超深、大长细比沉井关键技术研究

王峥

（上海宏波工程咨询管理有限公司，上海市 201707）

超深、大长细比沉井关键技术研究

王峥

（上海宏波工程咨询管理有限公司，上海市 201707）

以白龙港南线输送干线SST1.2标过江管为例，主要阐述超深、大长细比沉井施工中的关键技术和控制措施，着重阐述了沉井分层、减阻措施、下沉工艺以及沉降控制等。

超深沉井；分层；减阻；沉降控制

0 引言

随着城市化的发展，一线城市的地上空间、地下浅层空间开发日趋饱和，市政基础设施如污水干线、地铁等新（改）建公共管线势必向尚未开发的城市深层土中开发，此类深埋管线的施工阶段需临时实施的工作井（转折井）深度也随之不断加深，在上海等软土地基环境下开挖超过30 m的基坑通常采用地下连续墙等围护结构形式，但由于地下连续墙施工工艺所使用的大型机械设备多，以及钢筋笼的制作和吊装，需要大面积的施工场解决了超深、大长细比沉井制作、下沉、减阻、减少周围沉降等施工难题和质量通病。

1 工程概况

上海市城市环境项目APL三期城市污水管理子项目（上海市污水治理白龙港区域南线输送干管完善工程）浦西过江管及连接管主要工程，管道自华泾路提升泵站穿越黄浦江，沿林浦路，S20公路至济阳路交汇井（见图1），总长3 705 m，其中过江管Φ2700，L=1 105 m；浦江连接管Φ2700，L=2 575 m，均采用“F”型钢承插口式钢筋混凝土管，楔形橡胶圈接口，管道平均埋深6.00～10.20 m。包括顶管工作井3座，顶管接收井4座。

1.1 W2#井沉井概况

W2#井为过江顶管的工作井，采用沉井工艺实施，内径为Φ11 m，沉井总高度30.61 m，井壁厚度为1.3 m，长细比达到2.25∶1。沉井井壁、底板混凝土强度等级为C35，抗渗等级为P10，混凝土垫层强度等级为C25水下混凝土。

图1 工程地理位置图（单位：m）

1.2 工程地质

W2工作井位于S20南侧400 m，林浦路东侧35 m绿化带内，地面标高为+4.97 m。在井位西南方向距离井边12.70 m处有砖砌一层民房，为砖砌结构无基础；距井位南侧14.83 m处有一高压电线杆；井位西侧36.37 m处有一电力管线100×100（4孔直埋有盖板）埋深0.8 m；通过勘查资料及实地排查，施工现场无其它地下管线。

沉井施工时主要涉及的土层为：①1杂填土、②1褐黄色粉质粘土、②2灰黄色粉质粘土、③1灰色淤泥质粉质粘土、③t灰色粘质粉土、④1灰色淤泥质粘土、⑤1灰色粘土、⑤2-1灰色砂质粉土夹粉质粘土、⑤2t灰色粉质粘土夹粘质粉土、⑤2-2灰色粉砂、⑤3-1灰色粉质粘土、⑦1草黄～灰黄色砂质粉土。沉井封底时，刃脚处于⑦1草黄～灰黄色砂质粉土。

2 沉井分节制作、分次下沉分析

2.1 设定分节数量、下沉次数

沉井为现浇钢筋混凝土结构物，分层制作和分段下沉划分方案是沉井施工中首先需确定的，对超深沉井的顺利实施起到关键作用，确定划分方案的因数主要包括：结构尺寸、地质条件、工期影响、成本因数、安全因数、环境因数等。制定方案过程中需权衡以上因数，综合、系统的进行分析，初步设定分层数量和下沉次数后，通过理论计算加以验证，如理论计算不满足要求，重新进行划分，直至满足理论计算。

如本工程沉井高度为30.61 m，属上海软土地基，目标工期为4个月，通过反复论证和计算，最终确定采用五次制作两次下沉，第一次、第二次、第三次制作共15.00 m，采用排水下沉；第四次、第五次制作共15.60m，沉井下沉至标高-19.64 m采用排水下沉，因⑤3-1层为灰色粉质黏土流塑性强，干沉至⑤3-1层上1.55 m时开始采用不排水下沉直至设计标高，见表1。

