特大設(shè)備基礎(chǔ)的沉井施工技術(shù)

裴付博 肖宇峰 劉松霞 馬桂蘭 崔曉崗

五冶集團(tuán)上海有限公司 上海 201900

1 工程概況

1.1 項目概況

某公司特大高精度鋁及鋁合金加工材項目2#線精整車間主廠房3～7區(qū)及其偏跨附屬工程的縱剪機(jī)設(shè)備基礎(chǔ)屬于特大高精度設(shè)備基礎(chǔ)，位于4區(qū)4-A列/4-10線～4-14線之間，設(shè)備基礎(chǔ)最長為72.85 m，最寬處為31.66 m，基礎(chǔ)（沉井）外框尺寸為6.8 m×6.5 m，壁厚0.9 m，基礎(chǔ)底板最深處底標(biāo)高為－21.00 m，沉井刃腳標(biāo)高為－23.00 m，底板厚度1.0 m（圖1～圖3）。

圖1 縱剪機(jī)平面位置

1.2 工程地質(zhì)條件

1.2.1 場地概況

圖2 縱剪機(jī)基礎(chǔ)整體三維示意

圖3 縱剪機(jī)基礎(chǔ)沉井位置剖視

場地整體地勢較平坦，大部分區(qū)域原為耕地、局部為養(yǎng)魚池（已被填平），局部仍分布有排水溝、水塘；標(biāo)高一般在大沽標(biāo)高3.70 m左右，場地東側(cè)地勢較高，在4.50 m左右。本工程場地土為中軟土，場地類別為Ⅲ類。

1.2.2 場地土層分布

地基土層主要分布為9個層次，依次為：人工填土層（①2）、黏土（④1）、黏土（⑤1）、粉質(zhì)黏土（⑥1）及粉土（⑥3）、粉質(zhì)黏土（⑦）、粉質(zhì)黏土（⑧1）中夾粉土（⑧2）、粉質(zhì)黏土（⑨1）及粉砂（⑨2）、粉質(zhì)黏土（ 3、 4）及粉砂（ 2）、粉質(zhì)黏土（ 1）及粉砂（ 2）。

1.2.3 不良地質(zhì)影響

本工程地質(zhì)勘察報告顯示，黏土（⑤1）、粉質(zhì)黏土（⑥1）及粉土（⑥3），造成水平方向上土質(zhì)欠均勻，砂黏性變化較大，粉土透水性較好，開挖時易產(chǎn)生流砂、管涌等不良地質(zhì)現(xiàn)象。粉質(zhì)黏土（⑧1）中夾粉土（⑧2）、粉質(zhì)黏土（ 3、 4）及粉砂（ 2），使得水平方向上土質(zhì)不均勻，砂黏性有變化，土的力學(xué)性質(zhì)有所差異，對預(yù)制樁沉樁、樁端持力層及樁端標(biāo)高的選擇均有所影響，對橫跨兩區(qū)的擬建物樁基承載力及沉降有一定影響（容易造成不均勻沉降）。

本工程沉井埋設(shè)深度達(dá)－21.00 m，土層變化大，土質(zhì)欠均勻，沉井四周存在工程樁，受地質(zhì)條件等多方面因素影響，本工程沉井施工有相當(dāng)大的難度。

1.3 工程水文條件

1.3.1 地下水

本工程地下水水位較高，場地范圍內(nèi)無鹽漬土、污染土分布，勘察期間測得場地地下潛水初見水位埋深1.10～2.80 m，靜止水位埋深0.30～1.80 m，在干濕交替或無干濕交替作用時，地下水對混凝土結(jié)構(gòu)有弱腐蝕性。

