流砂軟土地基建地下泵站沉箱方案設計與施工

王俊增 王德源 于 斌

(山東三箭置業集團有限公司，山東濟南 250100)

0 引言

東明縣地下污水泵站工程是南水北調在該縣的一項重要配套工程。該工程位于縣城內工業路與東關大街交叉口東北角，北臨黃河，屬黃河沖積平原地貌，土質較松軟，地下水埋深1 m;地下污水泵站設計為現澆鋼筋混凝土結構，長20.2 m，寬9.4 m，高7.97 m(見圖1，圖2)，泵站埋深約9 m。

圖1 地下污水泵站平面圖

圖2 地下污水泵站剖面圖

建設地點的西側、南側為馬路，距泵站混凝土外墻5 m～6 m，東側學校院墻距泵站混凝土外墻6 m，北側30 m處為商鋪和住宅。根據地質資料和當地技術人員介紹，該處土層多為粉砂、粉土，局部粘土夾層，土質較松散，粘聚力差，極易產生流砂，而且又適逢雨期施工，地下水位較高。如按傳統方法降水、支護、明挖法施工，不但會產生流砂造成施工非常困難，大量降水也會導致地面沉降而危及周邊馬路、房屋，而且費用高、施工周期長，以前有過因流砂嚴重導致基坑坍塌事故的經驗教訓。經綜合分析研究并與工程設計人員協商后確定采用安全、可靠對周邊建筑、設施影響較小的沉箱技術方案，即利用泵站自身鋼筋混凝土結構經加強后改制成沉箱，在其內開挖下沉完成施工任務。沉箱設計與施工技術路線為:為保證沉箱下沉位置準確和減少泥砂對沉箱側壁的阻力，確保沉箱順利下沉，確定先明挖至-4.5 m處，以下結構按沉箱施工，以上結構按常規方法施工。這樣既不需要挖深基坑，也解決了支護問題，部分結構與支護結構融為一體，還節省了費用和工期。具體設計與施工方法如下。

1 技術方案設計

1.1 沉箱設計

沉箱施工工藝就是用鋼筋混凝土制成箱筒結構，施工時先就地制作第一節帶刃腳的箱筒，然后在箱筒內挖土，使沉箱在自重作用下克服土的阻力而下沉，隨著沉箱逐步下沉，再逐步接高箱筒，直至下沉到設計標高，封底后形成地下結構物。

本工程沉箱經結構計算采取將原泵站鋼筋混凝土結構外墻厚度加寬至500 mm，墻體鋼筋做適當加強調整，內墻及地梁也做適當加強，再在外墻下端加設900高的鋼筋混凝土刃腳而制成(見圖2)。為確保沉箱在下沉、下沉期間、沉至設計標高后都能滿足要求，根據實際情況并對下沉系數和下沉穩定系數進行了計算，確定整個8.87 m高結構分兩段制作施工，下段5 m高按沉箱工藝施工，在-4.5 m處制作下沉，待下沉到設計標高后，上段3.87 m高結構在開挖面上按常規混凝土結構施工方法續接施工。

1.2 護坡防砂止水帷幕設計

為切斷坑外地下水與沉箱內開挖面處的水力聯系，防止砂隨水涌現象，以及加固-4.5 m以上邊坡，沿基坑周邊做兩排水泥土攪拌樁，形成護坡防砂止水帷幕(見圖3)，減小四周水向坑內滲透的動力，確保邊坡及挖井時的安全。

圖3 復合地基

1.3 做刃腳支撐樁

由于此處土層松軟，混凝土沉箱體積大、重量大、也較高，為保證沉箱能均勻下沉，采取在沉箱刃腳下做一圈水泥土攪拌樁以加強對沉箱的支撐(見圖3)，用挖土削樁的辦法使沉箱下沉，以控制下沉量和防止沉箱發生不均勻下沉而傾斜。

1.4 底部止水止砂及地基處理

根據地質資料，泵站底部土質較松軟(散)，泵站地基需進行加固處理，而且底部水壓力大，流砂也會更多。為加固泵站地基和阻擋涌砂，采取在泵站混凝土底板下布設2.5 m長的水泥土攪拌樁，形成復合地基(見圖3)，既加固地基又起到阻擋涌砂作用，便于安全封底，確保工程質量。

1.5 降水

為確保-4.5 m以上基坑開挖和沉箱制作，在基坑周邊設一圈井點進行降水，確保坑內-5 m以上無水，抽出的水進行回灌，以保持坑外水位穩定，不影響到周邊地面和建筑。沉箱內水采取明排法用水泵抽出箱外。

1.6 環境監測

為隨時掌握施工期間周邊設施變形情況，在馬路、院墻上分別設兩個沉降觀測點，住宅、商鋪等建筑物上設三個沉降觀測點，以便根據觀測數據采取相應措施。

2 技術方案的實施

施工程序為:施工基坑周邊止水止砂帷幕→施工刃腳支撐樁→施工封底樁→降水、挖土至-4.5 m及混凝土噴護邊坡→預制沉箱基礎→制作沉箱(5 m高)→沉箱下沉→沉箱封底→施工沉箱上部第二段結構→回填土→停止降水。

2.1 施工水泥土攪拌樁止水止砂帷幕

由于被加固土體屬飽和土，所以采用粉體噴射深層攪拌法。帷幕樁采用直徑500 mm，樁長L=9 000 mm，做內外兩排樁，內排間距0.5 m，外排間距1 m，水泥用量15%，復噴深度3.2 m，復噴水泥用量10%，采用GZB-500型鉆機施工。

