簡(jiǎn)青松（廣州開發(fā)區(qū)財(cái)政投資建設(shè)項(xiàng)目管理中心，廣東 廣州 510670）

0 引 言

大型沉井在下沉施工過程中，經(jīng)常因場(chǎng)地的地質(zhì)條件復(fù)雜而發(fā)生偏斜、突沉、難沉、超沉等施工事故。因此，在下沉施工前，對(duì)大型沉井結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工控制研究，建立合適的力學(xué)模型顯得尤為重要。根據(jù)沉井結(jié)構(gòu)的施工特點(diǎn)，研究刃腳反力，圍繞下沉系數(shù)法，分析所受力之間的關(guān)系，建立沉井下沉過程的力學(xué)模型，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)沉井制作，確定沉井分節(jié)、制作高度與下沉次數(shù)的方案。通過工程實(shí)例，驗(yàn)證下沉系數(shù)法實(shí)際應(yīng)用的可行性。

1 沉井下沉力學(xué)模型

1.1 沉井的受力分析

沉井在自重作用下，克服井壁與土體摩阻力、浮力和刃腳支撐反力而下沉。建立沉井在整個(gè)下沉過程中所受力的力學(xué)模型，如圖1所示。沉井在施工及使用階段主要受到沉井自重（G）、井壁外側(cè)的摩阻力（Rf）、土壓力、井底反力（Rj）、浮力（Nw）及上部結(jié)構(gòu)傳來的荷載等。

圖1 沉井下沉過程所受力示意圖

1.2 側(cè)摩阻力分析計(jì)算

沉井下沉主要通過井孔內(nèi)持續(xù)取土或鉆吸取土去泥，利用沉井自重、井壁與土之間的摩阻力、刃腳反力的動(dòng)態(tài)平衡而實(shí)現(xiàn)。在設(shè)計(jì)時(shí)估算井壁與土的摩擦力，然后按沉井容量、下沉深度、土壓力結(jié)合下沉系數(shù)計(jì)算井壁厚度。摩阻力主要與井壁材料、表面粗糙程度、內(nèi)摩擦角（φ）、黏聚力（c）、土的含水率、側(cè)土壓力、土的重度以及下沉深度等有關(guān)。在實(shí)踐應(yīng)用中，土的流動(dòng)性、土體施工擾動(dòng)和下沉速度也會(huì)影響下沉，施工中應(yīng)動(dòng)態(tài)調(diào)整。

如圖2所示，根據(jù)側(cè)摩阻力與下沉高度變化關(guān)系的研究[1]，當(dāng)沉井初始下沉?xí)r，土的淺層隨下沉深度增加，其土壓值變化較大，呈直線上升；當(dāng)下沉深度達(dá)到某一數(shù)值（5 m左右）時(shí)，土壓值趨于穩(wěn)定，變化不大。隨著沉井繼續(xù)下沉，土壓值不再繼續(xù)增長(zhǎng)而趨于穩(wěn)定（略有減少），接近常數(shù)，原因是井筒下沉過程中已進(jìn)入土密實(shí)層，同時(shí)下沉也與井體周圍土體產(chǎn)生擠壓密實(shí)效應(yīng)，使土壓值在同樣地質(zhì)層漸趨穩(wěn)定。

圖2 不同直徑的側(cè)摩阻力與下沉深度變化關(guān)系曲線圖

根據(jù)土力學(xué)理論，土壓力作用在側(cè)壁的側(cè)摩阻力的變化也基本與圖2所示的變化關(guān)系類似。由圖2分析可知，不同直徑沉井，隨著下沉深度的增加，其側(cè)摩阻力在下沉5 m后趨于穩(wěn)定。所以在實(shí)踐上，可假定地表5 m深度范圍內(nèi)，側(cè)摩阻力與下沉深度簡(jiǎn)化為線性計(jì)算；下沉5 m后，按趨于常數(shù)考慮。綜上分析，單位面積的側(cè)摩阻力與下沉深度的力學(xué)關(guān)系成梯形變化[2]，如圖3所示。

