吹填人工島硬土層中超深沉井施工關鍵技術

徐 杰

(上海市基礎工程集團有限公司，上海 200000)

1 概述

1.1 工程概況

北海市鐵山港區污水處理廠排海管工程，設計排放流量為23萬t/d。工程分為陸域埋管段及海域頂管段兩大部分。其中，海域頂管段分兩個區間施工，頂管1區間長度為2 180 m，頂管2區間長度為1 420 m。2座頂管工作均位于海域內的人工島上，為頂管施工的作業平臺。1號工作井內徑14.6 m，高度35.4 m，2號工作井內徑12.6 m，高度35.4 m，2座沉井下沉深度均為35.4 m。

1.2 地質水文資料

沉井下沉施工區域位于北部灣鐵山港海域內，下沉需穿越的土層主要為表層的人工島回填砂，②粗礫砂，④淤泥質黏土，⑤粗砂，⑧黏性土，⑩中粗砂，黏性土。地質資料見表1。

表1 工程地質情況表

2 沉井下沉難點

1)下沉對人工島結構影響范圍大。

人工島為沉井施工平臺，頂面為50 m×50 m，結構形式為島芯回填砂+砂袋圍堰+外側塊石護坡，尤其是2號人工島回填砂的高度達到了10.8 m(見圖1)。

2座沉井的下沉均達到35.4 m，根據下沉深度與影響范圍1∶1的關系，整座人工島均處于沉井下沉的影響范圍內，下沉將影響人工島的結構安全。因此，必須采用有效措施進行下沉施工，確保人工島的正常使用功能，保障后續頂管施工可以順利實施。

2)地層堅硬，下沉難度大。

根據地質勘探報告顯示，⑧黏性土層層厚達到10.2 m，承載力特征值為280 kPa，黏性土承載力特征值達到330 kPa。

同時，考慮人工島的結構安全，沉井下沉工藝全程均采用不排水下沉。因此，必須采取針對性措施保障下沉順利完成。

3 主要施工措施

3.1 沉井下沉施工對人工島結構安全采取的保護措施

沉井下沉的難題之一就是對人工島的保護。在全程均采用不排水下沉工藝的前提條件下，如何滿足人工島回填砂層微擾動的要求，這是至關重要的一點。針對這一特殊工況我們采取以下幾種措施：

1)本工程2座沉井均沒有設置底梁，下沉初期采用55 t履帶吊配備抓斗取土，沉井可以快速穿越人工島的回填砂層，刃腳插入原狀土層，減少下沉對回填砂層的擾動時間。

2)在距離沉井外壁3 m設置一圈雙排φ600@450的高壓旋噴樁圍護，在下沉過程中，減小了下沉對井周邊土體的擾動。

3)第一次下沉深度達到3 m后，就啟用地面灌漿措施，讓井外壁形成具有一定厚度泥膜，減少下沉對周邊土體的帶土效應。

4)平衡井內外水壓力，讓井內水位高度始終高于海域高潮位的水位，平衡井內外由于水土壓力差的原因，而產生井外土體塌方、井內土體隆起的風險。

5)在人工島四周設置沉降觀測點，下沉階段按照2次/d，沉井制作階段1次/d的頻率，監測人工島沉降情況，指導施工。

3.2 沉井下沉穿越硬土層的針對性措施

沉井中后期下沉時，主要穿越的地層為⑤中粗砂、⑧層黏性土、⑩層粗砂、層黏性土等交互土層，上述土層承載力特征值高，尤其是黏性土層達到330 kPa。因而，在下沉后期，沉井存在下沉系數不足，無法順利下沉到設計終沉標高的難題。針對這一工況條件，主要采取以下幾種下沉工藝來解決這個問題。

1)從人工島的結構、邊坡安全出發。下沉措施分為兩種工藝，刃腳底部為中粗砂層則采用吊車抓泥快速下沉，刃腳底部為⑧或黏性土層時，采用潛水員配合“空氣吸泥”進行沉井下沉，利用超高壓射水裝置將黏性土沖刷成泥漿排出井內。

2)在超高壓水沖刷黏土層效果不佳的情況下，采用我司自行研制的鉆吸設備進行破土下沉，該設備自重約為300 kg，在設備前端布置2個切削刀盤破壞土體，單次切削50 cm厚度的土體后，由“空氣吸泥”機將泥漿排出井內，平均一天可切削2 m厚的井內土體(見圖3)。

3)受超高壓射水裝置沖泥的局限性，只能對井內土體進行沖泥，無法掏空刃腳底部黏性土層，沉井仍然無法順利下沉。因而在沉井制作階段，在井壁內按照梅花形布置預埋6寸管，在沉井頂部搭設平臺，利用高壓旋噴鉆機將刃腳底部黏性土沖散成泥漿，削弱刃腳土體反力，幫助沉井下沉(見圖4～圖6)。

4)觸變泥漿助沉法是一種較好的助沉減阻方法，能在較大程度降低頂管井對周圍土體擾動影響。為了使沉井外壁可以形成一層泥膜，本工程泥漿減阻采用井外壁注漿結合地面灌漿工藝。對沉井外壁的注漿孔布置重新進行調整，沿井外壁豎向布置4道壓漿環，每道注漿環豎向間距為3 m，每道壓漿環由環向8組壓漿管組成。

4 施工效果

1)在沉井下沉的過程中，1號島的防汛墻布置了10個沉降監測點，最大沉降量為2.6 cm；同樣，在2號島防汛墻上也布置了10個沉降監測點，最大沉降量為1號點，累計沉降1.2 cm。人工島的結構安全得到保證，后續頂管施工可以正常展開(見圖7)。

2)1號井下沉過程中，由于地質勘探的差異性，一半刃腳插入⑤中粗砂層，一半刃腳遇到⑧黏性土層，在采用超高壓水沖擊井內黏性土和旋噴鉆機沖散刃腳底部土體的措施，沉井順利下沉，平均下沉速度30 cm/d，沉井終沉刃腳高差不大于10 cm，滿足設計規范要求。

5 結語

超深沉井施工在取排水工程的應用日趨廣泛，其中越來越多的施工案例涉及到超高水壓、復雜土質等工況。本文針對海域內人工島保護，超深沉井下沉等關鍵技術，提出了相關可行性措施，并在實際施工中得到有效驗證，可為今后類似工程提供有益的參考依據。