羅維高 林惠庭 黃偉英 周曉敏 章志
1.珠海市斗門(mén)區(qū)建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)站 519125
2.廣東省建筑工程監(jiān)理有限公司 廣州510133
3.上海市基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司 200001
沉井施工技術(shù)具有對(duì)地面干擾小、對(duì)施工場(chǎng)地要求低、綜合成本低等特點(diǎn)。在不開(kāi)槽施工給排水管道工程中,沉井的應(yīng)用技術(shù)越來(lái)越廣泛。沉井具有以下優(yōu)點(diǎn):①適用于除巖層以外的各種土層;適用于市政給排水工程中的深、大水池在場(chǎng)地狹窄情況下施工,且對(duì)周圍環(huán)境影響較??;②不需復(fù)雜的機(jī)械設(shè)備,在水文地質(zhì)條件復(fù)雜的情況下施工也安全可靠;③沉井施工與大開(kāi)挖施工方案相比,沉井施工可減少挖土、運(yùn)土和回填土方的工程量;④沉井與采用基坑支護(hù)方案相比,沉井施工的支護(hù)結(jié)構(gòu)與沉井主體結(jié)構(gòu)融為一體,減少支護(hù)結(jié)構(gòu)成本。缺點(diǎn)是要求采用分節(jié)澆筑混凝土,分次下沉,施工工序較多,技術(shù)要求高。因此,沉井施工對(duì)質(zhì)量要求、施工進(jìn)度的控制要求較高。沉井主體工程由井筒、刃腳、沉井底大梁(簡(jiǎn)稱大梁)和底板等幾部分組成。井筒四周與周圍土體的摩擦阻力是在沉井下沉過(guò)程中影響下沉的主要因素,因此,沉井施工技術(shù)的關(guān)鍵是克服井筒四周與土體的摩擦阻力[1]。
陳松[2]以江陰長(zhǎng)江公路大橋北錨碇沉井基礎(chǔ)為對(duì)象研究軟土地基大型沉井施工安全監(jiān)控。顧一峰[3]對(duì)上海江源江水廠一期工程取水泵站方形格柵吸水井軟土地基沉井施工技術(shù)進(jìn)行研究。姚益華[4]對(duì)揚(yáng)州第五水廠取水泵房淤泥地層中大型沉井基礎(chǔ)的地基處理方法進(jìn)行對(duì)比研究。王榮文[5]對(duì)沉井設(shè)計(jì)和施工中發(fā)生的工程事故進(jìn)行分析,并提出防治措施。王理想[6]針對(duì)沉井施工過(guò)程中出現(xiàn)的周邊土體沉降等問(wèn)題進(jìn)行分析和研究。湯偉[7]針對(duì)《給水排水工程鋼筋混凝土沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》(CECS 137—2015)的下沉系數(shù)計(jì)算等作研究。穆保崗[8]對(duì)馬鞍山長(zhǎng)江公路大橋大型沉井下沉過(guò)程的下沉機(jī)理和受力特性進(jìn)行分析。但國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)軟土地基大型沉井工程施工研究不多。本文通過(guò)珠海市西水東調(diào)二期工程過(guò)磨刀門(mén)水道超長(zhǎng)距離鋼頂管的36#大型沉井(接收井)施工案例,重點(diǎn)對(duì)軟土地基大型沉井施工中的下沉系數(shù)和止沉系數(shù)進(jìn)行研究分析。
珠海市供澳門(mén)引水工程目前只有一條輸水管線,已滿足不了供水需求,急需建設(shè)第二條輸水管線。該引水工程的輸水管道全長(zhǎng)約21.33km,DN2448,其中開(kāi)槽施工管道10.00km,其余管道均采用鋼頂管施工,設(shè)計(jì)全長(zhǎng)共采用36 個(gè)工作井,36#沉井位于磨刀門(mén)水道東側(cè)的廣昌泵站附近。
