敏感環境下大深度矩形沉井下沉關鍵技術研究★

鄒 峰

(上海市基礎工程集團有限公司，上海 200433)

0 引言

如今城市化規模不斷擴大，市政工程建設起到了非常重要的作用，沉井因其構造特點，廣泛應用于市政工程的隧(管)道等工程中[1]。然而面對愈加復雜的施工環境，以及越來越嚴苛的工程需要，傳統沉井下沉工藝在遇到沉井下沉系數不足，環境影響要求高的情況，應用的水沖法、泥漿潤滑套法、空氣帷幕法等助沉方式實施效果不佳，尤其大深度沉井下沉，在助沉措施應用無法達到下沉目的前提下接而采用排水方式結合大量挖土下沉，由此極易造成井體失穩且對周邊環境造成巨大影響[2]。現階段迫于環境影響壓力以及大深度沉井建造需求的大幅提升，考慮傳統沉井施工工藝的弊端和不足[3-4]，亟待研發相適用的沉井下沉技術，以緩解目前建設窘境。本文以上海天然氣管網浦東新區—長興島南過江井工程為背景，開展敏感環境下大深度矩形沉井下沉關鍵技術研究，為背景工程施工質量安全可靠提供技術支撐，保障工程的高效實施，降低對周邊環境的影響，總結施工經驗，為今后類似工程提供借鑒。

1 工程概況

上海長興島南工作井位于長興島南部新港，設在長興島長江大堤外側，長江南港北岸大堤距離結構邊約49 m，距離輸電線14 m，自來水管40 m。擬建場周邊環境較為復雜敏感，工作井下沉需要充分考慮周邊環境控制，如圖1所示。

工作井采用沉井形式施工,沉井為長方形鋼筋混凝土結構,底板下部設置兩道鋼筋混凝土地梁，呈“十”字型布置，地梁截面尺寸為4.3 m(高)×1.5 m(寬)，上寬下窄。井壁設置3處內臺階，上側墻井壁厚度1 m，下側墻井壁厚度1.6 m。沉井制作高度26.8 m,總下沉深度25.6 m，采用不排水下沉方式，分為四次制作，兩次下沉。沉井施工主要涉及②3-1砂質粉土、②3-3粉砂、④淤泥質黏土、⑤1-1粉質黏土，如圖2所示。

下沉系數分析：根據相關實踐經驗，沉井下沉系數在1.05～1.2時，可安全下沉。如表1所示，分別對不排水下沉、挖空十字梁下沉及采用壓沉法下沉系數對比分析，可知應用壓沉法工藝能夠保證下沉系數滿足工程要求。

表1 各條件下下沉系數表

2 壓沉沉井工藝研究

根據上述下沉系數分析，結合工程所處敏感環境，對其影響控制要求高，故研究采用不排水壓沉沉井工藝，本節通過壓沉工藝設計、輔助助沉措施以及關鍵壓沉技術方面進行深入探討。

2.1 壓沉工藝設計

1)整體壓沉形式設計。

壓沉形式采用井壁上架設型鋼，利用鋼絞線通過穿心千斤頂，將鋼梁與承臺上抗拔點連系起來，提供壓沉下壓力。鋼梁架設及反力設置如圖3所示。

2)結構受力變形分析。

對所設計的壓沉結構進行整體與局部受力分析，保證結構安全可靠。結構采用有限元軟件Midas進行整體計算分析，計算分析模型如圖4所示。模型共劃分為711個節點，676個單元，其中，608個板單元(模擬沉井)，68個梁單元(模擬鋼梁)。將沉井下端約束其位移，鋼梁與沉井間采用彈性連接，牛腿與沉井間選擇固結，鋼梁千斤頂位置設置豎向力1 500 kN。

3)沉井結構計算結果。

通過計算，沉井井身最大位移發生在長梁與井身連接處，最大位移為1.3 mm，滿足C30混凝土要求。沉井井身最大應力發生在長梁與井身連接處偏下方位置，最大應力為2.8 MPa<14.3 MPa，滿足規范要求，如圖5,圖6所示。

鋼梁結構計算：四個角上的鋼梁最大位移發生在鋼梁兩端，最大位移為13.0 mm<8 586/250=34.3 mm，鋼梁最大應力發生在與沉井接觸面位置，最大應力為248.8 MPa<295 MPa，滿足規范要求,如圖7，圖8所示。

