沉井工程施工的環(huán)境效應(yīng)及防治措施

胡汝蘭

（天津市市政工程設(shè)計(jì)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(chǔ)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(guī)則形狀。沉井下沉的深度根據(jù)工程需要確定，一般為7～15 m左右。在施工場(chǎng)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(zhì)條件時(shí)，采用沉井施工是最為適宜的。

1 沉井施工引起的環(huán)境效應(yīng)問題

沉井施工時(shí)的下沉使得土體壓力重新分布，由初使應(yīng)力狀態(tài)變?yōu)榈诙?yīng)力狀態(tài)，致使井體周邊土體發(fā)生變形、位移，引起地表沉陷與土層位移，從而對(duì)鄰近建筑物和地下設(shè)施帶來不利影響。因此，在確定沉井的施工工藝時(shí)應(yīng)根據(jù)沉井構(gòu)筑物的場(chǎng)地，各種施工工藝的特點(diǎn)、水文地質(zhì)及工程條件、鄰近建筑物或市政設(shè)施、地下埋藏物（如地下電纜、各種管道）的狀況進(jìn)行合理選擇。

1.1 沉井下沉的施工工藝

當(dāng)?shù)叵滤a(bǔ)給量不大、且排水并不困難時(shí)，沉井一般采用排水下沉，排水方式常有井內(nèi)排水及井外排水（深井降水等）。當(dāng)遇到容易產(chǎn)生“涌流”的不穩(wěn)定土壤，且地下水補(bǔ)給較大而排水又有困難時(shí)，沉井可采用不排水下沉。

1.1.1 排水下沉

采用井點(diǎn)降低地下水位的方法施工時(shí)，應(yīng)注意對(duì)鄰近建筑物進(jìn)行沉降觀測(cè)，必要時(shí)應(yīng)采取措施。

當(dāng)采用水力機(jī)械沖泥時(shí)，應(yīng)以集泥坑為中心逐漸向四周沖射，并注意在刃腳內(nèi)側(cè)保留0.5～1.0 m寬的土臺(tái)，均衡對(duì)稱地、自上而下地一層層沖去，嚴(yán)禁用水槍掏挖刃腳踏面以下的土層。

采用人工挖土?xí)r，次序是先中央后四周，均衡對(duì)稱地進(jìn)行，并應(yīng)根據(jù)需要留有土臺(tái)，逐層切削，使沉井均勻下沉。

1.1.2 不排水下沉

不排水下沉?xí)r，井內(nèi)外水位不宜相差過大。挖松軟土或流動(dòng)性土?xí)r，應(yīng)保持井內(nèi)水位高出井外水位不少于1 m。如不到1 m，應(yīng)向沉井內(nèi)灌水，以防井外向井內(nèi)涌流。

1.2 沉井對(duì)周邊環(huán)境的影響范圍

1.2.1 排水下沉

當(dāng)?shù)叵滤惠^高時(shí)，井內(nèi)采用人工或水力機(jī)械沖泥，土的含水層被切斷，地下水會(huì)不斷地補(bǔ)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(nèi)土壤會(huì)產(chǎn)生固結(jié)，從而引起地面的沉降。同時(shí)，在井內(nèi)挖土?xí)r，井內(nèi)外地下水位存在一定的水頭差，在動(dòng)水壓力作用下，井內(nèi)會(huì)發(fā)生流土，砂涌現(xiàn)象，導(dǎo)致井體周邊松動(dòng)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(dāng)?shù)叵滤惠^高，在易產(chǎn)生涌流或塌陷的不穩(wěn)定土層地段，周邊建筑物較近時(shí)，為減小對(duì)周邊的影響，采用不排水下沉。不排水下沉靠沉井自重進(jìn)行下沉，不對(duì)周邊進(jìn)行降水，因此對(duì)周邊土體影響較小。但并不等于說就是對(duì)周邊沒有影響，由于在下沉?xí)r要不斷地沖泥排水，沉井周邊的土體也會(huì)出現(xiàn)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(jù)筆者的經(jīng)驗(yàn)，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(duì)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(shè)置地點(diǎn)常在不能開挖的地段，因此其所造成的沉降對(duì)周邊環(huán)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(wǎng)的斷裂、市政設(shè)施基礎(chǔ)的破壞。這時(shí)就要求對(duì)沉井周邊采取合理防治措施，以避免上述現(xiàn)象的發(fā)生。因此，合理地選擇沉井的形式及沉井周邊的防護(hù)措施，要根據(jù)工程地質(zhì)及水文條件，結(jié)合工程性質(zhì)、規(guī)模及被支護(hù)建筑物的特性來進(jìn)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(dāng)有管線、重要市政設(shè)施存在時(shí)，土體位移不得造成結(jié)構(gòu)開裂、發(fā)生滲漏或影響市政設(shè)施的正常使用。

