滩涂地域大型钢筋混凝土沉井下沉技术研究

李庆松

（中铁二十二局集团第三工程有限公司 福建厦门 361000）

1 工程概况

本工程为“厦门翔安新机场片区地下综合管廊项目机场快速路过海段沉井、φ3 000 mm顶管工程”，为全国第一条跨海顶管，顶管全长982 m。工作井位于厦门东海岸公园大道附近的海岸吹填造地段，沉井距离涨潮水位40 m，施工地表高程为+6.2 m。工作井采用沉井法施工，尺寸为13.8 m（长）×10 m（宽），深度25.14 m，墙身厚度以1.6 m、1.4 m、1.2 m向上递减，各参数见图1。

根据地勘报告，工作井场区地下水位受地形地貌、人工回填及潮汐影响，变化较大。勘探期间测得各孔初见水位埋深为1.8～2.2 m，混合稳定水位埋深为1.9～2.4 m。另据部分钻孔（下套管对上部海水或其他含水层段进行隔水处理）对各砂层承压水位的观测结果，各含水砂层的承压特征较明显。各地层地质情况具体见图2。

图1 工作井平面（单位：mm）

2 沉井施工方案选择

2．1 排水方案选择

图2 工作井地质柱状图（单位：m）

2．2 井内出土方案确定

根据沉井所处的水文地质情况，分析后认为施工过程中最大程度地降低井身基础及周围土体的扰动是保证沉井安全、精确下沉到位的前提条件。原设计方案采用桁吊出土的方案（桁吊兼用于后期管节、施工材料的吊装），考虑到桁吊运行过程中对周边地层扰动较大，地表可能会出现沉降，影响桁吊轨道安全运行，增加沉井施工时不可控的风险因素，所以决定变更设计方

图3 高压注浆平面布置（单位：mm）

由于沉井位于海滩上，地层大部分为透水型的中粗砂层，水位较高，受海洋潮汐影响较大。单独采用井点降水效果不明显，同时采用井点降水施工时地表易发生沉降造成沉井内涌砂、井身突沉、偏位等，存在的安全质量隐患较多，风险较高。所以决定采用井体四周高压注浆的方案，注浆作为止水帷幕的同时起到加固地层的作用。高压注浆孔位单侧布置3排，排间距1 m，深度26 m。注浆孔位布置见图3。案。替代方案也考虑沉井下沉深度较浅时采用液压伸缩长臂挖掘机，此方案单一设备即可满足施工要求，成本投入较低。但长臂挖机施工时需要侧面填筑施工平台，由于地质情况较差，井体易出现单向侧压力过大而出现偏移的情况。综合考虑后决定采用小型挖掘机配合汽车吊的出土方案，即井内两个仓各放一台30挖掘机，地面两台75 t的汽车吊利用料斗出土。

3 施工工艺

3．1 施工工艺流程

本沉井施工分四节制作、下沉，第一节（刃脚）5.35 m，第二节5.4 m，第三节5.3 m，第四节4.75 m，通风口在封底、顶管完成后再施工。具体工作流程见图4。

图4 施工工艺流程

3．2 分节制作沉井

（1）本工程工作井、接收井井壁按设计要求分4节制作施工（第5节为通风亭，待沉井底板及各层板面完成之后再施工）。沉井采用现场立模浇筑的方法制作，按照工艺流程图的顺序分节制作、下沉，各节井身之间的施工缝设置钢板止水带。井身施工过程中预埋用于辅助下沉的射水管道，防止沉井下沉过程中出现坚硬土层等其他因素导致下沉困难。沉井制作时应注意预埋隔层、防火门、楼梯、管廊接入口等连接钢筋及预埋件并保证位置准确。

（2）井身现浇时脚手架的搭设严禁支撑在地面上，防止沉井接高施工过程中井身下沉造成脚手架失稳。本次沉井制作采用井身上预埋槽钢当作脚手架支撑面的方案，井内侧用模板满铺，用作作业平台的同时也保证施工安全，施工完成后割除槽钢，涂刷防腐剂。

