深厚粉細砂層沉井綜合助沉施工技術的研究與應用

羅婷尹

廣東省基礎工程集團有限公司 廣東 廣州 510700

沉井結構具有良好的整體性和止水效果，且施工簡便、造價低廉，因而得到廣泛的應用。但沉井施工工藝受地質條件、地下水埋深、井體設計埋深、井體自重等因素影響較大，施工措施不當便會導致下沉達不到設計深度、井體傾斜度偏大、封底混凝土滲漏、周邊沉降嚴重，對鄰近構筑物造成危險等后果。

目前，針對沉井下沉困難問題[1]，一般采取的助沉措施有泥漿潤滑套法、壓重法、高壓射水法、壁后壓氣法[2]等，一般沉井助沉措施多在沉井開始階段就實施，而且多用于沉井井壁外，以降低井壁與外部土體間的摩擦力為目的。而針對沉井下沉后施工階段出現的下沉停滯問題，單一及常規的助沉措施很難達到良好的助沉效果，且實施成本太高，耗時長[3-7]。

深厚粉細砂層下沉停滯沉井綜合助沉施工技術采用沉井外部分級配重，多臺沖孔鉆機環形沖孔成槽，井內配置優質泥漿循環減阻，井外施作鋼板樁圍堰以確保泥漿質量，防止井外砂層回流，多措并舉以達到助沉目的，是傳統施工工藝通過合理創新，在新的施工領域進行改良及優化的創新成果。本技術與常規助沉措施相比，處理難度更低，可操作性更強，處理速度更快，成本也更低。

1 工程概況

江高凈水廠配套主干管網工程、人和2號泵站（擴建）施工（標段一）項目位于廣州市白云區，管道全長約15.7 km，主要采用頂管法施工，沉井采取不排水開挖下沉，沉井數量為177座，形狀有圓形與矩形，根據不同路段，沉井深度在6～18 m。

場地地質主要為粉質黏土、淤泥質粉質黏土、粉細砂、中粗砂，地下水位埋深1.2～3.8 m。施工過程中部分沉井下沉至設計標高最后1.5～2.5 m停滯，難沉井位（W13#井、W19#井、W27#井、W29#井、W31#井）均處于田南路段，田南路段地質為砂層且地下水豐富。

2 沉井下沉停滯原因分析

傳統沉井先在地面或基坑內制作開口的鋼筋混凝土井身，待其達到規定強度后，在井身內部分層挖土運出，隨著不斷挖土，土面降低，沉井井身在其自重或其他措施協助下克服土壁間的摩擦力和刃腳反作用力，不斷下沉，直至設計標高就位，然后進行封底。由于地質條件不同，沉井受土體的摩擦力、刃腳處反作用力也不同，當沉井自重不足以克服土體摩擦力及反作用力時，就會導致沉井很難繼續下沉，必須通過施加一定的壓力或采取一定的助沉措施才能夠繼續下沉。

本項目無法下沉到位的沉井均已經下沉了一定深度，很多已有的沉井助沉措施及方法也不適用，或實施成本太高。通過對項目地質條件及現場開挖的巖樣進行分析，造成沉井難以下沉的原因可能有幾點：

1）項目粉細砂層深厚，開挖過程中粉細砂層顆粒間距小，較為密實，增大了井壁摩擦力及刃腳處的阻力。

2）深厚粉細砂層黏聚力較小，沉井內部土體開挖后，井壁的砂層立刻向沉井內部滑塌，并迅速補充刃腳處的空隙，同時帶動零星孤石滑移至沉井刃腳處及周邊，形成支點，支撐沉井，導致沉井無法正常下沉。

3）刃腳處有零星孤石或不規則斷層巖石，沉井僅靠自重或外部分級配重無法正常下沉。

針對項目沉井下沉停滯的特殊情況，必須創新一種適用于深厚粉細砂層條件的沉井助沉施工技術。沉井無法下沉將嚴重影響頂管等后續施工作業，為攻克這一難題，項目部成立了創新技術攻關小組，通過對現場施工環境、地質及水文情況、傳統沉井下沉措施、多年地下工程施工經驗及國內外類似情況處理方法等進行綜合分析并深入研究，通過利用沖孔鉆機、H型鋼及預制混凝土配重塊、鋼板樁高頻振動錘，創新性地提出一種下沉停滯沉井施工綜合助沉施工技術。