1.3.2 抗浮

本場地抗浮設(shè)計水位按大沽標(biāo)高4.00 m考慮。

2 沉井排水下沉方案選擇

1）本工程沉井施工處于縱剪機(jī)設(shè)備基礎(chǔ)中間位置，周邊基礎(chǔ)底標(biāo)高各不相同，沉井設(shè)備基礎(chǔ)頂標(biāo)高－9.10 m，周邊基礎(chǔ)底標(biāo)高－8.20 m、－4.50 m、－5.00 m不等，沉井施工位置受限，且沉井基礎(chǔ)周邊存在工程樁，增加了沉井施工難度，沉井施工過程中必須確保位置準(zhǔn)確（設(shè)備基礎(chǔ)精度要求高）。

2）結(jié)合設(shè)計要求及周邊影響因素，通過編制專項方案并經(jīng)專家論證同意，確定沉井采取“兩次制作、兩次下沉”的方式施工，并采取觸變泥漿潤滑的措施助沉。

3）2#線精整車間縱剪機(jī)設(shè)備基礎(chǔ)3-B列柱基礎(chǔ)開挖底標(biāo)高為－8.60 m，高架庫基礎(chǔ)開挖底標(biāo)高為－9.60 m，4-A列柱基礎(chǔ)開挖底標(biāo)高為－9.10 m，施工至－9.10 m標(biāo)高后，開始施工－21.00 m基礎(chǔ)部分（即沉井設(shè)備基礎(chǔ)）。

3）在沉井四周設(shè)雙排高壓旋噴樁止水帷幕，旋噴樁φ800 mm@550 mm，樁頂標(biāo)高－10.80 m，樁長31 m，共178根，樁底進(jìn)入 3不透水層阻隔地下水及承壓水，確保沉井施工的安全性。

3 方案實(shí)施過程中的問題及原因分析

3.1 實(shí)施過程中的問題

根據(jù)地勘報告，承壓水水層頂面標(biāo)高－27.00 m左右，砂層厚度近13 m，現(xiàn)井內(nèi)水位－10.50 m左右（圖4）；井外降水井最深達(dá)到－26.00 m，受砂層厚度大的影響，降水井管無法繼續(xù)安放，且已施工的止水帷幕可能由于砂層較厚，未起到良好的止水效果，導(dǎo)致井內(nèi)承壓水出水量大，排水下沉施工至－20.00 m（沉井刃腳標(biāo)高為－23.00 m）時已無法實(shí)施。

3.2 原因分析

1）土質(zhì)及水位。本工程地質(zhì)復(fù)雜，土體含水率較高，且地下水位埋深較淺，對沉井施工影響很大，沉井施工過程中出現(xiàn)突沉、超沉的概率較大，且地下水層存在承壓水，地層分布中的局部地區(qū)有砂層。

2）止水帷幕施工質(zhì)量差。旋噴樁采用1臺雙軸管高壓旋噴樁機(jī)，由于旋噴樁施工區(qū)域深度范圍內(nèi)的土層存在有粉土層（透水性高），且土層變化大，高壓旋噴樁施工未能達(dá)到預(yù)想效果（圖5），導(dǎo)致粉土層內(nèi)地下水大量涌入沉井內(nèi)，井內(nèi)水位在－10.50 m左右。通過增加抽水能力已無明顯效果，且對周邊的設(shè)備基礎(chǔ)及廠房柱基將產(chǎn)生嚴(yán)重后果（基礎(chǔ)沉降不均現(xiàn)象嚴(yán)重）。

圖4 沉井井內(nèi)水位(-10.50 m)

圖5 旋噴樁平面布置

3）降水效果差。本工程結(jié)合地下土質(zhì)分布及已施工廠房柱基降水，采用深井井點(diǎn)降水；在沉井內(nèi)設(shè)置2口深井井點(diǎn)作為減壓井，利用高壓旋噴樁作止水帷幕，將外側(cè)水源隔斷，井內(nèi)降水井兼作觀察井。由于降水深度大、堵管等原因，且本工程沉井周邊存在大量的縱剪機(jī)設(shè)備基礎(chǔ)的工程樁，沉井施工降水對周邊工程樁的影響很大，不能通過增加降水井來提高降水能力，故降水效果大打折扣。