3．3 沉井下沉

（1）沉井下沉采用排水下沉的方式，利用井底明排及管井排水，把水位控制在刃脚50 cm以下。小型挖掘机从中间向刃脚逐步开挖，利用井体的自重破土下沉。两个仓室的挖掘机应该同步、均衡、对称开挖。井体出现偏移时，应在监控量测的指导下，挖掘机在下沉较慢的位置加大开挖速度，利用出土的顺序跟出土速度及时纠偏。每节沉井下沉应留1.0 m的高度在工作地面以上，防止沉井接高过程中沉井自沉影响模板及脚手架的稳定，同时起到围护的作用。

（2）当沉井下沉至距离设计标高1.0 m左右时应放慢下沉速度，同时加强监测，出现偏移立即以纠偏为主、下沉为辅，在保证井身稳定的前提下缓慢下沉；至设计标高30～50 cm时应清理基底，停止取土下沉（留置高度按土质及下沉过程中具体情况确定），让出沉井自沉的高程空间，防止超沉。

3．4 沉井施工测量

沉井下沉时需加强测量监控，以便及时掌握沉井偏移、倾斜等情况，观测点设置在井体顶部的四个角及井体隔墙的中心点位置。四角标高及轴线位移正常下沉时每2 h测量一次［1］，必要时应连续观测，及时纠偏。终沉阶段每小时测量一次，当沉井下沉接近设计标高时应连续观测，防止超沉。

3．5 沉井纠偏

（1）沉井下沉过程中难免出现偏移现象。土层软硬不均、地质突变、孤石、开挖取土方式、地面堆载、涌水涌砂等原因都会导致沉井偏移。下沉前应结合本项目的特点，分析将出现导致沉井偏移的因素，采取有针对性的预防措施，从源头上减少出现偏移的概率。

（2）沉井出现偏移时，简便有效的纠偏措施就是在监控量测的指导下控制取土顺序及取土速度，根据“沉多则少挖，沉少则多挖”的原则，在刃脚较高一侧加强挖土。必要时辅以井外射水和局部偏心压载的方式纠偏。小型挖掘机配合汽车吊出土的方案在下沉过程中可以精确地控制偏移量。

（3）沉井下沉过程中遇到孤石时，小型挖掘机配合汽车吊出渣的问题也有较为便捷、安全的解决措施。遇到孤石时可用小型挖掘机掏空孤石周边刃脚下的土体，再用中粗砂或者碎石填充刃脚底部，防止孤石清除过程中井体突沉。考虑到软弱土层的外部环境，孤石清除不宜采用爆破的方式，需采用空压机等风动工具凿除、松动孤石，再由小型挖掘机清理石渣。

3．6 沉井封底

当沉井下沉到设计标高，经2～3 d后，下沉已趋于稳定，在8 h内累计＜10 mm时，即可进行沉井封底。本沉井设置了止水帷幕及管井，所以采取排水封底的方案，但沉井刃脚位于承压水层，所以为了防止封底过程中产生突涌，在封底时设置了泄水井，同时封底施工选择在海水退潮的时间段。

4 沉井力学指标验算

4．1 沉井下沉验算

沉井下沉时，井壁与土间的摩阻力和地层对刃脚的反力，其比值即为下沉系数K，取值不小于1.15～1.25。井壁与土层间的摩阻力计算，在5 m深处增大到（0.5～0.7）fx，5 m以下不变，在台阶处增大到fx［2-4］。计算简图见图 5。

