沉井下沉纠偏技术

严国仙，韩举宇

（上海市政建设有限公司,上海市 200002）

管理施工

沉井下沉纠偏技术

严国仙，韩举宇

（上海市政建设有限公司,上海市 200002）

结合实际工程，针对沉井初沉阶段和终沉阶段均发生较大倾斜的情况，通过力学计算分析两种纠偏施工工艺。分别采用卷扬机横拉并结合井外除土、千斤顶顶推并结合井内除土的纠偏施工工艺进行纠偏，取得了良好的纠偏施工效果，确保了沉井的顺利下沉，为今后类似沉井的施工提供了借鉴。

沉井；横拉；顶推；纠偏

0 引言

软土地区沉井作为顶管施工的工作井有着广泛的使用，沉井下沉的施工质量往往影响着后续顶管的施工质量。沉井下沉施工过程中不可避免地会发生偏斜，因此纠偏施工至关重要。沉井的纠偏施工方法主要有井内偏挖除土纠偏、井顶堆载纠偏、井外堆载纠偏、井壁高压射水纠偏、钢丝横拉纠偏、顶推纠偏等。实际工程中采用堆载、井内除土的纠偏案例较多，采用钢丝横拉和顶推纠偏的案例较少，缺乏相关经验。本文通过对背景工程所分别采用的钢丝横拉和顶推纠偏方法进行计算分析，总结出了一些施工规律，可为同类工程提供借鉴。

1 工程概况

黄浦江连通管工程JD07#沉井，位于黄浦江南岸鱼塘，经过表土处理、换填砂垫层、浇筑素混凝土垫层后，在其上制作沉井结构。JD07#沉井外径10.6 m，内径9.0 m，净高13.7 m，接高段1.8 m，高宽比约为1.46,采用抓斗抓土下沉。主要穿越土层：③1灰色淤泥质粉质黏土、③1t灰色黏质粉土、③1灰色淤泥质粉质黏土、④灰色淤泥质黏土。

2 下沉施工所遇问题

JD07#沉井在初沉阶段向正东方向偏斜约11°，最大偏差达2 023㎜，终沉阶段向东北偏斜约4°，最大偏差达739㎜，远远大于规范所允许的偏差量1D%且不超过30 cm，因此必须进行纠偏。

3 初沉阶段纠偏

3.1 纠偏方案比选

初沉阶段，优先考虑在井内采取纠偏措施，其次考虑井外纠偏措施。

（1）采用井内偏挖除土纠偏的可能性分析

沉井刃脚高差最大约2 023㎜，且整体尺寸较小，高宽比较大，刚度小。由于倾斜的影响，抓斗抓土区域将减小，将影响偏挖施工。若继续在井内抓土，则锅底更易在低侧形成，低侧更容易下沉，故此方法不适用。

（2）井外纠偏措施可能性分析

井外偏填偏挖：采用堆载或者井外挖土的纠偏方法，因沉井刚开始下沉，入土深度较浅，且偏斜较大，此方法不适用。

井顶堆载：沉井直径较小，高度较高，缺乏堆载面，产生的纠偏力矩较小，此方法不适用。

井外射水：沉井下沉深度不够，摩阻力本身就很小，此方法不适用。

钢丝横拉：合理布置卷扬机并配合滑车组可提供较大水平拉力，且存在作业空间，此方法适用。

综合考虑，JD07#沉井选用在井外偏高一侧采用卷扬机配合滑车组，用钢丝绳横拉的方法进行纠偏。

3.2 卷扬机配置计算

3.2.1 力学简化

受力示意如图1所示。将沉井圆周单位长度重力G分解为垂直井壁的F1、平行井壁的F2。G=263.5 kN，F1=50.28 kN，F2=258.66 kN。其中F1、刃脚下的地基反力Rd、被动土压力Ep将产生抵抗力矩；F2、卷扬机拉力Fq将产生纠偏力矩；忽略右侧主动土压力的作用。

图1 纠偏受力示意

3.2.2 抵抗力矩Ma

（1）由F1所产生抵抗弯矩M1

式中：r为井壁截面重心到其中轴线的距离，4.944 m；d为距离，取6.347 m。

（2）由地基极限承载力反力Rd所产生的抵抗弯矩Md

式中：Rd为单位长度刃脚踏面及斜面下土的极限承载力，kN/m。

式中：f为地基极限承载力强度，kPa，取为淤泥质粉质黏土地基设计强度55 kPa的4倍[1]，即220 kPa；b为刃脚踏面宽度，0.6 m；n为刃脚斜面的水平投影宽度，0.6 m；r为反力Rd中心中轴线的距离,5 m。

