特大設備基礎的沉井施工技術

裴付博 肖宇峰 劉松霞 馬桂蘭 崔曉崗

五冶集團上海有限公司 上海 201900

1 工程概況

1.1 項目概況

某公司特大高精度鋁及鋁合金加工材項目2#線精整車間主廠房3～7區及其偏跨附屬工程的縱剪機設備基礎屬于特大高精度設備基礎，位于4區4-A列/4-10線～4-14線之間，設備基礎最長為72.85 m，最寬處為31.66 m，基礎（沉井）外框尺寸為6.8 m×6.5 m，壁厚0.9 m，基礎底板最深處底標高為－21.00 m，沉井刃腳標高為－23.00 m，底板厚度1.0 m（圖1～圖3）。

圖1 縱剪機平面位置

1.2 工程地質條件

1.2.1 場地概況

圖2 縱剪機基礎整體三維示意

圖3 縱剪機基礎沉井位置剖視

場地整體地勢較平坦，大部分區域原為耕地、局部為養魚池（已被填平），局部仍分布有排水溝、水塘；標高一般在大沽標高3.70 m左右，場地東側地勢較高，在4.50 m左右。本工程場地土為中軟土，場地類別為Ⅲ類。

1.2.2 場地土層分布

地基土層主要分布為9個層次，依次為：人工填土層（①2）、黏土（④1）、黏土（⑤1）、粉質黏土（⑥1）及粉土（⑥3）、粉質黏土（⑦）、粉質黏土（⑧1）中夾粉土（⑧2）、粉質黏土（⑨1）及粉砂（⑨2）、粉質黏土（ 3、 4）及粉砂（ 2）、粉質黏土（ 1）及粉砂（ 2）。

1.2.3 不良地質影響

本工程地質勘察報告顯示，黏土（⑤1）、粉質黏土（⑥1）及粉土（⑥3），造成水平方向上土質欠均勻，砂黏性變化較大，粉土透水性較好，開挖時易產生流砂、管涌等不良地質現象。粉質黏土（⑧1）中夾粉土（⑧2）、粉質黏土（ 3、 4）及粉砂（ 2），使得水平方向上土質不均勻，砂黏性有變化，土的力學性質有所差異，對預制樁沉樁、樁端持力層及樁端標高的選擇均有所影響，對橫跨兩區的擬建物樁基承載力及沉降有一定影響（容易造成不均勻沉降）。

本工程沉井埋設深度達－21.00 m，土層變化大，土質欠均勻，沉井四周存在工程樁，受地質條件等多方面因素影響，本工程沉井施工有相當大的難度。

1.3 工程水文條件

1.3.1 地下水

本工程地下水水位較高，場地范圍內無鹽漬土、污染土分布，勘察期間測得場地地下潛水初見水位埋深1.10～2.80 m，靜止水位埋深0.30～1.80 m，在干濕交替或無干濕交替作用時，地下水對混凝土結構有弱腐蝕性。

1.3.2 抗浮

本場地抗浮設計水位按大沽標高4.00 m考慮。

2 沉井排水下沉方案選擇

1）本工程沉井施工處于縱剪機設備基礎中間位置，周邊基礎底標高各不相同，沉井設備基礎頂標高－9.10 m，周邊基礎底標高－8.20 m、－4.50 m、－5.00 m不等，沉井施工位置受限，且沉井基礎周邊存在工程樁，增加了沉井施工難度，沉井施工過程中必須確保位置準確（設備基礎精度要求高）。

2）結合設計要求及周邊影響因素，通過編制專項方案并經專家論證同意，確定沉井采取“兩次制作、兩次下沉”的方式施工，并采取觸變泥漿潤滑的措施助沉。

3）2#線精整車間縱剪機設備基礎3-B列柱基礎開挖底標高為－8.60 m，高架庫基礎開挖底標高為－9.60 m，4-A列柱基礎開挖底標高為－9.10 m，施工至－9.10 m標高后，開始施工－21.00 m基礎部分（即沉井設備基礎）。

