沉井施工及下沉過程地質(zhì)擾動(dòng)處理方案探討
——以福州中心城區(qū)某內(nèi)河綜合整治工程為例

李 濤

(福州市水務(wù)投資發(fā)展有限公司總工程師辦公室(技術(shù)中心) 福建福州 350001)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速增長(zhǎng)，城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)日趨完善，沉井在市政管網(wǎng)建設(shè)中的應(yīng)用十分頻繁。沉井下沉施工是修筑深基礎(chǔ)和地下構(gòu)筑物的施工方法之一，在地下建筑工程施工時(shí)得到廣泛運(yùn)用。目前，沉井下沉有排水下沉和不排水下沉兩種方法。因閩江江北中心城區(qū)內(nèi)河綜合整治工程—東西河等13條內(nèi)河10標(biāo)段安泰河西段通湖路至白馬河雨水管道工程中涉及提升泵井下沉深，故采用排水下沉和不排水下沉相結(jié)合的下沉方法?；诖?，文章擬詳細(xì)介紹沉井下沉中兩種施工工藝轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)及采取的工程措施，同時(shí)，闡述了下沉過程的控制措施、采用的設(shè)備及施工中出現(xiàn)因地質(zhì)擾動(dòng)造成沉井外側(cè)地面塌陷的處理方法等，希冀其成功經(jīng)驗(yàn)?zāi)転槠渌笮统辆鲁潦┕ぬ峁﹨⒖肌?/p>

1 工程概況

閩江江北中心城區(qū)內(nèi)河綜合整治工程—東西河等13條內(nèi)河10標(biāo)段安泰河西段通湖路至白馬河雨水管道工程，為避免位于5A級(jí)景區(qū)內(nèi)的安泰河西段沿線雨水直排影響其水質(zhì)而新建設(shè)的長(zhǎng)度為1.2km的雨水管道，末端提升泵井為大型取水構(gòu)筑物，鋼筋混凝土矩形筒壁結(jié)構(gòu)，提升泵井基礎(chǔ)總深為14m,刀腳底標(biāo)高-7.7m，底板面標(biāo)高-5.0 m，頂板標(biāo)高6.30m，井體平面形狀為矩形，尺寸18m×12m，壁厚下節(jié)1.2m,上節(jié)1m，沉井總重量約3000t。

沉井平面位置圖如圖1所示。

圖1 沉井平面位置圖

2 沉井地質(zhì)情況

原始地面平均標(biāo)高約羅零7.3m，沉井四面地基土質(zhì)均有差別，從上之下大致可分為：

①雜填土②淤泥質(zhì)土③粘土④淤泥⑤殘積砂質(zhì)粘性土⑥砂土狀強(qiáng)風(fēng)化巖⑦全風(fēng)化巖。

沉井四面地質(zhì)情況不同：沉井北側(cè)和西側(cè)處在⑤殘積砂質(zhì)粘性土和③粘土之間；南側(cè)處在③粘土和④淤泥之間；東側(cè)處在③粘土④淤泥⑤殘積砂質(zhì)粘性土之間。

場(chǎng)地臨近白馬河，地下水主要為白馬河水的滲透以及賦存于淤泥中的潛水，地下水穩(wěn)定水位埋深為2.2m(約羅零4.5m)。

3 施工工藝選擇

為了使沉井下沉較為順利，通過對(duì)沉井施工圖紙、地質(zhì)資料的分析，并結(jié)合沉井外形、重量、下沉深度、水文地質(zhì)條件等進(jìn)行計(jì)算。

(1)沉井下沉系數(shù)的驗(yàn)算如下：

K=(Q-B)/(T+R)；

式中：K——下沉安全系數(shù)，一般應(yīng)在1.15～1.25之間；

Q——沉井自重及附加荷載(kN)；

B——被井壁排出的水量(kN)，如采取排水下沉法時(shí)，B=0；

T——沉井與土間的摩阻力(kN)，T=L(H-2.5)·f；

L——沉井周長(zhǎng)(m)；

H——沉井高(m)；

f——井壁與土間的摩阻系數(shù)(KPa)，由地質(zhì)資料提供；

R——刃腳反力(kN)。

(2)施工中抗浮穩(wěn)定驗(yàn)算

Kw=Q+0.5T/P

P——沉井承受的水浮力；

Kw——抗浮安全系數(shù)，一般取≥1.1；

經(jīng)驗(yàn)算，抗浮穩(wěn)定滿足要求。

(3)計(jì)算枕木用量

N=GO/A[P]

N——每米內(nèi)墊木的根數(shù)；

GO——第一節(jié)沉井的單位重量(kN)；(約10 000kN)