（3）由被动土压力所产生的抵抗弯矩Mp

每延米所产生的土压力Ep：

式中：γ为土体重度，17.7 kN/m3；c为表示内摩擦角13 kPa；KP为被动土压力系数，1.86，为摩擦角，17.5°。

由Ep可计算出Mp：

式中：D为外径，10.6 m；d为Ep到刃脚底部距离，1.0 m。

因此总的纠偏抵抗力矩：

3.2.3 重力纠偏力矩M2

F2为重力G平行于井壁的分力，将对A点产生纠偏力矩M2。

式中：r为F2到中轴线的距离,4.944 m。

3.2.4 卷扬机所提供力矩

现场采用3台额定功率为11 kW，额定拉力为50 kN的卷扬机。滑车组采用钢丝绳走8门葫芦，可将拉力提高8倍，因此每台卷扬机所提供的拉力Fq=50×8=400 kN。卷扬机拉力Fq所产生纠偏力矩为Mq。布置情况如图2、图3所示。

图2 卷扬机平面布置示意

图3 卷扬机立面布置示意

每台卷扬机所提供的纠偏力矩计算公式为：

式中：β表示拉力Fq与倾斜轴线方向的水平夹角，分别取0°、20°；d为距离，取11.07 m。

综上，总的纠偏力矩Mb:

纠偏力矩Mb至少应大于纠偏抵抗力矩Ma，沉井才有可能被纠偏过来，这里考虑富余系数1.1。

因此采用3台额定功率11 kW,额定拉力50 kN的卷扬机是可行的。

3.3 纠偏实施

待卷扬机、滑车组、钢缆安装调试完毕后，一方面慢慢启动卷扬机并逐级增大至达到最大功率，施加拉力予以纠偏；另一方面，利用挖掘机配合挖除偏高一侧井壁外土体，降低被动土压力。纠偏效果良好，最终偏差满足规范要求。

4 终沉阶段纠偏

4.1 纠偏方案比选

（1）采用在井内偏挖除土纠偏的可能性分析

利用抓斗可在偏高一侧实现偏挖，但此时沉井已下沉约12.95 m，距终沉设计标高仅2.25 m。虽可偏挖，但势必深挖锅底，造成超沉，故此方案效果有限，且不利终沉稳定。

（2）井外纠偏措施可能性分析

井外偏填偏挖：沉井已下沉12.95 m，挖土深度大，此方法不适用。

井顶堆载：沉井直径小，堆载面较小，所产生的纠偏力矩亦较小，效果不明显。

井壁外高压射水+井内偏挖除土：井外高压射水可减小井壁与土层的摩阻力，也将减小被动土压力，配合井内挖除刃脚下土体，但井直径较小，效果亦不明显。

千斤顶顶推：千斤顶可提供较大的水平推力，井直径较小，在终沉阶段此方案适用；同时配合井内偏除土，纠偏效果较好，并有利于终沉的稳定。

综合考量，JD07#沉井终沉阶段采用千斤顶横向顶推并辅以井内偏除土的纠偏方案。

4.2 施工布置

在偏低的一侧，沿着倾斜方向两侧对称布置2台100 t千斤顶，千斤顶后设置厚度为100 mm钢板作为后靠，后靠钢板通过打入地下的4根20#6 000 mm的槽钢钢板桩（可因地取材）进行固定。布置情况如图4、图5所示。

图4 顶推系统平面示意

图5 顶推系统剖面示意

现场安装时，应注意对称布置千斤顶，后靠钢板应与千斤顶保持垂直，打入的槽钢钢板桩应沿着后靠钢板中心线对称均匀布置，其与后侧土体共同为后靠钢板提供稳定支撑。

4.3 力学估算

受力分析如图6所示。F1、刃脚下的地基反力Rd、被动土压力Ep将产生抵抗力矩；F2、千斤顶推力Ft、主动土压力Ea将产生纠偏力矩。

图6 纠偏受力示意

4.3.1 抵抗力矩Ma

（1）由F1所产生抵抗弯矩M1

式中：r取4.944 m，表示井壁截面重心到其中轴线的距离；d取6.347 m表示井壁截面重心到刃脚A点的距离。

（2）由地基极限承载力反力Rd所产生的抵抗弯矩Md

式中：Rd为单位长度刃脚踏面及斜面下土的极限承载力，kN/m。式中：f为地基极限承载力强度kPa，取为淤泥质黏土地基设计强度60 kPa的4倍[1]，即240 kPa；b为刃脚踏面宽度，0.6 m；n为刃脚斜面的水平投影宽度，0.6 m。r为反力Rd中心中轴线的距离,5 m。

