沉井工程施工的環境效應及防治措施

胡汝蘭

（天津市市政工程設計研究院 ,天津 300051）

0 前言

沉井施工法是修筑地下工程和深埋基礎工程所采用的重要施工方法之一。沉井組成一般包括井筒、刃腳、隔墻、梁、底板等，其平面形狀一般為圓形、矩形、橢圓形、菱形或者其他不規則形狀。沉井下沉的深度根據工程需要確定，一般為7～15 m左右。在施工場地地下水位較高，涌水量較大或有地下承壓水、流砂、軟土等地質條件時，采用沉井施工是最為適宜的。

1 沉井施工引起的環境效應問題

沉井施工時的下沉使得土體壓力重新分布，由初使應力狀態變為第二應力狀態，致使井體周邊土體發生變形、位移，引起地表沉陷與土層位移，從而對鄰近建筑物和地下設施帶來不利影響。因此，在確定沉井的施工工藝時應根據沉井構筑物的場地，各種施工工藝的特點、水文地質及工程條件、鄰近建筑物或市政設施、地下埋藏物（如地下電纜、各種管道）的狀況進行合理選擇。

1.1 沉井下沉的施工工藝

當地下水補給量不大、且排水并不困難時，沉井一般采用排水下沉，排水方式常有井內排水及井外排水（深井降水等）。當遇到容易產生“涌流”的不穩定土壤，且地下水補給較大而排水又有困難時，沉井可采用不排水下沉。

1.1.1 排水下沉

采用井點降低地下水位的方法施工時，應注意對鄰近建筑物進行沉降觀測，必要時應采取措施。

當采用水力機械沖泥時，應以集泥坑為中心逐漸向四周沖射，并注意在刃腳內側保留0.5～1.0 m寬的土臺，均衡對稱地、自上而下地一層層沖去，嚴禁用水槍掏挖刃腳踏面以下的土層。

采用人工挖土時，次序是先中央后四周，均衡對稱地進行，并應根據需要留有土臺，逐層切削，使沉井均勻下沉。

1.1.2 不排水下沉

不排水下沉時，井內外水位不宜相差過大。挖松軟土或流動性土時，應保持井內水位高出井外水位不少于1 m。如不到1 m，應向沉井內灌水，以防井外向井內涌流。

1.2 沉井對周邊環境的影響范圍

1.2.1 排水下沉

當地下水位較高時，井內采用人工或水力機械沖泥，土的含水層被切斷，地下水會不斷地補給，為保證正常施工，就需要降低地下水，地下水位降低后，在抽水影響半徑范圍內土壤會產生固結，從而引起地面的沉降。同時，在井內挖土時，井內外地下水位存在一定的水頭差，在動水壓力作用下，井內會發生流土，砂涌現象，導致井體周邊松動破壞，引起塌陷，這種塌陷所影響的范圍與井下沉的深度成正比。

1.2.2 不排水下沉

當地下水位較高，在易產生涌流或塌陷的不穩定土層地段，周邊建筑物較近時，為減小對周邊的影響，采用不排水下沉。不排水下沉靠沉井自重進行下沉，不對周邊進行降水，因此對周邊土體影響較小。但并不等于說就是對周邊沒有影響，由于在下沉時要不斷地沖泥排水，沉井周邊的土體也會出現下沉及變化，只是其影響的范圍要比排水下沉法小得多。根據筆者的經驗，其影響范圍是沉井深度的1/3～1/4。

2 沉井周邊塌陷的防治措施

雖然沉井對周邊的影響比大開挖等施工方法所影響的范圍要小，但由于沉井的設置地點常在不能開挖的地段，因此其所造成的沉降對周邊環境的危害更大，它的沉降可能造成鄰近建筑物開裂、城市管網的斷裂、市政設施基礎的破壞。這時就要求對沉井周邊采取合理防治措施，以避免上述現象的發生。因此，合理地選擇沉井的形式及沉井周邊的防護措施，要根據工程地質及水文條件，結合工程性質、規模及被支護建筑物的特性來進行。

