沉井下沉糾偏技術(shù)

嚴國仙，韓舉宇

（上海市政建設(shè)有限公司,上海市 200002）

管理施工

沉井下沉糾偏技術(shù)

嚴國仙，韓舉宇

（上海市政建設(shè)有限公司,上海市 200002）

結(jié)合實際工程，針對沉井初沉階段和終沉階段均發(fā)生較大傾斜的情況，通過力學(xué)計算分析兩種糾偏施工工藝。分別采用卷揚機橫拉并結(jié)合井外除土、千斤頂頂推并結(jié)合井內(nèi)除土的糾偏施工工藝進行糾偏，取得了良好的糾偏施工效果，確保了沉井的順利下沉，為今后類似沉井的施工提供了借鑒。

沉井；橫拉；頂推；糾偏

0 引言

軟土地區(qū)沉井作為頂管施工的工作井有著廣泛的使用，沉井下沉的施工質(zhì)量往往影響著后續(xù)頂管的施工質(zhì)量。沉井下沉施工過程中不可避免地會發(fā)生偏斜，因此糾偏施工至關(guān)重要。沉井的糾偏施工方法主要有井內(nèi)偏挖除土糾偏、井頂堆載糾偏、井外堆載糾偏、井壁高壓射水糾偏、鋼絲橫拉糾偏、頂推糾偏等。實際工程中采用堆載、井內(nèi)除土的糾偏案例較多，采用鋼絲橫拉和頂推糾偏的案例較少，缺乏相關(guān)經(jīng)驗。本文通過對背景工程所分別采用的鋼絲橫拉和頂推糾偏方法進行計算分析，總結(jié)出了一些施工規(guī)律，可為同類工程提供借鑒。

1 工程概況

黃浦江連通管工程JD07#沉井，位于黃浦江南岸魚塘，經(jīng)過表土處理、換填砂墊層、澆筑素混凝土墊層后，在其上制作沉井結(jié)構(gòu)。JD07#沉井外徑10.6 m，內(nèi)徑9.0 m，凈高13.7 m，接高段1.8 m，高寬比約為1.46,采用抓斗抓土下沉。主要穿越土層：③1灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、③1t灰色黏質(zhì)粉土、③1灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、④灰色淤泥質(zhì)黏土。

2 下沉施工所遇問題

JD07#沉井在初沉階段向正東方向偏斜約11°，最大偏差達2 023㎜，終沉階段向東北偏斜約4°，最大偏差達739㎜，遠遠大于規(guī)范所允許的偏差量1D%且不超過30 cm，因此必須進行糾偏。

3 初沉階段糾偏

3.1 糾偏方案比選

初沉階段，優(yōu)先考慮在井內(nèi)采取糾偏措施，其次考慮井外糾偏措施。

（1）采用井內(nèi)偏挖除土糾偏的可能性分析

沉井刃腳高差最大約2 023㎜，且整體尺寸較小，高寬比較大，剛度小。由于傾斜的影響，抓斗抓土區(qū)域?qū)p小，將影響偏挖施工。若繼續(xù)在井內(nèi)抓土，則鍋底更易在低側(cè)形成，低側(cè)更容易下沉，故此方法不適用。

（2）井外糾偏措施可能性分析

井外偏填偏挖：采用堆載或者井外挖土的糾偏方法，因沉井剛開始下沉，入土深度較淺，且偏斜較大，此方法不適用。

井頂堆載：沉井直徑較小，高度較高，缺乏堆載面，產(chǎn)生的糾偏力矩較小，此方法不適用。

井外射水：沉井下沉深度不夠，摩阻力本身就很小，此方法不適用。

鋼絲橫拉：合理布置卷揚機并配合滑車組可提供較大水平拉力，且存在作業(yè)空間，此方法適用。

綜合考慮，JD07#沉井選用在井外偏高一側(cè)采用卷揚機配合滑車組，用鋼絲繩橫拉的方法進行糾偏。

3.2 卷揚機配置計算

3.2.1 力學(xué)簡化

受力示意如圖1所示。將沉井圓周單位長度重力G分解為垂直井壁的F1、平行井壁的F2。G=263.5 kN，F(xiàn)1=50.28 kN，F(xiàn)2=258.66 kN。其中F1、刃腳下的地基反力Rd、被動土壓力Ep將產(chǎn)生抵抗力矩；F2、卷揚機拉力Fq將產(chǎn)生糾偏力矩；忽略右側(cè)主動土壓力的作用。

圖1 糾偏受力示意

3.2.2 抵抗力矩Ma

（1）由F1所產(chǎn)生抵抗彎矩M1

式中：r為井壁截面重心到其中軸線的距離，4.944 m；d為距離，取6.347 m。

（2）由地基極限承載力反力Rd所產(chǎn)生的抵抗彎矩Md

式中：Rd為單位長度刃腳踏面及斜面下土的極限承載力，kN/m。

式中：f為地基極限承載力強度，kPa，取為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土地基設(shè)計強度55 kPa的4倍[1]，即220 kPa；b為刃腳踏面寬度，0.6 m；n為刃腳斜面的水平投影寬度，0.6 m；r為反力Rd中心中軸線的距離,5 m。