圖3 沉井外側(cè)摩阻力分布圖

當(dāng)h＜5 m時(shí)：

當(dāng)h＞5 m時(shí)：

式中：U1——井外壁周長(zhǎng)，m；

f——單位面積側(cè)摩阻力（取加權(quán)平均值），kPa；

h——井外壁入土深度，m；

U2——井內(nèi)壁周長(zhǎng)，m；

h1——井內(nèi)壁入土深度，m。其取值按式（3）計(jì)算。

式中：fi——第i層土層與井壁單位摩阻力，kN/m2；

hi——不同土層的厚度，m。

按照土壤的類別，可根據(jù)實(shí)際土壤勘察單位摩阻力數(shù)據(jù)，如無相關(guān)數(shù)據(jù)，可根據(jù)DBJ 15－31－2003《建筑地基基礎(chǔ)與設(shè)計(jì)規(guī)范》提供的數(shù)值（如表1所示），結(jié)合土樣情況選用。

表1 不同土壤單位摩阻力經(jīng)驗(yàn)參考值

1.3 刃腳反力與土的極限承載力計(jì)算

為保證沉井順利下沉，上部荷載下傳至刃腳上的壓力應(yīng)略大于土的極限承載力，如式（4）所示。

式中：

φ、φ1——內(nèi)摩擦角；

kp——井內(nèi)壁被動(dòng)土壓力系數(shù)；

kp1——井外壁被動(dòng)土壓力系數(shù)。

2 下沉系數(shù)與下沉穩(wěn)定系數(shù)的計(jì)算

2.1 下沉系數(shù)

假設(shè)土壤均質(zhì)，開挖均勻，在土介質(zhì)中只做向下的下沉運(yùn)動(dòng)，不偏移。在此假設(shè)下，沉井下沉所受的阻力主要包括：內(nèi)外井壁側(cè)摩阻力和刃腳踏面地基反力。下沉系數(shù)計(jì)算方法如式（8）。

式中：KS——下沉系數(shù)；

G——自重及上部荷載，kN；

Nw——浮力，即沉井排出的水重，kN；

Rj——刃腳支撐反力，kN；當(dāng)刃腳底面被挖空時(shí)，Rj＝0；

Rf——總摩阻力，kN。在實(shí)際施工中，應(yīng)適當(dāng)考慮下沉速度對(duì)下沉系數(shù)的影響。初始階段下沉或下沉速度快，位于淤泥質(zhì)土層時(shí)，KS的取值要取小值，位于其他土層中，適當(dāng)取大值。KS的經(jīng)驗(yàn)取值一般為1.15～1.25。

2.2 下沉穩(wěn)定系數(shù)

沉井下沉到設(shè)計(jì)標(biāo)高后，需考慮沉井的穩(wěn)定，并防止突沉、超沉等問題，封底后也需考慮抗浮對(duì)沉井穩(wěn)定的影響。一般利用井內(nèi)隔墻、底橫梁等，或在結(jié)構(gòu)上部預(yù)埋鋼筋吊件，加設(shè)防沉裝置，井壁回填砂石增加摩阻力。下沉穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算方法如式（9）。

式中：K'

S——下沉穩(wěn)定系數(shù)；

Gi——第i節(jié)沉井自重與上部荷載，kN；

Nw——浮力，即沉井排出的水重，kN；

Rj——刃腳反力，kN；

Rf——總摩阻力，kN；

Rq——隔墻、底部橫梁反力，kN。

3 穩(wěn)定驗(yàn)算

3.1 抗浮穩(wěn)定驗(yàn)算

抗浮穩(wěn)定驗(yàn)算分封底施工與使用2個(gè)階段，按最不利水位驗(yàn)算。

（1）封底施工階段驗(yàn)算方法如式（10）。

式中：Kfs——抗浮系數(shù)，一般取值≥1.1。

（2）使用階段：抗浮重量包括沉井自重和上部建筑的重量，考慮到日常維護(hù)檢修等要求，設(shè)計(jì)時(shí)需按沉井排空水設(shè)置抗浮錨桿。

3.2 抗滑移驗(yàn)算

抗滑移主要綜合考慮沉井前后側(cè)土壓力和底面的摩阻力作用，根據(jù)現(xiàn)有土力學(xué)理論，抗滑移系數(shù)[3]按式（11）計(jì)算。

