復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下矩形深大沉井下沉施工技術(shù)研究與應(yīng)用

曾源新

（廣東省基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司 廣州 510620）

0 引言

近年來隨著市政工程非開挖領(lǐng)域的推進(jìn)和革新，使得沉井施工的利用率不斷上升。沉井借助于其自身自重大、下沉深度深的優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于橋墩、泵站以及污水處理廠進(jìn)水泵房等，用途十分廣泛。但由于沉井施工對(duì)地質(zhì)和周邊環(huán)境要求高，下沉?xí)r井壁結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，或是施工工藝選取不當(dāng)，往往會(huì)出現(xiàn)下沉困難、傾斜、涌土等施工問題，研究如何根據(jù)實(shí)際條件采用針對(duì)性的處理技術(shù)手段就顯得尤為必要。

丁慈鑫等人［1］提出一種沉井結(jié)構(gòu)及將沉井結(jié)構(gòu)平穩(wěn)準(zhǔn)確沉入地面的方法；鐘永新等人［2-5］進(jìn)行了沉井下沉預(yù)留中心土及其受力分析等相關(guān)研究；李海強(qiáng)等人［6］利用三維模型對(duì)異形沉井下沉問題進(jìn)行研究；彭琦等人［7-10］從不同方面研究了沉井糾偏技術(shù)的受力分析工藝方法。

現(xiàn)以廣東省中山市某污水處理廠沉井為研究對(duì)象，結(jié)合實(shí)際地質(zhì)條件，采取各項(xiàng)施工技術(shù)，確保沉井能夠安全穩(wěn)定下沉到位，為類似構(gòu)筑物沉井下沉提供有價(jià)值的參考。

1 工程概況

廣東省中山市某污水處理廠新建粗格柵及進(jìn)水泵房，設(shè)計(jì)采用沉井施工方式，其平面尺寸為19.3 m×24.1 m，整體高度26.64 m，地面標(biāo)高+3.000 m，沉井起沉面標(biāo)高+1.000 m，終沉面標(biāo)高-14.940 m，下沉深度15.94 m，剩余上部結(jié)構(gòu)在完成封底和底板后施工。沉井四周設(shè)置雙排咬合高壓旋噴樁作為止水帷幕，采用排水法下沉施工。根據(jù)地勘報(bào)告鉆孔揭露，沉井下沉依次經(jīng)過素填土層、淤泥質(zhì)粘土層、中粗砂層、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層、粉質(zhì)粘土層、砂質(zhì)粘土層，最終在全風(fēng)化花崗巖層達(dá)到終沉位置。

場地地基土主要為填土、淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)粘土、中粗砂、全～中風(fēng)化花崗巖，層位不穩(wěn)定，同時(shí)各巖土層的狀態(tài)、埋深和厚度在水平和垂直方向局部變化較大，土層力學(xué)性質(zhì)較離散，壓縮模量差異較大。素填土結(jié)構(gòu)松散，欠壓實(shí)，土質(zhì)不均勻；淤泥質(zhì)土呈流塑狀態(tài)，高壓縮性，強(qiáng)度低，滲透性低，屬高靈敏度土，具有很強(qiáng)的觸變性和流變性，場地內(nèi)軟土層厚度有一定變化，分布不均勻，易產(chǎn)生突沉、傾斜等現(xiàn)象；粉質(zhì)黏土，呈可塑狀態(tài)，其土性稍好；中粗砂，松散-中密，飽和，在沉井過程中，在水頭差的壓力下，易流土，涌砂，導(dǎo)致地面塌陷。故地基的均勻性差，在荷載作用下易發(fā)生應(yīng)力集中或應(yīng)力擴(kuò)散，從而導(dǎo)致產(chǎn)生不均勻沉降，影響工程穩(wěn)定性。

沉井東側(cè)為現(xiàn)狀小型道路，道路為一期場地進(jìn)出道路，且有一條架空高壓線；南側(cè)為一期的構(gòu)（建）筑物；西側(cè)為現(xiàn)狀小型道路（沉井完成后施工細(xì)格柵），道路為一期、二期場地進(jìn)出道路；北側(cè)為一期的構(gòu)（建）筑物。

2 復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下矩形深大沉井下沉施工技術(shù)研究與應(yīng)用

2.1 多點(diǎn)支撐開挖下沉施工技術(shù)

