大型沉井干作业施工技术研究

卫军明 郭延义 沈 佳

1. 上海建工二建集团有限公司 上海 200080；2. 上海建筑工程逆作法工程技术研究中心 上海 200080

1 工程概述

1.1 工程概况

虎林排水系统新建工程项目位于上海市宝山区，北至泰和路，南至蕰藻浜，东至沈师浜，西至杨盛河。工程主要内容为新建雨水泵站1座，包括雨水泵房、进水闸门井及进水箱涵、出水箱涵及排放口，新建检查井、顶管工作井及顶管接收井，敷设雨污水管（图1）。

图1 工程平面示意

1.2 泵房概况

本工程雨水泵房为四边形钢筋混凝土构筑物，平面尺寸为30.8 m×24.7 m，总高度14.8 m，面积为760.76 m2，采用沉井法施工，沉井底板厚600 mm，井身侧墙厚850 mm，结构顶板厚200 mm。地基基础设计等级为丙类，抗震等级为二级。

1.3 水文地质概况

1.3.1 工程地质概况

本工程场地地基土45 m深度范围内从上至下依次为：①1-1层杂填土、①1-2层素土、①2层浜土、②1层粉质黏土、②2层砂质粉土、③层淤泥质粉质黏土、④层淤泥质黏土、⑤1层黏土、⑤2层砂质粉土、⑤3层粉质黏土、⑤4层粉质黏土、⑥层粉质黏土、⑦层砂质粉土、⑧层粉质黏土夹粉土。

1.3.2 水文概况

本场地内浅层的潜水对工程有影响，水位埋深变化受潮汛、降雨、地表水的影响，年平均水位埋深为0.5～1.5 m。通过地质勘查，场地内地下水稳定水位标高介于3.13～3.38 m之间。

场地内第⑤2层有微承压水、⑦层有承压水分布，⑤2层顶埋深19.2～23.2 m，⑦层顶埋深21.0～32.3 m。查阅上海地区历史观测资料，本工程场地内微承压水水头埋深一般在3～11 m，承压水水头埋深一般在3～12 m，水头埋深随季节呈周期性变化。

2 方案比对选择

沉井下沉方法分为干作业与湿作业2种[1-2]。干作业法是在挖土前，将沉井深度范围内的地下水排干，然后采用人工或者机械在坑底挖土，利用吊车等工具将土从井中运走，从而让结构慢慢下沉的方法；湿作业法是采取水中挖土的方法，在施工前不降低地下水，直接采用抓斗、吸泥机等工具，进行井内取土作业，使结构慢慢下沉。与湿作业法相比，干作业沉井的操作环境较好，容易控制挖土深度及范围，有利于控制沉井下沉速度，同时，在施工中有利于发现和清除土中障碍物，也有利于纠正井身结构下沉时可能发生的倾斜及位移。通过2种方式的对比，考虑到本工程泵房的结构较大，最终采取干作业沉井进行施工。

3 工程特点及难点分析

1）超大型泵房结构制作难度大。本项目雨水泵房为四边形钢筋混凝土构筑物，结构自重约3 500 t，在施工时，由于结构平面尺寸大，且结构施工高度超过8 m，存在高支模作业，施工困难，同时，结构自身较重，需要对刃脚、垫层作处理，加大受力面，确保结构稳定。

2）超大型沉井施工难度大。本工程沉井施工为带框架及隔墙整体下沉，属于超大型沉井施工，结构下沉速度控制要求高、难度大。同时，在沉井施工过程中，井身结构下沉可能不均匀，容易出现位移、倾斜等情况，施工控制难度大。

3）周边环境复杂，建筑物保护难度大。本基坑南侧为钢框架独立基础建筑，距离本基坑约16 m，西侧为杨盛河，河道上徐家宅桥距离基坑约65 m，施工保护要求高、难度大。本工程泵房基坑四周采用长16.2 m的双排φ800 mm高压旋喷桩止水加固，坑底采用压密注浆满堂加固，且在施工前设置疏干井降低基坑内水位，并设置4口承压井，在施工过程中，根据沉井深度及承压水水位状况，合理降低承压水水位；同时加强对徐家宅桥及周边建筑物的监测，控制沉降变形，减少对周边环境的影响。

