沉井在上海某綜合管廊中的應(yīng)用實(shí)例與分析

孫建海，樊 云，陳 挺，石 磊，孫 可

（1.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200129；2.上海斯美科匯建設(shè)工程咨詢有限公司，上海市 200433）

1 概述

1.1 工程概況

隨著城市建設(shè)不斷發(fā)展完善，在城市建筑密集區(qū)域進(jìn)行地下市政設(shè)施建設(shè)的情況比較常見，由此而產(chǎn)生的大量拆、搬遷及建筑安全問題逐漸突出。沉井具有作業(yè)占地面積小、土方開挖量少的特點(diǎn),在城市地下市政工程應(yīng)用中越來越常見。市政工程中常見的沉井為獨(dú)立構(gòu)造形式的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，一般由刃腳、井壁、底板、頂板等組成。

該工程位于上海市松江南部大型居住社區(qū)，穿越松衛(wèi)北路（市級(jí)道路）和洞涇港（六級(jí)航道），頂管工程全長504 m，分一個(gè)工作井和兩個(gè)接收井。工作井設(shè)置在松衛(wèi)北路西側(cè)，兩個(gè)接收井分別設(shè)置在松衛(wèi)北路東側(cè)和洞涇港西側(cè)（見圖1）。由工作井出發(fā)，三道頂管先南后北再中間，依次頂向洞涇港西側(cè)接收井，相鄰頂管前后頂管機(jī)位置大于50 m。沉井平面尺寸為29.9 m×17.2 m，三道頂管頂進(jìn)，結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，沉井外側(cè)距城市主干路最近距離11.78 m，需采取有效的防護(hù)措施（見圖2）。

圖1 沉井位置關(guān)系平面圖

圖2 沉井結(jié)構(gòu)示意圖（單位：mm）

1.2 自然條件

施工區(qū)域周邊主要為農(nóng)田、荒地，地下水由淺部土層中的潛水和深部粉（砂）性土層中的（微）承壓水組成。經(jīng)勘察，擬建場地地下潛水水位埋深為0.61～1.42 m（標(biāo)高 1.87～3.10 m）；承壓水水位低于潛水位，呈周期性變化，埋深3.0～12.0 m?，F(xiàn)場布置承壓水頭觀測孔CY1、CY2、CY3，承壓水頭埋深和標(biāo)高見表1。

表1 承壓水頭管材結(jié)果匯總

1.3 工藝選擇

不排水下沉是指在沉井下沉過程中不采取措施將井內(nèi)滲出的地下水排出，沉井下沉過程中，井內(nèi)水位保持與井外地下水位齊平[1]。不排水下沉利用機(jī)械設(shè)備吸泥出土，吸出的泥漿通過管道排放至泥漿池，經(jīng)沉淀后將上層清水排至指定位置，土方運(yùn)至堆土點(diǎn)。

排水下沉是指在下沉?xí)r采取降水、排水措施使地下水位降低或阻斷，使沉井內(nèi)幾乎無地下水滲出（見圖3）。該方法主要優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）井內(nèi)無水，作業(yè)人員可以及時(shí)了解下沉及出土情況、井底土面高低、刃腳及底梁與土面的接觸狀況，根據(jù)測量數(shù)據(jù)，安排出土與糾偏，控制下沉質(zhì)量。

（2）下沉速度快，排水下沉較不排水下沉速度快 2～5 倍[2]。

（3）經(jīng)濟(jì)效益顯著，采取排水下沉，可實(shí)現(xiàn)干封底，提高封底質(zhì)量，節(jié)省大量的人、機(jī)、料。

（4）節(jié)省場地，排水下沉無須準(zhǔn)備泥漿池，出土土方可直接運(yùn)出場外。

沉井下沉工藝選擇需綜合考慮安全、質(zhì)量、進(jìn)度、成本等因素，工藝不同，施工費(fèi)用也不同。根據(jù)費(fèi)用測算，一個(gè)工作井或接收井不排水下沉較排水下沉施工整體費(fèi)用相差150萬左右（見表2）。經(jīng)綜合考量，該次沉井采取排水下沉的施工方法。

表2 沉井排水下沉與不排水下沉施工費(fèi)用對(duì)比

2 沉井的施工計(jì)算

沉井施工前應(yīng)對(duì)墊層厚度、下沉系數(shù)、接高穩(wěn)定性、抗浮系數(shù)等內(nèi)容進(jìn)行計(jì)算與驗(yàn)算[3]。

2.1 砂墊層計(jì)算

該項(xiàng)目沉井采用五次澆筑，兩次下沉；第一次澆筑刃腳及以下部分底梁，第一次下沉在第三次澆筑完成并符合下沉條件后進(jìn)行。

（1）第一次澆筑完成，砂墊層上部總荷載為[1183.00×2600+1149.66×（150+100）+61.82×2500+147.63×2000]/100=38130.25（kN）。

