大型沉井在深厚軟土及復(fù)雜環(huán)境下的應(yīng)用研究

歐松松，袁 杰

（珠海市規(guī)劃設(shè)計研究院，廣東 珠海 519000）

1 工程概述

1.1 工程概況

斗門區(qū)井岸城區(qū)生活污水處理廠提標(biāo)擴(kuò)容工程項目占地面積37 663 m2，首期污水廠現(xiàn)狀規(guī)模為3.5 m3/d，本次提標(biāo)擴(kuò)建規(guī)模為4.5萬m3/d。廠址位于珠海市斗門區(qū)珠峰大道南側(cè)，華發(fā)水郡小區(qū)東側(cè)，世榮作品一號小區(qū)南側(cè)，緊鄰醒獅涌東岸及黃楊河。其中，高效沉淀池（圖1）大型沉井平面尺寸為30.9 m×29.4 m，沉井基坑深度約為11.3 m，地面標(biāo)高為＋4.1 m，沉井刃腳底標(biāo)高－6.0 m，沉井共分兩次下沉，初次下沉5.0 m，二次下沉5.1 m，結(jié)構(gòu)側(cè)壁厚0.9 m。沉井下沉方式采用帶水下沉施工工藝。

圖1 高效沉淀池沉井現(xiàn)場平面圖

本工程原設(shè)計高效沉淀池基坑采用排樁支護(hù)方案為“D800灌注樁+坑內(nèi)大直徑水泥攪拌樁加固”，排樁外側(cè)止水帷幕采用連續(xù)咬合的D600水泥攪拌樁，現(xiàn)場已施工完成D800灌注樁和外側(cè)止水帷幕樁。后考慮到新冠肺炎疫情的影響，工期滯后兩個月，導(dǎo)致施工期處于汛期，且施工場地臨近黃楊河，易遭遇雨季強(qiáng)臺風(fēng)，高潮位時存在河水倒灌入基坑的風(fēng)險。同時基坑支護(hù)的內(nèi)支撐一定程度會影響坑內(nèi)土方開挖和主體結(jié)構(gòu)支模澆筑的施工進(jìn)度。施工方對類似規(guī)模沉井工藝經(jīng)驗(yàn)較豐富，且先后已完建多座沉井。經(jīng)專家論證綜合評估后對本項目高效沉淀池基坑設(shè)計方案由“排樁支護(hù)”變更為“沉井施工”。

1.2 水文地質(zhì)概況

依據(jù)本項目地勘報告，擬建場地原始地貌單元屬濱海灘涂地貌，后經(jīng)人工填平?，F(xiàn)場地為污水處理廠用地，場內(nèi)分布有現(xiàn)狀建筑物（正常運(yùn)營）、綠植及廠內(nèi)道路，擬擴(kuò)建的污水處理廠東北面為施工道路，西南面為雞啼門海域，東南面為艾美酒店施工工地，場地整體地勢平坦。

高效沉淀池沉井處地質(zhì)土層自上而下依次為①素填土（黃褐、灰色，結(jié)構(gòu)松散，密實(shí)度不均勻，未完成自重固結(jié)，層厚4.5 m）；②淤泥（灰、深灰色，含少量砂，飽和，流塑狀，層厚30.0 m）；③2淤泥質(zhì)粘土（灰、深灰色，含有機(jī)質(zhì)，呈飽和，軟塑狀態(tài)，層厚8.3 m）；⑤1全風(fēng)化花崗巖（為極軟巖，巖石基本質(zhì)量等級Ⅴ級，巖體極破碎，層厚1.9 m）、⑤2中風(fēng)化花崗巖（灰白色～青灰色，中粗粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，屬堅硬巖，巖石質(zhì)量等級Ⅳ～Ⅲ級，層厚2.5 m），沉井設(shè)計刃腳底標(biāo)高位于②淤泥層中，地基土承載力特征值fak=40 kPa。

