軟土地區壓沉法沉井關鍵技術研究

羅云峰

（上海市基礎工程集團有限公司，上海 200433）

0 引言

沉井是一種在地面上預先制作，通過取除井內土體的方法使之下沉到地下某一深度的井體結構［1］。沉井施工方法是修筑地下構筑物或深基礎工程特殊而重要的施工工法，沉井下沉施工是沉井這種地下結構最終實現其功能的重要環節。沉井下沉按照所采取措施的不同有許多種方法，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。沉井下沉施工經過數十年的發展，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，部分工程還可以通過在沉井外設置擋土和止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。當沉井迫于環境影響壓力采取不排水下沉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周邊環境的影響。目前，雖然部分下沉方式相組合可以一定程度上兼顧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，尤其是超深沉井即便采用多種助沉措施聯合使用，仍無法達到理想效果［2］。超深大型沉井常因側摩阻力過大而下沉困難，主要依靠增加沉井自重來克服下沉阻力，會造成材料浪費，還存在著糾偏困難、下沉緩慢、工期較長等問題［3］。針對傳統沉井施工工藝的弊端和不足，本文以上海污水治理白龍港南線東段工程為背景，開展壓沉法沉井關鍵技術研究，實現背景工程施工質量安全可靠，加快施工效率的同時降低對周邊環境的影響，并總結壓沉沉井設計施工經驗，對今后類似工程提供參考。

1 工程概況

背景工程位于上海浦東新區，SST2.2 標段為外環 8 # 井至迎賓 3 # 井之間的輸送總管，涉及到的 3 座工作井均采用排水下沉和壓沉法沉井施工。外環8#井平面尺寸 18.2 m×11.2 m，制作高度為 18.52 m。外環 9 # 井為圓形鋼筋混凝土結構，外徑Φ19.8 m，內徑為Φ18 m，高度為 18.59 m。迎賓 1 # 井為圓形鋼筋混凝土結構，外徑為Φ24 m，內徑為Φ22 m，高度為 18.83 m。后文設計施工技術均以具有代表性、下沉難度最大的迎賓 1 # 井為例進行闡述。

本工程沉井下沉主要穿越土層分別為①砂墊層，②1粉質黏土，③層淤泥質黏性土，④層淤泥質黏性土。其中③層淤泥質黏性土和④層淤泥質黏性土的強度低，滲透性低，含水量高，壓縮性高，靈敏度高，地基承載力低，具觸變性和流變性。這兩層土與上一層②1粉質黏土相比，井壁摩阻力與承載力都發生了大幅度的減小。在沉井下沉穿越②1粉質黏土后，進入③層土時，易發生沉井傾斜與突沉的不良現象。同時沉井抗隆系數較小，下沉過程中井格內土倉會出現一定程度的隆起現象。同時近鄰沉井 7 m 處有重要的航油管線，環境保護要求極高。

2 工藝原理與特點

2.1 工藝原理

壓沉法沉井施工工法是利用沉井結構頂部外側的牛腿，借助地錨反力裝置，通過穿心千斤頂提供一個對沉井牛腿向下的壓力，在適當取土的同時，將沉井壓入土體；通過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，沉井在本身自重以及下壓力的作用下下沉到指定深度，最后將沉井底部填充混凝土進行封底的一種工法。壓沉法沉井施工工法實現了在軟土地區沉井施工的快速精準下沉，而且可以有效降低對環境的影響，是對傳統自沉沉井工法的工藝創新。壓沉法沉井工藝如圖 1 所示。

圖1 壓沉法沉井工藝示意圖

2.2 工藝特點

壓沉法可有效簡易地控制沉井的幾何姿態且精度很高。由于沉井下沉的不均勻性，下沉過程中易發生豎向和水平偏位、傾斜，通過設置在沉井四周的地錨、拉桿、穿心千斤頂等，可以對沉井不同側牛腿施加大小不等的下壓力進行糾偏，從而保持沉井的良好幾何姿態。

通過壓沉裝置，增加了沉井的下沉系數，可在下沉中期大幅提高沉井下沉速度并保持穩定下沉，上海地區實際應用中達到了最快 3.5 m/d 的速度，也可以在終沉階段控制下沉速度及位置。