沉井下沉系数的验算公式为：

式中：K为安全系数，取值一般为1.15～1.25；Q为沉井自重及附加荷载（kN）；B为被井壁排出的水量（kN），如采取排水下沉法时［5-9］，B＝0；T为沉井与土间的摩阻力（kN），T＝U·［1／2（H+h1-2．5）］·f；h1为沉井下部台阶高度；U为外壁周长；D为沉井外径（m）；H为沉井全高（m）；f为井壁与土间的摩阻系数，由地质资料提供；R为刃脚反力（kN），如将刃脚底部及斜面的土方挖空，则R＝0。本工程沉井验算条件见表1。

图5 计算简图

表1 工作井验算条件

沉井外壁尺寸：17×13.2 m。

第一节沉井自重：G1＝436.32×25＝10 908 kN

第二节沉井自重：G2＝454.64×25＝11 366 kN

第三节沉井自重：G3＝383.144×25＝9 578.6 kN

第四节沉井自重：G4＝235.8×25＝5 895 kN

沉井总重：G＝G1+G2+G3+G4＝37 747.6 kN

根据方案设计，第一节下沉留1 m外露，则第一节需下沉的高度为4.35 m，第二节下沉的高度为5.4 m，第三节下沉的高度为5.3 m，第四节下沉高度为5.75 m。

（1）第一节沉井下沉系数验算

摩阻力＝（2.52×18+1.83×13）／4.35＝15.9 kPa

K1＝10 908／［（4.35-2.5）×15.9×60.4］＝6.14＞1.25。此时沉井容易产生突沉，在施工前应对淤泥层进行处理，控制均匀除土，在刃脚处除土不宜过深，亦可采用增大刃脚踏面宽度的方法提高刃脚阻力。

（2）第二节沉井下沉系数验算

摩阻力 ＝（2.52×18+5.5×13+1.73×25）／9.75＝16.42 kPa

K2＝22 274／［（9.75-2.5）×16.42×60.4］＝3.1＞1.25。此时沉井同样容易产生突沉，应在施工前应对淤泥层进行处理并控制均匀除土，在刃脚处除土不宜过深，亦可采用增大刃脚踏面宽度的方法提高刃脚阻力。

（3）第三节沉井下沉系数验算

由于沉井在到达摩擦力突变位置且在断面变小处回填砂碎，摩阻力值取26 kPa，所以：

摩阻力 ＝（5.3×26+2.72×13+7.03×25）／15.05＝23.18 kPa

K3＝31 852.6／［（15.5+9.75-2.5）／2×23.18×60.4］＝2＞1.25。为防止沉井下沉过快，可采取与第一、第二节沉井下沉时相同的处理措施。

（4）第四节沉井下沉系数验算

摩阻力 ＝（11.05×26+4.87×25+4.88×26）／20.8＝25.77 kPa

K4＝37 747.6／［（20.8+9.75-2.5）／2×25.77×60.4］＝1.73＞1.25。为防止沉井下沉过快，可采取与前三节沉井下沉时相同的处理措施。

4．2 沉井封底后的抗浮稳定性验算

沉井外未回填土，不计井壁与侧面土反摩擦力的作用，抗浮稳定性计算公式为：

式中：G为沉井自重（kN）；F为地下水向上的浮力（kN）。

沉井自重为井壁和封底混凝土重量：G自＝37 747.6 kN+12 983.04 kN＝50 730.64 kN

地下水向上的浮力：由现场开挖得知在海水涨潮时水位最高标高0.55 m，拟建场地的地下水位标高为0.6～-20.2 m，沉井底标高为-20.8 m，故验算浮力的地下水深度按20.8 m考虑，则：

抗浮稳定性满足要求［10-12］。

5 结束语

厦门翔安新机场片区地下综合管廊项目机场快速路过海段顶管工程工作井施工过程中周边地层稳定，地下水得到有效控制，沉井安全快速地下沉到位，封底稳定后最终测量结果显示井身轴线偏移量及四角高程偏差值均在规范要求内，顺利完成施工目标。本文对管廊项目过海段顶管工程沉井施工过程中克服了特殊水文、地质条件带来的诸多施工难题进行总结，为今后其他类似工程提供借鉴和参考。