高压旋喷减阻孔在超深沉井辅助下沉中的应用

贾 平

(无锡市给排水工程有限责任公司，江苏无锡214073)

为了提高应急状态下无锡市南北联网供水的输水和蓄水能力，更好地应对长江、太湖两个水源地原水的突发性变化，保证安全供水。无锡市开创性地建设了一条纵贯南北，连接中桥、雪浪、锡东和锡澄四大净水厂的输水管线快速大通道。无锡市安全供水高速通道运河西路DN2400给水管道工程中，过双河、橡胶河段采用非开挖顶管法施工，该区段地下障碍物较多且需穿越现有厂房基础，设计管道顶管中心标高离地面26.1 m，顶管工作井处于无锡市船舶修理厂区域内，其接收井处于无锡市黄巷热电厂区域内。

1 工程概况

该工程沉井为圆形钢筋混凝土结构，混凝土强度等级C30，防渗等级P8。井筒内径为￠13.0m，井筒上部外径为￠15.4 m，刃脚处外径为￠15.8 m，壁厚为1.0～1.2 m，制作高度为28 m，下沉深度为30.3 m，属于国内超深供水管道沉井。为了保护周边厂房和构筑物，对距离顶管工作井2.8 m的周边，采用￠800钻孔灌注桩加3层￠800高压旋喷桩加固井壁土体，其深度为37 m。

沉井施工现场地势较为开阔平坦，原地面标高为2.3 m，制作底标高为-2.5 m。沉井计划采用分节制作3次下沉的施工方法，第1次下沉深度为14 m，第2次下沉深度为21 m，第3次下沉深度为28 m。

2 工程水文地质

拟建场地内地下水类型属于第四系松散孔隙潜水及微承压水，前者赋存于③-1层粉土夹粉质粘土和④-1层粉砂夹粉土中，水量和厚度较大，其潜水运动情况不详，容易在施工时发生流砂现象。后者主要赋存于⑦层粉土夹粉砂中，水量较大，且该层土中地下水运动情况不详，水头压力不详。

根据建设单位提供的岩土工程勘察报告，沉井拟建场地具有含水量高、孔隙比大、压缩性高、强度差的工程特性，为工程力学性能不良的地质层。沉井底部将座落在⑥层淤泥质粉质粘土上，具体工程地质勘察情况见表1。

3 沉井施工计算

3.1 下沉方法确定

沉井施工一般有排水下沉和不排水下沉两种方法。由于排水下沉施工方便，质量易控制[1]，因此该工程沉井采用排水挖土下沉法施工，其主要优点如下：

① 由于井内无水，作业人员可以直接观察井内的出土情况，便于根据井外的测量报告安排挖土与纠偏相结合，从而控制下沉质量有保证。

② 排水下沉可减小浮力，沉井速度快，一般速度可达0.5～2.5 m/d，为不排水下沉的2～5倍。

③ 沉井干封底质量易保证，成本低效率高。

表1 工程地质勘察资料

3.2 计算方法

沉井下沉时，作用在井筒外壁上土的摩阻力及其沿筒高的分布，应根据当地的工程水文地质条件、井筒的外形和施工方法等，通过试验和对比积累的资料，结合经验予以确定[2]。

3.2.1 摩阻力计算

对于圆筒形沉井，土体作用在沉井上的总摩阻力[2]按式(1)计算：

T=π×D×f×(H-2.5)

(1)

式中D——沉井刃脚外壁直径，m；

F——刃脚壁单位面积上的摩阻力，kPa；

H——井筒下沉高度，m。

由于沉井穿过五层类别的土层，其井壁总摩阻力按加权平均值计算。

3.2.2 沉井下沉计算

沉井施工中，为保证沉井顺利下沉，需考虑沉井的自重能否克服井壁与土体之间的摩阻力以及地基对刃脚的反力。根据地质资料验算沉井施工阶段的下沉系数，一般要求根据土层情况，其下沉系数K≥1.05～1.15，在软弱土层中宜取低值[2]。沉井按自重下沉设计时，下沉系数按式(2)计算[3]：

(2)

式中K——下沉系数；

G——沉井自重，kN；

P——沉井所受的浮力，kN，排水法施工取0；

T——沉井下沉时土的总摩阻力，kN。

3.3 计算参数

根据地质报告，土体作用在沉井外壁单位面积上的摩阻力见表2。

表2 土体作用在沉井外壁单位面积上的摩阻力

3.4 下沉验算

根据施工步骤，对沉井各下沉阶段进行分别验算下沉系数。

3.4.1 下沉第一阶段

即井筒14 m沉井，根据设计图纸，沉井自重G等于沉井壁自重与十字底梁自重之和。混凝土重度按25 kN/m3考虑，计算得到沉井自重G=19 867 kN。

根据工程地质勘察报告，刃脚底部在③-1粉土夹粉质粘土层上，距离③-2淤泥质粉质粘土顶板2.2 m，下沉后刃脚进入⑤粉质粘土夹粘土0.5 m，摩阻力T=16 016 kN。