工程技術(shù)難點(diǎn)是:①沉井底部刃腳、沉井底大梁結(jié)構(gòu)部分面積較大,下沉?xí)r底部端阻力較大,下沉困難;②36#沉井位于廣昌泵站內(nèi),附近的建筑物主要有新建搬遷管線及外側(cè)的護(hù)岸大堤,新建搬遷管線距離沉井約為14m,大堤距離沉井約為20m。為保護(hù)原有管線設(shè)施和大堤的安全,需要嚴(yán)格控制沉井工作井周邊地面的沉降。
(1)第①層素填土,由粘性土不均勻混大量砂礫及花崗巖成分的碎石、角礫,多呈松散狀態(tài),層厚2.0m。
(2)第②層淤泥:間夾淤泥質(zhì)黏土,飽和、流塑,含有機(jī)質(zhì)及約10%的粉砂,層厚約10.0m,抗剪強(qiáng)度ck=4.5kPa,φk=2°,地基承載力特征值為50kPa。
(3)第③層淤泥質(zhì)黏土:飽和、流塑,不均勻含大量粉細(xì)砂及貝殼碎屑。該層分布廣泛,層厚30m??辜魪?qiáng)度ck=6kPa,φk=7°,地基承載力特征值為60kPa。
(4)第③1層淤泥質(zhì)砂,不均勻含貝殼碎屑及淤泥質(zhì)黏土,飽和、松散,層厚15m,地基承載力值90kPa。
根據(jù)設(shè)計(jì)及勘探資料,36#井需下沉至第②層淤泥層和第③層淤泥質(zhì)黏土,上述兩層土層分布穩(wěn)定,厚度較厚,但土質(zhì)較差,呈流塑狀,高壓縮性,高靈敏度。
(1)地下水類型。擬建場(chǎng)地地下水為第四系土層孔隙水,主要賦存的地層為淤泥②、淤泥質(zhì)黏土③、淤泥質(zhì)砂③1及以下土層,其埋深較淺,水量豐富,地下水補(bǔ)給來(lái)源主要接受大氣降水及潮水補(bǔ)給。
(2)潛水。地下水位埋深為0.3m ~2.6m(高程1.45m ~4.18m),受潮汐、降水量、季節(jié)、氣候等因素影響而發(fā)生變化。地下水位埋深取地面以下3m。
沉井為圓形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),幾何尺寸為內(nèi)徑φ18.6m,外徑φ20.6m。本工程采用黃海標(biāo)高系統(tǒng),沉井刃腳底部標(biāo)高為- 25.60m,頂部標(biāo)高為+3.8m,總高度29.4m。底板頂面標(biāo)高為-21.65m,底板厚度為1.2m,底板下部設(shè)置鋼筋混凝土大梁,大梁呈“十”字形,截面尺寸為1.5m(寬)×3.5m(高)。沉井地下埋深為28.40m,凸出地面高為1.00m。井壁設(shè)置2 處內(nèi)臺(tái)階。標(biāo)高從-25.60m ~ - 17.10m,高度8.5m,井壁厚度1.5m;標(biāo)高從-17.10m ~-9.70m,高度7.4m,井壁厚度1.3m;從- 9.70m ~ + 3.80m,高度13.5m,井壁厚度1.0m。沉井井壁底面積94.67m2,沉井底大梁底面積53.55m2,合計(jì)底面積148.22m2。
沉井采用不排水下沉法施工工藝。沉井的制作和接高采用分五節(jié)制作二次下沉的施工方法,沉井分節(jié)制作剖面示意見(jiàn)圖1,采用兩階段下沉方案:
圖1 沉井剖面(單位: mm)Fig.1 Caisson section view(unit:mm)
(1)初沉階段。第一節(jié)制作高度4.5m,第二節(jié)制作高度4.0m,第三節(jié)制作高度7.4m,前三節(jié)總高度15.9m,制作完成后進(jìn)行初沉階段下沉,初沉階段下沉深度13.9m。
(2)終沉階段。第四節(jié)制作高度7.0m,第五節(jié)制作高度6.5m,后兩節(jié)總高度13.5m,沉井總重量56786kN,全部沉井制作完成后進(jìn)行終沉階段下沉,終沉階段下沉深度13.5m。下沉采用不排水下沉施工工藝,封底采用水下C20 素混凝土墊層,再施工沉井鋼筋混凝土底部。
1.地基承載力驗(yàn)算