A——每根墊木與砂墊層的接觸面積(m2)；(取0.5m2)

[P]——砂墊層的承載力設(shè)計(jì)值(kN/m2)；(取4300kN/m2)

經(jīng)計(jì)算，初步擬定下沉方案：始沉，雜填沉、粘土層、淤泥層土，深為6m左右，工藝采用結(jié)合安裝在沉井東西兩側(cè)的固定抓斗以及配有抓斗的長(zhǎng)臂吊車進(jìn)行排水下沉。該幾層穿越后，由于地下水豐富，沉井外有影響，即停止排水下沉，向井內(nèi)加水，水位保持高于地下水位1m左右，工藝采用不排水潛水員沖吸泥下沉到位。

沉井全高14m，分4節(jié)制作、兩次下沉，下沉采用排水與不排水下沉相結(jié)合。第一節(jié)制作高度為3.3m；第二節(jié)制作高度為4.6m；第三節(jié)制作高度為3.6m；第四節(jié)制作高度為2.5m。

沉井第一節(jié)、第二節(jié)制作完后，待刃腳強(qiáng)度達(dá)100%后進(jìn)行第一次下沉；第三節(jié)、第四節(jié)制作完成后，強(qiáng)度達(dá)100%再進(jìn)行第二次下沉。

4 施工工藝介紹

(1)排水下沉工藝，使用固定抓斗以及配有抓斗的長(zhǎng)臂吊車進(jìn)行施工，固定抓斗滿斗體積為0.5m3，長(zhǎng)臂吊車配的抓斗滿斗體積為1m3，3臺(tái)設(shè)備同時(shí)從沉井東、西、中3個(gè)位置開挖，將土體挖至場(chǎng)地內(nèi)的堆土區(qū)，從而使沉井逐步下沉到位。

設(shè)備操作員每天工作9h，有效工時(shí)90%，固定抓斗工作效率5min一斗、長(zhǎng)臂吊車6min一斗。每天出土：2臺(tái)固定爪斗×0.5m3×(9h×60min×90%÷5min)+1m3×(9h×60min×90%÷6min)=178.2m3。沉井?dāng)嗝妫?8×12×1.05=226.8m3,每天可下沉178.2÷226.8=0.78m,下沉7.5m約10d。

在下沉過程，每小時(shí)觀察沉井動(dòng)態(tài)。在沉井外部地面及井壁頂部四面設(shè)置縱橫十字中心控制線、水準(zhǔn)基點(diǎn)，以控制沉井位置。在井外壁上四面用油漆畫出標(biāo)尺，在沉井兩側(cè)搭設(shè)兩個(gè)觀測(cè)棚用2臺(tái)水準(zhǔn)儀固定同時(shí)觀測(cè)沉降并記錄，用數(shù)據(jù)指導(dǎo)下沉，遇到傾斜及時(shí)糾偏。

(2)不排水下沉工藝，采用導(dǎo)管式潛水泥漿泵調(diào)節(jié)泥漿泵在沉井中水下深度，利用泥漿泵特質(zhì)的導(dǎo)管吸頭以自身的重力將土體破碎與水混合成一定濃度的泥漿，然后由潛水泥漿泵經(jīng)由輸泥管排出沉井送至泥漿池。導(dǎo)管式潛水泥漿泵通過吊車控制，以水平和垂直方向相結(jié)合移動(dòng)泥漿泵到指定位置，使沉井均勻，對(duì)稱下沉。

由于地下水隨著第二次下沉深度增加而增大等狀況不能滿足水力沖吸泥下沉?xí)r，改為不排水下沉，即向井內(nèi)注水(注水設(shè)備始沉前已安裝到位)，置換安裝4組導(dǎo)管式潛水泥漿泵設(shè)備。由于不排水下沉吸泥耗水量大，及時(shí)補(bǔ)水保持內(nèi)外水位平衡，保證不發(fā)生井底返砂。

不排水潛水員沖吸泥機(jī)組流量140m3/h，按照泥漿濃度2%，有效工作時(shí)80%，工作效率80%，每天出土：4臺(tái)×140m3/臺(tái)×24×80%×80%×2%=172.2m3，沉井?dāng)嗝妫?8×12×1.05=226.8m3,每天可下沉172.2÷226.8=0.76m,下沉到位6.5m約9d。

5 出現(xiàn)地質(zhì)擾動(dòng)時(shí)處理方案

該沉井在進(jìn)行第二次不排水下沉施工，沉井下沉至12m時(shí)，沉井北側(cè)(靠道山西路橋側(cè))壁外地面發(fā)生坍塌，整個(gè)井體往北側(cè)傾斜，高差至400mm，沉井無法繼續(xù)下沉。若繼續(xù)采用增加吸泥泵的不排水下沉法，將導(dǎo)致吸走多少、外面就塌多少，沉井北側(cè)10m左右就道山西路橋橋臺(tái)，繼續(xù)下沉坍塌會(huì)影響橋臺(tái)。現(xiàn)場(chǎng)照片如圖2所示。

