上海市中心城區(qū)復(fù)雜環(huán)境下泵房沉井施工案例

顧李明

（上海市城市排水有限公司，上海市 200233）

0 引 言

隨著城市化進(jìn)程的發(fā)展，在上海市中心城區(qū)進(jìn)行工程建設(shè)的周邊環(huán)境日益復(fù)雜，受制于復(fù)雜環(huán)境的限制，曾經(jīng)作為泵房主要施工方式的沉井在中心城區(qū)的應(yīng)用逐漸減少。沉井具有投資省、工期短、作業(yè)占地小、土方開挖量少等優(yōu)點(diǎn)[1]，與基坑支護(hù)施工相比具有一定的優(yōu)勢，在保護(hù)好周邊環(huán)境時(shí)，沉井仍然是泵房施工可采用的較好方式之一。

1 工程概況

1.1 工程簡介

本工程位于上海市虹口區(qū)曲陽污水處理廠內(nèi)，為解決曲陽、東體育排水系統(tǒng)初期雨水放江造成污染問題，在曲陽污水處理廠內(nèi)新建初雨提升泵房一座，泵房下部采用沉井施工，沉井平面尺寸20.7 m×27.3 m，刃腳深度16.6 m。

1.2 周邊環(huán)境條件

沉井北側(cè)為現(xiàn)狀鼓風(fēng)機(jī)房，由兩部分組成，其中南側(cè)部分為兩層磚混結(jié)構(gòu)，天然地基，筏板基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深3 m，與沉井最小距離為15.3 m；沉井東側(cè)為廠區(qū)內(nèi)兩棟生產(chǎn)用房，與沉井最小距離為16.9 m；沉井南側(cè)12 m 處為污水廠與上海外國語大學(xué)的共用圍墻，18.2 m 處為學(xué)校的教學(xué)樓；沉井西側(cè)緊鄰本工程擬建匯水井基坑。沉井周邊環(huán)境見表1 和圖1。

圖1 沉井周邊環(huán)境示意圖（單位：m）

表1 沉井周邊環(huán)境一覽表

1.3 地質(zhì)條件

沉井深度范圍內(nèi)的地基土主要為①1層填土、②3層灰色砂質(zhì)粉土、④層灰色淤泥質(zhì)黏土。①1層填土組成較為復(fù)雜，均勻性較差，工程性質(zhì)差，對沉井穩(wěn)定極為不利。②3層灰色砂質(zhì)粉土，局部為黏質(zhì)粉土，擬建場地普遍分布，松散～稍密，中壓縮性，工程性質(zhì)較好，但為可液化土層，在地下水的滲流作用下易發(fā)生流砂現(xiàn)象，造成沉井位移、傾斜、超沉、井外地面坍塌。④層灰色淤泥質(zhì)黏土，強(qiáng)度低，靈敏度高，流塑，高壓縮性，工程性質(zhì)較差，是本場地主要軟弱層之一，容易造成沉井突沉、超沉、偏斜。

地下水主要為淺層潛水及賦存于⑦層砂質(zhì)粉土中的承壓水，地下水補(bǔ)給來源主要為大氣降水與地表徑流。在⑦層承壓水水頭埋深3.0 m 的最不利條件下，可能發(fā)生突涌。

各土層物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)見表2。

表2 土層力學(xué)參數(shù)

1.4 工程方案

提升泵房沉井結(jié)構(gòu)平面尺寸20.7 m×27.3 m，底板埋深15.0 m，刃腳埋深16.6 m。沉井外壁厚度1.1 m，內(nèi)部由縱橫兩道統(tǒng)高內(nèi)隔墻和三榀豎向框架分隔為十個(gè)倉室，倉室凈寬3.5～5.65 m，沉井結(jié)構(gòu)平面和豎向布置見圖2、圖3。沉井起沉標(biāo)高1.80 m，自上而下穿過②3層灰色砂質(zhì)粉土、④層灰色淤泥質(zhì)黏土。第④層灰色淤泥質(zhì)黏土為流塑狀態(tài)，為防止發(fā)生突沉、超沉事故，設(shè)計(jì)圖紙對沉井井壁及內(nèi)分隔墻位置的刃腳下土體采用水泥土攪拌樁進(jìn)行加固，樁長20 m，樁頂位于起沉標(biāo)高，樁端進(jìn)入⑤1層灰色粉質(zhì)粘土層。