2.2 施工刃腳支撐樁

刃腳支撐樁采用直徑 500 mm，樁長 L=12 000 mm，自-4.5 m～-16.5 m，樁間距2 m，水泥用量15%，復噴深度6 m，復噴水泥用量10%，采用GZB-500型鉆機施工。

2.3 施工封底樁

封底樁采用直徑500 mm，中距2 m，梅花形布置，從-2.5 m處開始鉆孔，樁長L=9 400 mm，上部6.9 m只攪拌壓縮不噴水泥，下部2.5 m噴水泥，水泥用量15%，采用GZB-500型鉆機施工。

2011年12月，浙江省人民政府下發《關于加強礦產資源勘查工作的意見》，進一步加強礦產資源勘查工作，加快實現地質找礦重大突破，切實提高礦產資源保障能力。

2.4 挖土及邊坡噴護

水泥土攪拌樁施工完畢固結后，采取兩級井點降水，然后挖土至-4.5 m，挖土自東向西逐層順次開挖，按1∶0.4～1∶0.5放坡，挖土時盡量減少對基坑邊坡土體的擾動，修好邊坡后進行混凝土噴護。

2.5 預制沉箱基礎

由于沉箱較高、重量較大，為防止在制作沉箱和下沉時地基產生不均勻下沉引起井身裂縫，采用了砂墊層法，即在刃腳下設砂墊層，經計算鋪設2 000 mm寬、400 mm厚的砂墊層即可滿足要求。砂墊層上鋪設1 500 mm×220 mm×160 mm墊木，間距0.5 m～0.6 m，設8組定位支承墊木，位置鋪設在兩長邊方向，距端部1 m，中間等分，以待抽出其他支承墊木后，沉箱有比較扎實的著力點。

2.6 預制沉箱段

根據沉箱設計方案要求，第一段包括刃腳共5 m高作為沉箱，刃腳高900 mm，底部寬300 mm，刃腳上部寬600 mm，混凝土為C30S6。

模板、鋼筋工程施工同普通混凝土結構施工方法，在墻體中部設置400 mm×3mm連續鋼板止水帶，混凝土內摻加早強劑，澆筑沉箱壁混凝土時要求均勻、對稱、分層澆筑，分層厚度300 mm，每層澆筑時間控制在2 h內。

2.7 沉箱下沉

1)抽降墊木。

沉箱混凝土達到設計強度后，做好下沉前的準備工作，并抽降墊木，抽取墊木要對稱、隔一抽一，并立即用粗砂灌填密實，收口處四周填黃砂以減少井壁傾斜的可能性。

2)挖土與削樁。

沉箱下沉采取箱內用水泵明排水，人工挖土削樁下沉，并用一臺汽車吊將土方運出箱外。沉箱下沉的取土順序和方法為:先將泵站結構地梁底下土取出，再由中心向四周均衡地取土;當挖至刃腳時，先將樁間土取出，再逐層、對稱、均勻的用利鑿和錘子人工削樁，以使沉箱均勻穩定下沉，沉箱下沉速度控制在200 mm/d。

沉箱位置與標高控制是在井壁頂部四面設置縱橫十字中心控制線和水準基點，井外設標志樁，以控制位置和標高;沉箱垂直度控制是采取在井內壁懸掛6個吊墜，長邊2個，短邊1個，挖土削樁時隨時觀測，當線墜離墨線邊達50 mm或四面標高不一致時，立即采取糾偏措施。在沉箱過程中，由于嚴格按設定程序挖土、削樁，沉箱下沉平穩，未發生傾斜和滯沉現象。

4)箱內排水排砂。

在沉箱施工至臨近基底時，有部分地下水和流砂由下向上和在沉箱刃腳下涌入井內，為此，在井底設了3個集水井，用污水泵排水、排砂。

2.8 沉箱封底

沉箱沉至設計標高3d后，經觀測沉箱平面軸線、高差值符合規范要求，并且下沉速度已達到規范要求的8 h下沉小于10 mm的穩定條件，開始封底。

本工程采取無水干封底，先將基底修整成鍋底狀，用碎石子和水泥管做集水溝井，抽凈基底水后澆筑700 mm厚C15混凝土，其上再做100 mm厚的砂墊層和100 mm厚的混凝土墊層，最后做600 mm厚鋼筋混凝土結構底板(見圖4)，待混凝土底板達到設計強度后逐個用C30早強干硬膨脹混凝土封堵抽水井。

圖4 鋼筋混凝土結構底板

此時第一段沉箱已經全部封閉，需要驗算其抗浮力。經計算在沉箱段地下水產生的最大靜水浮力(算至預留口)約為32.3kN/m2，抗浮力約為51 kN/m2，抗浮力與浮力比值k=1.59，所以是安全的。

2.9 施工沉箱上部第二段結構

沉箱上部第二段結構施工是在已開挖的基坑內施工，鋼筋接長連接、施工縫處理、模板支設、混凝土澆筑與施工普通混凝土結構無異。

2.10 回填土、停止降水

在結構施工完成、拆除模板并經有關單位驗收后進行回填土施工，在全部工程施工結束后，采取注水抗浮措施，然后停止降水。

3 結語

工程按期竣工后經運行應用各項指標均滿足設計要求，周邊馬路、建筑物經觀測均未受影響，說明沉箱技術在本工程的應用是成功的，選擇和設計的技術方案是正確的，制定的措施是有效可靠的。在以后遇到的類似地質松軟(散)、流砂嚴重及周邊情況復雜的深基坑工程中也采取了此技術路線進行設計與施工，均取得了滿意效果。本工程的經驗可供同類工程借鑒。