圖2 下沉坍塌現(xiàn)場(chǎng)照片

經(jīng)過專家咨詢會(huì)，專家認(rèn)為該情況是由于該沉井位置地質(zhì)情況復(fù)雜，且靠近河道，在之前的下沉過程中沉井北側(cè)地下土質(zhì)發(fā)生擾動(dòng)造成?；耍瑢＜医ㄗh采用沖孔樁結(jié)合高壓旋噴樁或簡(jiǎn)易工法樁進(jìn)行支護(hù)：在沉井北側(cè)和東西兩側(cè)的一半打梅花樁鞏固土體配合雙排高壓旋噴樁以及冠梁，待樁達(dá)到要求強(qiáng)度再繼續(xù)下沉。

設(shè)計(jì)支護(hù)方案平面圖如圖3所示。

圖3 設(shè)計(jì)支護(hù)方案平面圖

6 重新下沉

加固措施完成后開始進(jìn)行下沉。此次下沉采用排水下沉法，沉井分兩部分取土，如圖4所示，把井內(nèi)分割成兩個(gè)三角形，先在三角形Ⅰ的A角往B、C方向取土。由于取土過程可能會(huì)下沉，待穩(wěn)定后繼續(xù)挖至刃腳一下，再挖三角形Ⅱ，慢慢糾偏。

圖4 加固措施示意圖

沉井挖土下沉采用機(jī)械配合人工挖土，一臺(tái)25t汽車吊運(yùn)出土。由于挖土施工困難，綜合考慮挖土、吊運(yùn)的施工能力，研究沉井下沉的安全控制，沉井下沉速度控制為1m/24h。在坑邊堆放棄土、材料和移動(dòng)施工機(jī)械時(shí)，與坑邊保持一定距離，距坑邊3m以外，堆放高度不超過1.5m。

沉井下沉中，如遇到砂礫石或硬土層，當(dāng)土垅削至刃腳，沉井仍不下沉或下沉不平穩(wěn)，則按平面布置分段的次序，逐段對(duì)稱地將刃腳下掏空，并挖出刃腳外壁10cm；每段挖完后，用小卵石填滿夯實(shí)，待全部掏空回填后，再分層刷掉回填的小卵石，使沉井因均勻減少承壓面而平衡下沉。

在沉井開始下沉和將沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高1.0m以上時(shí)，適當(dāng)減少下沉速度，刃腳下慎重掏土，防止突沉或超沉事故。周邊開挖深度小于10cm，避免發(fā)生傾斜，尤其在開始下沉5m以內(nèi)時(shí)，其平面位置與垂直度要特別注意保持正確，預(yù)防繼續(xù)下沉不易調(diào)整；在離設(shè)計(jì)深度20cm左右停止取土，依靠自重下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高。

下沉觀測(cè)：沉井位置的控制是在井外地面設(shè)置縱橫十字控制樁、水準(zhǔn)基點(diǎn)。下沉?xí)r，在井壁上設(shè)十字控制線，并在四側(cè)設(shè)水平點(diǎn)。井壁外側(cè)用紅鉛油畫出標(biāo)尺，以測(cè)沉降。即在井內(nèi)壁四邊標(biāo)出垂直軸線，各吊垂球一個(gè)，對(duì)準(zhǔn)下部標(biāo)志板來控制，并定時(shí)用兩臺(tái)經(jīng)緯儀進(jìn)行垂直偏差觀測(cè)井內(nèi)中心線與垂直度。挖土?xí)r隨時(shí)觀測(cè)垂直度，當(dāng)垂球離墨線邊達(dá)50mm或四面標(biāo)高不一致時(shí)，立即糾正，沉井下沉過程，每班至少觀測(cè)兩次，并在每次下沉后進(jìn)行檢查，做好記錄。當(dāng)發(fā)現(xiàn)傾斜、位移、扭轉(zhuǎn)時(shí)，及時(shí)通知值班班長(zhǎng)，指揮操作工人糾正，使允許偏差范圍控制在允許范圍以內(nèi)。沉井在下沉過程，最大沉降差均控制在250mm以內(nèi)。當(dāng)沉至離設(shè)計(jì)標(biāo)高2m時(shí)，加強(qiáng)觀測(cè)下沉與挖土情況，以防超沉。下沉完成后照片如圖5所示。