式中：Ksh——抗滑移系數(shù)；

η——被動(dòng)土壓力系數(shù)，施工階段取0.8，使用階段取0.65；

Ep——沉井前側(cè)被動(dòng)土壓力之和，kN；

Rfd——井底摩阻力之和，kN；

Ea——沉井后側(cè)被動(dòng)土壓力之和，kN；

γi——第i層土的天然重度，kN/m3；

hi——第i層土層厚度，m；

kpi——第i層土層被動(dòng)土壓力系數(shù)；

kai——第i層土層主動(dòng)土壓力系數(shù)。

被動(dòng)土壓力系數(shù)計(jì)算方法如式（12）。

主動(dòng)土壓力系數(shù)計(jì)算方法如式（13）。

式中：kp——被動(dòng)土壓力系數(shù)；

φ——內(nèi)摩擦角；

ka——主動(dòng)土壓力系數(shù)。

4 工程應(yīng)用

4.1 工程概況

廣州市某污水處理廠位于珠江北岸，屬于I級(jí)河流階地，其地勢(shì)低平，距珠江邊約180 m。地質(zhì)分布主要由人工堆積層、沖積層及殘積層等組成。自上而下分布為：①回填層，層厚0.5～3.5 m；②沖積層，層厚1.8～15 m，表層以淤泥為主，層厚5.0～13.1 m，主要以粉質(zhì)黏土為主，層厚2.8 ～4.0 m；③殘積層，以粉質(zhì)黏土為主，呈可塑狀，層厚4.0～5.5 m；④基巖層，以泥質(zhì)粉砂巖、細(xì)砂巖為主，層厚11.5～22.0 m。該工程污水提升泵站采用沉井結(jié)構(gòu)，沉井按照六井格設(shè)計(jì)，外圍長(zhǎng)41.0 m，寬27.5 m，深12.8 m，四周外圍井壁厚1.0 m，隔墻厚0.6 m。沉井平面布置圖如圖4所示。

圖4 污水提升泵站沉井平面圖

開工前，按照前述力學(xué)分析計(jì)算下沉系數(shù)。確定按照“分節(jié)制作，分節(jié)下沉”的施工方案施工。工程所處地段土層以淤泥質(zhì)、軟狀粉質(zhì)黏土為主，地處江岸，地下水位較高。施工方經(jīng)綜合分析比較，采用“不排水鉆吸法”施工，采用2節(jié)分沉，第一節(jié)沉井高7.5 m，第二節(jié)沉井高5.3 m。

4.2 下沉系數(shù)計(jì)算

4.2.1 終沉穩(wěn)定驗(yàn)算

終沉階段按井外壁自下而上依次回填4.0 m粗砂層、1.0 m黏土方案施工。沉井受力情況如圖5所示。

圖5 受力分析示意圖

第一節(jié)沉井自重G：沉井體積×混凝土容重＝1 396 m3×24 kN/m3＝33 504 kN。淤泥質(zhì)層允許承載力[f]為50 kN/m2，外井墻底部反力R1為[f]×S＝（39+27.5）×2×1×50＝6 650 kN，內(nèi)井墻底部反力R2為[f]×S＝（39+13×2+11.9×2）×0.6×50＝2 664 kN。

粗砂與側(cè)壁的摩阻力為37.5 kN/m2，外壁回填夯實(shí)4 m粗砂，粗砂與側(cè)壁的摩阻力Rf1：（41+27.5）×2×4×37.5＝20 550 kN。