砂墊層實(shí)際所受應(yīng)力為

式中：T為總荷載，kN；F為混凝土墊層面積，m2。因123.359 kPa≤[δ]=200 kPa，故砂墊層穩(wěn)定。

（2）砂墊層之下的下臥層是通過砂墊層一定厚度的應(yīng)力擴(kuò)散而承受到上部的重量。該項(xiàng)目基坑開挖依現(xiàn)有施工條件，下臥層預(yù)計(jì)將坐落于粉質(zhì)黏土層。據(jù)相關(guān)資料取粉質(zhì)黏土容許承載力[R]=85 kPa，故該下臥層的極限承載力折減值為

式中：Pu為極限承載力折減值，kPa；[R]為容許承載力，kPa；K1為容許承載力轉(zhuǎn)換為極限承載力系數(shù)，一般取K1=2；K2為極限承載力折減系數(shù)，K2=0.8～0.95，當(dāng)下臥層為粉質(zhì)黏土或砂質(zhì)粉土等強(qiáng)度較高、壓縮性較低的土層時(shí)，可取0.9～0.95，該工程起沉標(biāo)高位于粉質(zhì)黏土，故取K2＝0.9；K3為當(dāng)沉井多節(jié)制作一次下沉、最后一節(jié)制作完成時(shí)，沉井中自重超載系數(shù)的倒數(shù)，取K3=0.83～0.87，為安全考慮，該工程取K3=0.83。

（3）三節(jié)制作完成后總荷載=鋼筋混凝土荷載+模板及施工荷載+素混凝土墊層荷載+磚模荷載：[2394.59×2600+884×（150+100）+61.82×2500+147.63×2000]/100=68967.44（kN）。

單位（每米）刃角（梁）所受荷載：G=68967.44/135.5=508.985（kN/m）。

中粗砂墊層應(yīng)力擴(kuò)散角θ取35°。

刃角底中心長度=[（29.9-2×1）+（17.2-2×1）]×2=86.20（m），刃角底墊層寬 2.5 m。

隔墻及橫梁長度為49.3 m，隔墻及橫梁底墊層寬2.0 m。

刃角及底梁總長度=86.2+49.3=135.5（m）。

（4）根據(jù)《沉井與氣壓沉箱施工技術(shù)規(guī)程》（DG/TJ08-2084—2011）中4.2節(jié)，砂墊層厚計(jì)算如下：

式中：p為基底壓力標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m2；hs為砂墊層厚度，m；G 為單位（每米）刃角（梁）所受荷載，kN/m；rs為砂的天然重度，kN/m3，可取15；BL為素混凝土墊層的寬度，m，BL=B+2b1，計(jì)算時(shí)取 b1=hc；b1為素混凝土外挑寬度，m，可取b1≥hc（hc為素混凝土墊層厚度）；α為砂墊層的壓力擴(kuò)散角，取35°；fa為修正后的地基承載力特征值，kPa；b為刃腳踏面寬度，m；B為刃角寬度，m。

砂墊層厚度取2.4 m，得p=122.85≤126.99。

2.2 下沉系數(shù)計(jì)算

沉井下沉系數(shù)一般采用K≥1.05～1.25作為下沉的控制指標(biāo)。剩余下沉穩(wěn)定系數(shù)可按下式計(jì)算：

式中：G為分次下沉?xí)r井體自重，kN，不考慮封底混凝土和底板；F為地下水浮力，由于為排水下沉，所以F=0；T為沉井下沉?xí)r土層與井壁的總摩阻力，T=LA；L為沉井外壁周長94.2 m；A為單位周長磨阻力，kN/m，可按A=hf0計(jì)算；h為沉井下沉深度，m；R為刃腳踏面及斜面下土的支承力，R=AiRj；Ai為底梁下土的總支承面積；Rj為刃腳下土層的極限承載力；f0為單位面積井壁摩阻力，加權(quán)平均 kN/m2：

式中：fi為第 i層土的摩阻力，kPa；hi為第 i層土的厚度，m。

沉井下沉系數(shù)分析見表3。

表3 沉井下沉系數(shù)分析

2.3 接高穩(wěn)定性計(jì)算

沉井在第一次下沉完畢后，接高穩(wěn)定性是沉井結(jié)構(gòu)接高過程中安全控制的重要指標(biāo)。沉井的接高穩(wěn)定性可按下式計(jì)算：

