軟弱富水地層地鐵電纜隧道沉井施工技術(shù)研究

楊明輝

(福州市地鐵建設(shè)工程質(zhì)量安全監(jiān)督站 福建福州 350007)

0 引言

在城市道路軟弱富水地層施工沉井，為嚴(yán)格控制地表沉降，通常設(shè)置一圈水泥加固帷幕作為隔離樁，減小沉井周邊地層沉降變形。在城市狹窄場空間內(nèi)施工水泥加固帷幕，較可行的方案是采用機械較小、靈活的三重管高壓旋噴樁機施工，當(dāng)旋噴鉆桿的高壓射流切削攪拌土體時，水泥漿在高壓射流的推動下向砂層四周擴散入沉井開挖面，當(dāng)沉井開挖下沉到砂層時井壁與水泥加固突出體密貼，造成懸空停沉。

基于此，本文以城市狹窄空間內(nèi)施工沉井及支擋帷幕工程為依托，從沉井制作及下沉的施工過程與沉井卡樁前后采取的處理辦法進(jìn)行詳細(xì)闡述，體現(xiàn)本方法的實用性，為今后如有類似工程提供參考。

1 工程概況

1.1 沉井簡介

福州地鐵4號線220 kV電纜隧道3#沉井為圓形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，直徑9.2 m，結(jié)構(gòu)高15.72 m，壁厚0.85 m，下沉深18.4 m，距沉井外壁0.7 m豎向設(shè)置4排φ850@600三重管旋噴樁支擋帷幕，沉井示意圖如圖1所示。該沉井位于城市主干道遠(yuǎn)洋路與前橫南路交匯處，220 kV架空高壓線與沉井斜交，水平距離3 m，垂直距離27 m，沉井距離光明港河160 m，施工場地狹窄。沉井與周邊環(huán)境效果圖如圖2所示。

圖1 沉井示意圖

圖2 沉井與周邊環(huán)境效果圖

1.2 工程地質(zhì)條件

沉井所在區(qū)域地貌為海陸交互相沖海積地貌，場地地形較平坦，地面標(biāo)高在6.65 m～7.87 m，松散層孔隙承壓水初見水位埋深為3.15 m～4.21 m，標(biāo)高為3.03 m～4.13 m；沉井開挖范圍內(nèi)地層主要為雜填土、淤泥、淤泥夾砂、(含泥)中細(xì)砂、淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)粘土，沉井刃腳位于淤泥質(zhì)土，土層分布及物理力學(xué)特性如表1所示。(含泥)中細(xì)砂呈深灰色，中密為主，局部稍密，飽和，以細(xì)砂和中砂為主，顆粒級配良好，標(biāo)貫實測擊數(shù)8擊～29擊，強透水性；淤泥為深灰色，流塑～軟塑狀態(tài)，含腐植質(zhì)、有機質(zhì)，以及少量砂，有腥臭味，標(biāo)貫實測擊數(shù)2擊～4擊，微透水性；淤泥夾砂呈深灰色，淤泥夾砂為可塑，以粘粒為主，多夾2 mm～10 mm粉細(xì)砂薄層，呈千層餅狀分布規(guī)律，另含有腐爛植物碎屑，有腥臭味，標(biāo)貫實測擊數(shù)3擊～9擊，弱透水性，沉井地質(zhì)橫斷面圖如圖3所示。

表1 土層分布及物理力學(xué)特性

圖3 沉井地質(zhì)橫斷面圖

2 工程施工難點

2.1 狹小空間沉井及水泥加固帷幕施工

(1)沉井圍擋面積372 m2，沉井距離高壓線水平距離3 m，垂直距離27 m，三軸攪拌樁機鉆桿高度41 m，已超過高壓線限高標(biāo)準(zhǔn)。所以選擇小型化高壓旋噴樁機施工，型號XP-30。在富水軟弱地層中，高壓旋噴射流切削、攪拌各強度不同土層時成樁直徑不一致，攪拌不均勻，兩樁搭接成格構(gòu)狀，在樁體薄弱處，外部水頭壓力的沖擊下產(chǎn)生滲流，并將外部砂土帶入基坑內(nèi)使沉井周邊地層存在脫空、開裂、變形風(fēng)險。

