软弱地质条件下大直径钢壁沉井施工技术

王 虎 上海铁路局沪杭铁路客运专线股份有限公司

1 工程概况

新建沪杭高铁沪杭高速特大桥主跨跨越沪杭高速公路设计为一联（88.8+160+88.8）m自锚上承式拱桥，采用“先支架现浇、后转体就位”的施工工艺。位于沪杭高速公路两侧的两个主墩承台设计平面尺寸19.1m（顺桥向）×22.9m（横桥向）×6.5m，为尽量避开高速公路的边坡，承台四角作切角处理，切角尺寸为2.25m（顺桥向）×4.2m（横桥向）。承台分为上下两层，两层之间设计有0.9m的平转空间。

桥位处第四系地层发育，表层为人工填土层（Q4ml），层厚 0.5～3m，基本承载力100kPa；下伏第四系全新统淤泥质黏土、黏土、粉土、粉砂，层厚 20～60m，基本承载力80kPa。考虑到一方面地质条件较差且防护施工时间非常有限、另一方面受到转体施工影响，基坑顶面6.5m范围内无法设置内支撑等因素，最终确定基坑防护采用圆型钢壁沉井方案。

2 钢壁沉井总体施工方案

沉井内径30.0m，外径32.8m，壁厚1.4m，总高度12.0m，共等分为四层，其中刃脚部分3.0m单独成一层，其余三层为接高层。根据运输和现场起吊能力，将每层围堰沿圆周方向按36°角等分为10块，刃脚、壁板、隔舱预先在钢结构厂内分块、分片加工，运输到位后现场逐层拼装成型、逐层填充C30混凝土，取土开挖下沉到位后接高再填充混凝土再下沉，直到下沉到位。钢壁之间填充混凝土主要起下沉配重作用，为主要的助沉措施(套箱结构见图1)。

图1 围堰结构图

3 双壁钢套箱沉井制作及下沉

3.1 拼装定位桩施工

由于套箱采用现场逐块、逐层拼装成型方案，为保证拼装过程安全及轴线位置准确，刃脚拼装前需要设置定位桩。定位桩采用施工现场的φ320mm钢管桩，分别布置在套箱内外两侧。

3.2 垫层施工

考虑到套箱拼装处地层较软弱、地基承载力很低，为防止拼装期间因基础发生不均匀沉降造成拼装困难或刃脚部分混凝土填充完成后顶面高差太大造成下沉纠偏困难，在拼装前采取换填法提高地基承载力，确保首节刃脚结构的稳定。由于表面基本承载力100kPa的人工填土层较较薄，换填宕渣的厚度控制在1.5m以内。另外，由于施工区域距离既有河流较近，置换开挖前首先设置一降水井，防止因排水不及时造成宕渣垫层承载力迅速下降。

3.3 垫木设置

对换填的宕渣顶面大致整平后，在其顶面铺设5cm厚5～10mm的碎石进行准确找平。采用沿刃脚圆周均布枕木的办法来扩大承载面积，枕木沿径向布置，单根长1.0m，采用双根一组，环向间距1.0m。

3.4 刃脚拼装及混凝土施工

利用75t履带吊进行套箱刃脚拼装，拼装过程中随时检查垫木的压缩变形及沉降量，确保刃脚顶面标高一致，拼装完成后用φ20mm拉杆对内外壁板进行对拉加固，确认检查无误浇注混凝土。内外壁板之间采用C30混凝土进行填充，混凝土浇注严格把握径向严格对称、环向均衡的原则，且要全程对顶面标高进行监控测量，发现局部下沉量过大的情况应及时采取措施。

3.5 下沉施工

填充混凝土强度达到设计强度的60%后，套箱沉井下部基本形成了一个刚性的整体，可以开始下沉。

3.5.1 垫木抽除

下沉前首先将垫层顶面布置的垫木进行切断抽除，切除过程必须严格按照对称原则进行。首先将操作工人分为四组，每组两人，四组操作工沿围堰圆周对称分布，一组中一名工人负责将枕木紧贴套箱的外壁板切断，另一名工人负责将另半截枕木移除，并有专人负责跟踪检查，确保枕木不对后续下沉施工造成阻碍。

3.5.2 取土下沉

采用两台中等臂长的挖机在沉井内沿刃脚周边对称开挖并将弃方统一堆码到沉井中心位置，由两台长臂挖机由内向外出土外运的方案进行下沉。下沉过程中重点需解决均匀平稳下沉、下沉纠偏和止沉的难题。