對(duì)沉井周邊土體進(jìn)行支護(hù)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(hù)，注漿法、旋噴法、水泥攪拌樁為加固型支護(hù)。它們有各自的適用條件，選用時(shí)要根據(jù)工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件，結(jié)合工程性質(zhì)、規(guī)模等進(jìn)行方案比較，選擇既可擋土、防滲，又能滿足周邊環(huán)境效應(yīng)要求的支護(hù)結(jié)構(gòu)。

注漿法、排樁法，旋噴法、水泥攪拌樁是指向地層灌入漿液，使?jié){液與地層發(fā)生填充、置換、擠密等物理和化學(xué)變化，以減少地層的滲透性，并提高地層的力學(xué)強(qiáng)度和抗變形或抗液化能力，其結(jié)果必然會(huì)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(hù)系統(tǒng)的防滲止水是支護(hù)設(shè)計(jì)需要重視的問題。其處理不妥，會(huì)導(dǎo)致周圍建筑物產(chǎn)生不均勻沉降、開裂、鄰近道路下沉，地下設(shè)施的破壞等現(xiàn)象，給周邊環(huán)境帶來嚴(yán)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(jìn)行噴射加固，效果較好。因其簡(jiǎn)單的設(shè)備及獨(dú)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(duì)軟土進(jìn)行加固，軟土與水泥采用機(jī)械攪拌加固的基本原則，是基于水泥加固土的物理化學(xué)反應(yīng)。水泥漿液充填土層裂隙或孔隙，形成較為密實(shí)的固化體，從而使土層的滲透性減少，強(qiáng)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?xí)r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(hù)穩(wěn)定性的因素有設(shè)計(jì)、施工、環(huán)境條件等諸多因素。就設(shè)計(jì)而言，又有參數(shù)選擇、計(jì)算方法及安全系數(shù)的確定諸多環(huán)節(jié)的影響。為保證支護(hù)的穩(wěn)定有效，確保良好的環(huán)境效應(yīng)，即需要設(shè)計(jì)與施工各方面具有成熟的方法與經(jīng)驗(yàn)，又要密切配合，任一方面原因都會(huì)導(dǎo)致支護(hù)失效，影響周邊環(huán)境。

另外，在整個(gè)施工過程中，對(duì)鄰近的建筑物及路面、地下管道設(shè)施的沉降觀測(cè)非常必要，其觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)于在整個(gè)施工過程中周邊環(huán)境的保護(hù)是非常必要的。同時(shí)，這些數(shù)據(jù)對(duì)以后可能的加固修復(fù)設(shè)計(jì)方案的選擇也是非常重要的。

3 實(shí)例

某泵站位于天津郊區(qū)，排水規(guī)模10 m3/s，下部主體結(jié)構(gòu)外形尺寸長(zhǎng)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(shè)計(jì)地坪標(biāo)高為3.0 m（大沽水準(zhǔn)）。表層有1.5～2.5 m厚的回填土。回填土厚度及含水率不均，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(zhǔn)0.5 m。沉井采用排水下沉（井點(diǎn)或大口井），施工時(shí)需將地下水降至開挖層以下，沉井前應(yīng)先明挖基坑至初沉標(biāo)高-0.824 m，然后先墊0.5 m厚的砂石料再預(yù)制沉井箱體。沉井下沉?xí)r取土順序：先挖框架、地梁底及QB6、QB8，再由中心向四周均衡對(duì)稱地進(jìn)行，最后挖除刃腳下樁體,使沉井下沉均勻、穩(wěn)定。