(1)初沉階段。珠海的地貌單元以沖積平原和海積平原為主,軟土分布范圍廣泛,沉積物以淤泥層為主,占陸地總面積的50% ~60%,淤泥層局部厚度達(dá)50m 以上,地基承載力特征值低[9,10]。如圖2a,在自然地面上制作第一~三節(jié),前三節(jié)總重量36014kN,沉井井壁底面積94.67m2,沉井井壁底面處的平均壓力值380.4kPa,遠(yuǎn)大于第②層淤泥地基承載力特征值50kPa。在第②層淤泥上換填1500mm 厚粗砂層,地基處理采用換填墊層法,軟弱下臥層的承載力按《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ 79—2012)驗(yàn)算遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求,需要對(duì)軟弱地基進(jìn)行處理。如圖3 所示,采用長(zhǎng)度10m的旋噴樁對(duì)井壁刃腳底部第②層淤泥土體進(jìn)行加固處理,處理后的復(fù)合地基承載力特征值為240kPa。井位其他部位采用石灰攪拌樁對(duì)土體進(jìn)行改良,工作井周邊采用高壓旋噴樁截水帷幕。(2)終沉階段。初沉階段沉井下沉到13.9m處穩(wěn)定后,繼續(xù)制作好第四、五節(jié)井筒,見(jiàn)圖2b。此階段的沉井總重量56786kN,沉井井壁底面積94.67m2,大梁底面積53.55m2,合計(jì)底面積148.22m2。沉井下沉至13.9m 處穩(wěn)定后,該處修正后的地基承載力特征值按200kPa計(jì)算。
圖2 沉井兩個(gè)下沉階段Fig.2 Two sinking stages of the caisson
圖3 軟弱地基處理示意(單位: mm)Fig.3 Schematic diagram of weak foundation treatment(unit:mm)
2.下沉系數(shù)驗(yàn)算
一般情況下,設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)圖紙中已初步計(jì)算了下沉系數(shù)。但在編制具體下沉施工方案時(shí),還必須對(duì)兩個(gè)下沉階段的下沉系數(shù)進(jìn)行詳細(xì)復(fù)核。初沉階段時(shí),井壁還沒(méi)有產(chǎn)生摩阻力,井壁與土層之間的摩阻力隨著沉井下沉深度增加而逐漸增加,下沉系數(shù)會(huì)逐漸變小。下沉系數(shù)kst按以下公式計(jì)算:
式中:Gk為沉井自重標(biāo)準(zhǔn)值(kN);Ffwk為下沉過(guò)程中水的浮力標(biāo)準(zhǔn)值(kN);Ffk為沉井壁總摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值(kN);V為地下水位以下沉井結(jié)構(gòu)的體積(m3),地下水位埋深取地面以下3m。
按公式(1)計(jì)算初沉階段及終沉階段下沉系數(shù),計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1,所得的下沉系數(shù)是在沉井井壁底和大梁底面的土體均掏空條件下的數(shù)值,未考慮大梁底面和井壁刃腳底面的土層阻力。當(dāng)下沉系數(shù)小于1.05 時(shí),說(shuō)明沉井自重不能克服沉井壁總摩阻力,沉井下沉需要采用配重法、空氣幕法、觸變泥漿法等輔助措施。36#沉井初沉階段下沉系數(shù)最小值為1.97,出現(xiàn)在下沉深度為13.9m處。終沉階段下沉系數(shù)最小值為1.58,出現(xiàn)在下沉深度為27.4m處。每個(gè)階段的下沉系數(shù)均大于1.05,說(shuō)明沉井自重完全能克服井外壁總摩阻力,不需要采用輔沉措施。
表1 沉井下沉系數(shù)計(jì)算Tab.1 Calculation of caisson sinking coefficient