计算得到下沉系数K=1.24>1.05，满足自重下沉要求。

3.4.2 下沉第二阶段

即井筒21 m沉井，根据工程地质勘察报告和设计图纸，计算得到沉井自重G=27 560 kN，总摩阻力T=32 264 kN。

计算得到下沉系数K=0.85<1.05，不能满足自重下沉要求，需要配重或减阻，配重≥6 317 kN。

3.4.3 下沉第三阶段

即井筒28 m沉井，根据工程地质勘察报告及设计图纸，沉井自重G=35 253 kN，总摩阻力T=41 587 kN。

计算得到下沉系数K=0.84<1.05，不能满足自重下沉要求，需要配重或减阻，配重≥8 413 kN。

4 沉井辅助下沉

4.1 施工方案的比选分析

根据沉井下沉计算，由于沉井下沉深度较大，土体作用在沉井外壁上的摩阻力较大，下沉第二阶段和第三阶段有一定难度，因此必须通过辅助下沉的方法予以解决。

4.1.1 配重下沉

即在井底十字加强梁和井顶加钢轨铁件及沙袋等重物，增加下沉重量。该方案工艺比较简单成熟，对土的扰动和原有构筑物的影响较小，但配重量必须在沉井结构受力允许范围内，而地层摩阻力没有变化，帮助下沉有一定限度。对于配重不大的辅助下沉，可优先选用该方法。

4.1.2 泥浆套下沉

即在沉井外壁与周围土层之间设置一层泥浆隔离层，依靠触变泥浆的润滑作用，达到大大减少土层对井壁的摩阻力的目的[4]。该方案对减小沉井外壁的摩阻力效果比较明显，下沉也更为容易。但泥浆在通过粉砂层或孔隙较大的土层时，容易造成泥浆流失或分布不均匀而使整个润滑体系失效。同时若遇到井筒偏斜等产生不均衡土压，易挤压泥浆套通道，导致触变泥浆通路堵塞，从而严重影响泥浆减阻成效。

4.1.3 射水辅助下沉

该方法在沉井井璧外，利用高压管射出的水将井璧附近密实的土冲散，同时水沿井璧上升成为润滑剂，减少井璧下沉摩擦力。该方法仅适用于砂和砂类土，不适用于透水性差、粘稠度高的粘土层[4]。

4.1.4 空气幕下沉

该助沉方法在井璧外埋置喷气管向外喷射压缩空气，扰动附近的土壤，降低土层的摩阻力，促使沉井顺利下沉，比较适合不排水法下沉沉井施工。

4.2 助沉方案的试验

各种常用沉井助沉方法的方案和措施都有其特点，在一定条件下均可使用。该工程由于施工人员工作失误，在制作钢筋混凝土沉井时未预埋采取助沉方案的辅助设施。因此，该助沉方案的试验受到一定的限制。

根据工程勘察报告和现场客观条件情况，拟在沉井下沉第二阶段过程中主要采用配重下沉法，在井底十字加强梁和井顶加钢轨、钢筋和沙袋等重物，增大下沉重量；在沉井下沉最后第三阶段过程中，选用配重下沉和泥浆减阻相配合的助沉方案。

在实际施工时，沉井下沉第一阶段：由于下沉系数完全满足自重下沉要求，该阶段首次下沉比较顺利，符合预期效果。沉井下沉第二阶段：在井底十字加强梁和井顶钢轨上，根据下沉情况分批、均匀放置捆绑牢固的钢筋，当配重物逐步增加到6 370 kN下沉重量时，沉井下沉达到这一阶段预定标高。沉井下沉第三阶段：在沉井外壁周围均布钻12个￠100注浆孔，其深度与刃脚标高一致，分别对称注入触变泥浆，同时根据下沉情况分批、均匀、逐步增加配重。当配重增加到7 874 kN时，沉井始终停滞不下。

4.3 原因分析与对策

4.3.1 沉井第三阶段下沉困难的原因

① 井筒再次浇筑时，模板表面粗糙或原有的水泥砂浆等杂物未清洁干净，或局部漏刷隔离剂，造成井筒外壁表面坑洼不平、不光滑，使井壁与土的摩阻力增大。

② 中间停歇时间过长，沉井周围土层紧裹钢筋混凝土井壁，不利于顺利下沉。

③ 沉井外壁灌入的黄砂较少或被挤压破坏，经排水后井外壁易形成胶结密实的土层，依靠后期注入的触变泥浆，无法在沉井外壁周围与土层之间形成泥浆隔离层。

由于配重下沉受到沉井结构受力允许范围和现场条件限制，为保证沉井顺利下沉，因此只能依靠减小沉井下沉阻力的方法来解决。

4.3.2 采用复合助沉方案

根据现场客观情况，利用高压旋喷桩施工的作业原理，通过注浆管下部的二重喷嘴旋喷出高压水和压缩空气，在20～30 MPa喷射水压和外圈环绕气流的共同作用下，对沉井周围土层进行强力切割扰动，并使紧裹井外壁的部分土体液化，促使摩阻力大幅度减小，从而协助沉井继续下沉。

