蔣禮兵，張杰，尹躍國，印帥，甄亮

（1.鎮(zhèn)江市給排水管理處，江蘇 鎮(zhèn)江 212000;2.中鐵上海工程局集團(tuán)有限公司，上海 200436;3.上海隧道工程有限公司，上海 200032）

沉井法施工指首先在現(xiàn)場預(yù)制混凝土或鋼結(jié)構(gòu)桶狀井體，然后在井內(nèi)進(jìn)行取土，結(jié)構(gòu)依靠自重下沉并達(dá)到設(shè)計(jì)施工目的。因具有結(jié)構(gòu)整體性強(qiáng)、剛度大、承載能力高、抗震性能好、抵抗不均勻沉降好和空間利用率高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程中[1-4]。雖然沉井法在埋深較大的工程應(yīng)用中表現(xiàn)突出，但是也存在著較高的風(fēng)險(xiǎn)和技術(shù)挑戰(zhàn)，主要風(fēng)險(xiǎn)來源是沉井制作及下沉過程控制措施是否合理可靠和施工擾動(dòng)對周邊環(huán)境造成的不利影響。沉井結(jié)構(gòu)制作過程涉及場地地基承載力是否滿足結(jié)構(gòu)制作要求、接高穩(wěn)定系數(shù)和沉井下沉系數(shù)是否達(dá)到施工安全要求[5]。下沉過程涉及結(jié)構(gòu)幾何姿態(tài)控制、沉井下沉速度和對周邊環(huán)境影響[6-9]。

尤其對于存在深厚軟弱地層、不同地層滲透特性差異大等沿江（湖）環(huán)境下的超深大直徑工作井施工，因施工控制不到位易發(fā)生結(jié)構(gòu)突沉、傾斜、過沉等風(fēng)險(xiǎn)事故，并對周邊環(huán)境造成較大影響。比如因超深大直徑沉井體積大導(dǎo)致下沉阻力大，因難沉、突沉引起結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中造成結(jié)構(gòu)破壞，因施工質(zhì)量控制不到位造成結(jié)構(gòu)內(nèi)力和施工難度增加，因沉井側(cè)摩阻力和井底取土產(chǎn)生的應(yīng)力變化導(dǎo)致井外土體發(fā)生擾動(dòng)變形。針對深厚軟土層地質(zhì)條件，如何保證超深大直徑沉井施工平穩(wěn)可控和降低對周邊環(huán)境影響等技術(shù)難題值得深入研究。

1 工程背景

海綿城市建設(shè)綜合達(dá)標(biāo)工程項(xiàng)目－沿金山湖CSO溢流污染綜合治理大口徑頂管工程位于鎮(zhèn)江市金山湖畔，該工程服務(wù)于運(yùn)糧河片區(qū)、古運(yùn)河片區(qū)、解放路片區(qū)、綠竹巷片區(qū)和江濱新村片區(qū)共五大片區(qū)，服務(wù)面積約8.75 平方公里。該項(xiàng)目可以大幅削減金山湖流域各主要污染物，使試點(diǎn)區(qū)徑流污染削減率達(dá)到72.81%。起點(diǎn)位于金山湖與運(yùn)糧河交匯河口處Y-1 江南泵站節(jié)點(diǎn)豎井，在金山湖水下，沿長江路先自西向東近岸敷設(shè)，然后向北穿金山湖到征潤州污水處理廠西側(cè)的末端泵站，最后過京江路至長江江邊灘涂，終點(diǎn)為Y-8 末端排放井節(jié)點(diǎn)，先后經(jīng)過8 座節(jié)點(diǎn)豎井，全程采用水下曲線頂管施工方式。

本工程中的頂管管道口徑DN4000，壁厚320mm，全長6436m，最大埋深30m，單程頂距最長1336m，是目前國內(nèi)最大內(nèi)徑最長頂距的混凝土頂管工程。本工程沉井具有體積大、自重重、埋深深等特點(diǎn)，最大外徑18.6m，最大制作高度31.28m，最大自重30007T，最大下沉深度32.0m，且多個(gè)沉井場地周圍存在敏感建筑物，下沉控制要求高。

