沉井法在粉細(xì)砂含水基坑集水坑開挖中的應(yīng)用

徐海龍 劉士波

(1.中鐵三局廣州分公司，廣東 廣州 510630; 2.中鐵三局集團(tuán)有限公司，山西 太原 030001)

在粉細(xì)砂含水地層深基坑底部集水坑開挖施工中，往往因降水水位未達(dá)到設(shè)計(jì)開挖面高度，形成施工中的難點(diǎn)，很難順利施工。這些基坑底部的小型集水坑，設(shè)計(jì)通常不會(huì)給出專項(xiàng)施工設(shè)計(jì)。常規(guī)方法開挖集水坑往往形成越挖越多，無法下挖，其他位置墊層下大面積漏空，不利于后期施工，結(jié)構(gòu)質(zhì)量無法保證，工程投入大量浪費(fèi)，如圖1所示。下面介紹幾種針對(duì)上述情況的施工方法。

圖1 集水坑開挖剖面示意圖

1 沉井法

沉井法為多年施工中總結(jié)最理想的施工方法，適用于各種基坑下的進(jìn)一步下挖施工。具有操作簡(jiǎn)單，施工安全，施工材料就地取材，施工成本相對(duì)較小。開挖斷面較小時(shí)可利用人工開挖，較大時(shí)利用小型挖掘設(shè)備開挖。施工分以下步驟。

1.1 放出開挖范圍輪廓線

按設(shè)計(jì)開挖線外放5 cm～10 cm。

1.2 支設(shè)模板

模板底采用外側(cè)尖形(見圖2)，靠結(jié)構(gòu)側(cè)考慮后期結(jié)構(gòu)施工，不能傾線，利用鋼板代替木模。開挖完成后對(duì)鋼板上混凝土進(jìn)行鑿除。鋼板厚采用1 cm～2 cm。無結(jié)構(gòu)位置混凝土中間部位利用鋼板焊出止水鋼板，以利于鋼板與沉井混凝土結(jié)構(gòu)的有效連接及止水作用。伸出長(zhǎng)度為0.8 m～1.0 m，見圖3。

1.3 鋼筋綁扎

為防止沉井開挖中因不均勻受力，造成混凝土沉井結(jié)構(gòu)開裂，應(yīng)采用鋼筋混凝土施工。鋼筋采用HRB，18 mm～25 mm鋼筋，綁扎成單層或雙層鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)孔間距15 cm～30 cm，鋼板側(cè)不必綁扎鋼筋，但要焊錨筋，錨筋采用鋼筋網(wǎng)同規(guī)格鋼筋，錨筋長(zhǎng)度為結(jié)構(gòu)厚度，間距20 cm～50 cm。下面以3 m×5 m高2 m兩側(cè)有結(jié)構(gòu)為例的支模方法，見圖2。

圖2 沉井結(jié)構(gòu)平面示意圖

圖3 沉井鋼板安放示意圖

1.4 沉井下沉參數(shù)計(jì)算

本例中沉井下挖深度一般為1 m～3 m小于5 m，在受力計(jì)算時(shí)土壓力按三角形計(jì)算。

1)單位面積摩擦系數(shù)取值。在設(shè)計(jì)給出單位面積摩擦系數(shù)時(shí)用設(shè)計(jì)給出值，設(shè)計(jì)未給出按下式計(jì)算:砂性土12 kPa～25 kPa，砂礫石15 kPa～20 kPa。沉井高度H=2 m(取值高度為自沉井頂部至韌角中間部位)。砂的高度h1=H×1/3，因有水從外向內(nèi)流動(dòng)取小值f1=12 kPa。回填碎石高度h2=H×2/3，因回填碎石較松散取小值f2=15 kPa。按上例因兩側(cè)無砂土及碎石與沉井產(chǎn)生摩擦力，但考慮沉井與圍護(hù)結(jié)構(gòu)的局部摩擦，將這兩面與有砂，有碎石同條件考慮。

綜上摩擦系數(shù)與高度加權(quán)平均:

2)下沉系數(shù)的計(jì)算。沉井自重標(biāo)準(zhǔn)值Gk:

Ffw，k下沉過程中水的浮托力標(biāo)準(zhǔn)值 Ffw，k:

抗浮驗(yàn)算，因下沉較淺，同時(shí)為抽水下沉、封底中做降水井，減小了浮力，不予考慮。Ffw，k=0。

井壁總摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值Ffk:

按沉井結(jié)構(gòu)0.5 m厚度計(jì)算。

其中，u為沉井結(jié)構(gòu)中心線周長(zhǎng);H為沉井高度。

按沉井結(jié)構(gòu)0.4 m厚度計(jì)算:Kst=1.29。

按沉井結(jié)構(gòu)0.3 m厚度計(jì)算:Kst=0.97。

因下沉深度較小，一般小于3 m，因此粉細(xì)砂土層中下沉系數(shù)取 1.05。

要求下沉系數(shù)Kst≥1.05，取沉井結(jié)構(gòu)厚度0.4 m，完全滿足靠沉井自重下沉要求。

完全靠自重下沉沉井在計(jì)算時(shí)可先確定外側(cè)摩阻力反推結(jié)構(gòu)尺寸。

1.5 結(jié)構(gòu)變形穩(wěn)定性計(jì)算

1.5.1 結(jié)構(gòu)自身變形穩(wěn)定性

結(jié)構(gòu)自身變形主要為在開挖過程中因不均勻下沉，造成結(jié)構(gòu)局部破壞。結(jié)構(gòu)開挖下沉過程中因?yàn)楹奂?xì)砂，側(cè)向受力均勻不會(huì)產(chǎn)生局部懸空造成結(jié)構(gòu)破壞。同時(shí)受外側(cè)土體摩擦力影響下結(jié)構(gòu)下沉?xí)r土體摩擦力向上，當(dāng)結(jié)構(gòu)下部懸空時(shí)外側(cè)土體摩擦力向上，基本不均勻受力很小，不予驗(yàn)算。

1.5.2 結(jié)構(gòu)受外力作用下穩(wěn)定性

沉井背后被主動(dòng)土壓力作用形成的對(duì)結(jié)構(gòu)最不利受力點(diǎn)的破壞，結(jié)構(gòu)最不利受力點(diǎn)為結(jié)構(gòu)下部高度占結(jié)構(gòu)高度1/3位置。

按郎肯更理論計(jì)算土壓力(參數(shù)取設(shè)計(jì)給出參數(shù))。

墻高H=2 m，墻面豎直(墻面與豎直線之間的夾角a=0)，光滑(墻面與填土的摩擦角b=0)，墻后填土為無粘性土(c=0)，內(nèi)摩擦角 φ =30°，填土容重 r=16.8 kN/m3。

填土表面水平(填土表面與水平面之間的夾角e=0)，計(jì)算作用在擋土墻上的總主動(dòng)土壓力。

1)根據(jù)d=30°，計(jì)算主動(dòng)土壓力系數(shù):

2)計(jì)算作用在擋土墻上的總主動(dòng)土壓力:

進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力分析:按兩邊為固定端中間均布荷載單跨計(jì)算受力;最大彎矩為PL2/12[1];推得最大彎矩為16.46 kN·m;最大剪力PL/2[1];最大剪力為23.52 kN;按結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算混凝土結(jié)構(gòu)3 d強(qiáng)度滿足受力要求。

2 開挖

混凝土澆筑完成后，待混凝土強(qiáng)度滿足結(jié)構(gòu)受力要求時(shí)開挖，為縮小等強(qiáng)時(shí)間，可采用高標(biāo)號(hào)混凝土。一般為混凝土澆筑完3 d后開挖。開挖過程中采取對(duì)稱均勻下挖。開挖面積小于25 m2通常采用人工開挖，吊車出土。面積大于25 m2通常采用吊車配合小型挖掘機(jī)開挖。開挖中實(shí)施抽水，抽水方法采用集水井法，實(shí)際施工中利用可活動(dòng)水泵掛于井壁抽排，水泵下方挖深。本例中利用人工開挖，2 d內(nèi)完工。取得較理想效果。

開挖時(shí)井壁外側(cè)易形成塌空，應(yīng)對(duì)塌空區(qū)及時(shí)回填2 cm～4 cm碎石，以利濾水擋砂，防止開挖量過大。

下面以坡道下集水井開挖為例，見圖4。

圖4 坡道下集水坑開挖剖面示意圖

坡道處開挖在降水不充分情況下，考慮開挖后坡面成形，利用2 cm～4 cm碎石對(duì)坡道位置局部換填，換填寬度為1 m～2 m，換填深度為1 m～2 m，換填區(qū)間距為1 m～2 m，可起到濾水護(hù)坡作用。

3 結(jié)語(yǔ)

以上方法針對(duì)粉細(xì)砂地層中，降水未達(dá)設(shè)計(jì)開挖底面的施工方法，在實(shí)際施工中幾種方法結(jié)合使用，可起到較理想的效果，其原理為封閉、降水、濾水、排水。最終有效處理粉細(xì)砂地層中含水量較大造成的施工難點(diǎn)問題。以上方法在杭州下沙西站、下沙中心站地鐵施工中及在廣州佛山朝安地鐵站施工中應(yīng)用取得較理想的效果。

[1] 龍馭球，包世華，匡文起，等.結(jié)構(gòu)力學(xué)教程(Ⅰ)[M].北京:高等教育出版社，2000.

[2] 王夢(mèng)恕.中國(guó)隧道及地下工程修建技術(shù)[M].北京:人民交通出版社，2010.

[3] 劉格非.穿越厚松砂層的沉井基礎(chǔ)[J].福州大學(xué)學(xué)報(bào)，2000(2):67-69.