(zhì)基本均勻的情況下，采用抓斗挖掘井底中央部分的土，使其形成凹底，一般當(dāng)凹底比刃腳低1～1.5m時，沉井即可依靠自重下沉，且將刃腳下的土擠向中央凹底，然后再由抓斗繼續(xù)取土，重復(fù)以上工序下沉至標(biāo)高。

對于不規(guī)則形狀的沉井，無法像矩形或圓形沉井可形成規(guī)則凹底，糾偏控制極為困難，一旦開挖順序不當(dāng)，極易造成沉井傾斜，此時若進(jìn)行超挖糾偏將導(dǎo)致沉井漂移，因此其開挖取土順序至關(guān)重要，本文擬研究不同的開挖取土順序和刃腳切土對異形沉井下造成的影響，進(jìn)而分析出沉降規(guī)律，得到取土經(jīng)驗數(shù)據(jù)，供類似工程參考[1]。

1 示例工程概況

以某電力管廊項目為示例工程，其中一個頂管工作井為五邊形異形沉井，平面內(nèi)徑為12.7m×11.38m×4.52m×12.2m×8.7m，壁厚度為650mm和950mm兩段設(shè)計，基坑開挖深度約14.5m，開挖面積181.12㎡。根據(jù)地勘揭示，開挖范圍由上而下分別為素填土、可塑狀粉質(zhì)粘土(稍密狀粉土)、硬塑狀粉質(zhì)粘土、基坑底位于硬塑狀粉質(zhì)粘土。

2 異形沉井下沉取土方式

該異形沉井無論在面積還是深度上均屬于超大型沉井，如果按常規(guī)方式從中部向四周輻射開挖，在不排水下沉的施工方式下，一是中部大開挖形成的凹底土體缺失較多，土體浸泡后松散滑動形成聯(lián)動效應(yīng)，容易產(chǎn)生沉井部分區(qū)域下沉過快導(dǎo)致偏斜，給糾偏控制造成困難；二是周邊土體向中部凹底垮臺滑落形成土層位移，導(dǎo)致周邊地表沉降，隨著下沉深度增加，土壓力上升，將加劇這一過程。

為避免超挖造成周邊土體位移和不合理的開挖順序?qū)е鲁辆?，本文結(jié)合現(xiàn)場實際施工情況及施工經(jīng)驗，擬采取預(yù)留核心土分塊開挖的方式，做法如下：

1）先按一定的分塊開挖順序，開挖刃腳沉井內(nèi)側(cè)土體，形成連貫的四周凹底，見圖1所示；

圖1 先開挖外側(cè)土體形成下沉凹底

2）待形成的凹底達(dá)到一定深度，沉井切土下沉至單次控制高度后，再開挖中部預(yù)留核心土區(qū)域，見圖2所示，并重復(fù)這兩個過程。

為控制單次開挖量及開挖范圍，作為預(yù)留核心土分塊開挖方式的指導(dǎo)順序，將沉井內(nèi)部區(qū)域劃分為10個區(qū)域，預(yù)留核心土面積約40㎡，外側(cè)區(qū)域單次開挖面積控制在9～12㎡左右[2]。按分塊對稱的方式開挖，擬定的開挖順序為1～10，分為兩種：一種為先開挖角部后開挖邊部，形成下沉前的四邊支撐，見圖3；一種為先開挖邊部再開挖角部，形成下沉前的四角支撐，見圖4。

圖3 先開挖角部后開挖邊部

圖4 先開挖邊部后開挖角部

3 基于ANSYS的沉井取土穩(wěn)態(tài)分析

為研究前述兩種分塊開挖順序在沉井下沉中的偏移情況，對比沉降差優(yōu)劣，分析對下沉穩(wěn)態(tài)控制的影響，以得到理論依據(jù)，本文使用有限元分析工具ANSYS進(jìn)行模擬。

假定開挖土層為均質(zhì)土，取沉井一定范圍內(nèi)的土層以及沉井作為計算對象，沉井計算高度取至首節(jié)變截面處。沉井初始狀態(tài)為刃腳部分已切入土中，不考慮沉井自身的受力變形情況，即將沉井定義成剛性體，采用生死單元法，控制沉井跨中或角部的土單元的生死來實現(xiàn)不同的挖土施工順序。為真實的模擬土對沉井作用，計算模型中土層底部作豎向位移約束，土層周邊作水平位移約束，井內(nèi)土體按1㎡劃分[3]。

1）按圖3順序先開挖沉井角部土層，沉井結(jié)構(gòu)主體在水平方向傾斜位移1.2mm，但豎向位移偏差較大，為14.87mm，合并位移為23.90mm，表現(xiàn)為不規(guī)則五邊形尖角處發(fā)生先行下沉現(xiàn)象。沉井的整體位移和豎向位移見圖5和圖6所示。

