沉井工程施工的环境效应及防治措施

胡汝兰

（天津市市政工程设计研究院 ,天津 300051）

0 前言

沉井施工法是修筑地下工程和深埋基础工程所采用的重要施工方法之一。沉井组成一般包括井筒、刃脚、隔墙、梁、底板等，其平面形状一般为圆形、矩形、椭圆形、菱形或者其他不规则形状。沉井下沉的深度根据工程需要确定，一般为7～15 m左右。在施工场地地下水位较高，涌水量较大或有地下承压水、流砂、软土等地质条件时，采用沉井施工是最为适宜的。

1 沉井施工引起的环境效应问题

沉井施工时的下沉使得土体压力重新分布，由初使应力状态变为第二应力状态，致使井体周边土体发生变形、位移，引起地表沉陷与土层位移，从而对邻近建筑物和地下设施带来不利影响。因此，在确定沉井的施工工艺时应根据沉井构筑物的场地，各种施工工艺的特点、水文地质及工程条件、邻近建筑物或市政设施、地下埋藏物（如地下电缆、各种管道）的状况进行合理选择。

1.1 沉井下沉的施工工艺

当地下水补给量不大、且排水并不困难时，沉井一般采用排水下沉，排水方式常有井内排水及井外排水（深井降水等）。当遇到容易产生“涌流”的不稳定土壤，且地下水补给较大而排水又有困难时，沉井可采用不排水下沉。

1.1.1 排水下沉

采用井点降低地下水位的方法施工时，应注意对邻近建筑物进行沉降观测，必要时应采取措施。

当采用水力机械冲泥时，应以集泥坑为中心逐渐向四周冲射，并注意在刃脚内侧保留0.5～1.0 m宽的土台，均衡对称地、自上而下地一层层冲去，严禁用水枪掏挖刃脚踏面以下的土层。

采用人工挖土时，次序是先中央后四周，均衡对称地进行，并应根据需要留有土台，逐层切削，使沉井均匀下沉。

1.1.2 不排水下沉

不排水下沉时，井内外水位不宜相差过大。挖松软土或流动性土时，应保持井内水位高出井外水位不少于1 m。如不到1 m，应向沉井内灌水，以防井外向井内涌流。

1.2 沉井对周边环境的影响范围

1.2.1 排水下沉

当地下水位较高时，井内采用人工或水力机械冲泥，土的含水层被切断，地下水会不断地补给，为保证正常施工，就需要降低地下水，地下水位降低后，在抽水影响半径范围内土壤会产生固结，从而引起地面的沉降。同时，在井内挖土时，井内外地下水位存在一定的水头差，在动水压力作用下，井内会发生流土，砂涌现象，导致井体周边松动破坏，引起塌陷，这种塌陷所影响的范围与井下沉的深度成正比。

1.2.2 不排水下沉

当地下水位较高，在易产生涌流或塌陷的不稳定土层地段，周边建筑物较近时，为减小对周边的影响，采用不排水下沉。不排水下沉靠沉井自重进行下沉，不对周边进行降水，因此对周边土体影响较小。但并不等于说就是对周边没有影响，由于在下沉时要不断地冲泥排水，沉井周边的土体也会出现下沉及变化，只是其影响的范围要比排水下沉法小得多。根据笔者的经验，其影响范围是沉井深度的1/3～1/4。

2 沉井周边塌陷的防治措施

虽然沉井对周边的影响比大开挖等施工方法所影响的范围要小，但由于沉井的设置地点常在不能开挖的地段，因此其所造成的沉降对周边环境的危害更大，它的沉降可能造成邻近建筑物开裂、城市管网的断裂、市政设施基础的破坏。这时就要求对沉井周边采取合理防治措施，以避免上述现象的发生。因此，合理地选择沉井的形式及沉井周边的防护措施，要根据工程地质及水文条件，结合工程性质、规模及被支护建筑物的特性来进行。