圖2 沉井結(jié)構(gòu)平面布置圖（單位：mm）

圖3 沉井豎向框架布置圖（單位：mm）

2 施工方案

2.1 施工難點(diǎn)及應(yīng)對措施

（1）難點(diǎn)一：周邊環(huán)境復(fù)雜，保護(hù)要求高。

本工程沉井周邊環(huán)境復(fù)雜，東、南、北三個(gè)方向2倍下沉深度范圍內(nèi)存在現(xiàn)狀房屋，其中北側(cè)鼓風(fēng)機(jī)房為淺基礎(chǔ)，土體擾動(dòng)容易影響其結(jié)構(gòu)安全。且沉井在②3層灰色砂質(zhì)粉土中下沉過程中，在井內(nèi)外存在水頭壓力差的情況下，極易發(fā)生井內(nèi)涌土、井外塌方的不利現(xiàn)象，對沉井周邊環(huán)境帶來風(fēng)險(xiǎn)。

難點(diǎn)一應(yīng)對措施：

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，為保護(hù)周邊環(huán)境，在沉井北側(cè)設(shè)置雙排隔離樁，東側(cè)和南側(cè)設(shè)置單排隔離樁，與西側(cè)擬建基坑的止水帷幕樁相接，為沉井下沉提供相對封閉的環(huán)境，可有效減小下沉施工對周邊建（構(gòu)）筑物的影響。隔離樁為φ700 雙軸水泥土攪拌樁，搭接250 mm，內(nèi)插型鋼HM500×300，隔一插一，樁長18 m，樁端進(jìn)入刃腳以下3.4 m，隔離樁與沉井間距3～6 m，樁頂設(shè)鋼筋混凝土冠梁，雙排樁冠梁之間以鋼筋混凝土連板連接，以增加雙排樁整體性和抗側(cè)移剛度。

（2）難點(diǎn)二：土層軟硬不均，下沉控制難度高。

沉井下沉過程是動(dòng)態(tài)不平衡的，下沉至既定位置時(shí)又必須是平衡的，施工過程中對這種不平衡到平衡的動(dòng)態(tài)控制是沉井施工的難點(diǎn)，尤其是本工程沉井尺寸大、自重大，需穿越較密實(shí)的②3層灰色砂質(zhì)粉土、終沉在靈敏度高流塑狀的④層灰色淤泥質(zhì)黏土，易產(chǎn)生傾斜、突沉或超沉現(xiàn)象。

難點(diǎn)二應(yīng)對措施：

a. 在沉井刃腳下方采用雙軸攪拌樁對地基土進(jìn)行加固。

b. 按分層、均勻、對稱取土的原則，根據(jù)沉井姿態(tài)動(dòng)態(tài)調(diào)整各倉取土速度，做到勤測量勤糾偏，確保井體傾斜值在規(guī)范允許范圍以內(nèi)，避免傾斜擠壓外部土體。同時(shí)，對于井體與隔離樁之間塌陷的土體應(yīng)及時(shí)回填，減小橫向土體擠壓。

2.2 施工技術(shù)要點(diǎn)

（1）制作、下沉方式

沉井主體結(jié)構(gòu)總高度16.9 m，地面吳淞高程3.80 m，刃腳底標(biāo)高-12.8 m，起沉標(biāo)高1.80 m，沉井結(jié)構(gòu)制作總高度15m。沉井下沉施工通常為分段澆筑多次下沉或分段澆筑一次下沉兩種方式?？紤]一次下沉方便施工，需驗(yàn)算刃腳砂墊層厚度以滿足抗壓要求。