4 處理方案

按原施工方案的排水下沉施工方法，施工至－20.00 m已無法實(shí)施，沉井剩余3 m施工的處理方案變?yōu)椴慌潘鲁练ㄊ┕?，方案重新編制報審?fù)ㄟ^后實(shí)施[1-2]。

處理方案實(shí)施內(nèi)容：待各項施工準(zhǔn)備完畢后，向井內(nèi)注水，井內(nèi)水位要高于地下水位2 m以上，確保井內(nèi)壓力大于井外壓力，潛水員潛入水底采用高壓水槍沖擊泥沙，泥土液化后，用浮在水面浮桶上的22 kW泥漿泵通過泵底的吸管將泥沙吸排出沉井外并送入泥漿池。沖吸泥的同時向井內(nèi)注水，注水量要與排水量基本平衡，不得小于排水量，確保井內(nèi)外有壓力差。

4.1 不排水下沉施工要點(diǎn)

4.1.1 沉井外側(cè)增加降水井

原方案施工的降水井因堵井、深度不夠等原因不能滿足沉井外圍降水的要求，現(xiàn)在在沉井四周增加4口降水井（圖6），降水井井徑800 mm，采用φ500 mm無砂混凝土管，井口標(biāo)高－5.10 m的2口，－9.10 m的2口，井底標(biāo)高－27.00 m，降水井的作用一是降低沉井承壓水壓力，二是向井內(nèi)注水。

4.1.2 制備泥漿池、疏通排水溝

泥漿池共2個（圖7），直接排入泥漿的池子大小為20 m×6 m×3 m（1#泥漿池），與其連通的泥漿池大小為8 m×8 m×3 m（2#泥漿池），泥漿池底及側(cè)壁鋪厚0.5 mm塑料布；泥漿池內(nèi)水通過2#泥漿池與排水溝相連，將水排入廠區(qū)河道內(nèi)。

圖6 降水井側(cè)立面3D示意

圖7 泥漿池平面位置

4.1.3 架設(shè)泥漿泵、抽水泵

使用1臺22 kW泥漿泵作為水下吸泥的設(shè)備，泥漿泵架設(shè)在浮筒上并浮于井內(nèi)水面上，1臺15 kW高壓水泵作為沖水設(shè)備，從井內(nèi)抽水然后通過高壓水泵將水打入井底，液化井底沙土，然后通過22 kW泥漿泵將泥水抽出井外并送入泥漿池內(nèi)。當(dāng)井內(nèi)泥沙抽吸到一定位置后，降低井內(nèi)水位，使沉井下沉，此時抽水速度必須大于井內(nèi)水上涌速度，以達(dá)到下沉的目的?？紤]水泵揚(yáng)程不足，在－5.10 m基坑平臺上增加2臺22 kW泥漿泵起增程作用，在沉井頂部與－5.10 m平臺間搭設(shè)2道排水管平臺。

4.1.4 井內(nèi)持續(xù)注水，噴射、抽吸

沉井噴射、抽吸之前先向井內(nèi)注水，注水高度大于承壓水頭水面高度2 m，使井內(nèi)水壓大于承壓水上涌壓力，確保承壓水不上涌，在噴射、抽吸過程中持續(xù)向井內(nèi)注水，保持大于承壓水頭2 m水位，承壓水靜止水位－10.50 m，井內(nèi)注水需達(dá)到－8.50 m。從外部引入水源并將水引入沉井內(nèi)，達(dá)到井內(nèi)注水、排水平衡，確保下沉連續(xù)作業(yè)。

當(dāng)井內(nèi)注水達(dá)到－8.50 m左右時開始噴射、吸泥，噴射、抽吸采取2種方式作業(yè)（一種是不需要潛水員下潛，另一種是需要潛水員下潛）。

