壓入式下沉技術在沉井施工中的應用

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1 沉井下沉的主要方法[1-4]

沉井下沉是沉井這種地下結構最終實現其功能的重要環節，現在沉井下沉按照所采取措施的不同有許多種方法。概括起來有如下幾種：按照是否排水分為排水下沉法和不排水下沉法；按取土方式的不同可分為人工挖土法、機械挖土法；按助沉方式的不同可分為水沖法、泥漿潤滑套法、空氣帷幕法。

可以看出從沉井下沉施工經過數十年的發展，方法措施已經較為豐富，已經能夠適應高含水量或滲透系數較高地質條件下的施工，某些工程還可以通過在沉井外設置擋水圍護結構來降低沉井下沉對外部環境的影響，從而提高了沉井工藝的應用范圍。通過沉井下沉方法的列舉可以看出，目前下沉環境保護方面考慮最佳施工方案應該是不排水法下沉方式+機械挖土（或空氣吸泥）取土方式+配重助沉方式。這種組合兼職環境影響以及施工效率，但仍然難以滿足一些特殊工程的應用。許多工程，尤其是超深沉井即便采取多種助沉措施聯合使用，仍無法達到理想效果。

2 工程實例

江蘇丹陽市長江邊某工程有2 座圓形沉井需要下沉，沉井Φ16 m，下沉深度45 m，兩沉井最小間距9.5 m，主要穿越土層為黏土及粉砂層。為了保護江堤以及邊側的泵房井，沉井下沉采取了數項措施聯合使用：不排水下沉+隔離圍護樁+水力機械出土，并采用了泥漿套潤滑、空氣帷幕助沉工藝。最終該沉井下沉在數萬立方回填土、下沉累計耗時70 d完成了施工任務，成本大大超過了預算。

3 工程特點

（a）由于兩沉井間距非常小，若采取分別下沉的方式會大大延長工期，而采取同時下沉應將兩者隔離，但傳統圍護樁工藝無法滿足本案例的下沉深度；

（b）由于沉井總質量達5 800 t，在如此小的面積上所能配置的配重相比較沉井自重非常的輕微，因此配重助沉措施局限性很大；

（c）在下沉最后10 m階段，沉井下沉采取了沖水破壞砂土層以及泥漿降低黏土層摩阻力以及空氣幕助沉等助沉措施，但由于沉井刃腳聚集的壓力較大，都未能起到很好的效果。

（d）由于下沉深度深，土質變化較大，透水性高的工況條件，采用了不排水下沉的下沉工藝。這是在超深下沉深度條件下減少外部涌入井內的唯一方法，但缺點是受浮力作用，大幅降低了沉井的下沉系數，造成沉井在下沉30 m后下沉系數不足，從而加強了對助沉措施的依賴，而助沉措施也不能解決的這種局面下不得不采取超挖鍋底的措施，但隨之而來的是外部土體的沉降，為了減少環境影響，采取不斷的回填土到沉井周圍。

從以上幾點分析可以看出，目前的沉井下沉施工工藝在超深以及減少擾動方面存在著較大的缺陷，產生的原因就在于下沉系數的不足。若不排水下沉，并在井內保留一定的土塞厚度，沉井下沉仍然具有足夠的下沉系數，則可大大提高施工效率、減少了對外部土體的擾動。

4 解決方法

現有的下沉工藝的下沉驅動力來源于沉井的自重，而一旦沉井迫于環境影響壓力采取不排水下沉工藝往往會造成下沉系數的不足，而下沉系數的不足又會反過來增大沉井下沉對環境的影響。

若需要減少沉井下沉所帶來的環境影響就需要防止外部土體向井內涌入，也就是說采取不排水下沉的施工工藝，在這種前提下若要增大下沉系數則需要降低側壁摩阻力，但從上個案例中可以知道隨著下沉深度的增加，其效力是遞減的，最終導致沉井下沉出現了一個瓶頸。而破除這個瓶頸的方法就是采用壓入式下沉工藝。

5 壓入式下沉施工

對沉井施加一個足夠的下壓力，使沉井具有足夠的下沉系數，該下壓力足以消除土層對其產生的種種不利影響，即能夠主導沉井的下沉，減少對環境的影響。

壓入式下沉主要組成部分為：反力地錨、反力拉桿、承壓牛腿以及穿心千斤頂（圖1）。穿心千斤頂在與沉井相連的承壓牛腿上通過張拉連接錨固在地下的反力拉桿獲得下壓力，主導沉井下沉。反力地錨可使用鉆孔灌注樁等形式。其施工工藝如圖2所示。

圖1 壓入式沉井組成

圖2 壓入式沉井施工工藝

該工藝需要在沉井制作前于沉井下沉通道邊側設置反力地錨，然后可以開始常規的沉井制作。在壓入式下沉階段，若沉井下沉深度較淺，在土質及水文條件允許的情況下可以使用排水下沉的方式，但必須保留足夠的土塞高度，通過足夠的安全土塞高度可以阻止外部土體在下沉過程中進入沉井內。

需要注意的是壓沉的下壓力大小取決于沉井的結構、沉井大小以及外部土層情況，下沉深度越深，則反力地錨需要設置的越多（圖3）。

圖3 沉井反力地錨設置

壓入的過程是通過穿心千斤頂反復張拉實現的。在壓沉過程中，沉井下部的土體會被擠壓入沉井隔倉內，而一旦穿心千斤頂停止，工作沉井就會牢牢地停留在土層中。這時，可以將井內擠入的泥土清出。當沉井內土塞高度下降到一定程度后可繼續實施壓沉，如此反復直至達到終沉標高。

6 結語

在上海市污水治理白龍港南線東段工程SST2.2標段工程中，首次應用了壓入式下沉施工工藝，在國內尚屬首次，起到了非常好的效果。在適當取土的同時，將沉井壓入土體。

其主要有如下優點：

（a）控制沉井姿態容易且精度很高，終沉高差小于3‰；

（b）下沉速度快，通過壓沉裝置，增加沉井的下沉系數，可大幅提高沉井下沉速度，在實際應用中達到了最快3 m/d的速度；

（c）對外部土體擾動小，案例中距離沉井7 m處的重要管線沉降僅為4 mm。

采用上述壓入式下沉工藝應用于超大沉井工程，不僅完成了下沉施工任務，而且極大的提高了施工效率及質量，為以后超深、復雜地質并且環境保護要求較高的沉井工程積累了寶貴經驗。