3 綜合助沉施工工藝流程

沉井施工綜合助沉施工工藝流程為：施工剩余沉井井壁→場地平整→測量放線→沉井外施作鋼板樁圍堰→沖孔鉆機就位→沖擊成孔→成孔檢測→鉆機移位→沖孔鉆機循環施工至井內環形成槽→沉井頂部吊裝H型鋼→沉井頂部吊裝混凝土配重塊→沉井下沉→沉井下沉到位。

4 綜合助沉施工操作要點

1）施工剩余沉井井壁。根據沉井下沉停滯位置距離設計井底標高，控制沉井井壁施工高度，一次施工到位。先施工沉井剩余井壁，有利于提高沉井自重，也有利于增加混凝土強度，為后續配重受壓提供良好的自身條件。

2）場地平整。鋼板樁及沖孔鉆機進場施工前，必須先平整場地，若存在淤泥地層，可采取換土回填、鋪設鋼板等方法。場地平整的基本要求是井壁四周可擺放3臺沖孔鉆機及1臺50 t以上的吊車。

3）測量放線。

① 根據井位形狀，由現場測量員根據沉井尺寸、鋼板樁與沉井施工距離，按均勻、等距布設的要求，由3臺沖孔鉆機放出沖孔位，在對應井頂處用紅色油漆做好標記，保證每次沖孔定位準確。

② 根據沖樁深度，在鋼絲繩上做好標記，鉆機沖擊具體深度視施工中沉井下沉情況而定，以W19#井試點為例，井壁差2 m下沉到位，考慮沖樁過程中可能出現的局部坍孔以及泥漿沉淀對孔深產生的影響，沖孔深度在刃腳以下2 m再加深2 m，即共4 m（圖1）。

圖1 沖孔深度立面示意

4）沉井外施作鋼板樁圍堰。沉井外施作鋼板樁圍堰主要針對沉井下部起保護作用，可有效防止孔內泥漿外流，防止沖擊鉆沖孔造成的坍孔現象，使得刃腳附近形成減阻環形泥漿槽，降低了刃腳下方反作用力和周邊摩擦阻力，解決了在深厚粉細砂層中，沉井刃腳開挖時沉井外壁砂層回流的問題，避免了水土流失造成的地面不均勻沉降，是后續沖孔助沉的一個重要技術措施。

① 施工鋼板樁前，先對材料進行檢查、分類、編號、矯正樁體。為保證鋼板樁能垂直打入并與板樁墻面平直，先制作和安裝H型鋼圍檁，高度約為離地面50 cm，然后再用吊車將鋼板樁吊至樁位處施打。

② 打樁方法：打樁時先用吊車把鋼板樁吊起就位，讓其憑自重入土，豎起穩定后，再用吊車吊起振動錘并夾住鋼板樁，將樁打到要求的深度。鋼板樁施工過程中，為保證鋼板樁的垂直度，用2臺經緯儀在2個方向加以控制。

③ 鋼板樁壓入時，應采取措施減少施工對原有建筑物、道路、管網的影響。如在壓入鋼板樁前，先查明地下管網的情況，若遇有地下管線或泄水孔，應跳開該處不壓鋼板樁，待開挖后，沿缺口兩邊鋼板樁外側插入鋼板擋土。打樁時應盡量受力均勻，避免或減少對基坑兩側現有行車路面或人行道的破壞或擾動。待管道每側都打了約20 m長的鋼板樁時，方可進行基坑開挖。

④ 起拔鋼板樁，必須在基坑土方回填夯實以后進行。用吊車吊起振動錘并夾住鋼板樁起拔。對拔樁產生的樁孔須及時回填中砂，并用水灌實，做到“邊振邊拔邊回填”，以減少對鄰近建筑物的影響。