該工藝使沉井始終保持切土下沉工況，不存在掏空刃腳現象，對土體擾動程度相對較小。通過反力系統使得沉井刃腳貫入土層的深度更深，即使不排水下沉，沉井井內在保持更高的土塞同時仍然具有足夠的下沉系數，無需對沉井外圍進行圍護施工，對周圍地基和臨近建筑物影響小。

壓沉的原則是“先壓沉、后取土”。根據該原則，在施加荷載前，對沉井進行一次測量，如偏差在允許范圍之內，則各千斤頂施加相同的頂力；如各測點的偏差過大，則需通過計算調整各千斤頂的壓力，以調整沉井下沉姿態。

3 壓沉系統設計

壓沉系統是壓沉法沉井的核心，整個壓沉系統由以下幾個部分組成：穿心式千斤頂、承壓牛腿、反力拉桿、反力裝置、承臺、地錨（鉆孔灌注樁）等，如圖 2 所示。壓沉系統設計主要包括壓入力設定、地錨設定、承壓牛腿設計和其他壓沉系統設計（包括反力拉桿、承臺錨箱、高強螺栓）等內容，下面以背景工程迎賓1#井為例進行闡述。

圖2 壓沉系統

3.1 壓入力和地錨

結合沉井自身結構、地勘報告等，經計算，迎賓 1 # 沉井自重為 42 791 kN，其側摩阻力為 17 620 kN，沉井刃腳踏面及底梁反力取終沉時土層的極限承載力為 19 750 kN，終沉時沉井浮力為 16 116 kN（不考慮排水引起的浮力降低），則采用壓沉法施工需要的壓入力為 10 695 kN。

本工程土質主要為淤泥質土，常規錨索等工藝無法實施，因此采用鉆孔灌注樁來作為反力地錨。根據上海市工程建設規范 DG J08—11—2010《地基基礎設計規范》，在沒有進行樁的豎向抗拔靜荷載試驗時，單樁豎向抗拔承載力設計值計算，見式（1）。

式中：Up為樁身截面周長；γs為樁的抗拔承載力分項系數，一般取 2.0；Rtd為單樁抗拔試驗中扣除單樁自重后的極限抗拔承載力標準值，kN，可取抗拔靜載荷試驗的極限承載力扣除單樁自重后的試驗統計值；fsi為樁周第i層的極限摩阻力標準值，kPa；li為樁周的i層土的厚度；λi為樁周第i層土的抗拔承載力系數；Gp為單樁自重設計值，kN，地下水位以下應扣除浮力，自重和浮力作用分項系數取 1.0。

由于迎賓 1 # 井下沉深度相對較大，結合現場情況，將單樁抗拔力設置為 3 500 kN 以上，結合地勘報告經計算，鉆孔灌注樁有效樁長為 72 m 時，其單樁抗拔力 3 671 kN，則迎賓 1 # 井壓沉所需錨樁數量N=10 695/3 671=2.9 根，考慮鉆孔樁布置的均衡及適當安全系數，確定布置 4 根鉆孔灌注樁。

在沉井外側進行地錨布置還需要注意：地錨不得設置在頂管進出洞范圍，并應保持足夠的間距；應結合沉井結構，布置為對稱形式，方便沉井下沉過程中的糾偏；地錨應與沉井保持足夠的距離。按照上述原則，沉井地錨平面布置如圖 3 所示。

圖3 迎賓 1 # 井地錨平面布置圖

3.2 承壓牛腿

綜合考慮壓沉施工可靠性及便捷性，采用鋼筋混凝土牛腿作為穿心千斤頂的承壓結構。受沉井結構條件限制，鋼筋混凝土牛腿考慮最大 4 000 kN 的荷載來進行設計。為滿足穿心千斤頂局部抗壓要求，在千斤頂安裝位置 1 m×1 m 的范圍設置δ20 mm 鋼板，滿足局部受壓需求。