1.3 沉井周邊環(huán)境概況

沉井基坑周邊環(huán)境復(fù)雜，1~2倍基坑影響范圍內(nèi)均為現(xiàn)狀建（構(gòu)）筑物，距離北側(cè)現(xiàn)狀CAST生化池約14.9 m，距離西側(cè)距離現(xiàn)狀宿舍約7.2 m，東側(cè)距離現(xiàn)狀污泥脫水間約9.2 m。因本次提標(biāo)擴(kuò)建施工過程，需保證首期污水廠現(xiàn)狀建筑單體正常運(yùn)行不能中斷，因此高效沉淀池沉井施工過程中需加強(qiáng)對現(xiàn)狀建筑的保護(hù)和監(jiān)測措施，避免對其造成破壞，影響污水處理廠的正常運(yùn)行。

2 工程設(shè)計與施工難點(diǎn)分析

高效沉淀池沉井基坑周邊環(huán)境復(fù)雜，場地淤泥和淤泥質(zhì)土層平均厚度約40 m。如何解決沉井主體結(jié)構(gòu)地基承載力和工后沉降問題；確保沉井能順利下沉不出現(xiàn)超沉、突沉、傾斜及鄰近建筑物開裂等問題；減小對周邊環(huán)境的影響和軟土層的擾動；成為了本次沉井基坑設(shè)計施工的重點(diǎn)和難點(diǎn)，以下為設(shè)計與施工難點(diǎn)分析。

2.1 沉井下沉安全系數(shù)驗(yàn)算

沉井下沉自上而下依次開挖的土層為素填土和淤泥，沉井刃腳底位于淤泥層中，淤泥呈飽和，軟塑狀態(tài)，地基承載力特征值fak=40 kPa不滿足沉井的地基承載力要求，易導(dǎo)致沉井出現(xiàn)超沉、突沉、傾斜等問題，為解決上述問題，以下需結(jié)合井壁與各土層的摩阻力和地層對刃腳的反力，對沉井下沉系數(shù)和下沉穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算分析。

沉井下沉系數(shù)驗(yàn)算公式為Kst=（Gik-Ffw.k）/Ffk，

式中，Kst為下沉系數(shù)，規(guī)范取值應(yīng)≥1.05；Gik為沉井自重標(biāo)準(zhǔn)值（包括外加助沉重量的標(biāo)準(zhǔn)值，單位kN）；Ffw.k為下沉過程中水的浮托力標(biāo)準(zhǔn)值（kN）；Ffk為井壁總摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值（kN），各工況下沉系數(shù)驗(yàn)算結(jié)果見表1。

表1 下沉系數(shù)驗(yàn)算結(jié)果

沉井下沉穩(wěn)定系數(shù)驗(yàn)算公式為

式中，Kst.s為下沉穩(wěn)定系數(shù)，規(guī)范取值應(yīng)為0.8~0.9；Gik為沉井自重標(biāo)準(zhǔn)值（包括外加助沉重量的標(biāo)準(zhǔn)值，單位kN）；F'fw.k為驗(yàn)算狀態(tài)下水的浮托力標(biāo)準(zhǔn)值（kN）；F'fw為驗(yàn)算狀態(tài)下井壁總摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值（kN），Rb為沉井刃腳、隔墻和底梁下地基土的極限承載力之和（kN）。各工況下沉穩(wěn)定性系數(shù)驗(yàn)算結(jié)果見表2。

表2 下沉穩(wěn)定性系數(shù)驗(yàn)算結(jié)果

2.1 沉井樁基礎(chǔ)設(shè)計

因場地的素填土還未完成固結(jié)，且淤泥和淤泥質(zhì)土層很厚，現(xiàn)場首期廠的建筑單體與場地的差異沉降較大，出現(xiàn)各建筑門口臺梯與地表脫離現(xiàn)象。為減小高效沉淀池主體結(jié)構(gòu)的工后沉降，本次沉井“樁基礎(chǔ)”設(shè)計選用的是承載能力強(qiáng)的PHC-500AB-125管樁基礎(chǔ)，樁底持力層入風(fēng)化巖?？紤]到沉井制作前先行打設(shè)管樁，在后期沉井下沉過程中，沉井外圍一定范圍及深度內(nèi)的土體從刃腳底涌入井內(nèi)，會使井內(nèi)樁基礎(chǔ)發(fā)生水平位移、傾斜或斷樁等問題，且影響沉井內(nèi)的機(jī)械取土和延緩工期進(jìn)度。故樁基礎(chǔ)設(shè)計與施工也是深厚軟土區(qū)域大型沉井的一個難點(diǎn)問題。

