超深、大長細比沉井關鍵技術研究

王崢

（上海宏波工程咨詢管理有限公司，上海市 201707）

超深、大長細比沉井關鍵技術研究

王崢

（上海宏波工程咨詢管理有限公司，上海市 201707）

以白龍港南線輸送干線SST1.2標過江管為例，主要闡述超深、大長細比沉井施工中的關鍵技術和控制措施，著重闡述了沉井分層、減阻措施、下沉工藝以及沉降控制等。

超深沉井；分層；減阻；沉降控制

0 引言

隨著城市化的發展，一線城市的地上空間、地下淺層空間開發日趨飽和，市政基礎設施如污水干線、地鐵等新（改）建公共管線勢必向尚未開發的城市深層土中開發，此類深埋管線的施工階段需臨時實施的工作井（轉折井）深度也隨之不斷加深，在上海等軟土地基環境下開挖超過30 m的基坑通常采用地下連續墻等圍護結構形式，但由于地下連續墻施工工藝所使用的大型機械設備多，以及鋼筋籠的制作和吊裝，需要大面積的施工場解決了超深、大長細比沉井制作、下沉、減阻、減少周圍沉降等施工難題和質量通病。

1 工程概況

上海市城市環境項目APL三期城市污水管理子項目（上海市污水治理白龍港區域南線輸送干管完善工程）浦西過江管及連接管主要工程，管道自華涇路提升泵站穿越黃浦江，沿林浦路，S20公路至濟陽路交匯井（見圖1），總長3 705 m，其中過江管Φ2700，L=1 105 m；浦江連接管Φ2700，L=2 575 m，均采用“F”型鋼承插口式鋼筋混凝土管，楔形橡膠圈接口，管道平均埋深6.00～10.20 m。包括頂管工作井3座，頂管接收井4座。

1.1 W2#井沉井概況

W2#井為過江頂管的工作井，采用沉井工藝實施，內徑為Φ11 m，沉井總高度30.61 m，井壁厚度為1.3 m，長細比達到2.25∶1。沉井井壁、底板混凝土強度等級為C35，抗滲等級為P10，混凝土墊層強度等級為C25水下混凝土。

圖1 工程地理位置圖（單位：m）

1.2 工程地質

W2工作井位于S20南側400 m，林浦路東側35 m綠化帶內，地面標高為+4.97 m。在井位西南方向距離井邊12.70 m處有磚砌一層民房，為磚砌結構無基礎；距井位南側14.83 m處有一高壓電線桿；井位西側36.37 m處有一電力管線100×100（4孔直埋有蓋板）埋深0.8 m；通過勘查資料及實地排查，施工現場無其它地下管線。

沉井施工時主要涉及的土層為：①1雜填土、②1褐黃色粉質粘土、②2灰黃色粉質粘土、③1灰色淤泥質粉質粘土、③t灰色粘質粉土、④1灰色淤泥質粘土、⑤1灰色粘土、⑤2-1灰色砂質粉土夾粉質粘土、⑤2t灰色粉質粘土夾粘質粉土、⑤2-2灰色粉砂、⑤3-1灰色粉質粘土、⑦1草黃～灰黃色砂質粉土。沉井封底時，刃腳處于⑦1草黃～灰黃色砂質粉土。

2 沉井分節制作、分次下沉分析

2.1 設定分節數量、下沉次數

沉井為現澆鋼筋混凝土結構物，分層制作和分段下沉劃分方案是沉井施工中首先需確定的，對超深沉井的順利實施起到關鍵作用，確定劃分方案的因數主要包括：結構尺寸、地質條件、工期影響、成本因數、安全因數、環境因數等。制定方案過程中需權衡以上因數，綜合、系統的進行分析，初步設定分層數量和下沉次數后，通過理論計算加以驗證，如理論計算不滿足要求，重新進行劃分，直至滿足理論計算。

如本工程沉井高度為30.61 m，屬上海軟土地基，目標工期為4個月，通過反復論證和計算，最終確定采用五次制作兩次下沉，第一次、第二次、第三次制作共15.00 m，采用排水下沉；第四次、第五次制作共15.60m，沉井下沉至標高-19.64 m采用排水下沉，因⑤3-1層為灰色粉質黏土流塑性強，干沉至⑤3-1層上1.55 m時開始采用不排水下沉直至設計標高，見表1。