4 关键施工技术

4.1 沉井制作技术

4.1.1 刃脚支设

根据井身自重、地基土承载力及施工荷载，在沉井结构下部设置刃脚。施工中常用的刃脚有垫架法、砖砌垫层等。根据施工条件，本工程沉井刃脚施工采用垫架法，在施工时，先在刃脚下铺设1层砂垫层，随后在垫层上面设置垫木（15 cm×15 cm木方）和垫架，垫架数量根据制作的井身质量及垫层承载力确定（图2）。

图2 沉井刃脚设置示意

4.1.2 垫脚基础计算

刃脚垫木的数量，根据首节沉井结构的自重与垫层的承载力确定。根据测算，砂垫层上每米需铺设垫木5.5根，即垫木间距为0.18 m。

本工程井身刃脚下垫层为砂垫层，其厚度根据首节井身自重及垫层承载力确定。经过公式计算，砂垫层铺设厚度为1.1 m，宽度为2.5 m。

4.1.3 沉井结构制作

首先在刃脚部位铺设砂垫层，其上设置垫木及垫架，垫木采用15 cm×15 cm木方，垫架数量根据首节井身自重及砂垫层的承载力来确定，间距0.3～0.5 m，垫架对称设置。垫木及支架设置好之后，其上设置刃脚及井壁模板，在钢筋和模板施工完成后浇筑混凝土。

4.2 下沉施工技术

4.2.1 井身结构下沉

在井身结构下沉施工前，必须先对井身结构能否只依靠其自身质量下沉进行计算，在井身结构下沉过程中，井身结构必须克服土层对井身下沉所产生的摩擦力f及下部土层对刃脚的反作用力，其比值称为下沉安全系数l。在计算沉井井壁和土层间摩擦力时，假设摩擦力随着井身下沉深度不断增大，当井身下沉至5 m深时，摩擦力最大，当井身下沉深度大于5 m后，摩擦力保持不变。

本工程项目井身结构分为2节制作、2次下沉，首节井身制作高度为7 m，第2节井身制作高度为5.2 m。经过计算，首节井身结构的下沉安全系数l1=1.48，满足井身下沉要求；第2节井身结构的下沉安全系数l2=1.52，满足井身下沉要求。

4.2.2 基坑降水

本工程沉井采用干作业法施工，沉井开挖深度达14.6 m，采用深井降低基坑内地下水位。施工前在基坑内布置6口φ650 mm、深16 m的疏干井来降低基坑内水位。

场地内第⑤2层有微承压水、⑦层有承压水分布，⑤2层微承压水层层顶最浅埋深19.20 m，⑦1层承压含水层层顶最浅埋深21.00 m，根据DBJ 08-37—2012《岩土工程勘察规范》第12.3.3条，将下部承压水含水层的顶托力对基坑的稳定性进行验算。经计算，本工程基坑开挖深度超过10.5 m时，基坑稳定性达到临界状态，因此在基坑四边设置4口减压井，在施工过程中，根据施工进度及承压水水位高低状况合理降低承压水位。

4.2.3 沉井内土方挖运

本工程沉井施工土方开挖采取机械挖土与人工挖土相结合的形式，在基坑边设置1台抓斗式挖掘机，将基坑中部土方挖出，对基坑内邻近井壁的土方采用人工开挖，再用抓斗式挖掘机吊运。开挖过程中，严格控制开挖深度，防止超挖。

基坑内挖土从中间向四周开挖，每层挖土厚度控制在0.35～0.45 m，挖土时保留刃脚0.5～1.5 m范围内的土方，沿着井壁方向每隔2～3 m为一段，对称、逐层均匀地削薄土体，每次削薄土层厚度为5～10 cm。