黏土與側(cè)壁的摩阻力為25 kN/m2，外壁回填1.0 m黏土，黏土與側(cè)壁的摩阻力Rf2：（41+27.5）×2×1×25＝3 430 kN。

井內(nèi)保持1.5 m施工水位，浮力F?。?59.7 m3×10 kN/ m3＝2 597 kN。

下沉系數(shù)K1：（G－F?。?（R1+R2+Rf1+Rf2）＝0.94＜1。符合終沉穩(wěn)定要求，可按此終沉回填方案施工。

4.2.2 下沉驗(yàn)算

沉井下沉?xí)r，井內(nèi)土體挖至刃腳以下，不考慮其底部支撐反力，則下沉系數(shù)K2：（G－F浮）/（Rf1+Rf2）＝1.30＞1.15。自重可克服摩阻力和浮力，滿足下沉要求。

4.3 第一節(jié)沉井預(yù)制

現(xiàn)進(jìn)行刃腳制安，按照設(shè)計(jì)圖用16 mm厚鋼板與刃腳底預(yù)埋鋼板焊接。按如圖6所示現(xiàn)場(chǎng)放線，定位墊木，按照施工圖綁扎鋼筋，安裝模板，澆注混凝土，澆注導(dǎo)管控制在2 m以內(nèi)，且每層澆注厚度≤400 mm。按施工圖在第一節(jié)沉井上部結(jié)合帶預(yù)留止水帶，設(shè)置施工縫。

圖6 定位墊木布置示意圖

4.4 第一節(jié)井下沉

待沉井混凝土的強(qiáng)度達(dá)到75%時(shí)拆除側(cè)模，并立即在外壁側(cè)回填粗砂，增加外壁摩阻力，防止通過淤泥層時(shí)發(fā)生突沉。

4.4.1 墊木拆除

遵循“先短邊，后長(zhǎng)邊；先隔墻，后井壁”“分區(qū)、依次、對(duì)稱、同步”的原則。定位墊木要同時(shí)快速抽出，保證刃腳平穩(wěn)均勻落入土層。墊木抽出后，立即回填中砂并灑水分層夯實(shí)。

4.4.2 下沉施工

（1）本沉井采用不排水鉆吸下沉法工藝。按照“先中后邊、對(duì)稱鉆吸，深度適當(dāng)”的原則，采用高壓水槍射水沖泥，泥漿泵抽吸泥漿。施工過程中，井底開挖面保持下凹鍋底型面，相鄰井格高差控制在1 m以內(nèi)，使沉井保持平穩(wěn)下沉。工藝示意圖如圖7所示。

圖7 不排水鉆吸下沉法工藝示意圖

（2）預(yù)防“突沉”。沉井通過淤泥層時(shí)，在井外壁回填3～4 m高、50 cm厚粗砂，夯實(shí)壓密增加沉井摩阻力，同時(shí)保持井內(nèi)水位在1～1.5 m高。施工中外刃腳邊保留約1.5 m寬土堤面，減少對(duì)沉井周邊土體擾動(dòng)。

（3）下沉觀測(cè)與糾偏。在沉井4個(gè)角設(shè)置沉降觀測(cè)點(diǎn)，在井壁內(nèi)設(shè)置垂直中心線。全程監(jiān)測(cè)沉井位移、傾斜等下沉情況，及時(shí)調(diào)整下沉速度與下沉量，及時(shí)糾偏。按照“沉多則少取，沉少則多取”的原則控制下沉速度與糾偏，待正位后再均勻分層鉆吸。在沉井兩側(cè)各準(zhǔn)備1臺(tái)吊機(jī)，用于輔助糾偏，控制下沉速度。

4.5 第二節(jié)井下沉

第一節(jié)井下沉到預(yù)設(shè)的位置并穩(wěn)定一段時(shí)間后，即開始第二節(jié)井的制作、下沉，其具體施工方法基本與第一節(jié)井相同。