（3）由被動土壓力所產(chǎn)生的抵抗彎矩Mp

每延米所產(chǎn)生的土壓力Ep：

式中：γ為土體重度，17.7 kN/m3；c為表示內(nèi)摩擦角13 kPa；KP為被動土壓力系數(shù)，1.86，為摩擦角，17.5°。

由Ep可計算出Mp：

式中：D為外徑，10.6 m；d為Ep到刃腳底部距離，1.0 m。

因此總的糾偏抵抗力矩：

3.2.3 重力糾偏力矩M2

F2為重力G平行于井壁的分力，將對A點產(chǎn)生糾偏力矩M2。

式中：r為F2到中軸線的距離,4.944 m。

3.2.4 卷揚機所提供力矩

現(xiàn)場采用3臺額定功率為11 kW，額定拉力為50 kN的卷揚機。滑車組采用鋼絲繩走8門葫蘆，可將拉力提高8倍，因此每臺卷揚機所提供的拉力Fq=50×8=400 kN。卷揚機拉力Fq所產(chǎn)生糾偏力矩為Mq。布置情況如圖2、圖3所示。

圖2 卷揚機平面布置示意

圖3 卷揚機立面布置示意

每臺卷揚機所提供的糾偏力矩計算公式為：

式中：β表示拉力Fq與傾斜軸線方向的水平夾角，分別取0°、20°；d為距離，取11.07 m。

綜上，總的糾偏力矩Mb:

糾偏力矩Mb至少應(yīng)大于糾偏抵抗力矩Ma，沉井才有可能被糾偏過來，這里考慮富余系數(shù)1.1。

因此采用3臺額定功率11 kW,額定拉力50 kN的卷揚機是可行的。

3.3 糾偏實施

待卷揚機、滑車組、鋼纜安裝調(diào)試完畢后，一方面慢慢啟動卷揚機并逐級增大至達到最大功率，施加拉力予以糾偏；另一方面，利用挖掘機配合挖除偏高一側(cè)井壁外土體，降低被動土壓力。糾偏效果良好，最終偏差滿足規(guī)范要求。

4 終沉階段糾偏

4.1 糾偏方案比選

（1）采用在井內(nèi)偏挖除土糾偏的可能性分析

利用抓斗可在偏高一側(cè)實現(xiàn)偏挖，但此時沉井已下沉約12.95 m，距終沉設(shè)計標(biāo)高僅2.25 m。雖可偏挖，但勢必深挖鍋底，造成超沉，故此方案效果有限，且不利終沉穩(wěn)定。

（2）井外糾偏措施可能性分析

井外偏填偏挖：沉井已下沉12.95 m，挖土深度大，此方法不適用。

井頂堆載：沉井直徑小，堆載面較小，所產(chǎn)生的糾偏力矩亦較小，效果不明顯。

井壁外高壓射水+井內(nèi)偏挖除土：井外高壓射水可減小井壁與土層的摩阻力，也將減小被動土壓力，配合井內(nèi)挖除刃腳下土體，但井直徑較小，效果亦不明顯。

千斤頂頂推：千斤頂可提供較大的水平推力，井直徑較小，在終沉階段此方案適用；同時配合井內(nèi)偏除土，糾偏效果較好，并有利于終沉的穩(wěn)定。

綜合考量，JD07#沉井終沉階段采用千斤頂橫向頂推并輔以井內(nèi)偏除土的糾偏方案。

4.2 施工布置

在偏低的一側(cè)，沿著傾斜方向兩側(cè)對稱布置2臺100 t千斤頂，千斤頂后設(shè)置厚度為100 mm鋼板作為后靠，后靠鋼板通過打入地下的4根20#6 000 mm的槽鋼鋼板樁（可因地取材）進行固定。布置情況如圖4、圖5所示。

圖4 頂推系統(tǒng)平面示意

圖5 頂推系統(tǒng)剖面示意

現(xiàn)場安裝時，應(yīng)注意對稱布置千斤頂，后靠鋼板應(yīng)與千斤頂保持垂直，打入的槽鋼鋼板樁應(yīng)沿著后靠鋼板中心線對稱均勻布置，其與后側(cè)土體共同為后靠鋼板提供穩(wěn)定支撐。

