緊鄰敏感建筑沿湖超深大斷面工作井施工技術(shù)研究

蔣禮兵，張杰，尹躍國，印帥，甄亮

（1.鎮(zhèn)江市給排水管理處，江蘇 鎮(zhèn)江 212000;2.中鐵上海工程局集團有限公司，上海 200436;3.上海隧道工程有限公司，上海 200032）

沉井法施工指首先在現(xiàn)場預制混凝土或鋼結(jié)構(gòu)桶狀井體，然后在井內(nèi)進行取土，結(jié)構(gòu)依靠自重下沉并達到設(shè)計施工目的。因具有結(jié)構(gòu)整體性強、剛度大、承載能力高、抗震性能好、抵抗不均勻沉降好和空間利用率高等優(yōu)點，被廣泛應用于實際工程中[1-4]。雖然沉井法在埋深較大的工程應用中表現(xiàn)突出，但是也存在著較高的風險和技術(shù)挑戰(zhàn)，主要風險來源是沉井制作及下沉過程控制措施是否合理可靠和施工擾動對周邊環(huán)境造成的不利影響。沉井結(jié)構(gòu)制作過程涉及場地地基承載力是否滿足結(jié)構(gòu)制作要求、接高穩(wěn)定系數(shù)和沉井下沉系數(shù)是否達到施工安全要求[5]。下沉過程涉及結(jié)構(gòu)幾何姿態(tài)控制、沉井下沉速度和對周邊環(huán)境影響[6-9]。

尤其對于存在深厚軟弱地層、不同地層滲透特性差異大等沿江（湖）環(huán)境下的超深大直徑工作井施工，因施工控制不到位易發(fā)生結(jié)構(gòu)突沉、傾斜、過沉等風險事故，并對周邊環(huán)境造成較大影響。比如因超深大直徑沉井體積大導致下沉阻力大，因難沉、突沉引起結(jié)構(gòu)應力集中造成結(jié)構(gòu)破壞，因施工質(zhì)量控制不到位造成結(jié)構(gòu)內(nèi)力和施工難度增加，因沉井側(cè)摩阻力和井底取土產(chǎn)生的應力變化導致井外土體發(fā)生擾動變形。針對深厚軟土層地質(zhì)條件，如何保證超深大直徑沉井施工平穩(wěn)可控和降低對周邊環(huán)境影響等技術(shù)難題值得深入研究。

1 工程背景

海綿城市建設(shè)綜合達標工程項目－沿金山湖CSO溢流污染綜合治理大口徑頂管工程位于鎮(zhèn)江市金山湖畔，該工程服務于運糧河片區(qū)、古運河片區(qū)、解放路片區(qū)、綠竹巷片區(qū)和江濱新村片區(qū)共五大片區(qū)，服務面積約8.75 平方公里。該項目可以大幅削減金山湖流域各主要污染物，使試點區(qū)徑流污染削減率達到72.81%。起點位于金山湖與運糧河交匯河口處Y-1 江南泵站節(jié)點豎井，在金山湖水下，沿長江路先自西向東近岸敷設(shè)，然后向北穿金山湖到征潤州污水處理廠西側(cè)的末端泵站，最后過京江路至長江江邊灘涂，終點為Y-8 末端排放井節(jié)點，先后經(jīng)過8 座節(jié)點豎井，全程采用水下曲線頂管施工方式。

本工程中的頂管管道口徑DN4000，壁厚320mm，全長6436m，最大埋深30m，單程頂距最長1336m，是目前國內(nèi)最大內(nèi)徑最長頂距的混凝土頂管工程。本工程沉井具有體積大、自重重、埋深深等特點，最大外徑18.6m，最大制作高度31.28m，最大自重30007T，最大下沉深度32.0m，且多個沉井場地周圍存在敏感建筑物，下沉控制要求高。

2 節(jié)段式沉井壓沉施工技術(shù)

考慮本工程中的沉井結(jié)構(gòu)自重較大，若采用傳統(tǒng)的整體預制下沉法，易發(fā)生結(jié)構(gòu)突沉、傾斜、過沉等風險事故。因此，本工程提出了節(jié)段式沉井壓沉施工技術(shù)。如圖1，制作沉井時，先制作首節(jié)，首節(jié)下沉到位后，上部結(jié)構(gòu)采用“每節(jié)下沉到位后再分節(jié)澆筑接高標準節(jié)”的形式，標準節(jié)一次接高短，重量?。幌鲁吝^程中，通過在井內(nèi)取土，利用加壓裝置向沉井施加壓力和井筒自重進行下沉。