5）沖孔鉆機就位。

① 根據定位點安排吊車吊放機架，在機架距離地面不高于1 m后，可由工人配合吊車推動擺放機架。

② 就位安裝必須穩固、周正、水平。

③ 立好機架后調試并安裝起吊系統，將沖錘吊起于定位點對應的井壁內側上方，距離井壁內側200 mm，定位后與原定位置偏差不大于20 mm（圖2）。

圖2 鉆頭與沉井施工位置示意

6）沖擊成孔。鉆機使用樁徑1 m的沖錘，沖錘可破碎風化巖，可有效清除刃腳障礙。沖樁時井內泥漿循環形成減阻環形泥漿槽，既可減阻也能攜渣出井。

① 開孔：在開孔階段沖孔速度不宜太快，一般控制每小時進尺在1 m以內，相應地，提錘高度要小，沖擊次數要多，這樣產生的沖擊力小，可使孔壁逐漸受水平力的擠壓而密實。

② 正常沖孔：此時如果沖擊過猛，進度太快，孔壁不能較好地形成，反而會引起坍孔。所以在開孔階段要嚴格控制沖孔進度，以利于加強孔壁。在已開挖深度以下1 m范圍之內，要求盡可能把孔壁護得牢實一些，此后進入正常沖孔，便不容易產生坍孔問題。經過開孔階段之后，即開始正常沖孔，可加快沖錘速度、高度。提錘高度可增至1 m以上，泥漿相對密度相應降低，宜控制在1.5以下。

7）成孔檢測。成孔檢測主要針對孔深。測量儀器，即沖孔鉆機自身，對準已沖樁孔中軸緩緩放入，當沖錘下沉趨于平穩，證明沖錘已至孔底，查看鋼絲繩上的標記，判斷深度是否達標，誤差不大于20 mm。

8）鉆機移位。使用吊車將沖孔鉆機沿逆時針移動1 200 mm（具體距離可根據實際沖樁的擴孔率調整），繼續循環沖孔步驟（圖3）。

圖3 沖孔鉆機成孔順序示意

9）沖孔鉆機循環施工至井內環形成槽。沿井壁內一圈完成沖孔，直至第一個與最后一個沖孔位相接（圖4）。

圖4 沖擊成環形槽施工示意

10）沉井外部分級配重計算。以W19#井為例，井身質量為703.126 t，沉井下沉系數為1.05，為使井壁順利下沉，沉井外部分級配重至少92 t。

11）沉井頂部吊裝H型鋼。根據沉井尺寸及受力計算，選用4根長度為12 m的700 mm×300 mm的H型鋼，在井壁上平行放置，如圖5所示。

圖5 H型鋼布置示意

12）沉井頂部吊裝混凝土配重塊。從中間往兩邊按順序均勻吊放，完成第1層堆放后，第2層采用同樣的方法均勻吊放，共加載至100 t（圖6）。

13）沉井下沉到位。沉井在配重作用下自行下沉，如果下沉停滯，可采取增加外部分級配重的措施，直至沉井井壁刃腳下沉至設計標高，達到預期效果。

5 實施效益分析

1）經濟效益分析。江高凈水廠配套主干管網工程、人和2號泵站（擴建）施工（標段一）項目工程采用了一種適用于深厚粉細砂層下沉停滯沉井綜合助沉施工技術，解決了沉井下沉停滯帶來的施工難題，避免了因人員及機械窩工而造成的費用增加，縮短了施工工期，節約了管理費用等成本。

圖6 混凝土配重塊布置示意

2）社會效益分析。深厚粉細砂層下沉停滯沉井綜合助沉施工技術，針對性地解決了深厚粉細砂層沉井下沉停滯的難題，有效提高了沉井在復雜地質條件下的下沉效率和成功率，為沉井下沉停滯處理提供了一種新的解決方法，降低了工期風險，確保了沉井施工安全，沉井施工進度與質量也得到了保證。

6 結語

本技術研究成果綜合采用了沖孔鉆機、H型鋼和預制混凝土配重塊，以及高頻振動錘，研究出了一種適用于深厚粉細砂層下沉停滯沉井綜合助沉施工技術。該技術適用范圍廣泛，主要應用于沉井下沉后階段施工，有效解決了由于各種地質問題造成的沉井下沉困難或停滯難題，可用于填土層、黏土層、粉土層、淤泥層、砂土層、碎石土層、礫卵石層、巖溶發育巖層或裂隙發育、風化巖層等地層的沉井施工，值得推廣應用。

[1] 王理想.大型沉井施工中的常見問題及應對措施[J].建筑施工,2016,38(9):1296-1299.

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[4] 潘志坤.深圳市政頂管工程沉井制作與下沉施工技術[J].價值工程,2019,38(35):214-217.

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[6] 王劍安,袁茂成.淺論市政工程頂管(沉井)施工控制要點[J].居業,2017,9(4):105-106.

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