圖5 先開挖角部沉井整體位移

圖6 先開挖角部沉井豎向位移

2）按圖4順序先開挖沉井邊部土層，沉井結(jié)構(gòu)主體在水平方向傾斜位移最大1.3mm，豎向位移偏差7.55mm，合并位移為21.93mm，表現(xiàn)為右上部先行下沉現(xiàn)象，但較先開挖角部的下沉量小。沉井的整體位移和豎向位移見圖7和圖8所示。

圖7 先開挖邊部沉井整體位移

圖8 先開挖邊部沉井豎向位移

由上述分析過程可見，第一階段先開挖沉井角部后，角部達(dá)到可切土下沉狀態(tài)，此時沉井中部土體對沉井結(jié)構(gòu)形成支撐作用，但因其作用線形成的支撐中心與沉井幾何質(zhì)心并不重合，形成蹺蹺板效應(yīng)，造成離質(zhì)心較遠(yuǎn)的沉井尖部先行下沉，比先行開挖沉井邊部的穩(wěn)態(tài)較差。因此，綜合考慮到現(xiàn)場施工及地質(zhì)條件的復(fù)雜性，宜選擇先開挖邊部后開挖角部的順序進(jìn)行開挖取土。

4 超深異形沉井下沉控制

1）開挖

根據(jù)前述工藝研究及穩(wěn)態(tài)分析結(jié)果，采取“先邊部后角部，預(yù)留核心土”的方式，使用SK350伸縮臂挖機分層分塊開挖，單次開挖深度應(yīng)控制在0.5m～1m左右，防止開挖過深周邊土體涌入，且隨著開挖深度增加，地下水位與土窩底部高差逐漸加大，滲水現(xiàn)象亦不斷加大，開挖深度應(yīng)相應(yīng)減少。

2）糾偏

沉井的下沉其速度與測量和高差測量是確保沉井平穩(wěn)下沉的關(guān)鍵之一，是沉井取土下沉順序安排，終沉標(biāo)高及軸線控制的依據(jù)，在下沉過程中，由專業(yè)測量員觀測測量。每班必須測量二至三次，在關(guān)鍵時必須連續(xù)觀測，并進(jìn)行檢查，每班必須做好測量記錄。

當(dāng)沉井離設(shè)計標(biāo)高約2m時，對下沉與控土情況應(yīng)加強觀測，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，以防超沉。當(dāng)沉井離設(shè)計標(biāo)高1m左右時，稱之為壓密階段下沉，緊密觀察24h，測算下沉趨勢并降慢下沉速度，沉井應(yīng)逐漸形成擠土下沉的情況，形成中心向四周近似梯度受力情況，使沉井安全下沉到設(shè)計標(biāo)高，達(dá)到規(guī)范規(guī)定允許范圍內(nèi)。

沉井下沉過程大多是以略微傾斜的形態(tài)下沉，但需防止大幅度的傾斜、位移、扭轉(zhuǎn)等情況，必須加強觀測，及時發(fā)現(xiàn)并及時采取措施糾正，當(dāng)傾斜角度較大時，應(yīng)采取下沉糾偏而不能采用為糾偏而糾偏的方針。

5 實施效果驗證

示例工程的頂管工作井施工工期約25天，施工中嚴(yán)格按施工方案及規(guī)范的要求的項目和頻率進(jìn)行了沉降與位移監(jiān)測，統(tǒng)計施工期間的累計沉降數(shù)據(jù)，見圖9所示。

圖9 地面累計沉降曲線

根據(jù)監(jiān)測沉降數(shù)據(jù)分析，其數(shù)值累計變化最大值為13.49mm，遠(yuǎn)低于設(shè)計控制值30mm，說明基于有限元分析的開挖取土及下沉控制技術(shù)在超深異形沉井的下沉施工中取得了良好效果，有效降低了地面沉降，提高了施工效率。

6 結(jié)語

通過使用有限元工具分析了分塊開挖和不同開挖順序?qū)Τ笮彤愋纬辆⊥料鲁吝^程的穩(wěn)態(tài)影響，篩選出了先邊部后角部、預(yù)留核心土的開挖取土方式，嚴(yán)格控制開挖順序和單次開挖量，施工過程中沉降最大值13.49mm，遠(yuǎn)低于設(shè)計值，達(dá)到了預(yù)期要求，提高了施工控制精度，保護了周邊建構(gòu)筑物。在同類型工程的實際施工中，應(yīng)具體分析異形沉井的結(jié)構(gòu)形式，結(jié)合現(xiàn)場情況及周邊環(huán)境和地質(zhì)條件，以控制沉井下沉穩(wěn)態(tài)為目的，制定針對本工程較為合理的施工方法。