大型沉井干作業(yè)施工技術(shù)研究

衛(wèi)軍明 郭延義 沈 佳

1. 上海建工二建集團有限公司 上海 200080；2. 上海建筑工程逆作法工程技術(shù)研究中心 上海 200080

1 工程概述

1.1 工程概況

虎林排水系統(tǒng)新建工程項目位于上海市寶山區(qū)，北至泰和路，南至蕰藻浜，東至沈師浜，西至楊盛河。工程主要內(nèi)容為新建雨水泵站1座，包括雨水泵房、進水閘門井及進水箱涵、出水箱涵及排放口，新建檢查井、頂管工作井及頂管接收井，敷設(shè)雨污水管（圖1）。

圖1 工程平面示意

1.2 泵房概況

本工程雨水泵房為四邊形鋼筋混凝土構(gòu)筑物，平面尺寸為30.8 m×24.7 m，總高度14.8 m，面積為760.76 m2，采用沉井法施工，沉井底板厚600 mm，井身側(cè)墻厚850 mm，結(jié)構(gòu)頂板厚200 mm。地基基礎(chǔ)設(shè)計等級為丙類，抗震等級為二級。

1.3 水文地質(zhì)概況

1.3.1 工程地質(zhì)概況

本工程場地地基土45 m深度范圍內(nèi)從上至下依次為：①1-1層雜填土、①1-2層素土、①2層浜土、②1層粉質(zhì)黏土、②2層砂質(zhì)粉土、③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、④層淤泥質(zhì)黏土、⑤1層黏土、⑤2層砂質(zhì)粉土、⑤3層粉質(zhì)黏土、⑤4層粉質(zhì)黏土、⑥層粉質(zhì)黏土、⑦層砂質(zhì)粉土、⑧層粉質(zhì)黏土夾粉土。

1.3.2 水文概況

本場地內(nèi)淺層的潛水對工程有影響，水位埋深變化受潮汛、降雨、地表水的影響，年平均水位埋深為0.5～1.5 m。通過地質(zhì)勘查，場地內(nèi)地下水穩(wěn)定水位標高介于3.13～3.38 m之間。

場地內(nèi)第⑤2層有微承壓水、⑦層有承壓水分布，⑤2層頂埋深19.2～23.2 m，⑦層頂埋深21.0～32.3 m。查閱上海地區(qū)歷史觀測資料，本工程場地內(nèi)微承壓水水頭埋深一般在3～11 m，承壓水水頭埋深一般在3～12 m，水頭埋深隨季節(jié)呈周期性變化。

2 方案比對選擇

沉井下沉方法分為干作業(yè)與濕作業(yè)2種[1-2]。干作業(yè)法是在挖土前，將沉井深度范圍內(nèi)的地下水排干，然后采用人工或者機械在坑底挖土，利用吊車等工具將土從井中運走，從而讓結(jié)構(gòu)慢慢下沉的方法；濕作業(yè)法是采取水中挖土的方法，在施工前不降低地下水，直接采用抓斗、吸泥機等工具，進行井內(nèi)取土作業(yè)，使結(jié)構(gòu)慢慢下沉。與濕作業(yè)法相比，干作業(yè)沉井的操作環(huán)境較好，容易控制挖土深度及范圍，有利于控制沉井下沉速度，同時，在施工中有利于發(fā)現(xiàn)和清除土中障礙物，也有利于糾正井身結(jié)構(gòu)下沉時可能發(fā)生的傾斜及位移。通過2種方式的對比，考慮到本工程泵房的結(jié)構(gòu)較大，最終采取干作業(yè)沉井進行施工。

3 工程特點及難點分析

1）超大型泵房結(jié)構(gòu)制作難度大。本項目雨水泵房為四邊形鋼筋混凝土構(gòu)筑物，結(jié)構(gòu)自重約3 500 t，在施工時，由于結(jié)構(gòu)平面尺寸大，且結(jié)構(gòu)施工高度超過8 m，存在高支模作業(yè)，施工困難，同時，結(jié)構(gòu)自身較重，需要對刃腳、墊層作處理，加大受力面，確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

2）超大型沉井施工難度大。本工程沉井施工為帶框架及隔墻整體下沉，屬于超大型沉井施工，結(jié)構(gòu)下沉速度控制要求高、難度大。同時，在沉井施工過程中，井身結(jié)構(gòu)下沉可能不均勻，容易出現(xiàn)位移、傾斜等情況，施工控制難度大。

3）周邊環(huán)境復(fù)雜，建筑物保護難度大。本基坑南側(cè)為鋼框架獨立基礎(chǔ)建筑，距離本基坑約16 m，西側(cè)為楊盛河，河道上徐家宅橋距離基坑約65 m，施工保護要求高、難度大。本工程泵房基坑四周采用長16.2 m的雙排φ800 mm高壓旋噴樁止水加固，坑底采用壓密注漿滿堂加固，且在施工前設(shè)置疏干井降低基坑內(nèi)水位，并設(shè)置4口承壓井，在施工過程中，根據(jù)沉井深度及承壓水水位狀況，合理降低承壓水水位；同時加強對徐家宅橋及周邊建筑物的監(jiān)測，控制沉降變形，減少對周邊環(huán)境的影響。