根據沉井結構和牛腿實際尺寸建立三維有限元模型進行計算分析，模型里考慮了刃角、外臺階、底梁、牛腿、牛腿上預埋鋼板及直徑 22 cm 的孔洞等。放置穿心千斤頂位置預埋 1 000 mm×1 000 mm×20 mm 鋼板，牛腿上所承受穿心千斤頂荷載可看做通過預埋鋼板進行擴散，根據前述計算出的 1# 沉井壓入力并考慮 1.2 的安全系數進行牛腿加載。在模型中，Z向為豎向受壓方向，X向為沉井徑向方向，Y向為牛腿寬度方向（沉井環向）。分兩個工況進行計算，分別是 3 個牛腿受力（糾偏）、4 個牛腿受力，刃角底部施加位移約束，考慮結構自重。計算結果如圖 4～圖 7 所示。

圖4 三牛腿受力沉井變形（最大值 2.42 mm）

圖5 三牛腿受力沉井應力（最大值 10.7 MPa）

圖6 四牛腿受力沉井變形（最大值 2.37 mm）

圖7 四牛腿受力沉井應力（最大值 10.7 MPa）

從圖 4～圖 7 結果云紋圖可知，兩種工況下沉井最大變形都為 2.4 mm 左右，其中考慮糾偏工況時應偏心受力導致變形略大；兩種工況下最大壓應力都為 10.7 MPa，都＜C30 混凝土 14.3 MPa 的許用應力，最大應力位置位于牛腿與井壁連接處。牛腿預埋鋼板采用 1 000 mm×1 000 mm×20 mm，可看出在牛腿上穿心千斤頂受壓處應力最大為 4 MPa，預埋鋼板采用 1 000 mm×1 000 mm×20 mm 滿足要求。最大應力位置位于牛腿與井壁連接處，這應是局部應力集中現象，建議在牛腿與井壁連接處加強或進行倒角圓滑處理，可有效地避免應力集中現象。總體來看計算出的結果表明沉井和牛腿滿足壓沉施工時的承壓要求。

3.3 其他壓沉系統

3.3.1 反力拉桿

反力拉桿為 φ140 實心直圓外螺紋鋼桿，外套大螺母上下旋動，材質為 40Cr?？紤]到探桿單件長度有限，與每個地錨連接的反力拉桿采取多節連接的方式接長。上下兩根拉桿之間采用螺母連接。為保證沉井最大下沉高度需要，迎賓 1 # 井每個地錨點配置總長 22 m 以上的拉桿。結合拉桿結構情況，每個壓沉點配置 1 根 3.7 m，10 根 1.7 m 及 1 根 0.8 m，并配置相關錨固螺母和連接螺母。

3.3.2 承臺及錨箱

承臺為鉆孔灌注樁與反力拉桿間的連接部分。鉆孔灌注樁樁頂露出 1.4 m 長的鋼筋，承臺平面尺寸 1.6 m×1.6 m。使用 C30 混凝土制作。以保證 0.6 m 的鋼筋焊接為準。錨箱分為上下兩部分，上部分為拉桿錨固段，下部分為鉆孔灌注樁鋼筋焊接段。上下兩部分采用法蘭連接，配置 M27 高強螺栓。

3.3.3 壓沉系統高強螺栓

根據給定的壓沉系統布置，高強螺栓中心處周長為 1 884.9 mm，高強螺栓中心距構件邊緣距離為 50 mm，連接板件厚度為 20 mm。根據 GB 50017—2003《鋼結構設計規范》在螺栓桿軸方向受拉的連接中，每個高強度螺栓的承載力設計值=0.8P，考慮 8.8 級 M27 高強螺栓，根據 GB 50017—2003《鋼結構設計規范》中表 7.2.2-2 可知，8.8 級 M27 高強螺栓預拉力P=230 kN，故每個高強度螺栓的承載力設計值=0.8P=184 kN，故需要螺栓數=3 418.5/184=18.6，取 20 個 M27 高強螺栓，20 個 M27 高強螺栓亦滿足GB 50017—2003《鋼結構設計規范》表 8.3.4 構造 要求。