(2)受場地空間限制，沉井與周圈水泥帷幕樁的外放距離為700 mm，砂層水平和垂直滲透系數(shù)為25m/d，高壓旋噴射流壓力達(dá)到35 MPa，使噴射的水泥漿在水壓、漿壓的推動下向砂層中不斷滲透擴散至沉井周圈將砂層固結(jié)。三重管高壓旋噴樁在砂層中成樁效果差，砂層中的水泥顆粒在尚未固化前易被水流從孔隙中帶走，致使旋噴樁樁體受到不同程度離析、侵蝕[1]。沉井下沉至此地層時，井壁易與水泥突出體貼緊而造成懸空停沉。

2.2 沉井克服外部阻力下沉

通過各地層下沉系數(shù)計算，當(dāng)沉井結(jié)構(gòu)全部施工完成下沉至砂層時，沉井下沉系數(shù)僅0.98，無法滿足《建筑施工計算手冊》中規(guī)定的1.20下沉安全系數(shù)，在結(jié)構(gòu)自重小于沉井周圈側(cè)摩阻力的情況下，如何依靠沉井自重均勻下沉也是該工程施工過程中需要解決的難題。

3 沉井下沉參數(shù)分析

施工前分析沉井參數(shù)：高15.72 m，壁厚0.85 m，分5節(jié)制作，每節(jié)高3.6 m，分3次下沉，沉井第一、二節(jié)井壁在地面制作，排水下沉；沉井第三節(jié)井壁接高，排水下沉；沉井第四、五節(jié)井壁接高，不排水下沉開挖至設(shè)計標(biāo)高，沉井不同工況下沉力分析表如表2所示。

表2 沉井不同工況下沉力分析表

4 沉井施工

4.1 水泥加固帷幕施工及取芯驗證

(1)沉井周圈支擋帷幕采用四排φ850@600三重管旋噴樁，樁長24.4 m，42.5級普通硅酸鹽水泥，水泥摻量為35%，水灰比為1，流量72L/min，旋噴樁射流壓力35 MPa，旋噴樁施工順序為先內(nèi)圈后外圈，隔孔分序的方式。

(2)沉井與帷幕間隙700 mm，約束沉井空間位置，防止沉井轉(zhuǎn)動造成洞門過大的位移；沉井與帷幕間的土體在沉井下沉過程中塌落，使沉井依靠自重下沉，沉井水泥加固帷幕圖如圖4所示。

(a)平面圖

(3)在第一節(jié)井壁等待強度同時回填刃腳外側(cè)土體，地質(zhì)鉆機沿刃腳外側(cè)200 mm周圈鉆孔取芯8個孔，取芯深度從地面至沉井標(biāo)高，探明沉井下沉空間內(nèi)水泥結(jié)塊情況，鉆孔取芯平面布置圖如圖5所示。

(4)在第一節(jié)井壁施工的同時進(jìn)行的地質(zhì)鉆孔取芯，鉆芯芯樣圖，如圖6所示，揭示出沉井深度方向從地面以下13.5 m～16.7 m，含泥中細(xì)砂層范圍3.2 m較完整水泥結(jié)塊，與井壁密貼停沉。沉井下沉是頂管始發(fā)的關(guān)鍵步驟，直接影響工程的總體工期，在無法井內(nèi)處理障礙物的情況下，需采取快速有效的方法破除井壁周圈的卡樁，保證沉井下沉。

