異形大沉井的下沉施工

嚴(yán)邵峰 茅 鳴

寧波建工建樂(lè)工程有限公司 浙江 寧波 315020

沉井技術(shù)因其整體性強(qiáng)、穩(wěn)定性好、埋置深度大、承載面積和承載能力較大，且能簡(jiǎn)化施工等優(yōu)勢(shì)，而被廣泛運(yùn)用于市政污水干管、污水泵站等地下建筑工程施工中[1-2]。不少學(xué)者對(duì)超深[3]、超大[4]沉井施工技術(shù)進(jìn)行了一定的探索，并對(duì)其風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估進(jìn)行了研究。本文結(jié)合寧波某污水處理廠粗格柵沉井施工實(shí)例，對(duì)異形大沉井的施工技術(shù)、特點(diǎn)及重難點(diǎn)等進(jìn)行了分析，并提出了相應(yīng)的措施對(duì)策，同時(shí)通過(guò)計(jì)算進(jìn)行了一定的理論驗(yàn)算。

1 工程概況

寧波市某污水處理廠進(jìn)廠管工程中，有一座新建粗格柵（接收井）采用沉井方式施工。沉井外形尺寸為12.7（15.70） m×28.10 m，井壁厚0.85 m（其中刃腳部分井壁厚1.00 m），總高度為17.50 m（刃腳底標(biāo)高為－13.60 m，井壁頂標(biāo)高為3.90 m）。共分4次制作、3次下沉，初期采用排水下沉，到后期改為不排水下沉，C20素混凝土水下封底。沉井分節(jié)制作及下沉高度如表1所示。

表1 沉井分節(jié)制作及下沉高度

2 工程自然條件

根據(jù)地勘報(bào)告，沉井下沉過(guò)程中自上而下所穿過(guò)的土層為：①雜填土、②1淤泥質(zhì)黏土、②2粉質(zhì)黏土、②3淤泥質(zhì)黏土、③粉砂。地下水主要為孔隙潛水與承壓水兩種類(lèi)型，淺層孔隙潛水主要賦存于表層①和②1層中，孔隙承壓水賦存于③層中。

3 沉井施工

3.1 施工特點(diǎn)及重難點(diǎn)

1）本工程沉井為異形截面且面積較大，為保證沉井安全、穩(wěn)定、順利地下沉，經(jīng)綜合分析后，粗格柵（接收井）采用4次制作、3次下沉的方式。

2）第1節(jié)刃腳在強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后開(kāi)始下沉，第2、第3節(jié)井壁在強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的70%后開(kāi)始下沉。

3）沉井制作及下沉過(guò)程中加強(qiáng)沉降觀測(cè)，根據(jù)地勘資料及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)情況及時(shí)調(diào)整沉井分節(jié)高度及控制下沉速度，確保沉井制作與下沉的質(zhì)量和安全。

4）沿沉井長(zhǎng)度方向兩側(cè)對(duì)稱(chēng)出土，防止沉井下沉中產(chǎn)生位移、扭轉(zhuǎn)，以保證沉井順利下沉和減少沉井下沉對(duì)周邊土體的擾動(dòng)。

5）下沉初期采用排水下沉，使用長(zhǎng)臂挖機(jī)挖土的同時(shí)抽取地下滲水，以便觀察挖土均勻下沉；后期在接近設(shè)計(jì)高程時(shí)由于土層滲水嚴(yán)重，采用不排水下沉；最后進(jìn)行水下混凝土封底。

3.2 沉井下沉

待第1節(jié)沉井混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后進(jìn)行下沉準(zhǔn)備工作和刃腳素混凝土墊層鑿除，第2、第3節(jié)達(dá)到70%設(shè)計(jì)強(qiáng)度后進(jìn)行下沉；下沉挖土?xí)r，2臺(tái)長(zhǎng)臂挖機(jī)位于沉井兩側(cè)沿長(zhǎng)度方向同步對(duì)稱(chēng)開(kāi)挖，每層開(kāi)挖厚度視土質(zhì)情況而定，控制在0.4～0.5 m，土質(zhì)較好較堅(jiān)硬時(shí)適當(dāng)增加每層厚度，土質(zhì)較差時(shí)減小厚度；安排專(zhuān)人在沉井下沉全過(guò)程中進(jìn)行沉降觀測(cè)及指揮挖土順序、速度。下沉至距設(shè)計(jì)底標(biāo)高50 cm左右時(shí)停止挖土，使沉井依靠自重下沉到設(shè)計(jì)標(biāo)高。井內(nèi)挖出的土方及時(shí)外運(yùn)。