2 節(jié)段式沉井壓沉施工技術(shù)

考慮本工程中的沉井結(jié)構(gòu)自重較大，若采用傳統(tǒng)的整體預(yù)制下沉法，易發(fā)生結(jié)構(gòu)突沉、傾斜、過沉等風(fēng)險(xiǎn)事故。因此，本工程提出了節(jié)段式沉井壓沉施工技術(shù)。如圖1，制作沉井時(shí)，先制作首節(jié)，首節(jié)下沉到位后，上部結(jié)構(gòu)采用“每節(jié)下沉到位后再分節(jié)澆筑接高標(biāo)準(zhǔn)節(jié)”的形式，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)一次接高短，重量小；下沉過程中，通過在井內(nèi)取土，利用加壓裝置向沉井施加壓力和井筒自重進(jìn)行下沉。

圖1 節(jié)段式沉井壓沉施工技術(shù)示意圖

3 起弧絲桿定型化模板體系

如圖2，該模板體系靈感來源于花籃螺絲的絲桿伸縮，由面板、橫向背楞、豎向背楞、面板螺栓、起弧絲桿、起弧基座和旋轉(zhuǎn)塊等組成，具有自重輕、安拆方便、模板弧度可變范圍廣、適用性好、周轉(zhuǎn)次數(shù)多等特點(diǎn)。起弧基座焊接在相鄰豎向背楞上，起弧絲桿上帶有螺紋和旋轉(zhuǎn)塊，旋轉(zhuǎn)塊可沿起弧絲桿雙向移動(dòng)，通過轉(zhuǎn)動(dòng)起弧絲桿的中部可使木模板發(fā)生彎曲定型直至與沉井設(shè)計(jì)弧度匹配。

圖2 起弧絲桿定型化模板體系示意圖

4 施工關(guān)鍵技術(shù)

4.1 基坑開挖

施作止水帷幕，放出上、下底開挖邊線，機(jī)械開挖，修坡，人工平整至設(shè)計(jì)標(biāo)高。

4.2 刃腳墊層施工

基坑內(nèi)鋪砂墊層，選用級配較好的中粗砂，每層層厚控制在200mm～300mm，用打夯機(jī)分層夯實(shí)，壓實(shí)系數(shù)達(dá)0.95，允許承載力達(dá)140kPa。

砂墊層施工合格后，施工混凝土墊層，澆筑混凝土強(qiáng)度等級為C20，在混凝土墊層上設(shè)置四個(gè)觀測點(diǎn)，以檢測沉井制作對基底的影響。

刃腳磚膜砌筑材料為MU15 混凝土實(shí)心磚，采用M10 水泥砂漿砌筑，刃腳磚膜砌筑完成后與沉井刃腳之間涂刷油氈。

4.3 沉井首節(jié)制作

沉井首節(jié)段制作高度根據(jù)原地基承載力和地下水文情況計(jì)算確定，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段不超過壓力裝置千斤頂高度。

沉井首節(jié)段制作采用自主研制的起弧絲桿定型化模板體系（圖3）。面板采用18mm 的膠合板，單塊模板2.4m 長，標(biāo)準(zhǔn)高度1.5m，次背楞為雙拼槽鋼，外模板尺寸2.4m×1.8m，內(nèi)模板尺寸2.05m×1.8m?；《韧ㄟ^螺旋口可調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍：最小直徑φ3.5m?？烧{(diào)弧形模板由工廠加工制作完成，運(yùn)往施工現(xiàn)場進(jìn)行拼接安裝。