圖1 節(jié)段式沉井壓沉施工技術(shù)示意圖

3 起弧絲桿定型化模板體系

如圖2，該模板體系靈感來源于花籃螺絲的絲桿伸縮，由面板、橫向背楞、豎向背楞、面板螺栓、起弧絲桿、起弧基座和旋轉(zhuǎn)塊等組成，具有自重輕、安拆方便、模板弧度可變范圍廣、適用性好、周轉(zhuǎn)次數(shù)多等特點。起弧基座焊接在相鄰豎向背楞上，起弧絲桿上帶有螺紋和旋轉(zhuǎn)塊，旋轉(zhuǎn)塊可沿起弧絲桿雙向移動，通過轉(zhuǎn)動起弧絲桿的中部可使木模板發(fā)生彎曲定型直至與沉井設(shè)計弧度匹配。

圖2 起弧絲桿定型化模板體系示意圖

4 施工關(guān)鍵技術(shù)

4.1 基坑開挖

施作止水帷幕，放出上、下底開挖邊線，機械開挖，修坡，人工平整至設(shè)計標高。

4.2 刃腳墊層施工

基坑內(nèi)鋪砂墊層，選用級配較好的中粗砂，每層層厚控制在200mm～300mm，用打夯機分層夯實，壓實系數(shù)達0.95，允許承載力達140kPa。

砂墊層施工合格后，施工混凝土墊層，澆筑混凝土強度等級為C20，在混凝土墊層上設(shè)置四個觀測點，以檢測沉井制作對基底的影響。

刃腳磚膜砌筑材料為MU15 混凝土實心磚，采用M10 水泥砂漿砌筑，刃腳磚膜砌筑完成后與沉井刃腳之間涂刷油氈。

4.3 沉井首節(jié)制作

沉井首節(jié)段制作高度根據(jù)原地基承載力和地下水文情況計算確定，標準節(jié)段不超過壓力裝置千斤頂高度。

沉井首節(jié)段制作采用自主研制的起弧絲桿定型化模板體系（圖3）。面板采用18mm 的膠合板，單塊模板2.4m 長，標準高度1.5m，次背楞為雙拼槽鋼，外模板尺寸2.4m×1.8m，內(nèi)模板尺寸2.05m×1.8m?；《韧ㄟ^螺旋口可調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍：最小直徑φ3.5m?？烧{(diào)弧形模板由工廠加工制作完成，運往施工現(xiàn)場進行拼接安裝。

圖3 起弧絲桿定型化模板

現(xiàn)場安裝工藝流程：鋼筋驗收合格→單塊起弧絲桿定型化模板預調(diào)適應弧度→內(nèi)模安裝→穿對拉螺栓→外模安裝→調(diào)節(jié)模板弧度→緊固對拉螺栓→外斜撐架設(shè)→模板安裝完成。

4.4 導圈梁施工

根據(jù)節(jié)段式沉井壓力裝置計算導圈梁需提供的反力，設(shè)計導圈梁結(jié)構(gòu)以滿足承載力和強度要求。導圈梁縱斷面呈L 型，圈梁厚度0.2m。導圈梁與井外壁間距50mm，其結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 導圈梁施工

導圈梁施工流程：鋼筋下料→制作上、下層鋼筋網(wǎng)片→制作上、下層連接鋼筋→鋼筋綁扎或者焊接→預埋件安裝→澆筑混凝土→養(yǎng)護導圈梁。

預埋件的制作與定位：導圈梁鋼筋綁扎完成后，需預埋規(guī)格為PSB785Φ32 的反力地錨鋼筋，通過鋼筋籠的形式將反力地錨鋼筋固定在導梁之中，經(jīng)全站儀高精度定位檢查完成后，進行導圈梁混凝土澆筑。

導圈梁采用HPB300Φ8mm@200 單層雙向鋼筋，鋼筋保護層厚度均為50mm，采用C25 等級混凝土澆筑而成。沉井下沉到位后，采用挖機破除設(shè)備將頂管預留洞口土體加固范圍的導圈梁實施破除。

4.5 壓沉設(shè)備安裝

通過加壓下沉計算壓沉設(shè)備所需鋼反力架和千斤頂?shù)臄?shù)量和規(guī)格，并進行分組和編號，最后確定樹根樁的數(shù)量和尺寸。如圖5 所示，壓沉設(shè)備采用地錨樹根樁固定，每個加壓裝置由4 根φ400 的樹根樁提供反力。樹根樁樁身采用HRB400 普通鋼筋，每根樁配置6 根18mm 縱向受力主筋，箍筋為HPB300、8mm@200mm形式。壓沉設(shè)備每組控制2 個液壓千斤頂，每個千斤頂都安裝一個變頻器，用來進行糾偏。