表1 沉井分層制作、分次下沉表 m

2.2 理論計算

沉井制作和下沉主要計算沉井下沉、下沉穩定性、接高穩定性等系數。通常情況下，1.05≤下沉系數≤1.25，下沉穩定性系數小于1.0，接高穩定性系數小于1.0。

（1）第一次下沉系數驗算

式中：Kst1為第一次下沉系數；G1k為沉井自重標標準值（kN）；Ffw,k為下沉過程中水的浮托力標準值（kN）；Ffk為沉井外壁總摩擦阻力標準值（kN），Ffk= U×（H-2.5）×f=43.33×（13.5-2.5）×15=7 149.45 kN；F1為沉井內壁、十字底梁總靜摩阻力標準值（kN）。

式中：U1為沉井的內壁周長34.54（m）；H1為刃腳插入土體深度4.0（m）；U2為十字底梁周長40（m）；H2為十字底梁插入土體深度3.0（m）；f為土與井壁的單位面積靜摩阻力（15 kPa）。Kst1=(G1k－ Ffw,k)/（Ffk+F1）=1.89＞1.05；滿足要求。

（2）第一次下沉穩定性進行驗算

式中：F′fk為驗算狀態下井壁總摩阻力標準值（kN），F′fk=U×（H-2.5）×f=43.33×（13.5-2.5）× 15=7 149.45 kN；U為沉井的周長43.33（m）；H為沉井入土深度（m）；Rb為沉井刃腳、隔墻和底梁下地基土的極限承載力之和（kN），Rb=F×R極= 57.99×240=13 917.6 kN；F為刃腳、底梁支撐面積57.99（m2）；R極為踏面位于⑤1層灰色黏土，踏面下土的極限承載力取240 kPa；F1為沉井內壁、十字底梁總靜摩阻力標準值（kN），F1=U1×H1×f+U2× H2×f=3 872.4 kN；Kst,1=（G1k－F′fw,k）/（F′fk+Rb+F1）= 0.84。故符合kst,s＜1.0,滿足要求

（3）沉井接高穩定性措施與計算

在沉井接高施工前必須按地基承載力和沉井接高后的總重量驗算下沉穏定系數，以保證刃腳下地基的穩定性，從而防止沉井出現失穩現象。主要采用以下兩種穩定性措施：

一、沉井第一次下沉結束后，向井內分層回填黃土，使沉井部分刃腳埋置于黃土內，增加刃腳踏面的承載面積的同時提高刃腳下土體極限抗承載力；

二、回填3.0 m黃土完成后，向井內回灌水至標高+3.36 m,提高沉井浮力的同時可提高刃腳下土體極限抗承載力。

接高穩定性系數K=(G自重-F浮)/(Ffk+Rb)

a.第五次接高至30.61 m時，沉井自重G自重=38 219.68 kN；

b.回灌水高度為起沉標高+3.36，F浮=8563.3 kN；

c.第五節接高時，沉井井壁單位靜摩阻力標準值f取15 kPa,所受靜摩阻力為Ffk；Ffk為沉井外壁、內壁、十字底梁總靜摩阻力標準值（kN）。

Ffk=U1×H1×f+U2×H2×f+U3×H3×f=10 659.51 N式中：U1為沉井的外壁周長43.33（m）；H1為沉井入土深度14（m）；U2為沉井的內壁周長34.54（m）；H2為刃腳插入回填黃砂深度3.8（m）；U3為十字底梁周長40（m）；H3為十字底梁插入回填黃砂深度3.0（m）；f為土與井壁的單位面積靜摩阻力（15 kPa）。

d.地基承載力為Rb=F×R極=（54.51+33.6）× 240=21 146.4 kN；

F為刃腳、底梁踏面面積（接高時，沉井回填黃土至隔墻踏面以上1.5 m，刃腳斜面全部埋置黃土中，計算刃腳踏面時取投影面積）；

R極為踏面下土的極限承載力（取240 kPa），踏面處于踏面位于⑤1層灰色黏土。

接高穩定性系數K=(G自重-F浮)/(Ffk+Rb)= 0.93＜1.0

通過以上計算，第五次接高時，地基承載力、井壁靜摩阻力之和大于沉井自重、水的浮托力之差，故接高穩定性滿足要求。下沉系數、穩定性統見表2。

表2 下沉系數、穩定性統計表

3 超深沉井下沉減阻措施

由于本工程沉井高度高，沉井井壁與周圍土體接觸面積大，沉井下沉過程中若周邊摩阻力大，將影響沉井的正常下沉，為減少沉井下沉井壁摩阻力，本沉井下沉過程采用泥漿套結合氣幕法的減摩措施，