4.1.5 抽水下沉

吸泥應(yīng)在井底大致形成鍋底狀，底標(biāo)高低于刃腳底標(biāo)高0.5 m時停止抽吸，進(jìn)行抽水下沉施工。經(jīng)計算，在承壓水水頭水位基礎(chǔ)上抽水5.5 m，即水位標(biāo)高降至－16.00 m時，可靠沉井自重下沉。抽水時，將水直接排入泥漿池，經(jīng)排水溝排入廠區(qū)河道內(nèi)。當(dāng)沉井下沉至距設(shè)計底標(biāo)高100 mm時，應(yīng)停止井內(nèi)吸泥，使其靠自重下沉至設(shè)計底標(biāo)高，再經(jīng)過2～3 d的下沉穩(wěn)定，或經(jīng)觀測在48 h內(nèi)累積下沉量不大于10 mm時，即可進(jìn)行沉井水下封底、底板結(jié)構(gòu)施工。

4.2 施工質(zhì)量注意事項

1）施工重點(diǎn)是沉井最后3 m的不排水下沉及周邊工程樁的保護(hù)，控制沉井下沉精度以及不產(chǎn)生沉井突沉是關(guān)鍵，下沉過程中必須控制好井內(nèi)外壓力差以及水下吸泥作業(yè)不能過大，確保各刃腳下泥面標(biāo)高基本一致。

2）本沉井外部四周鄰靠工程樁，在下沉過程中要及時對井周塌方土進(jìn)行填砂處理，使塌方土層頂面與現(xiàn)有泥面保持等高，防止對樁造成破壞。

3）下沉過程中，做到均勻?qū)ΨQ出土，嚴(yán)格控制泥面高差，當(dāng)平面位置和四角差出現(xiàn)偏差時需及時糾正，糾偏時不可大起大落，避免沉井偏離軸線，同時應(yīng)注意糾偏幅度不宜過大，頻率不宜過高。

4）沉井在終沉階段以糾偏為主；在沉井刃腳接近設(shè)計標(biāo)高50 cm以內(nèi)時，確保不再有超出容許范圍的標(biāo)高和軸線偏差，否則將難以糾正。

5）在沉井下沉過程中，做到每小時至少測量一次下沉高度，必要時連續(xù)觀測，及時糾偏，當(dāng)沉井下沉接近設(shè)計標(biāo)高時增加觀測密度。

5 結(jié)語

當(dāng)沉井施工無法采取排水下沉方式實(shí)施時，采用不排水下沉方式進(jìn)行處理，并經(jīng)過一系列的補(bǔ)救措施后，沉井順利下沉到設(shè)計標(biāo)高。在土方開挖邊坡四周、坡頂、坡腳、止水帷幕、沉井內(nèi)以及柱基礎(chǔ)上周邊設(shè)置的22個變形監(jiān)測點(diǎn)的監(jiān)測結(jié)果顯示，各項監(jiān)測數(shù)據(jù)均滿足規(guī)范要求，沉井下沉處理施工技術(shù)得到了有效應(yīng)用。沉井的順利完成，保證了特大高精度設(shè)備基礎(chǔ)的施工高效完成，同時也確保了基坑設(shè)備基礎(chǔ)及周邊環(huán)境的變形得到有效控制。

1）沉井施工原采取的排水下沉方式無法順利實(shí)施的主要原因?yàn)椋菏艿刭|(zhì)條件差、止水帷幕施工質(zhì)量未達(dá)到要求等因素的影響，本工程沉井施工時采取的雙軸高壓旋噴樁止水帷幕未能起到應(yīng)有的效果；可調(diào)整為三軸攪拌樁的方式[3-4]，也可采取在止水帷幕樁內(nèi)插型鋼的方式，這種方式雖然適當(dāng)?shù)卦黾恿嘶又ёo(hù)費(fèi)用，但保證了止水帷幕施工質(zhì)量，沉井施工的工期也大大減少。

2）通過總結(jié)失敗的教訓(xùn)（方案調(diào)整不及時），我們認(rèn)為，只有充分估計深基坑沉井的施工難度，進(jìn)行現(xiàn)場摸排及各類信息匯總，并在實(shí)際施工中靈活應(yīng)變，及時調(diào)整實(shí)施方案，方能保證質(zhì)量、安全、工期及成本。