復(fù)雜地質(zhì)條件下沉井下沉各階段風(fēng)險分析及對策

宋朋遠

（中石化北海液化天然氣有限責(zé)任公司，廣西 北海 536000）

在施工場地有限、地下水位較高、涌水量較大或有地下承壓水等軟土地質(zhì)條件下修筑深基礎(chǔ)時,沉井施工是常采用的一種施工方法。該方法具有占地面積小、挖土量少、施工設(shè)備簡單、對周圍環(huán)境影響小等優(yōu)點。然而在實際施工過程中，由于地質(zhì)條件復(fù)雜、設(shè)計考慮不周到、施工工藝不合理等問題，沉井下沉可能出現(xiàn)流砂、管涌、突沉、傾斜、位移、扭轉(zhuǎn)、超沉等問題，導(dǎo)致周圍地面下沉、位移或出現(xiàn)裂縫，不但嚴重影響了沉井的施工質(zhì)量，而且對施工人員的安全造成威脅[1]。文章通過工程實例，介紹了沉井下沉施工的施工工藝，對沉井下沉過程中的風(fēng)險進行評估，并制訂了應(yīng)對措施，以保證沉井下沉質(zhì)量安全可控。

1 工程概況

文章以某LNG接收站海水泵房沉井工程為例，進行復(fù)雜地質(zhì)條件下沉井下沉安全風(fēng)險分析。該沉井位于距離海岸5.3km的一座人工島上，長45.2m，寬37.4m，外墻體厚1.2m，重約21720t，四周被海水環(huán)繞，施工區(qū)域有限，且在距沉井50m處有一座LNG儲罐。在沉井底部3.7m范圍內(nèi)，由內(nèi)外墻刃腳及底梁將沉井分為56個格倉。沉井預(yù)制高度為17.25m，設(shè)計高程為-9.2m，共計需下沉17.25m。經(jīng)地質(zhì)勘探得出沉井地質(zhì)剖面圖：下沉自上而下依次穿過約7.2m厚的島域吹填中粗砂層、7m厚的原狀粉質(zhì)黏土及黏土層、0.5m厚的粉細砂及中粗砂層，各地質(zhì)層間接觸面不均勻。地下水位主要隨海水潮汐而變化，其中粉細砂及中粗砂層屬透水層，具有一定的承壓性。沉井在下沉過程中，由于地質(zhì)條件較為復(fù)雜，前后采用兩種主要的下沉施工方法，即在吹填中粗砂層采用不排水下沉施工，在黏土層采用排水下沉施工。

2 沉井下沉各階段風(fēng)險分析

2.1 初始下沉階段

風(fēng)險分析：在初始下沉階段，沉井采用不排水下沉方案，由于沉井周圍地質(zhì)條件主要為陸域形成吹填砂，因此相對比較松軟，如果井內(nèi)沖砂除土不均勻，將容易發(fā)生偏斜的風(fēng)險。

對策：為了避免沉井發(fā)生初始偏斜，在施工過程中，將沉井底部的56個格倉，劃分為兩個工作區(qū)域，即中間的30個格倉為1#工作區(qū)、周邊的26個格倉為2#工作區(qū)。除土?xí)r按照“先1#區(qū)后2#區(qū)，先中間后四邊，深度適當，對稱取土”的原則，在沉井內(nèi)部慢慢形成一個鍋底，通過不斷調(diào)節(jié)鍋底的深度讓沉井平穩(wěn)下沉。

2.2 穿過吹填砂層與黏土層結(jié)合階段

風(fēng)險分析：在沉井穿過吹填中粗砂層，下沉至開始接觸粉質(zhì)黏土?xí)r，由于兩土層間的接觸面不是一個平面，因此沉井四周刃腳受到的承載力不一樣，此時沉井也容易發(fā)生偏斜、扭轉(zhuǎn)或位移。

對策：為了保證沉井此階段下沉姿態(tài)穩(wěn)定，需要根據(jù)地勘資料提前分析出沉井刃腳位置的黏土層高程，然后優(yōu)先抽除刃腳接觸部位黏土，如果抽除后沉井仍不下沉，再依次抽除刃腳處砂，直至沉井周邊刃腳全部進入黏土層。

2.3 黏土層下沉階段

沉井采用不排水下沉法，順利穿過了吹填中粗砂層。沉井周圍地質(zhì)條件復(fù)雜，當下沉7.63m時，沉井進入粉質(zhì)黏土層，黏土黏性很大，沉井下沉幾乎停滯，原來的不排水下沉法已不適應(yīng)現(xiàn)在的地質(zhì)條件。為滿足沉井進度要求，經(jīng)過研究決定改變施工方案，采用排水下沉施工。

風(fēng)險分析：若采用排水下沉，由于沉井臨海，地下水位主要隨海水潮汐而變化。據(jù)2014年該區(qū)域潮汐表，海水高潮位在3.84～5.32m、低潮位在3.22～2.32m。若取海水高潮位平均值4.5m，沉井下沉至標高-9.2m時，沉井內(nèi)外水頭差將達到13.7m。另外，根據(jù)沉井周邊地層的滲透性，沉井位置處的地層可主要分為三層：第一層為中粗砂及塊石層，屬于強透水層；第二層為粉質(zhì)黏土層，該層滲透系數(shù)為2.8×10-8cm/s，可視為不透水層；第三層則為粉砂層，局部有中粗砂，沉井設(shè)計標高正位于該層，為透水層。沉井采用排水下沉施工工藝后，在下沉過程中將經(jīng)過第二層、第三層，其中第三層相對透水，具有一定的承壓性，需要考慮在沉井下沉過程中的第二層、第三層地質(zhì)的滲透穩(wěn)定性，防止發(fā)生管涌、流砂等風(fēng)險。