圖3 起弧絲桿定型化模板

現(xiàn)場安裝工藝流程：鋼筋驗(yàn)收合格→單塊起弧絲桿定型化模板預(yù)調(diào)適應(yīng)弧度→內(nèi)模安裝→穿對拉螺栓→外模安裝→調(diào)節(jié)模板弧度→緊固對拉螺栓→外斜撐架設(shè)→模板安裝完成。

4.4 導(dǎo)圈梁施工

根據(jù)節(jié)段式沉井壓力裝置計(jì)算導(dǎo)圈梁需提供的反力，設(shè)計(jì)導(dǎo)圈梁結(jié)構(gòu)以滿足承載力和強(qiáng)度要求。導(dǎo)圈梁縱斷面呈L 型，圈梁厚度0.2m。導(dǎo)圈梁與井外壁間距50mm，其結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 導(dǎo)圈梁施工

導(dǎo)圈梁施工流程：鋼筋下料→制作上、下層鋼筋網(wǎng)片→制作上、下層連接鋼筋→鋼筋綁扎或者焊接→預(yù)埋件安裝→澆筑混凝土→養(yǎng)護(hù)導(dǎo)圈梁。

預(yù)埋件的制作與定位：導(dǎo)圈梁鋼筋綁扎完成后，需預(yù)埋規(guī)格為PSB785Φ32 的反力地錨鋼筋，通過鋼筋籠的形式將反力地錨鋼筋固定在導(dǎo)梁之中，經(jīng)全站儀高精度定位檢查完成后，進(jìn)行導(dǎo)圈梁混凝土澆筑。

導(dǎo)圈梁采用HPB300Φ8mm@200 單層雙向鋼筋，鋼筋保護(hù)層厚度均為50mm，采用C25 等級混凝土澆筑而成。沉井下沉到位后，采用挖機(jī)破除設(shè)備將頂管預(yù)留洞口土體加固范圍的導(dǎo)圈梁實(shí)施破除。

4.5 壓沉設(shè)備安裝

通過加壓下沉計(jì)算壓沉設(shè)備所需鋼反力架和千斤頂?shù)臄?shù)量和規(guī)格，并進(jìn)行分組和編號，最后確定樹根樁的數(shù)量和尺寸。如圖5 所示，壓沉設(shè)備采用地錨樹根樁固定，每個(gè)加壓裝置由4 根φ400 的樹根樁提供反力。樹根樁樁身采用HRB400 普通鋼筋，每根樁配置6 根18mm 縱向受力主筋，箍筋為HPB300、8mm@200mm形式。壓沉設(shè)備每組控制2 個(gè)液壓千斤頂，每個(gè)千斤頂都安裝一個(gè)變頻器，用來進(jìn)行糾偏。

圖5 壓沉設(shè)備安裝

4.6 沉井首節(jié)壓沉

開啟沉井首節(jié)段壓沉設(shè)備前，首先人工鑿除磚胎膜和刃腳兩邊的素混凝土墊層，將底板與井壁接觸面進(jìn)行鑿毛處理。井內(nèi)雜物全部運(yùn)出井外，并在井壁上刻畫測量標(biāo)尺，保證土塞的控制高度。

初始階段，所有加壓單元的油缸活塞桿推進(jìn)速率均設(shè)定在30cm/h，當(dāng)檢測到井體下沉后，應(yīng)確認(rèn)是否存在個(gè)別加壓單元無法推進(jìn)的情況，若所有加壓單元均能保持同一推進(jìn)速率工作，則提升活塞桿推進(jìn)速率至60cm/h，每個(gè)千斤頂?shù)捻斄刂圃?0t。

沉井壓沉設(shè)備開啟后，反力架千斤頂緩慢向井壁延伸，千斤頂與井壁間安放700mm×450mm 的鋼墊板，以增加井壁受力面積。千斤頂接觸井壁后，密切關(guān)注壓力表數(shù)據(jù)，防止千斤頂施加壓力超出預(yù)定壓力。