3.止沉系數(shù)驗(yàn)算
止沉系數(shù)kst,s按下式計(jì)算:
式中:qpa為修正后的地基承載力特征值(kPa);Ap為沉井井壁底和大梁底的合計(jì)底面積(m2);Rb為沉井刃腳、隔墻和底梁下總端阻力(kN),Rb=200 ×148.22 =29644kN。止沉系數(shù)不大于1時(shí)處于穩(wěn)定狀態(tài)。
初沉階段根據(jù)表2 計(jì)算結(jié)果,下沉到13.9m時(shí),沉井總重量Gk1為36014kN,沉井壁總摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值Ffk為12043kN,下沉過(guò)程中水的浮力標(biāo)準(zhǔn)值Ffwk為12254kN。第四、五節(jié)沉井制作前的止沉系數(shù)代入式(3)計(jì)算,kst,s=(36014 -12254)/(12043 +29644)=0.57,止沉系數(shù)0.57 <1,沉井處于穩(wěn)定狀態(tài);第四、五節(jié)沉井制作后的止沉系數(shù)代入式(3)計(jì)算,kst,s=(56786 -12254)/(12043 +29644)=1.07 >1,沉井處于不穩(wěn)定狀態(tài),需要采取粗砂增阻法,降低止沉系數(shù)。具體做法是前三節(jié)沉井剛下沉到13.9m處時(shí),沉井內(nèi)側(cè)與土間隙內(nèi)回填粗砂,增加井壁與土層之間的摩阻力,降低止沉系數(shù)后,才能保證制作四、五節(jié)沉井時(shí),沉井處于穩(wěn)定狀態(tài)。終沉階段根據(jù)表2 計(jì)算結(jié)果,下沉到27.4m時(shí),沉井總重量Gk1變?yōu)?6786kN,此時(shí)沉井壁總摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值Ffk為22840kN、下沉過(guò)程中水的浮力標(biāo)準(zhǔn)值Ffwk為20991kN,止沉系數(shù)代入式(3)計(jì)算,kst,s=(56786 -20991)/(22840 +29644)=0.68 <1,沉井處于穩(wěn)定狀態(tài),滿足沉井底板施工條件。
表2 沉井止沉系數(shù)計(jì)算Tab.2 Calculation of caisson settling coefficient
1.下沉方案選擇
確定下沉方案是沉井施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。沉井下沉方案主要有三種:①排水下沉;②不排水下降;③部分排水下沉。排水下沉方案的主要優(yōu)點(diǎn)有:便于控制挖泥深度,容易處理下沉糾偏,容易清理大塊雜物,有效保證封底混凝土質(zhì)量等,這種方案在工程中被廣泛采用。不排水下沉或部分排水下沉方案適用于排水困難、有流砂等特殊地質(zhì)情況的土層。
36#沉井下沉主要穿越土層分別為第①層素填土、第②層淤泥、第③層淤泥質(zhì)黏土、第③1層淤泥質(zhì)砂。其中②層淤泥和③層淤泥質(zhì)黏土的強(qiáng)度低,滲透性低,含水量高,壓縮性高,靈敏度高,具觸變性和流變性。這兩層土與③1層淤泥質(zhì)砂相比,井壁摩阻力與承載力都發(fā)生了大幅度的減小。在沉井下沉穿越③1層淤泥質(zhì)砂后,進(jìn)入③層淤泥質(zhì)黏土?xí)r,易發(fā)生沉井傾斜與突沉的不良現(xiàn)象,易對(duì)外部土體帶來(lái)較大的擾動(dòng),構(gòu)筑物易出現(xiàn)不均勻沉降、變形、開(kāi)裂等現(xiàn)象。同時(shí)沉井抗隆系數(shù)較小,下沉過(guò)程中井格內(nèi)土倉(cāng)會(huì)出現(xiàn)一定程度的隆起現(xiàn)象。