3.1 井上灌漿

沉井下沉過程中，在施工場地布置膨潤土攪拌箱，當刃腳完全沉入土體中后，開始將攪拌后的膨潤土漿液自流填充至沉井周圍，直至沉井下沉結束。目的是在沉井井壁接觸土體前，形成泥漿套，確保泥漿套形成的效果。

3.2 井下壓漿、氣幕措施

沉井深入土層后，受土壓力影響，沉井周圍土體將緊緊包括沉井，為使泥漿套發揮潤滑作用，且補充泥漿套中的泥漿，在井壁標高-20 m、-13 m、-5 m三個水平面標高位置分別預埋注漿管，水平面間隔2 m設置一根1寸注漿管（內設單向閥），同時在井壁標高-19 m、-12 m、-4 m三個水平面標高位置分別預埋氣幕管，氣孔水平間隙30 cm，孔徑4 mm。當每層注漿管下沉至起沉標高以下時，該層注漿管開始向井壁四周壓注膨潤土漿液。視沉井下沉效果，若下沉較慢、沉井偏斜較大時，啟用氣幕措施，利用高壓氣體對井壁進行沖刷，同時對緊貼井壁周圍的土體進行剪切破壞，降低黏結力，見圖2。

圖2 沉井注漿管、氣幕管預埋布置圖（單位：m）

主要作用：

（1）減少摩阻力的同時減少沉井下沉的帶土現象防止周圍土體坍塌，保護周邊建筑物；

（2）使沉井井壁四周摩阻力均勻，易于糾偏，有利于沉井穩定下沉，并且有效防止突沉情況發生。

4 超深沉井不排水下沉工藝

沉井接高后，第二次下沉至標高-19.64 mm前采用排水下沉，因⑤3-1層為灰色粉質黏土流塑性強，排水下沉至⑤3-1層上2.65 m時開始采用不排水下沉直至設計標高。采用不排水下沉應保持井內水位，下沉施工過程中必須嚴格控制井身垂直度、傾斜度、標高等各項指標，確保其偏差在允許規范范圍內。

傳統的沉井不排水下沉，需大量潛水員進行水下作業，不僅工期長，人員安全也帶來很大隱患。本工程中，采用水下機械沖土和吸土系統，在下沉過程中不發生潛水員作業，也實現了24 h全天侯下沉作業的目的，大大提高下沉數度。具體工藝為：使用高壓水泵將高壓水流通過進水管分別送進沉井內的高壓水槍和水力吸泥機，利用高壓水槍射出的高壓水流沖刷土層，使其形成一定稠度的泥漿匯流至積泥坑，然后用水力吸泥機將泥漿吸出。由于沉井總高度為30.61 m，對泥漿泵的揚程要求高，現場選用泥漿泵的功率為55 kW，揚程45 m。

沖粘性土時，宜使噴嘴接近90°角沖刷立面，將立面底部沖成缺口使之坍落。挖土順序先中央后四周，并沿刃腳流出土堤，最后對稱分層沖挖，不得沖空刃腳踏面下的土層。施工時，應使用高壓水槍沖入井底的水量和外部摻入的水量與水力吸泥機吸出的泥漿量保持平衡。

水力機械沖泥的主要設備包括吸泥器（水力吸泥機或空氣吸泥機）、吸泥管、揚泥管和高壓水管、離心式高壓清水泵、空氣壓縮機（采用空氣吸泥時用）等。吸泥器內部高壓水嘴處的有效水壓與揚泥所需要的水壓的比值平均約為7.5，見圖3。