4 施工技術與實施效果

4.1 施工工藝

壓沉法沉井施工工藝流程如圖 8 所示。打設鉆孔灌注樁，必須對樁的垂直度進行嚴格控制，保證樁的中心位置滿足要求。沉井開始下沉前，各個系統應安裝到位，并對千斤頂液壓系統進行相應的設備調試。拉桿件安裝時，上端應距離沉井壁上鋼牛腿有 10 cm 左右，使沉井在開始掏磚胎膜時能夠有一定的自沉深度。由于沉井下沉的不均勻性，可能每次下沉均需調整。依據沉井高差和傾斜的測量結果，調整每個點的千斤頂的壓力大小，慢慢對沉井進行糾偏作業。

圖8 壓沉施工工藝流程示意圖（單位：其余 mm）

下沉的原則是“先壓后取土”。千斤頂開始慢慢對沉井施加壓力，在頂力至預定值無法下沉時，開始井內取土吸泥。施工時反力拉桿穿過穿心千斤頂后在千斤頂上端利用大螺母錨固在千斤頂油缸上端。當需要壓沉時，千斤頂油缸向上伸出頂住螺母，拉桿拉緊后，使千斤頂對井壁牛腿產生一個向下的壓力，促使沉井下沉［4］。

根據沉井下沉高度配置反力拉桿，從地面鉆孔灌注樁頂相接至沉井承壓牛腿處。在進行壓沉過程中，千斤頂油缸向上頂住上端錨固螺母，反力拉桿傳遞壓力至抗拔樁。同時牛腿受到向下的壓力，促使沉井下沉。當沉箱下沉一個油缸行程后（約 20 cm），千斤頂油缸縮回，將上端螺母下旋約 20 cm，如此往復。

由于上下拉桿之間的連接螺母尺寸較大，不能穿過承壓牛腿的拉桿預留孔，因此在下沉約 1.7 m 深度后，需拆除一節替換拉桿（長度 1.7 m），將上部工作拉桿（長度 3.7 m）與下一段替換拉桿連接，開始下一個壓沉循環，直至沉至設計標高［5］。在下沉施工過程中，應注意觀測測量的高度。最后拆除壓沉設備，進行沉井后續施工。

4.2 實施效果

背景工程沉井分為二次制作二次下沉。工程自首節制作開始至順利完成封底竣工，情況可控良好，沉井下沉平穩連續，沉井本身及周邊環境在整個施工過程中完全處于安全狀態，尤其是周邊建構筑物的沉降情況明顯低于圍護明挖及自沉式沉井施工法。采用壓沉法沉井施工工法后，為了保證工程本身的安全及掌握沉井下沉對周邊環境的影響，對工程進行了全面的監測。監測涉及到刃腳土壓力、側向土壓力、鋼筋內力、土體側移、地下水位、孔隙水壓力、分層沉降、地表沉降及沉井下沉對周邊管線與建筑物的影響等。

經第三方監測測量：沉井下沉對航油管影響最大-4.7 mm；沉井速度明顯提升，最快 3.5 m/d；沉井最大高差：8# 井 1.3 cm、9# 井 4.7 cm、1# 井 4.2 cm。監測工作歷時近半年，獲取了大量珍貴的實測資料。監測、設計、施工幾者之間形成了良性互動的信息化施工循環。根據實測情況反映，沉井結構變形小，沉井下沉過程對周邊環境造成的影響小，沉井本身以及周邊環境在整個施工過程中完全處于安全狀態，表明了本工程壓沉法沉井設計施工都是非常成功的。

5 結語

本文針對傳統沉井施工工藝的缺陷和局限性，以上海污水治理白龍港南線東段工程為背景，從實際應用需求出發，開展壓沉法沉井關鍵技術研究，對壓沉系統設計和施工工藝流程等進行了詳盡的闡述。壓沉技術很好地解決了軟土地基中自沉法沉井施工姿態不穩，井體終沉高差過大，周邊地表、建構筑物沉降過大的不利現象，且可以精確控制下沉速度及終沉階段位置，對環境影響亦較小。在三座沉井施工中獲得了成功應用，達到了最快 3.5 m/d 的下沉速度的同時還保持了沉井的良好幾何姿態，終沉高差控制在 0.5 % 以內，鄰近航油管沉降控制在 5 mm 以內，實現背景工程施工質量安全可靠，加快施工效率的同時降低了對周邊環境的影響，對今后類似工程提供參考。Q