4 關(guān)鍵施工技術(shù)

4.1 沉井制作技術(shù)

4.1.1 刃腳支設(shè)

根據(jù)井身自重、地基土承載力及施工荷載，在沉井結(jié)構(gòu)下部設(shè)置刃腳。施工中常用的刃腳有墊架法、磚砌墊層等。根據(jù)施工條件，本工程沉井刃腳施工采用墊架法，在施工時，先在刃腳下鋪設(shè)1層砂墊層，隨后在墊層上面設(shè)置墊木（15 cm×15 cm木方）和墊架，墊架數(shù)量根據(jù)制作的井身質(zhì)量及墊層承載力確定（圖2）。

圖2 沉井刃腳設(shè)置示意

4.1.2 墊腳基礎(chǔ)計算

刃腳墊木的數(shù)量，根據(jù)首節(jié)沉井結(jié)構(gòu)的自重與墊層的承載力確定。根據(jù)測算，砂墊層上每米需鋪設(shè)墊木5.5根，即墊木間距為0.18 m。

本工程井身刃腳下墊層為砂墊層，其厚度根據(jù)首節(jié)井身自重及墊層承載力確定。經(jīng)過公式計算，砂墊層鋪設(shè)厚度為1.1 m，寬度為2.5 m。

4.1.3 沉井結(jié)構(gòu)制作

首先在刃腳部位鋪設(shè)砂墊層，其上設(shè)置墊木及墊架，墊木采用15 cm×15 cm木方，墊架數(shù)量根據(jù)首節(jié)井身自重及砂墊層的承載力來確定，間距0.3～0.5 m，墊架對稱設(shè)置。墊木及支架設(shè)置好之后，其上設(shè)置刃腳及井壁模板，在鋼筋和模板施工完成后澆筑混凝土。

4.2 下沉施工技術(shù)

4.2.1 井身結(jié)構(gòu)下沉

在井身結(jié)構(gòu)下沉施工前，必須先對井身結(jié)構(gòu)能否只依靠其自身質(zhì)量下沉進行計算，在井身結(jié)構(gòu)下沉過程中，井身結(jié)構(gòu)必須克服土層對井身下沉所產(chǎn)生的摩擦力f及下部土層對刃腳的反作用力，其比值稱為下沉安全系數(shù)l。在計算沉井井壁和土層間摩擦力時，假設(shè)摩擦力隨著井身下沉深度不斷增大，當井身下沉至5 m深時，摩擦力最大，當井身下沉深度大于5 m后，摩擦力保持不變。

本工程項目井身結(jié)構(gòu)分為2節(jié)制作、2次下沉，首節(jié)井身制作高度為7 m，第2節(jié)井身制作高度為5.2 m。經(jīng)過計算，首節(jié)井身結(jié)構(gòu)的下沉安全系數(shù)l1=1.48，滿足井身下沉要求；第2節(jié)井身結(jié)構(gòu)的下沉安全系數(shù)l2=1.52，滿足井身下沉要求。

4.2.2 基坑降水

本工程沉井采用干作業(yè)法施工，沉井開挖深度達14.6 m，采用深井降低基坑內(nèi)地下水位。施工前在基坑內(nèi)布置6口φ650 mm、深16 m的疏干井來降低基坑內(nèi)水位。

場地內(nèi)第⑤2層有微承壓水、⑦層有承壓水分布，⑤2層微承壓水層層頂最淺埋深19.20 m，⑦1層承壓含水層層頂最淺埋深21.00 m，根據(jù)DBJ 08-37—2012《巖土工程勘察規(guī)范》第12.3.3條，將下部承壓水含水層的頂托力對基坑的穩(wěn)定性進行驗算。經(jīng)計算，本工程基坑開挖深度超過10.5 m時，基坑穩(wěn)定性達到臨界狀態(tài)，因此在基坑四邊設(shè)置4口減壓井，在施工過程中，根據(jù)施工進度及承壓水水位高低狀況合理降低承壓水位。

4.2.3 沉井內(nèi)土方挖運

本工程沉井施工土方開挖采取機械挖土與人工挖土相結(jié)合的形式，在基坑邊設(shè)置1臺抓斗式挖掘機，將基坑中部土方挖出，對基坑內(nèi)鄰近井壁的土方采用人工開挖，再用抓斗式挖掘機吊運。開挖過程中，嚴格控制開挖深度，防止超挖。

基坑內(nèi)挖土從中間向四周開挖，每層挖土厚度控制在0.35～0.45 m，挖土時保留刃腳0.5～1.5 m范圍內(nèi)的土方，沿著井壁方向每隔2～3 m為一段，對稱、逐層均勻地削薄土體，每次削薄土層厚度為5～10 cm。

4.2.4 干封底施工

當井身結(jié)構(gòu)下沉至設(shè)計標高以上200 mm時，停止基坑內(nèi)土方開挖，讓沉井結(jié)構(gòu)通過其自重慢慢下沉至設(shè)計標高。當其下沉至設(shè)計標高后，對其進行沉降觀測，當連續(xù)觀測10 d，其累計下沉量小于10 mm時，即可進行結(jié)構(gòu)封底施工。施工時，先將井身底部做成鍋底狀，隨后由中心向刃腳開挖排水溝，將卵石填充至排水溝形成排水暗溝，防止井內(nèi)積水。