圖5 沉井下沉到位現(xiàn)場(chǎng)圖

7 沉井糾偏

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)沉井采用偏心壓重糾偏

其糾偏方法為，當(dāng)沉井傾斜時(shí)，在較高一側(cè)加偏心壓重，同時(shí)在較高一側(cè)多挖土，使沉井逐漸下沉恢復(fù)水平后，再進(jìn)行均勻挖土，使沉井順利下沉，糾偏過程如圖6所示。

圖6 糾偏過程示意圖

8 下沉到位、封底

當(dāng)沉井沉到設(shè)計(jì)標(biāo)高，經(jīng)2～3d ，下沉已穩(wěn)定，在8h內(nèi)累計(jì)<10mm時(shí)，進(jìn)行沉井封底。沉井對(duì)封底質(zhì)量要求嚴(yán)格，不允許出現(xiàn)滲漏，再者涌水量不大，井底土質(zhì)較密實(shí)，采取排水封底方案。

①集水：沉井到位后進(jìn)行土形整理，使之呈鍋底形，自刃腳向中心挖放射形排水溝，填以石子做成濾水暗溝；在中部設(shè)2個(gè)集水坑， 井深1m～2m ，采用石塊堆放長(zhǎng)寬約0.6m～0.8m或四周取孔的直徑約0.6m～0.8m鋼套管。

②排水：將2根帶有單向底閥的自吸泵水管(PVC管)預(yù)埋進(jìn)集水井內(nèi)，并接至井壁底板以上50cm預(yù)裝上法蘭，以便安裝自吸泵；然后，在集水井四周填以卵石，使井中的水都匯集到集水井中，用自吸泵排出，使地下水位保持低于井底面30cm～50cm。

③澆注：當(dāng)沉井下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高后，為保護(hù)基底土質(zhì)不被擾動(dòng)破壞、便于下道工序施工，立即進(jìn)行封底施工。井底封底為C20素砼厚度1500mm，澆筑過程預(yù)留φ8拉接筋，按400方格網(wǎng)布置，分別接入封底素砼與鋼筋混凝土底板各40d。素砼澆筑完，接著澆筑沉井C35P8底板鋼筋混凝土800厚。澆筑前先鑿毛槽口，清除封底砼表面殘?jiān)_冼干凈，使砼連接緊密。沉井底板澆筑完成后，再后澆筑C20素砼800厚。澆筑在整個(gè)沉井面積上分層由四周向中央進(jìn)行，每層厚 30cm～40cm ，并搗固密實(shí)。

④封堵：混凝土養(yǎng)護(hù)14d 期間，在封底的集水井中不間斷地抽水，待底板混凝土達(dá)到70%設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，再對(duì)集水井逐個(gè)停止抽水，逐個(gè)進(jìn)行封堵。方法是關(guān)閉法蘭再拆除自吸泵，等頂管及井內(nèi)施工完畢后，切除該管，并立即向管內(nèi)灌入防水堵漏混凝土搗實(shí)，以確保不會(huì)漏水，最后再澆注0.3m厚的C15墊層平整底板。

9 結(jié)語(yǔ)

本文以江北中心城區(qū)內(nèi)河綜合整治工程—東西河等13條內(nèi)河10標(biāo)段安泰河西段通湖路至白馬河雨水管道工程中某大型沉井施工工程為例，全面介紹了大型沉井下沉工藝選擇、地質(zhì)擾動(dòng)影響排除方法及工程控制措施。主要經(jīng)驗(yàn)如下：

(1)對(duì)于下沉深度較深的大型沉井，應(yīng)根據(jù)施工實(shí)際工況，靈活轉(zhuǎn)換使用排水下沉與不排水下沉工藝。因排水下沉速度快，不排水下沉速度慢，為有效控制工程施工成本，應(yīng)盡量增加排水下沉量，減少不排水下沉量。

(2)沉井下沉期間要不間斷觀測(cè)，用測(cè)量數(shù)據(jù)來指導(dǎo)施工，嚴(yán)格控制4個(gè)方向的刃腳高差，以防止產(chǎn)生較大的位移。

(3)涉及位于河道邊緣以及地質(zhì)情況較為復(fù)雜的下沉環(huán)境時(shí)，應(yīng)分別從設(shè)計(jì)及施工角度制定防范措施，保守設(shè)計(jì)及施工，避免出現(xiàn)不可預(yù)測(cè)的地質(zhì)擾動(dòng)等情況。

(4)出現(xiàn)地質(zhì)擾動(dòng)造成沉井無法繼續(xù)下沉的情況，應(yīng)結(jié)合實(shí)際選用合適的支護(hù)措施對(duì)土體進(jìn)行加固，待土體達(dá)到要求強(qiáng)度后方可繼續(xù)下沉。