式中：G為沉井混凝土井位自重，kN；T為井壁總摩阻力；R為刃腳踏面、斜面及底梁下土的支承力，同下沉系數(shù)計(jì)算公式；B1為地下水浮力。

沉井第二節(jié)接高時(shí)，沉井混凝土自重為G=80420 kN，地下水浮力（排水下沉）為0，井壁摩阻力T=23908.0 kN，此時(shí)刃腳位于④淤泥質(zhì)黏土層，該層土地基承載力為50 kN/m2，則此時(shí)刃腳踏面及斜面下土的支承力R=232.3×50=11615（kN），可得接收井接高穩(wěn)定性：

計(jì)算表明，沉井在第二節(jié)接高時(shí)，不能滿足沉井接高穩(wěn)定性要求。

為保證各沉井接高時(shí)的安全，對(duì)沉井外圍進(jìn)行土方回填，井內(nèi)采取刃腳注砂平衡。井內(nèi)刃腳踏面以上砂的高度為1.0 m，寬度為2 m。

沉井下臥層地基承載力計(jì)算如下（回填砂后）：

式中：r1為井內(nèi)回填砂的重度17 kN/m3；h為井內(nèi)刃腳踏面以上砂的高度 1.0 m；m1為 tan2（45°+），砂的內(nèi)摩擦取 35°，計(jì)算為 3.69；r為原地基土的重度 16.8 kN/m3；b為井墻厚度 1.0 m；m為tan2（45°+），土的內(nèi)摩擦角取10.9°，計(jì)算為1.47；c為原地基土的內(nèi)聚力11 kN/m2。

沉井采取相應(yīng)措施后，接高穩(wěn)定性驗(yàn)算：

由上述計(jì)算可知，在第二次接高時(shí)，沉井采取刃腳位置留土及灌砂措施，其接高穩(wěn)定系數(shù)經(jīng)計(jì)算大于1，可滿足沉井接高穩(wěn)定性要求。

2.4 抗浮系數(shù)計(jì)算

根據(jù)《地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（DGJ 08-11—2010）要求，沉井抗浮穩(wěn)定系數(shù)按不計(jì)井壁摩阻力時(shí)，抗浮系數(shù)可取1.0。

不計(jì)井壁摩阻力時(shí)，沉井抗浮穩(wěn)定系數(shù)按下式計(jì)算：

式中：Kfw為沉井抗浮系數(shù)，規(guī)定 Kfw≥1.0；Fbfw，k為水的浮托力標(biāo)準(zhǔn)值，kN。

沉井自重為井壁和封底混凝土重量：

由地質(zhì)勘察資料知，擬建場地的承壓水水頭埋深3～12 m，原地面標(biāo)高3.34 m，沉井底標(biāo)高為-20.5 m，故驗(yàn)算浮力的地下水深度按21 m考慮，則地下水向上浮力為

綜上，沉井自重可以抵抗地下水的浮力。

3 沉井的施工工藝

3.1 墊層鋪設(shè)

沉井基坑開挖使砂墊層鋪設(shè)在原狀土上，基坑按1∶1放坡，基坑底面設(shè)0.3 m×0.3 m盲溝（見圖 4）。

圖4 沉井基坑開挖示意圖

砂墊層進(jìn)行分段分層振實(shí)鋪設(shè)，采用中粗砂，每層厚度300 mm。密實(shí)的砂墊層干容重控制在1.65 g/cm3以上?，F(xiàn)場砂墊層密實(shí)度可用釬探法普查，鋼釬頭部沉入砂面層深度不大于7 cm者為合格。

3.2 沉井制作

該工程沉井深度在19.3～24.3 m，采取五次制作，兩次下沉（見表4）。

表4 沉井結(jié)構(gòu)形式

沉井制作順序如下：沉井結(jié)構(gòu)制作總高度23.6 m；地面標(biāo)高3.34 m，基坑開挖挖至高程1.84 m。第一節(jié)沉井制作從-20.5 m到-14.7 m，澆筑高度為5.8 m；第二節(jié)沉井制作從-14.7 m到-8.5 m，澆筑高度為6.2 m；第三節(jié)沉井制作從-8.5 m到-1.7 m，澆筑高度為6.8 m；第一次排水下沉高度18.8 m；第四節(jié)沉井制作從-1.7 m到3.1 m，澆筑高度為4.80 m；第二次排水下沉高度3.54 m；第五節(jié)沉井制作從3.1 m到3.8 m，澆筑高度為0.70 m。

3.3 沉井下沉

第一節(jié)（刃腳及井壁）沉井制作完成后，待其刃腳混凝土強(qiáng)度100%達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，井壁混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的70%后進(jìn)行刃腳墊架拆除和下沉的準(zhǔn)備工作[4]。根據(jù)沉井結(jié)構(gòu)，將墊層鑿除分為兩塊施工，一塊為底梁下墊層鑿除，一塊為刃腳下墊層鑿除。按照先鑿除底梁墊層，后鑿除刃腳墊層的原則，將底梁混凝土墊層劃為五個(gè)區(qū)，刃腳下混凝土分為四個(gè)區(qū)。鑿除順序按照?qǐng)D5編號(hào)進(jìn)行。

