臨江側硬質土層超深沉井壓沉施工技術研究★

徐 英 武

(1.上海市基礎工程集團有限公司,上海 200002； 2.上海城市非開挖建造工程技術研究中心,上海 200002)

0 引言

在我國城市化進程高速發(fā)展的今天，土地資源越發(fā)緊張。沉井以不需要大開挖，占地面積小，既可作結構，又可作圍護結構的優(yōu)勢，近年來被大量運用于地下構筑物施工中。隨著地下工程的日益復雜化，逐漸出現(xiàn)了下沉深度深、穿越堅硬土層、周邊環(huán)境沉降控制要求高的沉井。超深沉井傳統(tǒng)工藝存在水下大深度取硬土困難，下沉系數(shù)不夠，對周邊土體擾動較大等弊端。采用豎向壓入式沉井在堅硬土層中的應用技術，在沉井下沉系數(shù)不足時可利用壓沉設備提供下壓力輔助沉井下沉，同時采用超高壓破碎設備在大深度水下破除硬土，實現(xiàn)沉井順利下沉，同時徐鵬飛等[1]認為壓沉工藝能有效保護周邊環(huán)境。

豎向壓入式沉井在堅硬土層中的應用包含沉井壓沉和水下大深度硬土破除兩項關鍵技術，沉井壓沉是采用井外設置配重承臺，利用牛腿反力架和千斤頂反壓沉井，在保持沉井刃腳土塞時增大下沉系數(shù)，水下大深度硬土破除是利用超高壓水流破碎設備對井內堅硬土層進行切割破碎，便于井內后續(xù)取土下沉。

1 概況

1.1 工程概況

鎮(zhèn)江市大港水廠一期取水工程位于鎮(zhèn)江新區(qū)，位于長江南岸江心汽渡旁，兩座取水沉井均采用鋼筋混凝土圓形沉井，外徑17.6 m，壁厚1.3 m，刃腳頂寬1.5 m，刃腳底部絕對標高為-33.0 m，沉井頂部絕對標高為+8.2 m，總高為41.2 m，底板厚1 m，混凝土強度為C30，鋼筋為HRB400，墊層為C20素混凝土。地面起沉標高+5.5 m，下沉深度38.5 m。

1.2 工程周邊環(huán)境特點

兩座沉井距離較近，相距僅15 m，井位周邊涉及敏感環(huán)境，西側沉井距離長江堤線15 m，東側沉井距離汽渡碼頭道路15 m，沉井下沉深度38.5 m，沉井下沉施工存在一定的影響半徑，其值約為沉井下沉速度的1.5倍[2]，周邊建構筑物均在沉井下沉影響范圍內，需嚴格控制沉井下沉對周邊環(huán)境影響。

1.3 工程地質概況

場地工程范圍內根據地基土的特性、成因及物理力學性質，影響沉井下沉的土層主要分為5層，分別為①雜填土、③-1淤泥質粉質粘土、④-1粉砂、④-2粉質粘土、⑤粉質粘土，其中沉井終沉階段穿越⑤粉質粘土地基承載力特征值為230 kPa，在大深度高圍壓條件下地基承載力極限值可為特征值的3倍，高達690 kPa，土質極為堅硬。

2 敏感環(huán)境下超深沉井施工特點

沉井下沉影響范圍內存在多項敏感環(huán)境建構筑物如汽渡碼頭、道路及長江堤岸等，施工過程中必須嚴格控制周邊土體沉降。沉井下沉造成周邊土體擾動的影響因素眾多，韓石忠等[3]指出最重要原因是由于沉井內挖空，井內外地下水位差引起的滲透作用，使水帶土涌入井內，井外土體不斷減少，從而引起地面沉降。故為平衡井內外水位差，沉井下沉全程采用不排水下沉工藝。

不排水下沉施工在一定程度上解決了井內外土體流動的問題，卻增加了沉井浮力，減小了下沉系數(shù)。經過計算發(fā)現(xiàn)沉井在下沉過程中后階段下沉系數(shù)極小，終沉系數(shù)僅0.35，在堅硬土層無法下沉，在增加沉井自重經濟效益比不佳的情況下，采用沉井外組合式可調配重液壓壓沉糾偏系統(tǒng)，對井體結構施加豎向下壓力，增大下沉系數(shù)。

傳統(tǒng)沉井工藝面對硬土時通常采用長臂挖機或抓斗進行抓取，但在水下大深度條件下無法作業(yè)，而沉井能夠實現(xiàn)順利下沉的必備條件之一就是井內土體的取除，因此在壓沉措施之外還必須采用水下大深度硬土破除工藝輔助下沉。

3 壓入式沉井關鍵工藝的應用

3.1 組合式可調配重液壓壓沉糾偏系統(tǒng)