采取防治措施的原則如下：

（1）沉井周邊的沉降不得影響相鄰建筑物的正常使用或超過差異沉降允許值。

（2）沉井周邊土體變位不得影響相鄰各類管線的正常使用或超過變形曲率允許值。

（3）當有管線、重要市政設施存在時，土體位移不得造成結構開裂、發生滲漏或影響市政設施的正常使用。

對沉井周邊土體進行支護防治措施的有效手段，常見的方法有注漿法、排樁法，旋噴法、水泥攪拌樁等。其中排樁法屬支擋型支護，注漿法、旋噴法、水泥攪拌樁為加固型支護。它們有各自的適用條件，選用時要根據工程地質及水文地質條件，結合工程性質、規模等進行方案比較，選擇既可擋土、防滲，又能滿足周邊環境效應要求的支護結構。

注漿法、排樁法，旋噴法、水泥攪拌樁是指向地層灌入漿液，使漿液與地層發生填充、置換、擠密等物理和化學變化，以減少地層的滲透性，并提高地層的力學強度和抗變形或抗液化能力，其結果必然會減少土體的孔隙率和提高土體密度，其防滲和加固的功能是并存的。支護系統的防滲止水是支護設計需要重視的問題。其處理不妥，會導致周圍建筑物產生不均勻沉降、開裂、鄰近道路下沉，地下設施的破壞等現象，給周邊環境帶來嚴重破壞。

高壓噴射注漿法（高噴法或旋噴法）主要用途是加固與防滲，其主要是用于軟弱土層，在砂類土、粘性土、黃土、淤泥中都能進行噴射加固，效果較好。因其簡單的設備及獨特的施工方法，可以解決其它工法無法解決的難題。

水泥攪拌樁加固法是用水泥漿液對軟土進行加固，軟土與水泥采用機械攪拌加固的基本原則，是基于水泥加固土的物理化學反應。水泥漿液充填土層裂隙或孔隙，形成較為密實的固化體，從而使土層的滲透性減少，強度得到提高。水泥攪拌樁常用來形成止水帷幕。這樣可以避免沉井下沉時周邊地下水的流失，其搭接寬度一般為d/4。它還可作雙排樁止水帷幕。

影響支護穩定性的因素有設計、施工、環境條件等諸多因素。就設計而言，又有參數選擇、計算方法及安全系數的確定諸多環節的影響。為保證支護的穩定有效，確保良好的環境效應，即需要設計與施工各方面具有成熟的方法與經驗，又要密切配合，任一方面原因都會導致支護失效，影響周邊環境。

另外，在整個施工過程中，對鄰近的建筑物及路面、地下管道設施的沉降觀測非常必要，其觀測數據對于在整個施工過程中周邊環境的保護是非常必要的。同時，這些數據對以后可能的加固修復設計方案的選擇也是非常重要的。

3 實例

某泵站位于天津郊區，排水規模10 m3/s，下部主體結構外形尺寸長31.20 m，寬23.04 m，地下埋深 10.114 m（見圖1）。

3.1 施工措施

該泵站的設計地坪標高為3.0 m（大沽水準）。表層有1.5～2.5 m厚的回填土?；靥钔梁穸燃昂什痪?，承載力有差異。為保證初沉階段均衡下沉，將回填土挖除至大沽水準0.5 m。沉井采用排水下沉（井點或大口井），施工時需將地下水降至開挖層以下，沉井前應先明挖基坑至初沉標高-0.824 m，然后先墊0.5 m厚的砂石料再預制沉井箱體。沉井下沉時取土順序：先挖框架、地梁底及QB6、QB8，再由中心向四周均衡對稱地進行，最后挖除刃腳下樁體,使沉井下沉均勻、穩定。