为防止单一旋喷气水减阻助沉发生超沉现象，决定采取旋喷减阻孔与配重下沉相结合的复合助沉方法。该工法可根据下沉情况随时调节配重量，灵活机动，从而确保最终下沉至设计标高。

当沉井下沉至设计标高后，为保证沉井稳定，将沉井旋喷减阻孔采用高压旋喷桩加固处理，其旋喷桩水泥采用强度等级不低于42.5级的普通硅酸盐水泥，最小水泥掺量为25%，建议掺量为30%。

5 高压旋喷减阻与配重复合助沉

根据沉井下沉验算，沉井第三阶段自重为35 253 kN，总摩阻力为41 587 kN，为使沉井顺利下沉，总摩阻力需要减少16%以上。因此，为防止发生超沉现象，仅对沉井周围约12%的土进行减摩降阻处理，不足部分通过配重增加外力来助沉。

5.1 旋喷减阻孔设计

高压旋喷减阻孔对称布设在沉井外壁圆周边，以沉井中心为圆心，在半径为16.8 m的圆周上均布8根桩孔，桩径为800 mm，深度超过刃脚底标高0.3 m。高压旋喷减阻孔平面布置见图1。

图1 高压旋喷减阻孔平面布置

采用二重管法施工，其工艺参数：喷射有效直径￠800，旋喷提升速度150 mm/min，喷射水压28 MPa，流量140 L/min；空压气压力0.6～0.8 MPa，流量3 m3/min。为防止沉井倾斜，采用2套设备同时对称施工。

5.2 旋喷工艺与技术要求

5.2.1 施工工艺流程

施工准备—布孔放样—钻机就位—喷射试验—下沉旋喷—提升旋喷。

5.2.2 旋喷技术要求

① 放样定位

必须按照设计孔位进行放线定位，孔位偏差≤50 mm。

② 钻机就位

钻机对准孔位后，采用水平尺校准平整度，垂直控制度≤1%。作业过程中应时常检查垂直度，发现斜偏必须及时纠正。

③ 喷射试验

旋喷之前应进行地面低压试喷，喷嘴内无任何杂物，管道接头密封良好。同时检查高压水气设备和相应的管道系统，保证压力、流量等重要指标均能满足设定要求。

④ 喷射作业

将二重管钻具落至孔位后，2套高压旋喷桩设备应对称、同时施工。

⑤ 下沉旋喷

采用清水旋喷作业，钻进深度至刃脚底标高以下0.3 m时，需座喷1 min，然后以设定的转速和提升速度缓慢向上旋喷。

⑥ 提升旋喷

严格控制提升速度、旋喷压力和流量等技术指标，若出现压力波动和冒浆异常等情况，必须马上查明原因，并采取相应的措施。

5.3 配重复合助沉及效果

在高压旋喷减阻孔完成后，根据沉井下沉情况，在井底十字加强梁和井顶钢轨上分批、均匀放置配重钢筋，保持沉井缓慢下沉，加强下沉测量及纠偏工作。主要措施具体如下：

① 在沉井壁顶部均设4处沉降观测点，配重做到分批、均匀且稳步加载，严格控制沉井均匀下沉，随时纠偏。每1 h测量一次下沉量和倾斜度，当发现沉井有较大偏差时，应采取立即调整挖土方法、配重方位等措施进行纠正。

② 时刻掌握临界挖深、井底出土范围、深度、井内水位控制等施工参数，确保控制实况和沉井稳定。

③ 下沉至设计标高2 m左右时，应加强沉井下沉观测，做到每30 min测量一次。若发现下沉过快，迅速、均匀减少配重量，严防产生不均匀沉降和突沉等现象。

④ 当下沉至设计标高时，立即撤除配重物，同时将沉井旋喷减阻孔采用高压旋喷桩加固处理，防止发生超沉现象。

当配重量逐渐增加到6 370 kN时，沉井下沉已达到设计标高，其中保留50～100 mm的预沉量。当沉井趋于稳定后，迅速挖除井筒内的余土，而后采用C20素混凝土封底，并浇筑C30钢筋混凝土底板。

6 结论

① 工程施工实践证明，在沉井下沉困难时，采用二重管高压旋喷桩机，通过在沉井外壁旋喷高压水和压缩空气，对沉井周围的土层进行强力切割、扰动，促使紧裹井外壁的土体液化，从而使土层对沉井下沉的摩阻力大幅度减小，探索了一条沉井辅助下沉的新思路。

② 采用单一的助沉法，由于岩土体性质的复杂性、多变性和各种计算模型的局限性[5]，一般难以正确计算并控制到位。应用旋喷减阻孔与配重下沉相结合的复合助沉方法，灵活机动，精准度高，便于控制，安全、稳定性好，适用范围广，具有一定的推广意义。