3）在沉井四周設雙排高壓旋噴樁止水帷幕，旋噴樁φ800 mm@550 mm，樁頂標高－10.80 m，樁長31 m，共178根，樁底進入 3不透水層阻隔地下水及承壓水，確保沉井施工的安全性。

3 方案實施過程中的問題及原因分析

3.1 實施過程中的問題

根據地勘報告，承壓水水層頂面標高－27.00 m左右，砂層厚度近13 m，現井內水位－10.50 m左右（圖4）；井外降水井最深達到－26.00 m，受砂層厚度大的影響，降水井管無法繼續安放，且已施工的止水帷幕可能由于砂層較厚，未起到良好的止水效果，導致井內承壓水出水量大，排水下沉施工至－20.00 m（沉井刃腳標高為－23.00 m）時已無法實施。

3.2 原因分析

1）土質及水位。本工程地質復雜，土體含水率較高，且地下水位埋深較淺，對沉井施工影響很大，沉井施工過程中出現突沉、超沉的概率較大，且地下水層存在承壓水，地層分布中的局部地區有砂層。

2）止水帷幕施工質量差。旋噴樁采用1臺雙軸管高壓旋噴樁機，由于旋噴樁施工區域深度范圍內的土層存在有粉土層（透水性高），且土層變化大，高壓旋噴樁施工未能達到預想效果（圖5），導致粉土層內地下水大量涌入沉井內，井內水位在－10.50 m左右。通過增加抽水能力已無明顯效果，且對周邊的設備基礎及廠房柱基將產生嚴重后果（基礎沉降不均現象嚴重）。

圖4 沉井井內水位(-10.50 m)

圖5 旋噴樁平面布置

3）降水效果差。本工程結合地下土質分布及已施工廠房柱基降水，采用深井井點降水；在沉井內設置2口深井井點作為減壓井，利用高壓旋噴樁作止水帷幕，將外側水源隔斷，井內降水井兼作觀察井。由于降水深度大、堵管等原因，且本工程沉井周邊存在大量的縱剪機設備基礎的工程樁，沉井施工降水對周邊工程樁的影響很大，不能通過增加降水井來提高降水能力，故降水效果大打折扣。

4 處理方案

按原施工方案的排水下沉施工方法，施工至－20.00 m已無法實施，沉井剩余3 m施工的處理方案變為不排水下沉法施工，方案重新編制報審通過后實施[1-2]。

處理方案實施內容：待各項施工準備完畢后，向井內注水，井內水位要高于地下水位2 m以上，確保井內壓力大于井外壓力，潛水員潛入水底采用高壓水槍沖擊泥沙，泥土液化后，用浮在水面浮桶上的22 kW泥漿泵通過泵底的吸管將泥沙吸排出沉井外并送入泥漿池。沖吸泥的同時向井內注水，注水量要與排水量基本平衡，不得小于排水量，確保井內外有壓力差。

4.1 不排水下沉施工要點

4.1.1 沉井外側增加降水井

原方案施工的降水井因堵井、深度不夠等原因不能滿足沉井外圍降水的要求，現在在沉井四周增加4口降水井（圖6），降水井井徑800 mm，采用φ500 mm無砂混凝土管，井口標高－5.10 m的2口，－9.10 m的2口，井底標高－27.00 m，降水井的作用一是降低沉井承壓水壓力，二是向井內注水。

4.1.2 制備泥漿池、疏通排水溝

泥漿池共2個（圖7），直接排入泥漿的池子大小為20 m×6 m×3 m（1#泥漿池），與其連通的泥漿池大小為8 m×8 m×3 m（2#泥漿池），泥漿池底及側壁鋪厚0.5 mm塑料布；泥漿池內水通過2#泥漿池與排水溝相連，將水排入廠區河道內。

圖6 降水井側立面3D示意

圖7 泥漿池平面位置

4.1.3 架設泥漿泵、抽水泵

使用1臺22 kW泥漿泵作為水下吸泥的設備，泥漿泵架設在浮筒上并浮于井內水面上，1臺15 kW高壓水泵作為沖水設備，從井內抽水然后通過高壓水泵將水打入井底，液化井底沙土，然后通過22 kW泥漿泵將泥水抽出井外并送入泥漿池內。當井內泥沙抽吸到一定位置后，降低井內水位，使沉井下沉，此時抽水速度必須大于井內水上涌速度，以達到下沉的目的。考慮水泵揚程不足，在－5.10 m基坑平臺上增加2臺22 kW泥漿泵起增程作用，在沉井頂部與－5.10 m平臺間搭設2道排水管平臺。