圖3 水力吸泥機在水中沖吸土工藝示意圖

在吸泥的時候，應使各種土成為適宜稠度的泥漿的比重：砂類土為1.08～1.18；粘性土為1.09～1.20。吸入泥漿所需的高壓水流量，約與泥漿量相等，吸入的泥漿和高壓水混合以后的稀釋泥漿，在管路內的適當流速應不超過2～3 m/s。噴嘴處的高壓水流速一般約為30～40 m/s。

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實際應用的吸泥機，其射水管截面與高壓水噴嘴截面的比值約為4～10，而吸泥管截面與噴嘴截面的比值約為15～20。可吸出含泥量約為5～10%，提升高度為35～40 m，噴射速度3～4 m/s。吸泥器配備數量按沉井大小及土質而定，一般為2～6套。75型、78型水力機械吸泥機特性見表3。

水力吸泥機沖土，適于在粉質粘土，輕質粘土，粉質砂土中使用，使用不受水深限制，但其出土率則隨水壓，水量的增加而提高，必要時應向沉井內注水，以加高井內水位。在淤泥或浮土中使用水力機械吸泥時，應保持井內水位高出井外水位1～2 m。

具體措施如下：

（1）合理安排吸泥設備，保證大鍋底的形成；

（2）空氣吸泥機排水量大，為保證井內水位平衡，用低壓水泵向井內補水;

（3）井內水位高于井外地下水位；

（4）吸泥管口離開泥面高度控制在15～20 cm，水槍壓力大于2.0 MPa；在吸泥時，要進行移動位置，以提高泥漿濃度；

（6）沖漿：沉井施工人員服從指揮臺的統一指揮，注意分層對稱沖漿，不能單邊沖漿，每層厚度不得超過0.5 m，沖漿應由中心向外圍沖，掌握沉井的重心，不能將沉井的刃腳抽空，刃腳邊始終要保持不少于0.5 m寬的泥漿，在離設計下沉底標高1.5 m以上時應將井底沖成鍋底式，在1.5 m以下時，將井底沖平，一層沖漿厚度不得大于0.2 m。沉井下沉過程中，當沉井的傾斜未達到允許值的1/4時，應及時采取糾偏措施。

5 控制沉井下沉周圍土體沉降措施

為減少沉井下沉對周圍環境特別是附近民房建筑物的影響，并確保沉井安全質量控制得到保障，在W2#井沉井施工前，圍繞井壁外3 m布置雙排三軸攪拌樁，深度為31 m，見圖4、圖5。

圖4 隔離樁平面布置圖

表3 75型、78型水力機械吸泥機特性表

圖5 隔離樁平面剖面圖

主要作用：

（1）隔斷⑤3-1層以上土體地下水、微承壓水（⑤2-1、⑤2-2），有效防止沉井下沉過程地下水滲入沉井基底，防止發生流砂、管涌、隆起等不良現象，引起周圍土體沉降；

（2）圓形封閉的圍護結構形式，對沉井周圍土體起到支護作用，降低沉井下沉的帶土影響，防止周邊土體坍塌，保護沉井周邊地面建筑物。

沉井下沉完成后，經地表沉降觀測點監控，周圍土體沉降剖面見圖6。

圖6 周圍土體沉降剖面圖

根據以往工程實例，沉井下沉對周邊沉降影響的范圍為沉井下沉深度為半徑的圓周面，而采用攪拌樁作為隔離的措施可大大減低沉井下沉對周圍的沉降影響，如沉降觀測圖所反映的沉降范圍是以往沉井影響范圍的50%。

6 結 論

通過本工程中對超深、大長細比沉井關鍵技術的研究和實施，使本沉井在4個月的時間內順利完成沉井的制作、下沉和封底作業，沉井的各項質量指標達到設計和規范要求，且對周圍的房屋建筑、高壓電線桿等周圍的建（構）筑物未產生明顯的沉降影響。本沉井的成功實施，給今后上海軟土地基條件下超深（下沉深度超過30 m）沉井施工提供良好的經驗積累，提高了沉井的適用性，為超深基坑在城市狹小的施工環境中采用沉井作為圍護結構的可行性提供依據。

TU992.05

B

1009-7716（2017）08-0175-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.08.054

2017-05-10

王崢（1970-），男，江蘇江陰人，工程師，從事工程監理工作。