綜合考慮,36#井采用五節(jié)制作、二次下沉的施工方案,下沉采取不排水下沉工藝。
2.下沉準(zhǔn)備工作
沉井第一節(jié)混凝土強(qiáng)度達(dá)到100%,其余各節(jié)沉井達(dá)到70%設(shè)計(jì)強(qiáng)度時(shí)方可下沉。下沉前先鑿除刃腳素混凝土墊層和磚胎模。墊層拆除應(yīng)先內(nèi)后外對(duì)稱進(jìn)行,采用50t 吊車抓斗將井內(nèi)碎磚清理干凈。當(dāng)素混凝土墊層敲拆后,沉井重心偏高,沉井井壁的四周無(wú)摩阻力,沉井的下沉系數(shù)很大,掏挖大梁和刃腳下的磚土若不均勻,將會(huì)使沉井產(chǎn)生很大的傾斜,所以在沉井挖土前,大梁及刃腳先采用人工全面分層掏挖,挖除的土方先集中在各倉(cāng)底中央,讓沉井逐漸下沉,使沉井刃腳埋在土層中,降低沉井重心。
同時(shí),在沉井四周外壁上畫(huà)出刻度尺和彈出垂直線,用于監(jiān)測(cè)下沉深度和傾斜狀態(tài)。
3.沉井初沉階段施工
沉井初沉采用50t吊車抓土下沉,配0.75m3容積抓斗。吊車下部鋪墊路基箱,擴(kuò)大支承面,以減少吊機(jī)施工荷載對(duì)基坑的影響。
36#沉井初沉階段穿越的土層為③層淤泥質(zhì)黏土,該土層承載力低,滲透系數(shù)小。采用吊車抓斗取土?xí)r,挖土順序應(yīng)“先中后邊”,先挖除大梁與刃腳中間部分土體,形成“鍋底狀”,后挖除大梁與刃腳周圍土體,使沉井?dāng)D土下沉,見(jiàn)圖4a。在A、B、C、D四個(gè)井隔之間挖土應(yīng)按照A區(qū)→B區(qū)→C區(qū)→D區(qū)的順序,見(jiàn)圖4b。采取分層、均勻、對(duì)稱的方式挖土,并根據(jù)沉井下沉速率控制井內(nèi)土面高差即“鍋底”深度,保證沉井均勻下沉。
圖4 初沉階段挖土施工Fig.4 Excavation construction in initial settling stage
沉井初沉?xí)r下沉系數(shù)較大,在施工時(shí)必須慎重,特別要控制好初沉,盡量在深度不深的情況下糾偏,符合要求后方可繼續(xù)下沉。
4.沉井終沉階段施工
終沉階段,挖土順序應(yīng)“先邊后中”,形成“反鍋底”狀,隨著“反鍋底”的緩慢開(kāi)挖使沉井緩慢就位,見(jiàn)圖5a。在A、B、C、D四個(gè)井隔之間挖土應(yīng)按照A 區(qū)→B 區(qū)→C 區(qū)→D 區(qū)的順序,見(jiàn)圖5b,采取分層、均勻、對(duì)稱的方式挖土。下沉過(guò)程中,做到均勻、對(duì)稱出土,嚴(yán)格控制泥面高差,沉井下沉到接近設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí),應(yīng)控制沉井內(nèi)土面高差調(diào)整下沉速度,下沉到設(shè)計(jì)標(biāo)高前應(yīng)預(yù)留50mm ~200mm 的土方余量,保持沉井緩慢下沉到設(shè)計(jì)標(biāo)高。
圖5 終沉階段挖土施工Fig.5 Excavation in final settlement stage
終沉階段不排水下沉施工時(shí),沉井內(nèi)水位應(yīng)滿足施工方案控制水位要求,下沉有困難時(shí),應(yīng)根據(jù)內(nèi)外水位、井底開(kāi)挖幾何形狀、下沉量及速率、地表沉降等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)綜合分析調(diào)整井內(nèi)外的水位高差。利用預(yù)先在井外壁對(duì)稱的四個(gè)方向上畫(huà)出的刻度尺和垂直線,即時(shí)觀測(cè)垂直度及下沉高程偏差,應(yīng)保持沉井平穩(wěn)、均衡、緩慢下沉,發(fā)生傾斜時(shí)應(yīng)通過(guò)調(diào)整開(kāi)挖順序和方式“隨挖隨糾、動(dòng)中糾偏”,糾偏應(yīng)緩慢進(jìn)行。