沉井在下沉過程中，常規(guī)大鍋底方式開挖取土，隨下沉深度增加結(jié)構(gòu)受力增加，對(duì)于矩形深大沉井需要進(jìn)行大厚度、大配筋設(shè)計(jì)。為了優(yōu)化沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減小沉井結(jié)構(gòu)受力，降低成本，方便施工，對(duì)沉井支撐條件進(jìn)行優(yōu)化，減小沉井下沉?xí)r的支撐跨度，增加剛度，形成多點(diǎn)支撐體系。

⑴支撐優(yōu)化布置。結(jié)合工藝要求和施工工序需要，沉井底板以下刃腳部分設(shè)置三短一長雙切面刃腳，底板以上十字部位設(shè)置內(nèi)隔墻，兩邊對(duì)齊雙切面刃腳設(shè)置兩道支撐梁，形成平行于沉井短邊的三榀框架（中間一榀為內(nèi)隔墻）、平行于沉井長邊的一道內(nèi)隔墻。

⑵支撐優(yōu)化驗(yàn)算。為了驗(yàn)算上述優(yōu)化后結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)和下沉系數(shù)及穩(wěn)定性能否滿足要求，利用軟件建立模型和荷載計(jì)算，對(duì)沉井下沉階段的下沉系數(shù)、下沉穩(wěn)定性系數(shù)、抗浮系數(shù)，以及長邊和短邊壁板構(gòu)件進(jìn)行驗(yàn)算。結(jié)果如下：

下 沉 系 數(shù)Kst=（38 518.03-0）/12 039.77=3.20＞1.05，滿足要求。

下 沉 穩(wěn) 定 系 數(shù)Kst，s=（38 518.03-0）/（12 039.77+34 316.8）=0.83＜0.9，滿足要求。

下沉階段封底抗浮系數(shù)K=58 430.53/54 141.13=1.08＞1.05，滿足要求。

⑶多點(diǎn)支撐下沉施工。結(jié)合上述支撐優(yōu)化布置驗(yàn)算，通過增加沉井結(jié)構(gòu)內(nèi)隔墻或內(nèi)支撐梁，形成多艙室的小鍋底開挖如圖1 所示，內(nèi)外刃腳和內(nèi)隔墻共同作用支撐于地基上，減小沉井結(jié)構(gòu)受力，能夠有效的保證沉井下沉姿態(tài)，順利完成下沉。主要施工工藝如下：

圖1 小鍋底開挖示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Small Pot Bottom Excavation

①沉井首節(jié)井壁及刃腳制作。為了保證首節(jié)沉井制作時(shí)地基能夠有足夠的承載力，在開挖到起沉面后對(duì)地基土采用0.5 m 中粗砂進(jìn)行換填，并澆筑10 cm素混凝土墊層。澆筑時(shí)選擇夜間澆筑，分層澆筑時(shí)每層不大于1.0 m，澆筑過程中監(jiān)測沉井穩(wěn)定狀態(tài)，及時(shí)調(diào)整澆筑位置，完成澆筑后及時(shí)拆模養(yǎng)護(hù)。

②墊層破除。首節(jié)完成澆筑并達(dá)到100%強(qiáng)度后，進(jìn)行墊層破除，施工時(shí)采用PC60 炮機(jī)進(jìn)行破除，為取土下沉做準(zhǔn)備。

③首節(jié)下沉。下沉?xí)r采用2 臺(tái)長臂挖機(jī)進(jìn)行取土下沉，以長邊方向中隔墻分界，每臺(tái)挖機(jī)負(fù)責(zé)一側(cè)的四格，按照小鍋底每格單獨(dú)開挖形式，從中間到兩邊，斜對(duì)稱開挖，每層取土深度不超過50 cm，下沉過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測四角下沉深度（刻度線），及時(shí)糾偏，穩(wěn)定沉井下沉姿態(tài)。沉井首節(jié)取土下沉如圖2所示。

圖2 沉井首節(jié)取土下沉Fig.2 Sinking of the First Section of the Open Caisson

④第二～第五節(jié)井壁及內(nèi)撐制作。第二至第五節(jié)井壁主要通過在前節(jié)井壁預(yù)埋螺栓，然后安裝三腳架搭設(shè)懸挑操作平臺(tái)，為鋼筋綁扎和模板安裝加固提供工作面，同時(shí)利用外撐內(nèi)頂?shù)姆绞綄?duì)模板進(jìn)行加固，以保證其垂直度。