表1 沉井分层制作、分次下沉表 m

2.2 理论计算

沉井制作和下沉主要计算沉井下沉、下沉稳定性、接高稳定性等系数。通常情况下，1.05≤下沉系数≤1.25，下沉稳定性系数小于1.0，接高稳定性系数小于1.0。

（1）第一次下沉系数验算

式中：Kst1为第一次下沉系数；G1k为沉井自重标标准值（kN）；Ffw,k为下沉过程中水的浮托力标准值（kN）；Ffk为沉井外壁总摩擦阻力标准值（kN），Ffk= U×（H-2.5）×f=43.33×（13.5-2.5）×15=7 149.45 kN；F1为沉井内壁、十字底梁总静摩阻力标准值（kN）。

式中：U1为沉井的内壁周长34.54（m）；H1为刃脚插入土体深度4.0（m）；U2为十字底梁周长40（m）；H2为十字底梁插入土体深度3.0（m）；f为土与井壁的单位面积静摩阻力（15 kPa）。Kst1=(G1k－ Ffw,k)/（Ffk+F1）=1.89＞1.05；满足要求。

（2）第一次下沉稳定性进行验算

式中：F′fk为验算状态下井壁总摩阻力标准值（kN），F′fk=U×（H-2.5）×f=43.33×（13.5-2.5）× 15=7 149.45 kN；U为沉井的周长43.33（m）；H为沉井入土深度（m）；Rb为沉井刃脚、隔墙和底梁下地基土的极限承载力之和（kN），Rb=F×R极= 57.99×240=13 917.6 kN；F为刃脚、底梁支撑面积57.99（m2）；R极为踏面位于⑤1层灰色黏土，踏面下土的极限承载力取240 kPa；F1为沉井内壁、十字底梁总静摩阻力标准值（kN），F1=U1×H1×f+U2× H2×f=3 872.4 kN；Kst,1=（G1k－F′fw,k）/（F′fk+Rb+F1）= 0.84。故符合kst,s＜1.0,满足要求

（3）沉井接高稳定性措施与计算

在沉井接高施工前必须按地基承载力和沉井接高后的总重量验算下沉穏定系数，以保证刃脚下地基的稳定性，从而防止沉井出现失稳现象。主要采用以下两种稳定性措施：

一、沉井第一次下沉结束后，向井内分层回填黄土，使沉井部分刃脚埋置于黄土内，增加刃脚踏面的承载面积的同时提高刃脚下土体极限抗承载力；

二、回填3.0 m黄土完成后，向井内回灌水至标高+3.36 m,提高沉井浮力的同时可提高刃脚下土体极限抗承载力。

接高稳定性系数K=(G自重-F浮)/(Ffk+Rb)

a.第五次接高至30.61 m时，沉井自重G自重=38 219.68 kN；

b.回灌水高度为起沉标高+3.36，F浮=8563.3 kN；

c.第五节接高时，沉井井壁单位静摩阻力标准值f取15 kPa,所受静摩阻力为Ffk；Ffk为沉井外壁、内壁、十字底梁总静摩阻力标准值（kN）。

Ffk=U1×H1×f+U2×H2×f+U3×H3×f=10 659.51 N式中：U1为沉井的外壁周长43.33（m）；H1为沉井入土深度14（m）；U2为沉井的内壁周长34.54（m）；H2为刃脚插入回填黄砂深度3.8（m）；U3为十字底梁周长40（m）；H3为十字底梁插入回填黄砂深度3.0（m）；f为土与井壁的单位面积静摩阻力（15 kPa）。