4.3 力學(xué)估算

受力分析如圖6所示。F1、刃腳下的地基反力Rd、被動土壓力Ep將產(chǎn)生抵抗力矩；F2、千斤頂推力Ft、主動土壓力Ea將產(chǎn)生糾偏力矩。

圖6 糾偏受力示意

4.3.1 抵抗力矩Ma

（1）由F1所產(chǎn)生抵抗彎矩M1

式中：r取4.944 m，表示井壁截面重心到其中軸線的距離；d取6.347 m表示井壁截面重心到刃腳A點的距離。

（2）由地基極限承載力反力Rd所產(chǎn)生的抵抗彎矩Md

式中：Rd為單位長度刃腳踏面及斜面下土的極限承載力，kN/m。式中：f為地基極限承載力強度kPa，取為淤泥質(zhì)黏土地基設(shè)計強度60 kPa的4倍[1]，即240 kPa；b為刃腳踏面寬度，0.6 m；n為刃腳斜面的水平投影寬度，0.6 m。r為反力Rd中心中軸線的距離,5 m。

（3）由被動土壓力Ep所產(chǎn)生的抵抗彎矩Mp

沉井高起一側(cè)所受被動土壓力Ep將很難達到[3]，近似認為Ep≈E0，其中E0代表靜止土壓力。首先計算沿井周每延米所產(chǎn)生的土壓力E'0：

式中：γ為土體重度，17.2 kN/m3；h為土體高度，12.95 m；K0為靜止土壓力系數(shù)，本標(biāo)段巖土工程勘察報告建議值為0.65；R為沉井外徑，5.3 m。

沉井高起一側(cè)土體徑向土壓力采用正弦函數(shù)分布模式，如圖7所示，即Ex=E'0sinθ[4]。

圖7 高起一側(cè)土壓力分布

其中Ex表示土壓力正弦函數(shù)分布區(qū)域內(nèi)沿井周任意位置處的土壓力值，所以可得土壓力合力為：

所以，由沉井高起一側(cè)土體土壓力所產(chǎn)生的抵抗彎矩M0為：

因此總的糾偏抵抗力矩：

4.3.2 糾偏力矩Mb

（1）F2所產(chǎn)生糾偏力矩

式中：r為F2到中軸線的距離,4.944 m。

（2）千斤頂所提供的糾偏力矩Mt

式中：d為表示距離,14.5 m。

（3）由沉井低陷一側(cè)土體主動土壓力所產(chǎn)生的糾偏彎矩Ma

E'a表示沿井周每延長米主動土壓力,有：

式中：γ為土體重度，17.2 kN/m3；c為表示內(nèi)摩擦角，11 kPa；Ka為主動土壓力系數(shù)，Ka=tan（45°-12.95 m。

沉井低陷一側(cè)土體徑向土壓力采用正弦函數(shù)分布模式，如圖8所示，Ex=E'asinθ，其中Ex表示土壓力正弦函數(shù)分布區(qū)域內(nèi)沿井周任意位置處的土壓力值。

圖8 偏低一側(cè)土壓力分布

可得低陷一側(cè)土體土壓力合力為：

設(shè)z0為主動土壓力的臨界深度，則有:

所以，由沉井低陷一側(cè)主動土壓力所產(chǎn)生的抵抗彎矩Ma為：

綜上，總的糾偏力矩Mb：

糾偏力矩Mb至少應(yīng)大于糾偏抵抗力矩Ma，沉井才有可能被糾偏過來。

背景工程的沉井較小，因此采用2臺100 t千斤頂進行糾偏能滿足要求。

4.4 糾偏實施

為了使千斤頂所提供的推力發(fā)揮最大作用，同時也為減小鋼板樁對土體的壓力，實際糾偏施工過程中：首先利用挖掘機挖除偏高一側(cè)井壁外圍的部分土體，以削弱被動土壓力；其次在井內(nèi)挖除偏高一側(cè)刃腳下方的土體，以削弱地基反力，降低抵抗彎矩。

糾偏施工順序：挖除偏高一側(cè)井壁外圍的部分土體→井內(nèi)抓斗配合挖除偏除土→千斤頂頂推→井內(nèi)抓斗配合偏除土→千斤頂頂推。反復(fù)多次，直至偏差符合規(guī)范要求。實際施工中，經(jīng)過多次開挖與頂推，JD07#最終偏差滿足規(guī)范要求，糾偏效果較好。

5 結(jié)語

結(jié)合背景工程的沉井糾偏實施，針對初沉階段和終沉階段分別采用卷揚機橫拉、千斤頂頂推并結(jié)合井內(nèi)、井外偏除土的糾偏施工工藝，取得了較好的糾偏施工效果，確保了沉井的下沉安全和穩(wěn)定，可為今后類似工程提供借鑒。

[1]DG/TJ08-2084-2011,沉井與氣壓沉箱施工技術(shù)規(guī)程[S].

[2]JGJ120-2012,基坑工程技術(shù)規(guī)范[S].

[3]劉國彬，王衛(wèi)東.基坑工程手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2009.

[4]陸鳳池，葉海桃.頂管工程中沉井水平承載力研究[J].建 筑 結(jié)構(gòu)，2012，11（4）：523-526.

TU990.3

B

1009-7716（2017）09-0113-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.09.033

2017-06-13

嚴國仙（1967-），女，上海人，教授級高級工程師，長期從事地下工程、頂管盾構(gòu)等非開挖工程及沉井工程的施工技術(shù)工作。