⑤第二～第五節(jié)下沉。利用2 臺(tái)挖機(jī)仍然按照小鍋底方式對(duì)稱開挖，重復(fù)首節(jié)下沉施工步驟。

⑥封底及底板施工。沉井下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高后，經(jīng)過觀測在8 h 內(nèi)累計(jì)下沉量不大于10 mm 或沉降率在允許范圍內(nèi)，沉井下沉已經(jīng)穩(wěn)定時(shí)，即可進(jìn)行沉井封底，封底時(shí)采用分倉封底，以保證封底質(zhì)量。沉井封底澆筑2 000 mm 厚C30 素混凝土，最后澆筑800 mm 厚C35P8鋼筋混凝土底板。

2.2 中心土滯挖控制涌土施工技術(shù)

通過上述內(nèi)力計(jì)算分析和現(xiàn)場觀察，沉井開挖下沉過程中，易于發(fā)生沉井中心隆起，降低沉井取土下沉效率，而中心隆起常常伴隨著涌土的出現(xiàn)。傳統(tǒng)大鍋底開挖下沉方法，嵌固深度小，為了控制涌土的發(fā)生，結(jié)合上述多點(diǎn)支撐小鍋底開挖方式，在沉井中心預(yù)留一定范圍的土，對(duì)坑底進(jìn)行反壓，減小沉井中心土體涌起量（見圖3）。主要施工工藝如下。

圖3 中心土預(yù)留平、剖面示意圖Fig.3 Schematic Diagram of Reserved Plan and Section for Central Soil

⑴中心土預(yù)留。按照方案將中心土范圍內(nèi)土體進(jìn)行預(yù)留，保證沉井中心受力支撐在地基上。

⑵開挖周邊土體。2 臺(tái)挖機(jī)按照前述下沉原則進(jìn)行取土，分層對(duì)稱，小鍋底開挖。

⑶沉井下沉脫空面積減小。隨著取土沉井會(huì)慢慢下沉，中心位置土體越來越多，下沉受到影響。

⑷中心土適當(dāng)開挖。結(jié)合下沉速率，對(duì)中心土進(jìn)行適當(dāng)?shù)拈_挖，使沉井中心繼續(xù)切土保證沉井繼續(xù)順利下沉。

⑸循環(huán)以上施工步驟，直至下沉至設(shè)計(jì)位置。

在實(shí)際施工下沉過程中，由于受周邊環(huán)境影響，降水效果有限，井內(nèi)無法保證完全干底，故利用井內(nèi)的水體與中心土共同作用，進(jìn)行反壓，起到了良好的控制涌土的效果。采用此技術(shù)后，沉井臨近周邊土體的下沉量也大大降低，得到有效的控制。

2.3 偏位堆載沉井糾偏施工技術(shù)

不均勻地質(zhì)條件使得沉井在同一高度受力不均，易產(chǎn)生傾斜，提出采用偏位堆載沉井糾偏施工技術(shù)，即在較軟弱地層一側(cè)（沉井下沉較多一側(cè)）進(jìn)行填土堆載，增加沉井的側(cè)壓力，同時(shí)減少堆土側(cè)的井內(nèi)取土量，通過改變沉井受力狀態(tài)，使沉井在不平衡水平荷載作用下由受力大的一側(cè)往受力小的一側(cè)進(jìn)行滑移，從而達(dá)到沉井糾偏。

為了計(jì)算不同填土高度對(duì)沉井井壁側(cè)壓力增加效果分析，結(jié)合實(shí)際施工分節(jié)高度，計(jì)算填土高度分別為1 m、2 m、3 m、4 m 共4 種情況下的側(cè)壓力分布情況，計(jì)算得到不同填土高度情況下的側(cè)壓力結(jié)果，如表1所示。

表1 不同填土高度下側(cè)壓力計(jì)算結(jié)果匯總Tab.1 Summary of Calculation Results of Lateral Pressure under Different Fill Heights

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果得到不同堆土高度側(cè)壓力分布圖和趨勢圖，如圖4、圖5所示。

圖4 沉井偏位堆載不同填土高度側(cè)壓力分布Fig.4 Distribution of Lateral Pressure at Different Filling Heights for Inclined Loading of Open Caisson