2.2 沉井結(jié)構(gòu)計算模型分析

沉井下沉是動態(tài)的過程，結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析需考慮各工況下的最不利受力模式，本次對高效沉淀池沉井結(jié)構(gòu)先采用“理正結(jié)構(gòu)”計算模擬沉井各下沉工況的動態(tài)受力模式，再用“YJK有限元整體模擬”校核受力模式。通過對沉井后期使用與施工動態(tài)下沉過程各種不利工況的驗(yàn)算，確定外壁厚為900 mm，內(nèi)壁厚600 mm，整體劃分為兩節(jié)帶水下沉，第一節(jié)5.0 m（包括刃腳），第二節(jié)5.1 m。為確保沉井兩邊側(cè)壁承受土壓平衡，底板荷載與側(cè)壁有較好傳力，需在沉井內(nèi)部大格間區(qū)域設(shè)置3道臨時隔墻，以平均格間距保證傳力模式合理和清晰，最終將沉井內(nèi)部劃分為16個格間以增加整體剛度，底板與內(nèi)部小墻肢預(yù)留鋼筋后澆。

3 解決方案及關(guān)鍵技術(shù)

3.1 軟土地基加固處理

由表1分析可得，在軟土地區(qū)沉井下沉系數(shù)較大，高效沉淀池沉井刃腳底處于飽和，軟塑狀態(tài)淤泥層中，軟土地基承載力和對井壁的側(cè)摩阻力均較小，實(shí)際施工可能會出現(xiàn)“突層、超沉”等問題，為避免上述問題出現(xiàn)，設(shè)計采用對沉井刃腳部位采用“石灰樁或水泥攪拌樁加固軟土的處理措施，能有效提高軟土的地基承載力，確保沉井下沉平穩(wěn)不出現(xiàn)超沉和突沉問題。

由表2中工況3和工況4分析可得，在標(biāo)高-5 m至-6.7 m下沉段，淤泥未做加固處理時，扣除浮力的沉井自重與側(cè)壁摩阻力和刃腳下地基承載力之和的比值Kst.s=1.95~2.42，與規(guī)范要求的下沉穩(wěn)定性安全系數(shù)差別較大，故該段深度范圍需采用石灰樁或水泥攪拌樁地基處理對淤泥層進(jìn)行加固處理，提升軟土對沉井的側(cè)壁摩阻力和刃腳下地基承載力。其余工況與規(guī)范要求安全系數(shù)較接近，只需現(xiàn)場施工通過動態(tài)監(jiān)測來調(diào)整井內(nèi)開挖土方量即可解決。此外，沉井施工前施工方需編制沉井專項施工方案和應(yīng)急預(yù)案，并組織施工方案的專項評審。

3.2 周邊現(xiàn)狀建（構(gòu)）筑物保護(hù)措施

針對沉井基坑四周均為現(xiàn)狀建（構(gòu)）筑物，距離最近現(xiàn)狀宿舍約7.2 m，處于軟土地區(qū)基坑影響范圍1~2倍基坑挖深內(nèi)，基坑開挖對周邊的影響較大。為確保施工期間各現(xiàn)狀建筑單體仍處于正常運(yùn)行狀態(tài)，避免對其造成破壞，本次沉井施工采用帶水開挖下沉工藝，沉井外側(cè)已完建的“D800灌注樁+連續(xù)咬合水泥攪拌樁止水帷幕樁”作為隔離保護(hù)樁墻，可以很好地起到對周邊現(xiàn)狀建筑物的保護(hù)，此外，通過加強(qiáng)現(xiàn)狀建筑和周邊沉降的監(jiān)測，做到提前預(yù)警來保證施工安全。