采取防治措施的原则如下：

（1）沉井周边的沉降不得影响相邻建筑物的正常使用或超过差异沉降允许值。

（2）沉井周边土体变位不得影响相邻各类管线的正常使用或超过变形曲率允许值。

（3）当有管线、重要市政设施存在时，土体位移不得造成结构开裂、发生渗漏或影响市政设施的正常使用。

对沉井周边土体进行支护防治措施的有效手段，常见的方法有注浆法、排桩法，旋喷法、水泥搅拌桩等。其中排桩法属支挡型支护，注浆法、旋喷法、水泥搅拌桩为加固型支护。它们有各自的适用条件，选用时要根据工程地质及水文地质条件，结合工程性质、规模等进行方案比较，选择既可挡土、防渗，又能满足周边环境效应要求的支护结构。

注浆法、排桩法，旋喷法、水泥搅拌桩是指向地层灌入浆液，使浆液与地层发生填充、置换、挤密等物理和化学变化，以减少地层的渗透性，并提高地层的力学强度和抗变形或抗液化能力，其结果必然会减少土体的孔隙率和提高土体密度，其防渗和加固的功能是并存的。支护系统的防渗止水是支护设计需要重视的问题。其处理不妥，会导致周围建筑物产生不均匀沉降、开裂、邻近道路下沉，地下设施的破坏等现象，给周边环境带来严重破坏。

高压喷射注浆法（高喷法或旋喷法）主要用途是加固与防渗，其主要是用于软弱土层，在砂类土、粘性土、黄土、淤泥中都能进行喷射加固，效果较好。因其简单的设备及独特的施工方法，可以解决其它工法无法解决的难题。

水泥搅拌桩加固法是用水泥浆液对软土进行加固，软土与水泥采用机械搅拌加固的基本原则，是基于水泥加固土的物理化学反应。水泥浆液充填土层裂隙或孔隙，形成较为密实的固化体，从而使土层的渗透性减少，强度得到提高。水泥搅拌桩常用来形成止水帷幕。这样可以避免沉井下沉时周边地下水的流失，其搭接宽度一般为d/4。它还可作双排桩止水帷幕。

影响支护稳定性的因素有设计、施工、环境条件等诸多因素。就设计而言，又有参数选择、计算方法及安全系数的确定诸多环节的影响。为保证支护的稳定有效，确保良好的环境效应，即需要设计与施工各方面具有成熟的方法与经验，又要密切配合，任一方面原因都会导致支护失效，影响周边环境。

另外，在整个施工过程中，对邻近的建筑物及路面、地下管道设施的沉降观测非常必要，其观测数据对于在整个施工过程中周边环境的保护是非常必要的。同时，这些数据对以后可能的加固修复设计方案的选择也是非常重要的。

3 实例

某泵站位于天津郊区，排水规模10 m3/s，下部主体结构外形尺寸长31.20 m，宽23.04 m，地下埋深 10.114 m（见图1）。

3.1 施工措施

该泵站的设计地坪标高为3.0 m（大沽水准）。表层有1.5～2.5 m厚的回填土。回填土厚度及含水率不均，承载力有差异。为保证初沉阶段均衡下沉，将回填土挖除至大沽水准0.5 m。沉井采用排水下沉（井点或大口井），施工时需将地下水降至开挖层以下，沉井前应先明挖基坑至初沉标高-0.824 m，然后先垫0.5 m厚的砂石料再预制沉井箱体。沉井下沉时取土顺序：先挖框架、地梁底及QB6、QB8，再由中心向四周均衡对称地进行，最后挖除刃脚下桩体,使沉井下沉均匀、稳定。