圖5 沉井偏位堆載不同填土高度側(cè)壓力變化趨勢Fig.5 Trend Chart of Lateral Pressure Changes at Different Filling Heights During the Offset Loading of Open Caisson

由圖4、圖5 和表1 結(jié)果分析可知，填土后均不同程度的增加了井壁的側(cè)壓力，并且當(dāng)填土高度在地面以下時(shí)，原起沉面以下的井壁側(cè)壓力均保持不變，僅填土段井壁增加了側(cè)壓力，而當(dāng)填土高度超過地面以后，在井壁不同位置的側(cè)壓力均不同程度的增加，增加幅度隨深度增加而減小，說明過于加高填土高度來實(shí)現(xiàn)增加側(cè)壓力的辦法效果不明顯，且會(huì)造成成本增加，不經(jīng)濟(jì)。

總體來說，偏位堆載對(duì)沉井增加側(cè)壓力，用來實(shí)現(xiàn)糾偏的方法是可行，且施工簡便，易于操作，在填土?xí)r要根據(jù)情況選擇合適的填土厚度，以使?jié)M足糾偏要求。

主要施工工藝如下：

⑴偏位填土堆載。在沉井發(fā)生傾斜后，在傾斜一側(cè)進(jìn)行回填堆土，以增加井壁側(cè)向抵抗力。沉井偏位堆載糾偏下沉如圖6所示。

圖6 沉井偏位堆載糾偏下沉Fig.6 Correction of Deviation and Sinking of Open Caisson by Stacking and Loading

⑵取土下沉。完成堆載后，低位側(cè)減小或停止取土，高位側(cè)加大取土量，同時(shí)需要保證小鍋底對(duì)稱分層開挖，使得沉井高位側(cè)加快下沉。

⑶沉降監(jiān)測。在開挖過程中，要加強(qiáng)監(jiān)測，增加監(jiān)測頻率，并及時(shí)分析高差變化情況，直至沉井復(fù)位。

⑷挖除填土恢復(fù)正常開挖下沉。待沉井恢復(fù)到正常姿態(tài)后，挖除填土使得兩側(cè)的挖土平臺(tái)高度保持一致，繼續(xù)按照前述取土下沉原則進(jìn)行下沉施工。

2.4 周邊環(huán)境自動(dòng)化三維監(jiān)測施工技術(shù)

沉井下沉過程中，不同程度的會(huì)帶來周邊地面的下沉，甚至可能引起周邊建筑物的破壞。為了實(shí)時(shí)掌握周邊建筑物的安全變化情況，采用自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，通過在周邊建筑物上安裝監(jiān)測點(diǎn)，自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的測量和采集，具有頻次快、時(shí)效性好、穩(wěn)定性高、數(shù)據(jù)真實(shí)可靠等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)時(shí)且精準(zhǔn)地為施工安全保駕護(hù)航。一旦數(shù)據(jù)報(bào)警，項(xiàng)目部將對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，同時(shí)觀察現(xiàn)場實(shí)際變化情況，相應(yīng)的采取應(yīng)急措施，保證建筑物安全可控。

3 結(jié)論

提出采用多點(diǎn)支撐開挖下沉、中心土滯挖控制涌土、偏位堆載沉井糾偏、周邊環(huán)境自動(dòng)化三維監(jiān)測等多項(xiàng)施工技術(shù)，克服了下沉過程中的各項(xiàng)問題，同時(shí)也保證了周邊環(huán)境的安全，加快了施工進(jìn)度，使得沉井安全穩(wěn)定下沉到位。在參考運(yùn)用時(shí)，要注意支撐優(yōu)化和中心土厚度對(duì)下沉的負(fù)面影響，防止出現(xiàn)難以下沉的風(fēng)險(xiǎn)。此外，本技術(shù)對(duì)于不同地質(zhì)或環(huán)境情況具有不同的適用性，將在下一步進(jìn)行更加深入的研究，從而更好地適應(yīng)今后復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下矩形深大沉井下沉施工發(fā)展的需要，促進(jìn)不良地質(zhì)和周邊環(huán)境下矩形深大沉井下沉施工技術(shù)的安全高效化發(fā)展，對(duì)國內(nèi)深大沉井下沉安全高效化施工有一定的推動(dòng)作用。