4.2.4 干封底施工

当井身结构下沉至设计标高以上200 mm时，停止基坑内土方开挖，让沉井结构通过其自重慢慢下沉至设计标高。当其下沉至设计标高后，对其进行沉降观测，当连续观测10 d，其累计下沉量小于10 mm时，即可进行结构封底施工。施工时，先将井身底部做成锅底状，随后由中心向刃脚开挖排水沟，将卵石填充至排水沟形成排水暗沟，防止井内积水。

浇筑结构底板混凝土时，必须连续施工，施工方向由四周向中间推进。底板施工完成后，继续排出基坑内积水，当底板混凝土强度达到要求并经抗浮验算后，再对排水口进行封堵。

4.3 下沉质量控制措施

4.3.1 倾斜、位移、扭转控制措施

1）倾斜：当沉井出现倾斜情况时，可在刃脚较低的一侧进行适当回填，加强刃脚较高侧的土方开挖，或在井身较高侧采用重物压载等，待井身恢复正常后，再分层取土下沉。

2）位移：先让井身向位移反方向倾斜，随后让井身结构沿倾斜的方向缓缓下沉，当下沉至刃脚中心与设计中心重合时，再将结构倾斜纠正。

3）扭转：井身结构扭转是因为发生了多次不同方向的位移及倾斜，当出现扭转时，可通过纠正倾斜和位移的方法来纠正。

4.3.2 防止超沉的预防措施

在沉井施工过程中，井身结构始终处于缓缓下沉的不稳定状态，由于影响下沉的原因很多，既有井身结构本身形状、尺寸等因素，又有工程地质条件等环境因素，还可能受到施工方法的影响，因此在施工过程中需严格控制下沉速度，防止超沉。一般情况下，可采取如下措施防止井身超沉：

1）在施工过程中做好测量工作，加强测量标志、数据管理，当井身结构下沉至设计标高200 mm时，停止基坑内的土方开挖，让沉井结构通过其自重慢慢下沉至设计标高，当其下沉至设计标高后，对其进行沉降观测，当连续观测10 d，其累计下沉量小于10 mm时，即可进行结构封底施工。

2）结构下沉后期放慢挖土速度，控制挖土深度，通过对刃角周围层层削土来使井身缓缓下沉。

3）在井身下沉过程中，以“纠偏为主，下沉为辅”为原则，让井身结构始终处于滑动摩擦的连续作业状态，避免井身下沉接近设计标高时因纠偏导致超沉。

4）在沉井施工前对基坑底部作加固处理，增强底部土体的承载力。

4.3.3 防止不沉的控制措施

井身结构不沉的原因有多种，如井身结构自重轻，无法克服井壁与土体的摩擦力；基坑开挖深度较小，结构下沉时遇到的阻力较大；井身结构倾斜，导致刃脚处部分土体遗留未挖出，形成较大的阻力；沉井下沉遇到坚硬的土层，刃脚破土较困难等。如遇到此类问题，可采取以下技术措施：

1）增加基坑挖土的深度和范围，降低井身结构刃脚处土体的承载力。

2）沉井下沉保持连续，严禁暂停时间过长，当有特殊原因必须停止较长时间而导致井身无法下沉时，应在井身与土层接触面灌入触变泥浆，降低井壁摩擦力。

3）若遇坚硬土层，则采用射水管对刃脚部位土体进行冲孔作业，然后用抓斗取土。

5 结语

本工程通过有效的围护形式及先进合理的施工技术，如期将结构下沉至设计标高，顺利地完成了沉井施工，同时在施工过程中，将对周边桥梁及建筑物的影响降到了最低。徐家宅桥在施工完成后累计变化量为0.53 mm，南侧建筑累计变化量为3.62 mm，周边地表累计变化量为10.18 mm，有效地保护了周边环境。

沉井施工具有埋置深度大、整体性强以及对周边环境影响较小等优点，我国当前对沉井的运用还不是很广泛，同时在沉井施工技术上也存在着一定的弊端。在虎林雨水泵房沉井施工过程中，对沉井的制作方法及针对下沉过程中遇到的问题所采取的解决措施作出了探索性的验证，同时在施工过程中结合应用现有的围护加固技术，有效地保护了周边的自然环境，在这过程中形成的一整套沉井施工技术，可供类似沉井工程施工参考。