經(jīng)過計(jì)算下沉結(jié)構(gòu)的總混凝土方量為1 787.7 m3，總重量為44 692.4 kN。

砂墊層上鋪設(shè)250 mm 厚寬1.6 m 的C20 素混凝土墊層。

根據(jù)《沉井與氣壓沉箱施工規(guī)范》（DG/T J08-2084—2011）第4.2.1 條，砂墊層厚度可按以下公式計(jì)算：

式中：P 為砂墊層底部地基土的承載力設(shè)計(jì)值，kPa；hs為砂墊層厚度，m；G0為沉井沿井壁單位長度重量，kN；γs為砂的天然容重，kN/m3；L 為素混凝土墊層寬度，m，L=2b1+b+n；其中b 為刃腳踏面寬度，m；n為刃腳斜面的水平投影寬度，m；α 為砂墊層的壓力擴(kuò)散角，取30°。

根據(jù)沉井施工情況可知：G0=44 692.4/144=310.4 kN/m（沉井重量44 692.4 kN，計(jì)算延米長度144 m）

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50007—2011）5.2.4 條，砂墊層底部地基土承載力設(shè)計(jì)值可按以下公式計(jì)算：

根據(jù)地勘報(bào)告及規(guī)范可知：

故：p=90+1.0×18×（hs-0.5）≥310.36/（2 hs×0.58 +1.6）+18 hs

求得砂墊層厚度：hs≥1.9 m

最終現(xiàn)場砂墊層厚度hs 取2.0 m。

起沉標(biāo)高處換填2 m 砂墊層后，地基承載力滿足15 m 高度井體抗壓要求，同時(shí)考慮商品混凝土的單次供應(yīng)量，本工程采用三次澆筑一次下沉的方式。

（2）排水、不排水下沉相結(jié)合

沉井四周布置有隔離樁和止水樁，樁底插入④層灰色淤泥質(zhì)黏土，基本實(shí)現(xiàn)了止水效果，考慮到工期和現(xiàn)場排泥等因素，上段沉井采用排水法進(jìn)行下沉。根據(jù)地勘報(bào)告，承壓水最高水頭埋深為地面以下3.0 m，⑦層承壓水含水層頂面埋深29.4 m，按照上海市 《基坑工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》DG/TJ 08-61—2018 第6.7.1 條進(jìn)行抗承壓水穩(wěn)定驗(yàn)算：

式中：γs為承壓水作用分項(xiàng)系數(shù)，取1.0；pWK為承壓含水層頂部的水壓力標(biāo)準(zhǔn)值，Pa；γi為承壓含水層頂面至坑底間各土層的重度，kN/m3；hi為承壓含水層頂面至坑底間各土層的厚度，m；γRY為抗承壓水分項(xiàng)系數(shù)，取1.05。

根據(jù)地勘報(bào)告及施工條件，刃角底設(shè)計(jì)標(biāo)高位于④層土（厚8.5 m，重度16.8 kN/m3），向下依次為⑤1灰色粉質(zhì)黏土（厚7.5 m，重度17.8 kN/m3）、⑥粉質(zhì)黏土（厚4.6 m，重度17.8 kN/m3）以及⑦層砂質(zhì)粉土。

則h1×16.8+7.5×17.8+4.6×17.8≥264×1.05

由上式求得h1≥3.7 m，即滿足抗突涌穩(wěn)定的④層土最小覆蓋厚度為3.7 m，挖土至標(biāo)高-10.0 m 以下時(shí)，坑底抗突涌安全系數(shù)不再滿足規(guī)范要求。排水下沉施工速度快、成本低，但對周邊環(huán)境影響相對較大，經(jīng)綜合考慮，本工程下沉至標(biāo)高-7.0 m 時(shí)對井內(nèi)灌水，改為不排水下沉的方式繼續(xù)施工。

3 施工過程

3.1 施工過程控制要點(diǎn)[2-4]

（1）在周邊地面及建（構(gòu)）筑物布置沉降、位移監(jiān)測點(diǎn)，對重要管線開挖樣溝確定位置并布置監(jiān)測點(diǎn)，下沉施工過程中加密監(jiān)測頻率。