注意事項(xiàng)：制作第二節(jié)井時(shí)，需保證第一節(jié)井地基穩(wěn)定，可采取在刃腳、井壁回填夯實(shí)粗砂，平衡井內(nèi)外水位差等措施；第二節(jié)井下沉，第一節(jié)井所通過的土層較上層土硬度大，高壓水槍的流量和壓力均應(yīng)加大，并通過調(diào)整射嘴角度，分層沖削刃腳土層；對(duì)于中風(fēng)化、微風(fēng)化巖層，采用風(fēng)鎬輔助作業(yè)?，F(xiàn)場(chǎng)施工中，根據(jù)下沉速度，結(jié)合下沉系數(shù)適時(shí)調(diào)整井內(nèi)水位、回填粗砂厚度等。

4.6 封底施工

當(dāng)沉井下沉接近設(shè)計(jì)標(biāo)高約15 cm時(shí)，停止下沉作業(yè)，觀測(cè)12 h，如沉井自沉累計(jì)不超過30 mm，可繼續(xù)進(jìn)行人工下沉作業(yè)至接近設(shè)計(jì)標(biāo)高；否則，讓沉井自沉再以人工輔助作業(yè)至設(shè)計(jì)標(biāo)高，觀測(cè)12 h，如沉井自沉累計(jì)不超過20 mm，即可聯(lián)合驗(yàn)收，驗(yàn)收合格后立即進(jìn)行封底。

封底采用導(dǎo)管法澆筑水下混凝土，混凝土采用水下絮狀不離析混凝土，具有水下不分離、自密實(shí)、低泌水和緩凝等特性。導(dǎo)管直徑為25 cm，每節(jié)長(zhǎng)1～2 m，用法蘭盤連接，底部設(shè)有自動(dòng)開關(guān)閥門，頂部裝設(shè)漏斗，如圖8所示。其澆注順序是由長(zhǎng)邊的邊側(cè)井格向中間井澆注，先四周后中間。

圖8 封底操作平臺(tái)示意圖

封底混凝土初凝前，插入底板預(yù)留鋼筋，待混凝土強(qiáng)度達(dá)到70%后，再依序進(jìn)行底板鋼筋制作、安裝、隔墻、上部結(jié)構(gòu)等施工。

4.7 完工效果

初沉施工時(shí)，先用2套泥漿泵從中間2個(gè)井格開始吸泥，泥漿排出15 cm后，再用4套泥漿泵同時(shí)從兩側(cè)4個(gè)井格吸泥。重復(fù)上述方法，10 d內(nèi)第一節(jié)沉井下沉7.5 m，12 d內(nèi)第二節(jié)沉井下沉5.3 m。經(jīng)監(jiān)測(cè)，平均每天下沉量為58 cm。封底后實(shí)測(cè)平均標(biāo)高比設(shè)計(jì)標(biāo)高低3.5 cm，對(duì)角最大高差6.0 cm；下沉過程中四角高差基本控制在20 cm以內(nèi)，最大沉降量為7.0 cm，最小沉降量為2.5 cm。各項(xiàng)數(shù)據(jù)指標(biāo)均符合施工規(guī)范要求，工程質(zhì)量?jī)?yōu)良，滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié) 語

大型沉井作為地下工程，在污水處理等工程中應(yīng)用越來越廣泛。通過對(duì)沉井施工下沉過程的受力特點(diǎn)分析，建立了下沉系數(shù)、穩(wěn)定系數(shù)等計(jì)算模型。通過工程實(shí)際應(yīng)用，驗(yàn)證了計(jì)算模型的適用性，證實(shí)了施工技術(shù)措施的可行性與合理性。實(shí)踐表明，所采用的沉井施工法，減少了沉井地下基坑支護(hù)與止水費(fèi)用，節(jié)約成本，縮短工期，對(duì)以后類似的沉井工程施工具有一定的參考價(jià)值。