d.地基承载力为Rb=F×R极=（54.51+33.6）× 240=21 146.4 kN；

F为刃脚、底梁踏面面积（接高时，沉井回填黄土至隔墙踏面以上1.5 m，刃脚斜面全部埋置黄土中，计算刃脚踏面时取投影面积）；

R极为踏面下土的极限承载力（取240 kPa），踏面处于踏面位于⑤1层灰色黏土。

接高稳定性系数K=(G自重-F浮)/(Ffk+Rb)= 0.93＜1.0

通过以上计算，第五次接高时，地基承载力、井壁静摩阻力之和大于沉井自重、水的浮托力之差，故接高稳定性满足要求。下沉系数、稳定性统见表2。

表2 下沉系数、稳定性统计表

3 超深沉井下沉减阻措施

由于本工程沉井高度高，沉井井壁与周围土体接触面积大，沉井下沉过程中若周边摩阻力大，将影响沉井的正常下沉，为减少沉井下沉井壁摩阻力，本沉井下沉过程采用泥浆套结合气幕法的减摩措施，

3.1 井上灌浆

沉井下沉过程中，在施工场地布置膨润土搅拌箱，当刃脚完全沉入土体中后，开始将搅拌后的膨润土浆液自流填充至沉井周围，直至沉井下沉结束。目的是在沉井井壁接触土体前，形成泥浆套，确保泥浆套形成的效果。

3.2 井下压浆、气幕措施

沉井深入土层后，受土压力影响，沉井周围土体将紧紧包括沉井，为使泥浆套发挥润滑作用，且补充泥浆套中的泥浆，在井壁标高-20 m、-13 m、-5 m三个水平面标高位置分别预埋注浆管，水平面间隔2 m设置一根1寸注浆管（内设单向阀），同时在井壁标高-19 m、-12 m、-4 m三个水平面标高位置分别预埋气幕管，气孔水平间隙30 cm，孔径4 mm。当每层注浆管下沉至起沉标高以下时，该层注浆管开始向井壁四周压注膨润土浆液。视沉井下沉效果，若下沉较慢、沉井偏斜较大时，启用气幕措施，利用高压气体对井壁进行冲刷，同时对紧贴井壁周围的土体进行剪切破坏，降低黏结力，见图2。

图2 沉井注浆管、气幕管预埋布置图（单位：m）

主要作用：

（1）减少摩阻力的同时减少沉井下沉的带土现象防止周围土体坍塌，保护周边建筑物；

（2）使沉井井壁四周摩阻力均匀，易于纠偏，有利于沉井稳定下沉，并且有效防止突沉情况发生。

4 超深沉井不排水下沉工艺

沉井接高后，第二次下沉至标高-19.64 mm前采用排水下沉，因⑤3-1层为灰色粉质黏土流塑性强，排水下沉至⑤3-1层上2.65 m时开始采用不排水下沉直至设计标高。采用不排水下沉应保持井内水位，下沉施工过程中必须严格控制井身垂直度、倾斜度、标高等各项指标，确保其偏差在允许规范范围内。

传统的沉井不排水下沉，需大量潜水员进行水下作业，不仅工期长，人员安全也带来很大隐患。本工程中，采用水下机械冲土和吸土系统，在下沉过程中不发生潜水员作业，也实现了24 h全天侯下沉作业的目的，大大提高下沉数度。具体工艺为：使用高压水泵将高压水流通过进水管分别送进沉井内的高压水枪和水力吸泥机，利用高压水枪射出的高压水流冲刷土层，使其形成一定稠度的泥浆汇流至积泥坑，然后用水力吸泥机将泥浆吸出。由于沉井总高度为30.61 m，对泥浆泵的扬程要求高，现场选用泥浆泵的功率为55 kW，扬程45 m。

冲粘性土时，宜使喷嘴接近90°角冲刷立面，将立面底部冲成缺口使之坍落。挖土顺序先中央后四周，并沿刃脚流出土堤，最后对称分层冲挖，不得冲空刃脚踏面下的土层。施工时，应使用高压水枪冲入井底的水量和外部掺入的水量与水力吸泥机吸出的泥浆量保持平衡。

水力机械冲泥的主要设备包括吸泥器（水力吸泥机或空气吸泥机）、吸泥管、扬泥管和高压水管、离心式高压清水泵、空气压缩机（采用空气吸泥时用）等。吸泥器内部高压水嘴处的有效水压与扬泥所需要的水压的比值平均约为7.5，见图3。