（2）在沉井北、東、南側(cè)實(shí)施雙軸攪拌樁并插型鋼，西側(cè)實(shí)施止水樁，平面上閉合，起到隔離和止水的作用。

（3）初沉階段沉井下沉系數(shù)較大，取土?xí)r先挖中間部分，保留刃腳周圍土體，使刃腳切土下沉，減緩下沉速度，便于糾偏。初沉階段形成的順直下沉通道有利于后續(xù)平穩(wěn)下沉。

（4）取土過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測土層變化情況，監(jiān)測分析土體摩阻力與沉井重量的關(guān)系，嚴(yán)格控制取土位置和取土量，及時(shí)跟進(jìn)測量底梁兩側(cè)土塞高度，結(jié)合傾斜測量數(shù)據(jù)及土層特性針對性出土，確保沉井均勻、平穩(wěn)下沉。

（5）井內(nèi)取土及時(shí)清運(yùn)，避免在沉井周邊堆土造成沉井四周的土壓力不平衡導(dǎo)致沉井偏斜。

（6）沉井下沉至標(biāo)高-7.0 m 時(shí)，改用不排水下沉方式，維持井內(nèi)水位標(biāo)高1.0 m，用兩臺沖吸設(shè)備進(jìn)行水下取土清泥。距離設(shè)計(jì)標(biāo)高30 cm 時(shí)停止全方位取土，依靠下沉慣性并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果對下沉滯后的倉室小范圍取土，按勤測勤糾的原則直至達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高并趨于穩(wěn)定。

（7）沉井基本穩(wěn)定以后8 h 內(nèi)沉降量不大于10 mm時(shí)進(jìn)行封底；清理封底混凝土與井壁結(jié)合處，清除井底浮泥，修整鍋底，采用導(dǎo)管澆筑水下混凝土封底。

3.2 施工監(jiān)測[5]

本工程對沉井的幾何姿態(tài)和周邊環(huán)境進(jìn)行了全過程監(jiān)測，其中沉井的幾何姿態(tài)監(jiān)測包括沉井下沉速度、傾斜和水平位移，周邊環(huán)境監(jiān)測包括對周邊地面沉降、地下水位、主要建（構(gòu)）筑物和管線的監(jiān)測。

沉井施工過程中，周邊建（構(gòu)）筑物和管線監(jiān)測數(shù)據(jù)均在可控范圍內(nèi)，未出現(xiàn)較大的沉降或傾斜。以距離沉井最近的鼓風(fēng)機(jī)房為例進(jìn)行分析，鼓風(fēng)機(jī)房為淺基礎(chǔ)，對沉降變形最為敏感，其豎向位移歷時(shí)過程曲線見圖4，結(jié)果顯示，場地平整至起沉標(biāo)高階段監(jiān)測點(diǎn)開始產(chǎn)生較小的沉降；沉井制作階段因施加了較大的井體超載沉降量增大；初沉?xí)r產(chǎn)生了一定的回彈量，隨著下沉的繼續(xù)，沉降量持續(xù)增大，終沉?xí)r東南角監(jiān)測點(diǎn)達(dá)到最大值19.9 mm；封底后沉降量趨于穩(wěn)定。整個(gè)過程中鼓風(fēng)機(jī)房最大沉降量未超過20 mm，差異沉降未超過3/1 000，鼓風(fēng)機(jī)房結(jié)構(gòu)安全，未產(chǎn)生結(jié)構(gòu)裂縫。監(jiān)測結(jié)果表明本工程周邊環(huán)境保護(hù)措施可靠、施工控制得當(dāng)，隔離樁的使用隔斷了滑裂面、增大了土體抗側(cè)移剛度，是減小對周邊環(huán)境影響的有效措施。

圖4 鼓風(fēng)機(jī)房監(jiān)測點(diǎn)豎向位移歷時(shí)過程曲線（單位：mm）

4 結(jié) 論

本次泵房沉井工程的順利實(shí)施表明，當(dāng)保護(hù)措施合理、施工控制得當(dāng)時(shí)，沉井這種投資省、工期短的施工方法仍可作為周邊環(huán)境相對復(fù)雜時(shí)的泵房工程實(shí)施方式之一。本工程的成功實(shí)施可為類似條件下沉井工程施工提供參考。