3.3 水下封底

沉井下沉至最終設(shè)計(jì)標(biāo)高后，繼續(xù)沉降觀測(cè)，待沉降趨于穩(wěn)定后（8 h累計(jì)沉降量小于10 mm），進(jìn)行水下封底。澆筑前先將井底修整成鍋底形狀，并通過(guò)潛水員進(jìn)行井底土層檢查。混凝土澆筑時(shí)分格、對(duì)稱(chēng)、均勻澆筑，先鍋底后四周（圖1）。整個(gè)澆筑過(guò)程中用測(cè)繩測(cè)量水下混凝土面上升情況，潛水員摸測(cè)擴(kuò)散半徑。封底混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度前，沉井內(nèi)外水位保持相等，以防封底混凝土承受水壓。水下封底混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)定后，抽除井內(nèi)水進(jìn)行底板等后續(xù)工程。

圖1 導(dǎo)管布置

4 下沉穩(wěn)定性分析

4.1 土層與井壁總摩阻力

沉井下沉過(guò)程中，土層與井壁的總摩阻力T由式（1）～式（3）計(jì)算得出：

式中：U—井壁外圍周長(zhǎng)，取85 m；

A—單位周長(zhǎng)摩阻力，kN/m；

fk—單位面積摩阻力，kN/m2；

fki—第i層土單位面積摩阻力；

hi—第i層土厚度；

H—沉井下沉深度，m。

4.2 下沉系數(shù)

下沉系數(shù)kst的表達(dá)式為：

4.3 接高穩(wěn)定性驗(yàn)算

4.4 計(jì)算結(jié)果

接高穩(wěn)定系數(shù)和下沉系數(shù)的計(jì)算結(jié)果如表2、表3所示。

表2 接高穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果

表3 下沉系數(shù)計(jì)算結(jié)果

沉井接高過(guò)程中為防止自重過(guò)大而發(fā)生自沉，接高穩(wěn)定系數(shù)需滿足kc＜1.0；在下沉過(guò)程中，為保證沉井能安全順利地下沉，下沉系數(shù)應(yīng)滿足1.05≤kst≤1.25。由表2可見(jiàn)，各節(jié)沉井接高時(shí)其穩(wěn)定系數(shù)均小于1.00，可以滿足接高時(shí)的穩(wěn)定性要求。3次下沉的下沉系數(shù)基本滿足要求，第1次下沉?xí)r的下沉系數(shù)雖略小于1.05，但該次沉井處在淤泥質(zhì)黏土層，土層較為軟弱，可滿足下沉要求；第2次下沉系數(shù)略大于1.25，可適時(shí)采取不排水下沉，以增加水浮力，減輕下沉質(zhì)量。

5 沉井下沉問(wèn)題及措施

5.1 沉井傾斜、偏移

沉井在下沉過(guò)程中不可能理想地豎直均勻下沉，下沉初期，沉井處于淤泥質(zhì)黏土層，刃腳下土質(zhì)軟硬不均。此時(shí)沉井入土深度較小，大部分井體仍處于地面上，井壁與土層的側(cè)向摩阻力很小，容易使沉井產(chǎn)生傾斜。在產(chǎn)生傾斜與糾正傾斜的過(guò)程中，沉井因受力不均會(huì)產(chǎn)生一定的偏移。故在沉井下沉過(guò)程中，應(yīng)加強(qiáng)初沉控制，對(duì)稱(chēng)均勻開(kāi)挖并時(shí)刻監(jiān)測(cè)，出現(xiàn)傾斜移位及時(shí)糾偏，邊糾正邊下沉，根據(jù)土質(zhì)情況和下沉系數(shù)不斷調(diào)整挖土速度。

5.2 沉井下沉過(guò)快

本工程土質(zhì)主要為淤泥質(zhì)黏土，在3次下沉過(guò)程中均要穿越淤泥質(zhì)黏土層，并由計(jì)算的下沉系數(shù)可得第2次的系數(shù)略大于1.25，在此次下沉?xí)r存在下沉過(guò)快的可能。需在施工時(shí)重新調(diào)整挖土、控制出土速度，必要時(shí)可將排水下沉改為不排水下沉以增加浮力。

5.3 沉井超沉、欠沉

在終沉階段，由于該部分土層為淤泥質(zhì)黏土，土質(zhì)軟弱，承載力低，故容易產(chǎn)生超沉問(wèn)題。因此，在下沉至接近設(shè)計(jì)標(biāo)高的最后階段，應(yīng)減緩沉井下沉速度，并增加監(jiān)測(cè)頻率。本工程在初期采用排水下沉，后期在接近設(shè)計(jì)高程時(shí)由于土層滲水嚴(yán)重，采用不排水下沉，對(duì)下沉速度起到一定減緩作用。

6 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合工程實(shí)例介紹了異形大沉井下沉施工技術(shù)，通過(guò)計(jì)算分析了接高系數(shù)、下沉系數(shù)等穩(wěn)定性要求，并針對(duì)沉井下沉施工出現(xiàn)的問(wèn)題提出相應(yīng)對(duì)策措施，對(duì)工程實(shí)踐具有重要意義，可為類(lèi)似沉井工程提供一定的借鑒。