對策：結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)條件，經(jīng)研究擬采用在沉井周圍做灌漿帷幕的措施來止水[2-3]。止水帷幕底端進入-9.2m以下④粉質(zhì)黏土及黏土Q2層1.0m；上端自下而上進入上部②粉質(zhì)黏土及黏土Q3層1.0m。

根據(jù)沉井場地的水文特點和地質(zhì)資料，采用區(qū)域多層水平面滲流有限元方法（即平面滲流計算方法）[4-5]對止水方案進行滲流分析。該計算程序基于單層水平二維有限元程序開發(fā)，針對復(fù)雜地形特性，通過越流補給建立各透水層及地表間聯(lián)系。其解算方法是簡化法，它忽略了次要的強透水層垂向滲流及弱透水層的水平滲流，抓住了強透水層層內(nèi)流動及越流補給的主要特性，很適合區(qū)域范圍大、地形多變的情況。

沉井滲流計算區(qū)域以沉井為中心，上端和左端邊界取防波堤堤外坡腳處，下端和右端邊界取距沉井中心100m處，由于第一層埋深較淺，且沉井預(yù)制高度為17.25m，完全截斷了該層，因此該層對沉井滲透穩(wěn)定性沒有影響。故在計算中將其和第二層合并為一層，并將沉井四周視為不透水連續(xù)墻。各層滲透系數(shù)和旋噴區(qū)域滲透系數(shù)如表1所示。

表1 各地質(zhì)層和旋噴區(qū)域滲透系數(shù)

區(qū)域上端和左側(cè)為海側(cè)，取最高潮均值4.5m為邊界水頭。根據(jù)地質(zhì)勘探，由于填海造陸區(qū)域地下水位在1.8m左右，因此下端和右側(cè)邊界取1.8m為邊界水頭。在實際施工中采用帷幕灌漿止水后，沉井內(nèi)水頭從2.7m降至-3.25m，有效提高了沉井的滲透穩(wěn)定性。由此可見，止水方案選用帷幕灌漿能夠滿足要求。

2.4 終沉階段

風(fēng)險分析：終沉是沉井下沉過程中最關(guān)鍵的階段，灌漿帷幕的作用導(dǎo)致井壁受到的摩擦力減小，沉井易下沉，此階段最重要的是要防止超沉。

對策：在施工過程中，為了防止沉井發(fā)生超沉，減緩沉井下沉速度，采用不排水下沉施工方法。一方面加強觀測頻次，減少除土量，將沉井下沉速度控制在10cm/d以下；另一方面如果沉井下沉速度過快，應(yīng)立即向沉井內(nèi)注水，增加沉井受到浮力，使其下沉速度收斂，防止超沉。

2.5 其他風(fēng)險分析

（1）突沉。沉井在下沉過程中，如果沉井鍋底太深且周圍土質(zhì)太軟，容易發(fā)生突沉，從而引起傾斜、扭轉(zhuǎn)、偏移等次生質(zhì)量問題。

對策：為防止沉井發(fā)生突沉，需要在沉井下沉過程中對每個倉格加強測量，繪制沉井挖深圖表，嚴格控制鍋底深度。

（2）孤石。在人工島陸域形成時拋填大量的塊石，而沉井位于人工島的西北角，距離拋石區(qū)域很近，如在沉井下沉過程中遇到大量的孤石，會阻礙沉井下沉施工，而清理孤石又會增加工人遭遇意外傷害的風(fēng)險。

對策：在清理孤石的過程中，首先用高壓水槍沖擊孤石底部，讓其自然滾入沉井格倉中部，然后由工人將其放入吊箱中取出。在工人施工時需要在井上安排專人負責(zé)指揮、監(jiān)護，另外要在格倉內(nèi)布置防墜器、逃生繩等設(shè)施，以防發(fā)生意外。

（3）周圍地面或周邊建筑物發(fā)生沉降。沉井下沉施工危險性較高，對周圍建筑物影響較大，本工程在距沉井中心50m處有一座儲罐，距70m處有防浪墻，在沉井兩側(cè)15m處各有一座塔吊。一旦發(fā)生塌陷，就容易引起沉井周邊建筑物破壞，威脅人身安全。

對策：在沉井下沉過程中制訂專門的監(jiān)測方案，在沉井周圍地表均勻布置8個測點，在沉井兩側(cè)塔吊周邊各布置4個測點，在距沉井70m的儲罐基礎(chǔ)周圍布置5個測點，在防浪墻上布置1個測點。每隔4h對各測點做一次測量，詳細記錄觀測數(shù)據(jù)，認真分析是否有沉降，發(fā)現(xiàn)異常及時處理。

3 結(jié)束語

文章經(jīng)過對沉井下沉各階段可能發(fā)生的偏斜、扭轉(zhuǎn)、位移、超沉、突沉等風(fēng)險進行分析，并對沉井黏土層及承壓層的滲透穩(wěn)定性進行計算，針對問題提出了分區(qū)域?qū)ΨQ除土、制訂詳細的觀測方案、加強測量觀測并控制鍋底深度等措施，旨在有效保證沉井下沉的質(zhì)量與安全。