由于泵站底板标高下有8 m左右的淤泥质粘土，该层土的压缩性高，透水性差，承载力低。为了防止下沉过程中发生突沉现象，采取了以下措施。

（1）适当加大刃脚踏面宽度以增大正面阻力。

（2）增设了框架底梁，施工阶段底梁的地基反力设计值取地基土的极限承载力值进行计算。

（3）为防止封底前发生突沉事故，在刃脚下采用高压旋喷桩桩径为Ф600，间距600 mm，长度为刃脚以下5 m。施工前先明挖2.5 m后打高压旋喷桩，旋喷桩浆液采用42.5级普通硅酸盐水泥及膨润土混合浆液，并掺入2%水玻璃，水泥掺入量为180～220 kg/m，注浆压力不宜低于20 MPa(可根据现场土层及注浆效果适当调整)，帷幕及底部注浆层渗透系数不大于10-7cm/s，帷幕及底部注浆旋喷桩每延米胶凝材料掺入量应分别根据现场试验确定。下沉过程中桩在刃脚下需挖除部分的旋喷桩注浆压力应5～10 MPa。高程-10.214 m以下部分的旋喷桩注浆压力不宜低于20 MPa。

图1 泵站剖面图（单位：mm）

沉井挖土下沉是施工中一道重要工序，在井壁混凝土浇筑完成并且达到100%的设计强度后方可下沉。沉井下沉前应结合工程的地质条件，制定具体的挖土计划，合理配备施工人员和机械设备。

初沉阶段沉井箱体大部分在地面以上，侧向土体的约束作用很小，稳定性较差，最容易产生偏移和倾斜。这个阶段应严格控制挖土程序和深度，需同时安排多个作业面对称均匀挖土。下沉阶段发生的倾斜应根据产生倾斜的原因及时纠偏，确保偏差在允许范围内。常规的纠偏方法是挖除沉井内刃脚高的一侧土方或在沉井高的一侧上进行配重。若沉井刃脚下土层软硬不均匀，可采用软土层压浆和换填处理的方法。对于刃脚下的障碍物要尽快破碎，并在其对称面增加阻力，避免产生倾斜。

由于在刃脚下设置了高压旋喷桩，沉井下沉过程是边凿除搅拌桩桩头，边下沉，因此较易掌握下沉速度，保证下沉稳定。搅拌桩在沉井施工中起到了较好的调节作用，当需要下沉时，只需凿除桩头，沉井即可凭自重克服土体摩擦下沉，一旦刃脚落至桩头即可止沉。当下沉至设计标高时，刃脚下的桩起到支撑作用，满足承载要求，避免出现地基承载力较低而发生的突沉现象。

3.2 施工过程的控制

沉井下沉过程的控制主要包括三个方面：（1）刃脚高差控制。（2）下沉速度控制。（3）平面位移控制。其中平面位移控制是通过刃脚高差控制和下沉速度控制来实现的。

3.2.1 刃脚高差控制

排水下沉时，由于不带水作业，故刃脚高差锅底的形成和移动都比较直观，根据高差的大小可以有效地改变锅底的大小，深浅和平面位置，以此来达到对刃脚高差的控制。

3.2.2 沉井下沉速度控制

沉井下沉速度控制也是一个重要方面。一般来讲，对沉井下沉速度没有严格的限制，需根据施工经验和沉井下沉的具体情况而定。该工程施工中主要按以下原则进行：

（1）在沉井刃脚高差不大时（在水平间距的0.5%以内），沉井的下沉速度越快越好。

（2）沉井的下沉速度均匀为宜。

（3）沉井在粉砂土等易引起涌砂的土层中下沉时，应加快下沉速度。

3.2.3 沉井平面位移控制

对沉井平面位移控制主要是通过控制沉井刃脚高差来实现，如果沉井刃脚高差不大，则沉井平面位移较易得到控制，它们之间的关系并无定量计算，但有一些联系：

（1）沉井哪个角下沉得快（即刃脚较低），则沉井就会向哪个方向移位。

（2）沉井刃脚高差大时，沉井位移量大。

（3）沉井始终在同一个方向的刃脚高差下下沉时，沉井位移量较大。

4 结语

由于施工中采取了相应的技术措施和施工方法，确保沉井的下沉稳定。工程质量的各项指标均达到设计和规定的要求。随着工程建设的需要和施工技术的发展，沉井将在基础工程中发挥越来越重要的作用。

[1]GB50141-2008，给水排水构筑物工程施工及验收规范[S].

[2]JGJ94-2008，建筑桩基技术规范[S].

[3]给水排水构工程结构设计手册[M].北京：中国建筑工业出版社.