2.2 輔助助沉措施研究

1)因“土”制宜的取土方式。

壓沉過程中采用不排水下沉施工工藝，取土施工過程因下沉階段涉及多類土層，各個土層土質不一，故取土方式也不同。通過下沉系數的驗算分析可以發現，工作井早期下沉系數較好，隨著下沉深度加深，土質的變化，后期下沉系數變小，在壓沉過程中合適的取土方式能夠避免涌土、下沉困難的施工問題出現。在沉井下沉穿越砂墊層、淤泥質黏土、粉質黏土時，土質較軟，取土便利，使用水下抓斗取土的取土方式(如圖9所示)，能夠快速幫助沉井取土下沉。

在沉井下沉至中后期，由于下沉深度增加，摩阻力較大，且涉及土層為灰色粉砂、灰色粉質砂土，較為堅硬，因此上述水下抓斗取土方式不再適合施工，根據下沉困難程度，分別采用高壓泵水下沖泥+吸泥泵水下取泥進行取土，隨著深度加深吸泥泵效率降低后，采用高壓泵水下沖泥+空氣吸泥的方式取土，如圖10所示，兩種方式的結合取土，保證沉井下沉有序順暢。

2)觸變泥漿減阻助沉。

觸變泥漿在沉井下沉中起著減少摩擦力和維護土壁穩定的作用。本節通過關鍵部位減阻設計安裝，以及調配適應不同土層的減阻泥漿，來提升壓沉質量。

從刃腳以上4.5 m,6.5 m,8.5 m布置三層側壁泥漿減阻環，每層共12根水平管，沿井壁每隔4 m布置一路豎管，每層豎管相互獨立，并用油漆標記。在水平管位置每隔100 mm打設1只5 mm噴漿孔，噴漿孔露于沉井外側壁，如圖11所示。

泥漿制備：泥漿配比按質量比4∶1∶1∶15，隨土層變化做調整。施工中對以下泥漿指標進行了嚴格的控制。a.比重：采用比重計測定，控制在1.10～1.3之間；b.黏度：采用黏度計裝入700 cm3泥漿，測定500 cm3流出的時間不小于100 s；c.膠體率：要求達到100 %；d.pH值：控制在6～8之間。嚴格控制失水量及泥皮厚、靜切力、含沙量。當泥漿箱內泥漿存放過久，泥漿老化出現泥皮時，須灑水保養。

壓漿：壓漿采用一個孔一個孔的壓注，并隨沉井下沉不斷補漿，使泥漿面始終保持在地面以上0.3 m左右。壓漿時泥漿流動半徑約為5 m，流動坡度約為5%～10%。

灌漿：沉井下沉完畢后，應對沉井外側的環帶進行灌漿以置換膨潤土泥漿。灌漿應從底向上穿過井壁上的灌漿孔。水泥漿由普通硅酸鹽水泥和水灰比(質量比)不超0.45的水泥漿組成。

3)方形沉井測量控制技術。

采用自動測量和控制系統設備沉井的精確定位。系統包含兩個用于收集沉井位置的全站儀，全站儀通過測量目標棱鏡收集沉井姿態的測斜數據高程數據并計算出沉井當前位置。結合360°后視棱鏡，兩臺儀器無論在什么位置都可以找得到后視目標，一組無線通信控制模塊以及位于監視中心的電子計算機，上述無線通信控制模塊包括一個主網和兩個子站，如圖12所示，兩個子站與目標棱鏡相對關系，兩個子站將采集到的數據信息無線傳輸到主網計算機，計算機處理數據顯示沉井姿態。在開挖中糾偏，終沉階段須加強監控，緩中求穩，嚴格控制超沉。當沉至離設計標高2 m時，對下沉與挖土情況應加強觀測。

2.3 壓沉施工關鍵技術

1)初沉階段：當沉井四個方向(東、南、西、北)高差值偏大時，就應該及時糾偏，利用不同的挖土深度，調整井內刃腳踏面的土反力分布狀況，使沉井改變傾斜狀態，逐步過渡到豎直方向下沉。要控制好鍋底的深度，一般限制挖土鍋底深度不宜超過1 m，以防止沉井突然發生突沉事故。初沉階段對沉井下沉的阻力多數來自井底刃腳踏面和底梁底面的土反力，并井外側向摩擦力逐步增加。在施工中采用調整鍋底挖土的方式、形狀來改變上述土反力的分布狀況。初沉階段井四個方向高差測量每1 h進行一次，井平面位移2 d測量一次。