為了使抓斗能在井壁靠邊的位置上抓土,可在井孔頂部周圍預(yù)埋幾根鋼筋掛鉤,見(jiàn)圖5b。偏抓時(shí),當(dāng)抓土斗落至井底后,將抓土頭張口用的鋼絲繩掛在鋼筋鉤上,并將抓土斗提起后突然松下,抓土斗即偏向井壁落下,再收緊閉口用的鋼絲繩,即可達(dá)到偏抓的目的。
5.沉井封底
沉井采用水下封底施工,水下封底應(yīng)按以下要求進(jìn)行施工:
(1)沉井底位于第③層淤泥質(zhì)黏土層,屬于軟土層,封底施工前應(yīng)清除井底浮泥修整鍋底,鋪設(shè)碎石墊層。
(2)封底混凝土與井壁及沉井底大梁接觸部位應(yīng)用高壓水沖洗干凈,封底混凝土澆筑應(yīng)對(duì)稱進(jìn)行,避免沉井發(fā)生不均勻下沉。
(3)澆筑混凝土的導(dǎo)管加工、設(shè)置應(yīng)滿足施工要求,澆筑前,每根導(dǎo)管應(yīng)有足夠量的混凝土,澆筑時(shí)能一次將導(dǎo)管底埋住,水下混凝土封底的澆筑順序應(yīng)從低處開(kāi)始,逐漸向四周圍擴(kuò)大;井內(nèi)有隔墻、底梁或混凝土供應(yīng)量受到限制時(shí),應(yīng)分格對(duì)稱澆筑。
(4)36#沉井均由大梁和井壁分成四個(gè)隔倉(cāng),封底水下混凝土應(yīng)分倉(cāng)澆筑,每個(gè)倉(cāng)應(yīng)連續(xù)澆筑,導(dǎo)管埋入混凝土的深度不宜小于1.0m,各導(dǎo)管間混凝土澆筑面的平均上升速度不應(yīng)小于0.25m/h,每根導(dǎo)管的停歇時(shí)間不宜超過(guò)15min。導(dǎo)管的間距不宜大于3m,導(dǎo)管與井壁及大梁的距離小于1.5m,相鄰導(dǎo)管間混凝土上升速度宜相近,最終澆筑成的混凝土面略高于設(shè)計(jì)高程。
(5)水下封底混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度,沉井能滿足抗浮要求時(shí),方可將井內(nèi)水抽除,并鑿毛表面松散混凝土進(jìn)行鋼筋混凝土底板施工。
(6)封底施工質(zhì)量的控制要求,沉井下沉到設(shè)計(jì)標(biāo)高后,應(yīng)盡快進(jìn)行封底。封底前必須保證井底土體開(kāi)挖形成設(shè)計(jì)要求的鍋底尺寸;驗(yàn)收時(shí),采用測(cè)量繩或進(jìn)行鍋底尺寸的測(cè)量[11]。
施工完成后沉井仰、俯視圖見(jiàn)圖6。
圖6 沉井完成實(shí)體圖Fig.6 Solid drawing of caisson completion
通過(guò)珠海市西水東調(diào)二期工程軟土地基28.4m深沉井不排水下沉法施工技術(shù)研究,得出以下結(jié)果:
1.經(jīng)過(guò)工程應(yīng)用實(shí)踐,36#井采用不排水下沉施工工藝,制作和接高采用分五節(jié)制作二次下沉的施工方案,是切實(shí)可行的方案。
2. 36#沉井初沉階段下沉系數(shù)計(jì)算值最小值為1.97,出現(xiàn)在下沉深度為13.9m 處。終沉階段下沉系數(shù)最小值為1.58,出現(xiàn)在下沉深度為27.4m處。每個(gè)階段的下沉系數(shù)均大于1.05,不考慮大梁底面和井壁刃腳底面的土層阻力,通過(guò)掏空大梁底面和井壁刃腳底面的土層進(jìn)行下沉,免除了配重法、空氣幕法、觸變泥漿法等輔助措施繁雜工藝,完全滿足施工要求。
3.終沉階段在下沉深度為13.9m 處的止沉系數(shù)1.07 大于1,處于不穩(wěn)定狀態(tài)。采取粗砂增阻法,增加井壁與土層之間的摩阻力,能降低止沉系數(shù),確保施工順利完成。