澆筑結(jié)構(gòu)底板混凝土時，必須連續(xù)施工，施工方向由四周向中間推進。底板施工完成后，繼續(xù)排出基坑內(nèi)積水，當?shù)装寤炷翉姸冗_到要求并經(jīng)抗浮驗算后，再對排水口進行封堵。

4.3 下沉質(zhì)量控制措施

4.3.1 傾斜、位移、扭轉(zhuǎn)控制措施

1）傾斜：當沉井出現(xiàn)傾斜情況時，可在刃腳較低的一側(cè)進行適當回填，加強刃腳較高側(cè)的土方開挖，或在井身較高側(cè)采用重物壓載等，待井身恢復(fù)正常后，再分層取土下沉。

2）位移：先讓井身向位移反方向傾斜，隨后讓井身結(jié)構(gòu)沿傾斜的方向緩緩下沉，當下沉至刃腳中心與設(shè)計中心重合時，再將結(jié)構(gòu)傾斜糾正。

3）扭轉(zhuǎn)：井身結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)是因為發(fā)生了多次不同方向的位移及傾斜，當出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)時，可通過糾正傾斜和位移的方法來糾正。

4.3.2 防止超沉的預(yù)防措施

在沉井施工過程中，井身結(jié)構(gòu)始終處于緩緩下沉的不穩(wěn)定狀態(tài)，由于影響下沉的原因很多，既有井身結(jié)構(gòu)本身形狀、尺寸等因素，又有工程地質(zhì)條件等環(huán)境因素，還可能受到施工方法的影響，因此在施工過程中需嚴格控制下沉速度，防止超沉。一般情況下，可采取如下措施防止井身超沉：

1）在施工過程中做好測量工作，加強測量標志、數(shù)據(jù)管理，當井身結(jié)構(gòu)下沉至設(shè)計標高200 mm時，停止基坑內(nèi)的土方開挖，讓沉井結(jié)構(gòu)通過其自重慢慢下沉至設(shè)計標高，當其下沉至設(shè)計標高后，對其進行沉降觀測，當連續(xù)觀測10 d，其累計下沉量小于10 mm時，即可進行結(jié)構(gòu)封底施工。

2）結(jié)構(gòu)下沉后期放慢挖土速度，控制挖土深度，通過對刃角周圍層層削土來使井身緩緩下沉。

3）在井身下沉過程中，以“糾偏為主，下沉為輔”為原則，讓井身結(jié)構(gòu)始終處于滑動摩擦的連續(xù)作業(yè)狀態(tài)，避免井身下沉接近設(shè)計標高時因糾偏導(dǎo)致超沉。

4）在沉井施工前對基坑底部作加固處理，增強底部土體的承載力。

4.3.3 防止不沉的控制措施

井身結(jié)構(gòu)不沉的原因有多種，如井身結(jié)構(gòu)自重輕，無法克服井壁與土體的摩擦力；基坑開挖深度較小，結(jié)構(gòu)下沉時遇到的阻力較大；井身結(jié)構(gòu)傾斜，導(dǎo)致刃腳處部分土體遺留未挖出，形成較大的阻力；沉井下沉遇到堅硬的土層，刃腳破土較困難等。如遇到此類問題，可采取以下技術(shù)措施：

1）增加基坑挖土的深度和范圍，降低井身結(jié)構(gòu)刃腳處土體的承載力。

2）沉井下沉保持連續(xù)，嚴禁暫停時間過長，當有特殊原因必須停止較長時間而導(dǎo)致井身無法下沉時，應(yīng)在井身與土層接觸面灌入觸變泥漿，降低井壁摩擦力。

3）若遇堅硬土層，則采用射水管對刃腳部位土體進行沖孔作業(yè)，然后用抓斗取土。

5 結(jié)語

本工程通過有效的圍護形式及先進合理的施工技術(shù)，如期將結(jié)構(gòu)下沉至設(shè)計標高，順利地完成了沉井施工，同時在施工過程中，將對周邊橋梁及建筑物的影響降到了最低。徐家宅橋在施工完成后累計變化量為0.53 mm，南側(cè)建筑累計變化量為3.62 mm，周邊地表累計變化量為10.18 mm，有效地保護了周邊環(huán)境。

沉井施工具有埋置深度大、整體性強以及對周邊環(huán)境影響較小等優(yōu)點，我國當前對沉井的運用還不是很廣泛，同時在沉井施工技術(shù)上也存在著一定的弊端。在虎林雨水泵房沉井施工過程中，對沉井的制作方法及針對下沉過程中遇到的問題所采取的解決措施作出了探索性的驗證，同時在施工過程中結(jié)合應(yīng)用現(xiàn)有的圍護加固技術(shù)，有效地保護了周邊的自然環(huán)境，在這過程中形成的一整套沉井施工技術(shù)，可供類似沉井工程施工參考。