壓沉過程中，測量人員跟蹤監(jiān)測井內(nèi)土塞高度，并對井體下沉姿態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，每下沉30cm 測量一次；若對邊高程相差1cm，立即調(diào)節(jié)變頻器進(jìn)行糾偏，直到井體垂直度滿足要求后再繼續(xù)壓沉作業(yè)。

壓沉作業(yè)剩余0.3m 時(shí)，應(yīng)逐步減緩活塞推進(jìn)速率至0.3m/h，為防止超沉，保持上述操作直至達(dá)到指定深度，關(guān)閉加壓設(shè)備，沉井首節(jié)壓沉施工完成（圖6）。

4.7 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)接高制作

沉井首節(jié)段下沉完成后，操作人員收回液壓千斤頂，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段的制作、下沉工藝施工。在井壁上部接高制作增加荷載時(shí)，做好接高沉降跟蹤監(jiān)測：沿沉井外壁對稱布置4 個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，接高制作前完成初始值測定，監(jiān)測頻率為2 次/d。

沉井標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段依然采用起弧絲桿定型化模板體系，安裝過程同首節(jié)段。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段混凝土澆筑高度1.5m，采用汽車泵澆筑方式，澆筑時(shí)按次序、方向、分層進(jìn)行，要求澆筑的井壁對稱均勻上升，且澆筑頂面必須平整，一次澆筑厚度為30cm—50cm。

4.8 取土壓沉作業(yè)

沉井標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段制作完成后，開挖取土，同時(shí)啟動(dòng)壓沉裝置進(jìn)行加壓下沉。根據(jù)地勘報(bào)告，通過分析地下水位、土質(zhì)條件等因素，確定開挖取土?xí)r的排水方式采用上干下濕法或上濕下干法。

4.9 封底混凝土澆筑

重復(fù)以上步驟，注意預(yù)留洞口施工符合設(shè)計(jì)要求，直至達(dá)到沉井設(shè)計(jì)深度，觀察井內(nèi)外水位高差，保證內(nèi)外水壓基本一致；潛水員下入沉井內(nèi)，對井底情況詳細(xì)摸查、清理。

若發(fā)現(xiàn)刃腳處有掏空漏洞，采用砂袋將空隙堵住，防止抽泥漿時(shí)沉井浮起和井外淤泥涌入井內(nèi)；若刃腳坐落在淤泥土層，先拋一層20cm—50cm 粒徑塊石，潛水員配合拋入塊石擠密淤泥，防止水下澆筑混凝土?xí)r淤泥上翻。

采用水下混凝土封底施工時(shí)，澆筑順序從低處開始，逐漸向?qū)Ч苤車鷶U(kuò)大。隨著混凝土高度增大，逐步提升導(dǎo)管，直到完成混凝土連續(xù)澆筑。

4.10 底板施工

沉井封底混凝土強(qiáng)度滿足要求后，啟動(dòng)降壓井將地下水位降至抗浮設(shè)計(jì)標(biāo)高，然后進(jìn)行底板施工。底板混凝土澆筑順序?yàn)樗闹苤饾u向中間推進(jìn)。底板澆筑完成后，沉井安裝完成，即可在井內(nèi)開展頂管施工作業(yè)。

5 結(jié)語

以超深大直徑沉井為載體，通過技術(shù)研發(fā)與改進(jìn)形成了節(jié)段式沉井壓沉施工、起弧絲桿定型化支模等關(guān)鍵技術(shù)，綜合解決了超深大直徑工作井制作工藝要求高、下沉阻力大、下沉姿態(tài)不易調(diào)控等多項(xiàng)技術(shù)難題，具有工作井標(biāo)準(zhǔn)節(jié)一次接高短、重量小、質(zhì)量高，模板安拆便捷、適用性強(qiáng)、成本低，下沉系數(shù)穩(wěn)定、風(fēng)險(xiǎn)低和井外擾動(dòng)小等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了最大自重30007T 工作井的高質(zhì)量下沉。