由于泵站底板標(biāo)高下有8 m左右的淤泥質(zhì)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(fā)生突沉現(xiàn)象，采取了以下措施。

（1）適當(dāng)加大刃腳踏面寬度以增大正面阻力。

（2）增設(shè)了框架底梁，施工階段底梁的地基反力設(shè)計(jì)值取地基土的極限承載力值進(jìn)行計(jì)算。

（3）為防止封底前發(fā)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(zhǎng)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(jí)普通硅酸鹽水泥及膨潤(rùn)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(jù)現(xiàn)場(chǎng)土層及注漿效果適當(dāng)調(diào)整)，帷幕及底部注漿層滲透系數(shù)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(yīng)分別根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)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(yīng)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(dá)到100%的設(shè)計(jì)強(qiáng)度后方可下沉。沉井下沉前應(yīng)結(jié)合工程的地質(zhì)條件，制定具體的挖土計(jì)劃，合理配備施工人員和機(jī)械設(shè)備。

初沉階段沉井箱體大部分在地面以上，側(cè)向土體的約束作用很小，穩(wěn)定性較差，最容易產(chǎn)生偏移和傾斜。這個(gè)階段應(yīng)嚴(yán)格控制挖土程序和深度，需同時(shí)安排多個(gè)作業(yè)面對(duì)稱均勻挖土。下沉階段發(fā)生的傾斜應(yīng)根據(jù)產(chǎn)生傾斜的原因及時(shí)糾偏，確保偏差在允許范圍內(nèi)。常規(guī)的糾偏方法是挖除沉井內(nèi)刃腳高的一側(cè)土方或在沉井高的一側(cè)上進(jìn)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(duì)于刃腳下的障礙物要盡快破碎，并在其對(duì)稱面增加阻力，避免產(chǎn)生傾斜。

由于在刃腳下設(shè)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(wěn)定。攪拌樁在沉井施工中起到了較好的調(diào)節(jié)作用，當(dāng)需要下沉?xí)r，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(dāng)下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)，刃腳下的樁起到支撐作用，滿足承載要求，避免出現(xiàn)地基承載力較低而發(fā)生的突沉現(xiàn)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(gè)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(shí)現(xiàn)的。

3.2.1 刃腳高差控制

排水下沉?xí)r，由于不帶水作業(yè)，故刃腳高差鍋底的形成和移動(dòng)都比較直觀，根據(jù)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(dá)到對(duì)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(gè)重要方面。一般來講，對(duì)沉井下沉速度沒有嚴(yán)格的限制，需根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)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(jìn)行：

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

（2）沉井的下沉速度均勻?yàn)橐恕?/p>

（3）沉井在粉砂土等易引起涌砂的土層中下沉?xí)r，應(yīng)加快下沉速度。

3.2.3 沉井平面位移控制

對(duì)沉井平面位移控制主要是通過控制沉井刃腳高差來實(shí)現(xiàn)，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(guān)系并無定量計(jì)算，但有一些聯(lián)系：

（1）沉井哪個(gè)角下沉得快（即刃腳較低），則沉井就會(huì)向哪個(gè)方向移位。

（2）沉井刃腳高差大時(shí)，沉井位移量大。

（3）沉井始終在同一個(gè)方向的刃腳高差下下沉?xí)r，沉井位移量較大。

4 結(jié)語

由于施工中采取了相應(yīng)的技術(shù)措施和施工方法，確保沉井的下沉穩(wěn)定。工程質(zhì)量的各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)和規(guī)定的要求。隨著工程建設(shè)的需要和施工技術(shù)的發(fā)展，沉井將在基礎(chǔ)工程中發(fā)揮越來越重要的作用。

[1]GB50141-2008，給水排水構(gòu)筑物工程施工及驗(yàn)收規(guī)范[S].

[2]JGJ94-2008，建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].

[3]給水排水構(gòu)工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社.