圖5 混凝土墊層鑿除劃塊示意圖

按照編號(hào)順序，對(duì)稱、均衡、同步鑿除。當(dāng)沉井發(fā)生傾斜時(shí)，及時(shí)調(diào)整鑿除位置，使沉井平穩(wěn)地切入土中。取土過程中在井外壁刃腳內(nèi)側(cè)保留1 m寬的土堤，土堤高度一般為0.1～0.3 m，隨沉井進(jìn)尺量增加而適當(dāng)減少。

初沉?xí)r，沉井下沉系數(shù)大、重心高、穩(wěn)定性差，每間隔3～4 h進(jìn)行一次沉降觀測，平面位移每天測量一次。當(dāng)測量數(shù)據(jù)反映沉井偏差超限時(shí)，及時(shí)調(diào)整取土倉號(hào)或取土部位，控制每倉之間的取土深度，取土底面高差不應(yīng)大于50 cm。當(dāng)測量數(shù)據(jù)高差較好時(shí)，則對(duì)稱倉位取土保持正常狀態(tài)下沉，并控制好鍋底的深度，一般限制挖土鍋底深度不宜超過1 m，防止井體發(fā)生突沉。

下沉過程中，沉井對(duì)角刃腳踏面處標(biāo)高差出現(xiàn)波動(dòng)，屬正?，F(xiàn)象，當(dāng)高差值大于25 mm時(shí)應(yīng)及時(shí)糾偏。糾偏主要采用選擇挖土區(qū)域，不均勻?qū)ΨQ挖土。通過不同的挖土深度，采取“高處多挖，低處少挖”來調(diào)整井內(nèi)刃腳踏面的土應(yīng)力分布，使得沉井改變傾斜狀態(tài)，逐步恢復(fù)至豎直方向下沉。沉井下沉?xí)r，由于沉井重心分布不均勻，首先考慮沉井中間部位的底梁下先挖土。

終沉?xí)r刃腳踏面為警示標(biāo)高，比設(shè)計(jì)高程拋高20 cm，當(dāng)沉井的進(jìn)尺到最后2 m時(shí)即進(jìn)入終沉階段。沉井接近設(shè)計(jì)圖紙要求達(dá)到鍋底尺寸與標(biāo)高時(shí)，應(yīng)檢查井底鍋底狀況，并且適當(dāng)放慢取土速度和數(shù)量，嚴(yán)格按照均勻?qū)ΨQ的原則布置挖土范圍，保證沉井平穩(wěn)到位。

3.4 沉井封底

當(dāng)沉井下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高，待其基本穩(wěn)定以后，封底前進(jìn)行沉降觀測，在8 h內(nèi)沉降量不超過10 mm可封底[5]。在沉井封底前，基坑底土面挖至設(shè)計(jì)要求標(biāo)高，排除沉井內(nèi)積水，對(duì)超挖部分回填砂石。在澆筑素混凝土墊層時(shí)，為了防止新澆混凝土被水沖刷，以及因振搗混凝土而產(chǎn)生漏漿現(xiàn)象，在碎石層上鋪一層油氈或中、粗砂，并適當(dāng)增加混凝土中的水泥用量。

封底按沉井底部梁格結(jié)構(gòu)分格進(jìn)行；分格次序第一批先封沉井四角，清理一格封一格，并需待四角鋼筋混凝土底板達(dá)到一定強(qiáng)度后，再根據(jù)沉井面積的大小分成數(shù)批進(jìn)行。

4 結(jié) 語

2014年隨著我國政府與社會(huì)資本合作模式的展開，以《國務(wù)院辦公廳關(guān)于推進(jìn)城市地下綜合管廊建設(shè)的指導(dǎo)意見》（國辦發(fā)〔2015〕61號(hào)）為標(biāo)志，我國開始全面啟動(dòng)新一輪城市地下綜合管廊建設(shè)工作[6]。沉井是市政工程中修筑地下構(gòu)筑物的一種施工方法，施工時(shí)先制作鋼筋混凝土井身，井身依靠自重或其他輔助措施克服與土體間的摩阻力和刃腳地反力，下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高。

沉井工程一是要強(qiáng)化墊層厚度、下沉系數(shù)、接高穩(wěn)定性、抗浮系數(shù)等內(nèi)容的計(jì)算，選擇合理安全的方案；二是要注重施工過程控制，提前制定糾偏、突沉等情況的措施。沉井頂管工藝作為非開挖技術(shù)，可以有效避免對(duì)城市建筑物、交通設(shè)施等的影響和破壞，對(duì)推動(dòng)綜合管廊的建設(shè)具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。