圖5 鉆孔取芯平面布置圖

圖6 鉆芯芯樣圖

4.2 沉井結(jié)構(gòu)施工

(1)沉井刃腳高2.3 m，踏面寬0.25 m，第一節(jié)立模制作高度宜控制在3 m～5 m，本沉井第一節(jié)高3.6 m，主要目的為方便支模，減少模板的切割，減小混凝土澆筑及養(yǎng)護過程中刃腳基底接觸面積小造成刃腳應(yīng)力集中沉陷，結(jié)構(gòu)變形；沉井第一節(jié)在地面以下2 m制作，初見承壓水位為地面以下3.9 m，使沉井施工有干燥可靠的承載基面；沉井第一節(jié)井壁必須達(dá)到設(shè)計強度100%，才可進(jìn)行上一節(jié)井壁接高，防止第一節(jié)刃腳混凝土開裂破碎[1]，沉井第一節(jié)井壁制作斷面圖如圖7所示。

圖7 沉井第一節(jié)井壁制作斷面圖

(2)第一節(jié)井壁強度達(dá)到設(shè)計強度，進(jìn)行第二節(jié)混凝土井壁的混凝土澆筑，以上各節(jié)混凝土強度達(dá)到設(shè)計強度的70%進(jìn)行開挖下沉[2]，首節(jié)開挖地層為淤泥夾砂層，采用沉井中部掏挖向四周刃腳延伸方法，每次開挖深0.5 m，依次開挖，沉井切土下沉，在地面剩余第二節(jié)井壁500 mm時進(jìn)行第三節(jié)井壁接高。

(3)沉井第三節(jié)井壁接高后采取上述方法開挖至設(shè)計標(biāo)高，接高沉井第四、五節(jié)井壁的主要目的：①在進(jìn)入含泥中細(xì)砂層前增加沉井自重抵抗此地層摩阻力增加；②進(jìn)入含泥中細(xì)砂層同時會出現(xiàn)水泥硬化結(jié)塊體，在處理水泥結(jié)塊后，沉井會有較大程度的下沉，且沉井頂部土體因旋噴樁加固未成樁與水體浸泡等原因出現(xiàn)小的坍塌，再下沉后接高井壁可能出現(xiàn)安全風(fēng)險，沉井第三節(jié)井壁制作斷面圖如圖8所示。

圖8 沉井第三節(jié)井壁制作斷面圖

(4)沉井第四、五節(jié)井壁接高后開挖下沉方法改為不排水下沉，考慮旋噴樁護壁可能存在缺陷，為確?；油獾乃安挥咳牖觾?nèi)，將沉井注水，使沉井內(nèi)外靜水壓力平衡，將沉井周邊地層脫空、開裂、變形的風(fēng)險降到最低，基坑周邊環(huán)境不受影響。下沉采用掏挖刃腳的方法，先挖沉井中部土體，再對稱地將刃腳下掏空，并挖出刃腳外，將刃腳與隔離樁之間700 mm空隙的土體挖除，降低井壁與周邊土體的摩阻力，沉井下沉，沉井第四、五節(jié)井壁接高斷面圖如圖9所示。

圖9 沉井第四、五節(jié)井壁接高斷面圖

(5)沉井下沉至砂層段時采用水準(zhǔn)儀對沉井下沉速率進(jìn)行觀察，當(dāng)下沉速率在1 cm～2 cm或出現(xiàn)停沉?xí)r，判定井壁與周圈水泥結(jié)塊密貼，井壁卡樁停沉，沉井卡樁位置關(guān)系圖如圖10所示。潛水員下井對沉井刃腳進(jìn)行摸查，確認(rèn)沉井懸空高度和井壁外側(cè)空隙情況。

圖10 沉井卡樁位置關(guān)系圖

5 井壁周圈卡樁處理

5.1 鉆孔平臺搭設(shè)

(1)在沉井頂面預(yù)留頂板梁凹槽，作為鉆孔平臺承托梁擱置點；預(yù)留凹槽尺寸長、寬、高均為400 mm；對應(yīng)凹槽放置3根I40a工字鋼，在3根工字鋼間滿鋪1 cm鋼板，分散鉆機集中荷載，增大受力面積，鉆孔平臺搭設(shè)圖如圖11所示。