沉井組合式可調配重液壓壓沉糾偏系統(tǒng)，包括沉井外部承臺、牛腿反力架，沉井外部承臺上沿沉井外壁四周均布可調配重，形成一套由承臺自重和可調配重提供豎向向下重力沉井機構，沉井外壁設置多個牛腿反力架，牛腿反力架上部設置單向自鎖液壓穿心千斤頂，自鎖液壓穿心千斤頂通過鋼絞線連接承臺，形成一套沉井四周各向的分級分壓，調節(jié)沉井高差，輔助沉井糾偏機構。

該系統(tǒng)能解決在沉井下沉困難，下沉系數(shù)過小時，可根據需要，在不增加沉井自重的基礎上，增加沉井豎向下壓力，提高沉井下沉系數(shù)。在沉井出現(xiàn)高程偏差時，可通過調整不同區(qū)域千斤頂?shù)囊簤河蛪?，給沉井不同區(qū)域施加壓力輔助糾偏。壓沉系統(tǒng)實現(xiàn)了沉井下沉主導因素由自重向壓沉下壓力的轉變，該下壓力足以消除各類土層對沉井產生的種種不利影響，土質對沉井的影響力大幅減弱，下壓系數(shù)與下壓力成正相關關系，施工速度得到大幅增加。

3.2 水下大深度硬土破除技術

1)研發(fā)超高壓水流破碎硬土設備。

由于沉井終沉穿越地基承載極限值達690 kPa的硬土，38 m水深條件下極難進行取土，針對這一條件研發(fā)了超高壓水流破碎硬土設備，該設備可在堅硬難以破除的土層中，有充分的下鉆能力，并提供41 MPa超高壓力水流切割破碎土體的能力，確保每個破碎孔位能夠形成足夠的半徑。

對沉井內隔倉空間進行合理排布，為盡量保證超高壓水流破碎范圍能夠掃到刃腳和底梁踏面，鉆孔破碎區(qū)間按孔位直徑搭接700 mm規(guī)劃布置，確定平面布置上所有對應的破碎掃除點位后，根據規(guī)劃點位依次由井中心向井壁施工。

根據硬土層土質情況和破碎設備的破碎能力，將需穿越的硬土層分為N層，逐層進行破碎；超高壓水流破碎設備鉆進至硬土層內指定深度，通過噴嘴噴射超高壓水流切割土體，將土體破碎成漿。

2)研發(fā)大深度水下取泥設備。

在超高壓水流破碎設備將堅硬土體充分、有效破碎完成后，投入大深度水下取泥設備，利用空氣吸泥原理，將土體破碎后形成的泥漿通過取泥設備中的排泥管路取離井內。

大深度水下取泥設備與破碎設備配對，在同一個區(qū)域施工，確保破碎土體成漿后能盡快通過取泥設備排離井底。

在對規(guī)劃的每一層取泥施工完成后，根據沉井下沉穿越情況，按序對下一層的土體作業(yè)。每一層先破碎，后取泥，再下沉，依次循環(huán)此過程，直至沉井完全穿越堅硬土層。

3)設置井內多功能聯(lián)動浮平臺。

沉井全程采用不排水下沉工藝，為滿足超高壓水流破碎硬土設備與大深度水下取泥設備在水上作業(yè)需求，在井內水面上設置井內多功能聯(lián)動浮平臺，提高各類設備、人員作業(yè)承載能力。

多功能聯(lián)動浮平臺能繞井中心，沿著沉井內壁旋轉，作業(yè)平臺上設置有工作槽供各類設備鉆桿、管路下放至井底，作業(yè)平臺載重量大于預計平臺上所有設備重量。

4 工程實施效果

沉井在距離終沉標高剩余4.7 m時遭遇⑤粉質粘土，全面投入豎向壓入式沉井在堅硬土層中應用技術的各項設備，24 d后完成井底硬土層的預破碎，48 d后在壓沉工藝的輔助下沉井順利下沉到位，相較于鎮(zhèn)江地區(qū)原丹陽市水廠取水工程同類型沉井所采用的傳統(tǒng)工藝穿越硬土層耗時3個月，采用本技術節(jié)約工期1個月以上，見圖1。

沉井施工對周邊建構筑物沉降影響監(jiān)測點布置見圖3，J1～J13為汽渡管理用房建筑物監(jiān)測點，F(xiàn)1～F3為防汛墻構筑物監(jiān)測點。通過對沉井下沉過程中全過程的沉降監(jiān)測，各監(jiān)測點最大累計沉降僅5.5 mm，沉井下沉過程中較好的控制了對周邊環(huán)境的影響。

5 結語

針對背景工程實際情況，通過上述豎向壓入式沉井在堅硬土層中的應用技術，有效的解決了沉井在傳統(tǒng)工藝中出現(xiàn)的周邊環(huán)境擾動大、大深度水下硬土難以取除、終沉系數(shù)過小等技術性難題，順利完成了超深硬土條件下的豎向壓入式沉井微擾動施工，為越來越多國內外同類型沉井工程提供了可靠經驗，拓廣了沉井這項傳統(tǒng)工藝在復雜地質和微擾動要求環(huán)境條件下的應用范圍。