3.3 樁基礎(chǔ)施工方案

為解決先施工“管樁基礎(chǔ)”，在施工沉井時，會導(dǎo)致沉井外圍一定范圍及深度內(nèi)的土體從刃腳底涌入井內(nèi)，使井內(nèi)樁基礎(chǔ)發(fā)生水平位移、傾斜或斷樁等問題，且影響沉井內(nèi)的機(jī)械取土和延緩工期進(jìn)度。經(jīng)驗(yàn)算發(fā)現(xiàn)將“最大錘擊力與錘擊樁機(jī)械荷載之和”與“沉井側(cè)壁摩阻力與刃腳處承載力之和”的比值較小，結(jié)合以往成功案列，本次決定采用“先施工沉井，再沉井頂架設(shè)鋼梁作為打樁平臺，將錘擊樁機(jī)械騎立鋼梁上施工樁基礎(chǔ)”的方案，如圖2所示。最終通過現(xiàn)場沉井姿態(tài)監(jiān)測和周邊建筑監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，打樁效果較好，沉井打樁發(fā)生的二次沉降值小于預(yù)留沉降值，滿足設(shè)計標(biāo)高要求。后期設(shè)計通過加強(qiáng)沉井底板結(jié)構(gòu)配筋和封底混凝土共同受力，將上部荷載傳遞至樁基礎(chǔ)，很好地解決了工后沉降的問題。

圖2 高效沉淀池沉井施工圖

4 沉降監(jiān)測及結(jié)果

高效沉淀池沉井于2020年6月開始入場進(jìn)行第三方監(jiān)測，直至沉井下沉到設(shè)計標(biāo)高并完成封底。為確保沉井基坑周邊現(xiàn)狀建筑物的安全，監(jiān)測人員對周邊的現(xiàn)狀脫泥機(jī)房、現(xiàn)狀CAST生化池、現(xiàn)狀宿舍樓均布置了監(jiān)測點(diǎn)，本次對現(xiàn)狀建筑監(jiān)測內(nèi)容為“建筑的沉降、水平位移”，如圖3所示。沉井的糾偏姿態(tài)監(jiān)測由施工單位自行監(jiān)測。建筑沉降監(jiān)測累計允許值為20 mm，水平位移累計允許值為15 mm，并設(shè)定預(yù)警值為3 mm/d。

圖3 沉降位移監(jiān)測點(diǎn)布置圖

通過監(jiān)測報告數(shù)據(jù)分析，本次各現(xiàn)狀建筑的沉降監(jiān)測點(diǎn)中，如圖4所示“CJ9號點(diǎn)位”日單次最大沉降量為6.4 mm，“CJ9號點(diǎn)位”累計最大沉降量為8.2 mm。各現(xiàn)狀建筑水平位移監(jiān)測點(diǎn)如圖5所示，“WY7號點(diǎn)位”日單次最大水平位移量為0.7 mm，“WY3號點(diǎn)位”累計最大水平位移量為1.6 mm。依據(jù)GB 50497—2019《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)范，本次的建筑沉降監(jiān)測點(diǎn)“CJ9號點(diǎn)位”日最大沉降量為6.4 mm/d＞3 mm/d（預(yù)警值）。后經(jīng)現(xiàn)場踏勘分析發(fā)現(xiàn)是基坑周邊堆載土方荷載較大和重型施工機(jī)械導(dǎo)致的本次最大沉降量超出預(yù)警值。隨后將荷載卸除和嚴(yán)禁重型施工機(jī)械通行，最后順利完成了本次的封底驗(yàn)收。

圖4 沉降觀測點(diǎn)-時間關(guān)系曲線圖

圖5 位移觀測點(diǎn)-時間關(guān)系曲線圖

5 結(jié)束語

本工程通過高效沉淀池大型沉井在深厚軟土及復(fù)雜環(huán)境工況下的成功應(yīng)用，得出如下幾條結(jié)論：

（1）在深厚軟土地區(qū)采用“石灰樁或水泥攪拌樁加固軟土”的處理措施，能有效提高軟土的地基承載力，確保沉井平穩(wěn)下沉不出現(xiàn)“超沉、突沉”等問題。

（2）在上部附加荷載驗(yàn)算滿足的情況下，可采用“先施工沉井，后施工樁基礎(chǔ)”，能避免井內(nèi)樁基礎(chǔ)發(fā)生水平位移、傾斜或斷樁等問題。

（3）在周邊環(huán)境復(fù)雜情況下，建議沉井采用“設(shè)隔離保護(hù)樁墻+帶水下沉工藝”，能減少周邊現(xiàn)狀建筑的沉降和變形。

（4）采用“YJK有限元整體模擬”和“理正結(jié)構(gòu)”動態(tài)模擬均難準(zhǔn)確模擬沉井實(shí)際的受力狀態(tài)，“理正結(jié)構(gòu)”計算模型相對更加吻合實(shí)際施工工況。