圖11 鉆孔平臺搭設(shè)圖

(2)擬在沉井平臺放置兩臺潛孔鉆機，一臺重5 t，按最不利，在沉井內(nèi)徑7.5 m中部放置兩臺鉆機施工，計算40a工字鋼跨中下側(cè)最大的正應(yīng)力166.41N/mm2，小于碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235抗彎強度205N/mm2，抗彎強度為0.812<1，能滿足鉆機的安全作業(yè)，但施工時任需注意將兩臺鉆機對角布置。

5.2 沖擊破碎水泥結(jié)塊

(1)采用2臺履帶式氣動潛孔鉆機，2 m鉆桿，配置直徑100 mm硬質(zhì)合金鉆頭，距離井壁200 mm周圈布孔密排鉆進(jìn)。鉆機性能參數(shù)：沖擊能11kg/m，沖擊頻率80次/分，工作風(fēng)壓1.3 MPa。鉆機布置圖如圖12所示。

(2)鉆頭沖擊破碎至沉井底標(biāo)高后，提升、拆桿至頂面，移動鉆機至下一孔位。

(3)施工效率分析，沉井外周長29 m，鉆孔孔數(shù)270根，1臺潛孔鉆機24 h可施工40根，2臺同時作業(yè)，4 d完成周圈水泥結(jié)塊破除工作。

圖12 鉆機布置圖

5.3 鋼板樁切削水泥結(jié)塊

(1)鉆孔破碎水泥結(jié)塊后，將鉆孔平臺拆除吊出；進(jìn)場15 m鋼板樁和DX500型鋼板樁機，對沉井周圈已破碎成孔洞狀的水泥結(jié)塊進(jìn)行切削，水泥結(jié)塊和土體削落至井底。鋼板樁切削示意圖如圖13所示。

圖13 鋼板樁切削示意圖

(2)切削順序應(yīng)對稱、交錯進(jìn)行，沉井依靠自重均勻下沉，防止發(fā)生傾斜。

5.4 下沉開挖及封底

(1)沉井下沉后，滑臂挖機掏挖削落至井底的渣土和水泥結(jié)塊；滑臂挖機最大開挖深度20 m，滿足沉井深18.4 m需求；沉井刃腳底標(biāo)高距離終沉底剩余2.4 m，淤泥質(zhì)土層，掏挖沉井中部土體、向四周延伸，刃腳切土下沉。

(2)沉井下沉距離設(shè)計標(biāo)高100 mm時，停止井內(nèi)挖土，靠自重下沉至設(shè)計或接近設(shè)計標(biāo)高，每1 h觀測一次高差，當(dāng)沉井下沉速率不大于10 mm/8 h時可進(jìn)行沉井封底。水下封底前，為防止軟土地基不均勻沉陷，潛水員在刃腳下鋪一層150 mm厚碎石墊層，并對刃腳周圈的泥土進(jìn)行清理，使水下混凝土與刃腳斜面緊密連接，減少出現(xiàn)夾泥的滲水點。

(3)沉井水下封底采用導(dǎo)管法澆筑，先澆筑井壁周邊的混凝土再向中部推進(jìn)；水下封底沿沉井刃腳四周每3 m一個點位，計算厚度1.6 m；待水下封底混凝土養(yǎng)護至設(shè)計強度的70%后，可抽除沉井內(nèi)的水[3]。

6 結(jié)語

(1)在富水軟弱復(fù)雜地層中施工水泥加固帷幕，攪拌樁成樁效果不一，在砂層中，旋噴樁樁體易出現(xiàn)不同程度離析、擴散。在加固帷幕效果不佳時，采用不排水下沉沉井，可降低沉井坑內(nèi)周圍地層脫空、開裂、變形的風(fēng)險。

(2)沉井水泥加固帷幕外放距離較小時，有必要對沉井周圈地層進(jìn)行鉆孔取芯，探明沉井下沉空間內(nèi)水泥結(jié)塊情況。

(3)氣動潛孔鉆機預(yù)破碎+鋼板樁切削水泥加固結(jié)塊的方法是可行的，操作簡單、效率高，可降低沉井井壁摩阻力。對沉井施工過程中卡樁問題的處理具有一定參考作用。