2)正常下沉階段：沉井下沉時，井倉內應對稱挖土，均勻下沉，先沖吸中央部位的土體，再沖吸刃腳下土，井內土面高差不得大于1.0 m。施工時應隨時觀測下沉情況，每6 h觀測一次四角高差，發現傾斜通過不同點位主動施加不對等下壓力，“高位高壓，低位低壓”，實現對沉井主動的預先糾偏，避免沉井偏差過大，減少糾偏量，從而提高對沉井下沉偏差的控制,如圖13所示。

3)終沉階段：沉井的下沉到最后2 m時即進入終沉階段。挖土鍋底形狀由“凹”面逐步過渡到“凸”形反鍋底，并且適當放慢取土速度和數量，嚴格按照均勻對稱的原則布置取土范圍，當沉井四周控制點高差大于20 mm時，應及時糾偏，糾偏方法以調整挖土深度為主，外刃腳土塞部分土體易涌進，不準沖挖。終沉階段是沉井的關鍵時刻，故一定要加強觀測，測量在最后階段應每次不超過1 h，并及時提供一份測量報告，以便嚴格控制沉井的下沉速率。

3 壓沉沉井下沉分析

針對壓沉過程沉井結構及周邊環境通過安裝監測裝置，進行系統的監測分析[5]。

3.1 監測點位布設

布設沉井下沉阻力監測點位：12個(沉井地面6個，沉井側壁6個)；周邊地表沉降監測點位：25個，如圖14所示。

3.2 壓沉沉井下沉分析

1)沉井四角下沉高差。

沉井下沉初期，刃腳及井壁插入土體深度較淺，易于通過壓沉調整，但沉井高差變化浮動大，沉井下沉中后期，沉井已在土體中形成軌道，沉井下沉姿態可實現微調，高差變化幅度小，如圖15所示。利用沉井輔助糾偏，沉井封底后，沉井的水平位移為偏東24 mm，偏南 52 mm，刃腳平均高程比設計高程高32 mm。最終四角高差為 96 mm。

2)沉井下沉阻力分析。

通過對四邊刃腳下土體壓力的變化分析，可以得出沉井兩次下沉整體底部土壓力趨勢相對一致，如圖16所示。尤其在第一次壓沉中，底部阻力呈線性增加特性，這對于施加反力具有一定的指導意義。

3)沉井水平位移分析。

通過對圖17分析，至第二次下沉前期水平位移控制良好，后期位移顯著增大，考慮施工階段進行了降排水施工，才出現周邊土體水平位移較大。數據顯示，采用壓沉施工在不排水工況下位移控制比較好。

4)沉井周邊地表沉降分析。

11.17～1.03沉井制作期間，5 m范圍平均沉降量達到9.48 mm，主要分析是沉井周邊未硬化區域吊車行走及堆載重物引起沉降，10 m范圍沉降7.29 mm，分析因為試運行降壓井降水。

1.03～1.19沉井第二次帶水下沉，四邊沉降皆為緩慢增加趨勢，5 m范圍沉降24.12 mm，主要原因為砂土層中下沉取土不均，無土塞，導致部分土體涌入井內。壓沉和帶水下沉結合方式有效減少了對周邊土體保護，起到隔斷土體和平衡內外壓力效果。

1.19～1.28沉井第二次下沉，為了提高工效和對比排水和不排水下沉對周邊影響，不斷降低井內水位，導致內外水壓不均衡，沉井周邊土體有向井內滑移現象，引起較大地表沉降。

周邊地表沉降平均值折線圖見圖18。

綜上，通過監測分析驗證，壓沉施工能夠有效保證沉井下沉的穩定性，對結構受力及周邊環境影響都起到了良好的控制作用。

4 結論

本文結合實際工程，針對長興島南過江井在敏感環境影響條件下進行近26 m大深度沉井下沉施工，通過壓沉工藝設計、助沉措施研發、關鍵施工技術研究的研究路線，提出了壓沉鋼梁與混凝土承臺的反力系統、按照不同土層的取土工藝、減阻泥漿助沉工、自動測量技術以及姿態糾偏控制關鍵技術。最后經監測分析驗證壓沉工藝的高效、可靠。形成的敏感環境下大深度矩形沉井下沉關鍵技術保證了工程穩定，環境影響小，超預期完成施工任務，實現了高效低影響的施工作業，起到了良好的示范作用。