由于泵站底板標高下有8 m左右的淤泥質粘土，該層土的壓縮性高，透水性差，承載力低。為了防止下沉過程中發生突沉現象，采取了以下措施。

（1）適當加大刃腳踏面寬度以增大正面阻力。

（2）增設了框架底梁，施工階段底梁的地基反力設計值取地基土的極限承載力值進行計算。

（3）為防止封底前發生突沉事故，在刃腳下采用高壓旋噴樁樁徑為Ф600，間距600 mm，長度為刃腳以下5 m。施工前先明挖2.5 m后打高壓旋噴樁，旋噴樁漿液采用42.5級普通硅酸鹽水泥及膨潤土混合漿液，并摻入2%水玻璃，水泥摻入量為180～220 kg/m，注漿壓力不宜低于20 MPa(可根據現場土層及注漿效果適當調整)，帷幕及底部注漿層滲透系數不大于10-7cm/s，帷幕及底部注漿旋噴樁每延米膠凝材料摻入量應分別根據現場試驗確定。下沉過程中樁在刃腳下需挖除部分的旋噴樁注漿壓力應5～10 MPa。高程-10.214 m以下部分的旋噴樁注漿壓力不宜低于20 MPa。

圖1 泵站剖面圖（單位：mm）

沉井挖土下沉是施工中一道重要工序，在井壁混凝土澆筑完成并且達到100%的設計強度后方可下沉。沉井下沉前應結合工程的地質條件，制定具體的挖土計劃，合理配備施工人員和機械設備。

初沉階段沉井箱體大部分在地面以上，側向土體的約束作用很小，穩定性較差，最容易產生偏移和傾斜。這個階段應嚴格控制挖土程序和深度，需同時安排多個作業面對稱均勻挖土。下沉階段發生的傾斜應根據產生傾斜的原因及時糾偏，確保偏差在允許范圍內。常規的糾偏方法是挖除沉井內刃腳高的一側土方或在沉井高的一側上進行配重。若沉井刃腳下土層軟硬不均勻，可采用軟土層壓漿和換填處理的方法。對于刃腳下的障礙物要盡快破碎，并在其對稱面增加阻力，避免產生傾斜。

由于在刃腳下設置了高壓旋噴樁，沉井下沉過程是邊鑿除攪拌樁樁頭，邊下沉，因此較易掌握下沉速度，保證下沉穩定。攪拌樁在沉井施工中起到了較好的調節作用，當需要下沉時，只需鑿除樁頭，沉井即可憑自重克服土體摩擦下沉，一旦刃腳落至樁頭即可止沉。當下沉至設計標高時，刃腳下的樁起到支撐作用，滿足承載要求，避免出現地基承載力較低而發生的突沉現象。

3.2 施工過程的控制

沉井下沉過程的控制主要包括三個方面：（1）刃腳高差控制。（2）下沉速度控制。（3）平面位移控制。其中平面位移控制是通過刃腳高差控制和下沉速度控制來實現的。

3.2.1 刃腳高差控制

排水下沉時，由于不帶水作業，故刃腳高差鍋底的形成和移動都比較直觀，根據高差的大小可以有效地改變鍋底的大小，深淺和平面位置，以此來達到對刃腳高差的控制。

3.2.2 沉井下沉速度控制

沉井下沉速度控制也是一個重要方面。一般來講，對沉井下沉速度沒有嚴格的限制，需根據施工經驗和沉井下沉的具體情況而定。該工程施工中主要按以下原則進行：

（1）在沉井刃腳高差不大時（在水平間距的0.5%以內），沉井的下沉速度越快越好。

（2）沉井的下沉速度均勻為宜。

（3）沉井在粉砂土等易引起涌砂的土層中下沉時，應加快下沉速度。

3.2.3 沉井平面位移控制

對沉井平面位移控制主要是通過控制沉井刃腳高差來實現，如果沉井刃腳高差不大，則沉井平面位移較易得到控制，它們之間的關系并無定量計算，但有一些聯系：

（1）沉井哪個角下沉得快（即刃腳較低），則沉井就會向哪個方向移位。

（2）沉井刃腳高差大時，沉井位移量大。

（3）沉井始終在同一個方向的刃腳高差下下沉時，沉井位移量較大。

4 結語

由于施工中采取了相應的技術措施和施工方法，確保沉井的下沉穩定。工程質量的各項指標均達到設計和規定的要求。隨著工程建設的需要和施工技術的發展，沉井將在基礎工程中發揮越來越重要的作用。

[1]GB50141-2008，給水排水構筑物工程施工及驗收規范[S].

[2]JGJ94-2008，建筑樁基技術規范[S].

[3]給水排水構工程結構設計手冊[M].北京：中國建筑工業出版社.