图3 水力吸泥机在水中冲吸土工艺示意图

在吸泥的时候，应使各种土成为适宜稠度的泥浆的比重：砂类土为1.08～1.18；粘性土为1.09～1.20。吸入泥浆所需的高压水流量，约与泥浆量相等，吸入的泥浆和高压水混合以后的稀释泥浆，在管路内的适当流速应不超过2～3 m/s。喷嘴处的高压水流速一般约为30～40 m/s。

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实际应用的吸泥机，其射水管截面与高压水喷嘴截面的比值约为4～10，而吸泥管截面与喷嘴截面的比值约为15～20。可吸出含泥量约为5～10%，提升高度为35～40 m，喷射速度3～4 m/s。吸泥器配备数量按沉井大小及土质而定，一般为2～6套。75型、78型水力机械吸泥机特性见表3。

水力吸泥机冲土，适于在粉质粘土，轻质粘土，粉质砂土中使用，使用不受水深限制，但其出土率则随水压，水量的增加而提高，必要时应向沉井内注水，以加高井内水位。在淤泥或浮土中使用水力机械吸泥时，应保持井内水位高出井外水位1～2 m。

具体措施如下：

（1）合理安排吸泥设备，保证大锅底的形成；

（2）空气吸泥机排水量大，为保证井内水位平衡，用低压水泵向井内补水;

（3）井内水位高于井外地下水位；

（4）吸泥管口离开泥面高度控制在15～20 cm，水枪压力大于2.0 MPa；在吸泥时，要进行移动位置，以提高泥浆浓度；

（6）冲浆：沉井施工人员服从指挥台的统一指挥，注意分层对称冲浆，不能单边冲浆，每层厚度不得超过0.5 m，冲浆应由中心向外围冲，掌握沉井的重心，不能将沉井的刃脚抽空，刃脚边始终要保持不少于0.5 m宽的泥浆，在离设计下沉底标高1.5 m以上时应将井底冲成锅底式，在1.5 m以下时，将井底冲平，一层冲浆厚度不得大于0.2 m。沉井下沉过程中，当沉井的倾斜未达到允许值的1/4时，应及时采取纠偏措施。

5 控制沉井下沉周围土体沉降措施

为减少沉井下沉对周围环境特别是附近民房建筑物的影响，并确保沉井安全质量控制得到保障，在W2#井沉井施工前，围绕井壁外3 m布置双排三轴搅拌桩，深度为31 m，见图4、图5。

图4 隔离桩平面布置图

表3 75型、78型水力机械吸泥机特性表

图5 隔离桩平面剖面图

主要作用：

（1）隔断⑤3-1层以上土体地下水、微承压水（⑤2-1、⑤2-2），有效防止沉井下沉过程地下水渗入沉井基底，防止发生流砂、管涌、隆起等不良现象，引起周围土体沉降；

（2）圆形封闭的围护结构形式，对沉井周围土体起到支护作用，降低沉井下沉的带土影响，防止周边土体坍塌，保护沉井周边地面建筑物。

沉井下沉完成后，经地表沉降观测点监控，周围土体沉降剖面见图6。

图6 周围土体沉降剖面图

根据以往工程实例，沉井下沉对周边沉降影响的范围为沉井下沉深度为半径的圆周面，而采用搅拌桩作为隔离的措施可大大减低沉井下沉对周围的沉降影响，如沉降观测图所反映的沉降范围是以往沉井影响范围的50%。

6 结 论

通过本工程中对超深、大长细比沉井关键技术的研究和实施，使本沉井在4个月的时间内顺利完成沉井的制作、下沉和封底作业，沉井的各项质量指标达到设计和规范要求，且对周围的房屋建筑、高压电线杆等周围的建（构）筑物未产生明显的沉降影响。本沉井的成功实施，给今后上海软土地基条件下超深（下沉深度超过30 m）沉井施工提供良好的经验积累，提高了沉井的适用性，为超深基坑在城市狭小的施工环境中采用沉井作为围护结构的可行性提供依据。

TU992.05

B

1009-7716（2017）08-0175-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.08.054

2017-05-10

王峥（1970-），男，江苏江阴人，工程师，从事工程监理工作。