（3）由被动土压力Ep所产生的抵抗弯矩Mp

沉井高起一侧所受被动土压力Ep将很难达到[3]，近似认为Ep≈E0，其中E0代表静止土压力。首先计算沿井周每延米所产生的土压力E'0：

式中：γ为土体重度，17.2 kN/m3；h为土体高度，12.95 m；K0为静止土压力系数，本标段岩土工程勘察报告建议值为0.65；R为沉井外径，5.3 m。

沉井高起一侧土体径向土压力采用正弦函数分布模式，如图7所示，即Ex=E'0sinθ[4]。

图7 高起一侧土压力分布

其中Ex表示土压力正弦函数分布区域内沿井周任意位置处的土压力值，所以可得土压力合力为：

所以，由沉井高起一侧土体土压力所产生的抵抗弯矩M0为：

因此总的纠偏抵抗力矩：

4.3.2 纠偏力矩Mb

（1）F2所产生纠偏力矩

式中：r为F2到中轴线的距离,4.944 m。

（2）千斤顶所提供的纠偏力矩Mt

式中：d为表示距离,14.5 m。

（3）由沉井低陷一侧土体主动土压力所产生的纠偏弯矩Ma

E'a表示沿井周每延长米主动土压力,有：

式中：γ为土体重度，17.2 kN/m3；c为表示内摩擦角，11 kPa；Ka为主动土压力系数，Ka=tan（45°-12.95 m。

沉井低陷一侧土体径向土压力采用正弦函数分布模式，如图8所示，Ex=E'asinθ，其中Ex表示土压力正弦函数分布区域内沿井周任意位置处的土压力值。

图8 偏低一侧土压力分布

可得低陷一侧土体土压力合力为：

设z0为主动土压力的临界深度，则有:

所以，由沉井低陷一侧主动土压力所产生的抵抗弯矩Ma为：

综上，总的纠偏力矩Mb：

纠偏力矩Mb至少应大于纠偏抵抗力矩Ma，沉井才有可能被纠偏过来。

背景工程的沉井较小，因此采用2台100 t千斤顶进行纠偏能满足要求。

4.4 纠偏实施

为了使千斤顶所提供的推力发挥最大作用，同时也为减小钢板桩对土体的压力，实际纠偏施工过程中：首先利用挖掘机挖除偏高一侧井壁外围的部分土体，以削弱被动土压力；其次在井内挖除偏高一侧刃脚下方的土体，以削弱地基反力，降低抵抗弯矩。

纠偏施工顺序：挖除偏高一侧井壁外围的部分土体→井内抓斗配合挖除偏除土→千斤顶顶推→井内抓斗配合偏除土→千斤顶顶推。反复多次，直至偏差符合规范要求。实际施工中，经过多次开挖与顶推，JD07#最终偏差满足规范要求，纠偏效果较好。

5 结语

结合背景工程的沉井纠偏实施，针对初沉阶段和终沉阶段分别采用卷扬机横拉、千斤顶顶推并结合井内、井外偏除土的纠偏施工工艺，取得了较好的纠偏施工效果，确保了沉井的下沉安全和稳定，可为今后类似工程提供借鉴。

[1]DG/TJ08-2084-2011,沉井与气压沉箱施工技术规程[S].

[2]JGJ120-2012,基坑工程技术规范[S].

[3]刘国彬，王卫东.基坑工程手册[M].北京:中国建筑工业出版社，2009.

[4]陆凤池，叶海桃.顶管工程中沉井水平承载力研究[J].建 筑 结构，2012，11（4）：523-526.

TU990.3

B

1009-7716（2017）09-0113-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.09.033

2017-06-13

严国仙（1967-），女，上海人，教授级高级工程师，长期从事地下工程、顶管盾构等非开挖工程及沉井工程的施工技术工作。