圖5 壓沉設(shè)備安裝

4.6 沉井首節(jié)壓沉

開啟沉井首節(jié)段壓沉設(shè)備前，首先人工鑿除磚胎膜和刃腳兩邊的素混凝土墊層，將底板與井壁接觸面進行鑿毛處理。井內(nèi)雜物全部運出井外，并在井壁上刻畫測量標尺，保證土塞的控制高度。

初始階段，所有加壓單元的油缸活塞桿推進速率均設(shè)定在30cm/h，當檢測到井體下沉后，應確認是否存在個別加壓單元無法推進的情況，若所有加壓單元均能保持同一推進速率工作，則提升活塞桿推進速率至60cm/h，每個千斤頂?shù)捻斄刂圃?0t。

沉井壓沉設(shè)備開啟后，反力架千斤頂緩慢向井壁延伸，千斤頂與井壁間安放700mm×450mm 的鋼墊板，以增加井壁受力面積。千斤頂接觸井壁后，密切關(guān)注壓力表數(shù)據(jù)，防止千斤頂施加壓力超出預定壓力。

壓沉過程中，測量人員跟蹤監(jiān)測井內(nèi)土塞高度，并對井體下沉姿態(tài)進行監(jiān)控，每下沉30cm 測量一次；若對邊高程相差1cm，立即調(diào)節(jié)變頻器進行糾偏，直到井體垂直度滿足要求后再繼續(xù)壓沉作業(yè)。

壓沉作業(yè)剩余0.3m 時，應逐步減緩活塞推進速率至0.3m/h，為防止超沉，保持上述操作直至達到指定深度，關(guān)閉加壓設(shè)備，沉井首節(jié)壓沉施工完成（圖6）。

4.7 標準節(jié)接高制作

沉井首節(jié)段下沉完成后，操作人員收回液壓千斤頂，進行標準節(jié)段的制作、下沉工藝施工。在井壁上部接高制作增加荷載時，做好接高沉降跟蹤監(jiān)測：沿沉井外壁對稱布置4 個監(jiān)測點，接高制作前完成初始值測定，監(jiān)測頻率為2 次/d。

沉井標準節(jié)段依然采用起弧絲桿定型化模板體系，安裝過程同首節(jié)段。標準節(jié)段混凝土澆筑高度1.5m，采用汽車泵澆筑方式，澆筑時按次序、方向、分層進行，要求澆筑的井壁對稱均勻上升，且澆筑頂面必須平整，一次澆筑厚度為30cm—50cm。

4.8 取土壓沉作業(yè)

沉井標準節(jié)段制作完成后，開挖取土，同時啟動壓沉裝置進行加壓下沉。根據(jù)地勘報告，通過分析地下水位、土質(zhì)條件等因素，確定開挖取土時的排水方式采用上干下濕法或上濕下干法。

4.9 封底混凝土澆筑

重復以上步驟，注意預留洞口施工符合設(shè)計要求，直至達到沉井設(shè)計深度，觀察井內(nèi)外水位高差，保證內(nèi)外水壓基本一致；潛水員下入沉井內(nèi)，對井底情況詳細摸查、清理。

若發(fā)現(xiàn)刃腳處有掏空漏洞，采用砂袋將空隙堵住，防止抽泥漿時沉井浮起和井外淤泥涌入井內(nèi)；若刃腳坐落在淤泥土層，先拋一層20cm—50cm 粒徑塊石，潛水員配合拋入塊石擠密淤泥，防止水下澆筑混凝土時淤泥上翻。

采用水下混凝土封底施工時，澆筑順序從低處開始，逐漸向?qū)Ч苤車鷶U大。隨著混凝土高度增大，逐步提升導管，直到完成混凝土連續(xù)澆筑。

4.10 底板施工

沉井封底混凝土強度滿足要求后，啟動降壓井將地下水位降至抗浮設(shè)計標高，然后進行底板施工。底板混凝土澆筑順序為四周逐漸向中間推進。底板澆筑完成后，沉井安裝完成，即可在井內(nèi)開展頂管施工作業(yè)。

5 結(jié)語

以超深大直徑沉井為載體，通過技術(shù)研發(fā)與改進形成了節(jié)段式沉井壓沉施工、起弧絲桿定型化支模等關(guān)鍵技術(shù)，綜合解決了超深大直徑工作井制作工藝要求高、下沉阻力大、下沉姿態(tài)不易調(diào)控等多項技術(shù)難題，具有工作井標準節(jié)一次接高短、重量小、質(zhì)量高，模板安拆便捷、適用性強、成本低，下沉系數(shù)穩(wěn)定、風險低和井外擾動小等特點，實現(xiàn)了最大自重30007T 工作井的高質(zhì)量下沉。