下沉过程中随时进行土体摩阻与沉井重量的相互关系分析，确定适宜的取土办法，控制取土位置及取土量，据此指导操作。

①环向对称。将两台同等规格的挖机沿刃脚环向对称布置，各自负责环向一半的开挖任务，严格按照起点对称、开挖速度对称、终点对称的原则进行作业。开挖前沿刃脚四周每5m做一个明显的里程标识，开挖过程中由专人跟踪开挖速度，确保过程三对称。

②竖向对称。开挖前首先要求两名挖掘司机进行试操作，明确每层开挖的标准深度后开始进入正常开挖阶段，过程中逐段检查、对比，确保竖向对称开挖。

3.5.3 纠偏

下沉过程中一旦发现有倾斜趋势或已经产生较大倾斜，必须先纠偏后再正常下沉。

①井内偏出土。停止低侧开挖，集中进行高侧开挖，开挖过程中严格控制一次开挖深度不能太大并加大监控测量密度，防止反向倾斜。

②局部配重。首先根据下沉过程中积累的相关参数粗略计算需要配重的数量及范围，采用在高侧沉井顶面加混凝土预制块的方式进行局部配重。配重过程中随时进行观测，如配重后仍然无法纠偏，则在带配重工况下开挖，控制开挖的范围及深度，严格把握由小到大、由浅到深的原则。

3.5.4 止沉

大直径沉井在下沉过程中，由于其自重大的特点，下沉时侧壁摩阻力对沉井下沉的影响程度相对较小，特别是在软弱的淤泥质土层中下沉时更是如此，因此施工中经常需借助于刃脚反力来对沉井下沉速率进行控制。

根据逐层下沉过程中积累的经验数据并结合地层资料，分析确定侧壁摩阻力的大小，当侧壁摩阻力不足以控制沉井下沉速率时，适当保留刃脚下部分土体，靠刃脚反力和侧壁摩阻力共同控制沉井下沉速率。

3.5.5 围堰接高、下沉

首节沉井下沉到位后，现场进行接高拼装，填充混凝土后开挖下沉，最后一节沉井顶面标高需严格控制，确保下沉深度满足要求且距离地面的高度满足阻水要求（沪杭高铁跨沪杭高速公路转体桥基础沉井施工现场见图2）。

图2 沪杭高铁跨沪杭高速公路转体桥基础沉井施工现场

4 沉井封底

沉井下沉至设计标高后，即可进行封底施工。考虑到大直径沉井一次封底施工较困难，因此沉井一般均采取分格分块封底方法。封底施工时遵循均衡对称的原则。封底混凝土一般浇筑成锅底状，其原因在于封底混凝土一般采取素混凝土，抗剪性能差，浇筑成锅底状可使剪应力扩散至井壁，防止封底混凝土受剪破坏。封底过程中需在内壁位置对称预留集水井，以便后续施工过程中排水。

5 沉井施工对周边土体沉降及建筑物的影响

5.1 影响因素分析

沉井施工过程中，除刃脚会对土体造成挤压外，井壁与周边土体的摩擦会造成井壁带土下沉；下沉过程中的纠偏对土体有局部较大扰动；随着井内外壁之间的高差越来越大，会引起周边土体局部应力释放，引发土体自井外向井内的滑移甚至基底隆起。基于以上原因，施工需采取措施减小对周边土体或建筑物的扰动。

5.2 消除或减小影响的措施

通过在沉井与既有建筑物之间设置围护措施来减小或消除扰动影响，围护可采取钢板桩、抗滑钻孔桩等形式。

5.3 加强变形观测

重点加强沉井水平位移观测、周边建筑物高程及位移观测、沉井周边土体有无局部塌陷和开裂情况，确保周边建筑物的安全。

6 结束语

大直径沉井在软弱地质条件下施工，由于其下沉系数偏大，一般不需要特别的助沉措施，特别在下沉的中间阶段并不是下沉越慢越好，最好能使沉井保持一个较快并且均匀的下沉速度，有利于控制井外土体向井内的滑移，减小对周边环境的影响。同时应根据不同的地质情况，采取有针对性的事先计算、分析或其失稳它辅助措施避免、倾斜、下沉过多，确保沉井施工安全。