4.1.4 井內持續注水，噴射、抽吸

沉井噴射、抽吸之前先向井內注水，注水高度大于承壓水頭水面高度2 m，使井內水壓大于承壓水上涌壓力，確保承壓水不上涌，在噴射、抽吸過程中持續向井內注水，保持大于承壓水頭2 m水位，承壓水靜止水位－10.50 m，井內注水需達到－8.50 m。從外部引入水源并將水引入沉井內，達到井內注水、排水平衡，確保下沉連續作業。

當井內注水達到－8.50 m左右時開始噴射、吸泥，噴射、抽吸采取2種方式作業（一種是不需要潛水員下潛，另一種是需要潛水員下潛）。

4.1.5 抽水下沉

吸泥應在井底大致形成鍋底狀，底標高低于刃腳底標高0.5 m時停止抽吸，進行抽水下沉施工。經計算，在承壓水水頭水位基礎上抽水5.5 m，即水位標高降至－16.00 m時，可靠沉井自重下沉。抽水時，將水直接排入泥漿池，經排水溝排入廠區河道內。當沉井下沉至距設計底標高100 mm時，應停止井內吸泥，使其靠自重下沉至設計底標高，再經過2～3 d的下沉穩定，或經觀測在48 h內累積下沉量不大于10 mm時，即可進行沉井水下封底、底板結構施工。

4.2 施工質量注意事項

1）施工重點是沉井最后3 m的不排水下沉及周邊工程樁的保護，控制沉井下沉精度以及不產生沉井突沉是關鍵，下沉過程中必須控制好井內外壓力差以及水下吸泥作業不能過大，確保各刃腳下泥面標高基本一致。

2）本沉井外部四周鄰靠工程樁，在下沉過程中要及時對井周塌方土進行填砂處理，使塌方土層頂面與現有泥面保持等高，防止對樁造成破壞。

3）下沉過程中，做到均勻對稱出土，嚴格控制泥面高差，當平面位置和四角差出現偏差時需及時糾正，糾偏時不可大起大落，避免沉井偏離軸線，同時應注意糾偏幅度不宜過大，頻率不宜過高。

4）沉井在終沉階段以糾偏為主；在沉井刃腳接近設計標高50 cm以內時，確保不再有超出容許范圍的標高和軸線偏差，否則將難以糾正。

5）在沉井下沉過程中，做到每小時至少測量一次下沉高度，必要時連續觀測，及時糾偏，當沉井下沉接近設計標高時增加觀測密度。

5 結語

當沉井施工無法采取排水下沉方式實施時，采用不排水下沉方式進行處理，并經過一系列的補救措施后，沉井順利下沉到設計標高。在土方開挖邊坡四周、坡頂、坡腳、止水帷幕、沉井內以及柱基礎上周邊設置的22個變形監測點的監測結果顯示，各項監測數據均滿足規范要求，沉井下沉處理施工技術得到了有效應用。沉井的順利完成，保證了特大高精度設備基礎的施工高效完成，同時也確保了基坑設備基礎及周邊環境的變形得到有效控制。

1）沉井施工原采取的排水下沉方式無法順利實施的主要原因為：受地質條件差、止水帷幕施工質量未達到要求等因素的影響，本工程沉井施工時采取的雙軸高壓旋噴樁止水帷幕未能起到應有的效果；可調整為三軸攪拌樁的方式[3-4]，也可采取在止水帷幕樁內插型鋼的方式，這種方式雖然適當地增加了基坑支護費用，但保證了止水帷幕施工質量，沉井施工的工期也大大減少。

2）通過總結失敗的教訓（方案調整不及時），我們認為，只有充分估計深基坑沉井的施工難度，進行現場摸排及各類信息匯總，并在實際施工中靈活應變，及時調整實施方案，方能保證質量、安全、工期及成本。