水利工程沉井地基处理案例分析

杨 靖 陈新洋

(1.昆山市水利建筑安装工程有限公司，江苏 昆山 215300；2.昆山市城建发展建筑设计院有限公司，江苏 昆山 215300)

1 工程概况

苏州工业园区木沉港泵闸及水立交工程，是苏州市工业园区的重大民生保障工程，其功能主要是调水引流，将阳澄湖清洁水源引入金鸡湖及周边区域水体，新建抽水泵站加大水体流动能力，在水域口门设置控导建筑物来控流截污，从而彻底改善金鸡湖及周边区域水环境，避免金鸡湖水域蓝藻大规模暴发。

为防止木沉港引水期间娄江河来水进入，减轻引水对娄江河通航的影响，在娄江河下部采用水立交的方式布设一个引清通道。在娄江河南北两侧布设始发井和接收井二个沉井，之间布设两道3.2m的钢顶管，两端分别通过暗埋箱涵和现有河道相连(见图1)。本工程等别为Ⅱ等。

图1 娄江水立交工程平面

2 工程地质资料

本工程现场地基最大钻探深度为42m,显露的地基土层按地质年代、成因类型、土壤性状的不同和物理力学性质的差异，分为7个大层(见表1)。

表1 各层土的主要物理力学指标

3 沉井设计

沉井主体采用钢筋混凝土结构，分别为工作井和接收井两座独立建筑物。本文以工作井为例作介绍。工作井平面尺寸17.2m×15m(长×宽)，高度19m；外壁为直线，内壁为台阶形，高程-6.50m为变阶处，上部壁厚1.3m，下部壁厚1.5m，高程-8.80～-12.00m为顶管预留洞口(见图2)。

沉井四周连续布设三轴水泥搅拌桩围封，桩长23m，采用φ600@400进行套打，工作井南北两侧墙体作为顶管背墙和管道出口区间设计进行高压旋喷桩土体加固。

本工程始发井位置地面现状标高为2.70m左右，计划开挖3m到3层土，作为持力层进行沉井预制，3层土为黄色夹杂灰色粉质黏土，下部无软弱下卧层。

工作井采用先预制后下沉的方式施工。结合现场情况，考虑到工期紧，采用3次浇筑1次下沉方案，工作井3节分别为8.2m、5.6m、5.2m。先进行前提准备工作，即三轴水泥搅拌桩围封施工，在围封等强并起到防渗效果后，施工管井等排水设施，沉井采用排水下沉、干法封底的施工方法。

第1节沉井浇筑8.2m，混凝土约776m3，钢筋约116t。第2节5.6m、第3节5.2m全部接高后，混凝土约1800m3，钢筋约270t。

4 天然地基承载力设计

4.1 天然地基承载力要求

《沉井与气压沉箱施工规范》(GB/T 51130—2016)4.1.5规定：“沉井首节制作时的基底压力不应大于下卧层地基承载力特征值，以后各节接高制作时应符合地基极限承载力的要求。”

图2 沉井结构(单位：mm)

4.2 荷载

a.永久荷载。第1节沉井自重G1k=(776×24+1160)=19784kN，钢筋混凝土重度24kN/m3。

b.可变荷载。板及支架自重取0.3kN/m2；Q1k=(17.2+15)×2×8.2×2×0.3=316.8kN。

c.施工荷载。单位荷载取2.5kN/m2；Q2k=(17.2+15)×2×1.5×2.5=241.5kN。

4.3 荷载组合

根据规范要求，在承载力极限状态下，应按荷载的基本组合型式计算荷载的效应设计值，固定荷载分项系数γG取1.2，可变荷载分项系数γQ取1.4。

计算承载能力荷载组合：G=γGG1k+γG(Q1k+Q2k)=1.2×19784+1.4×(316.8+241.5)=24522kN。

4.4 承载力计算

4.4.1 首节沉井承载力计算

沉井底条形基础面积S=(17.2-1.5/2+15-1.5/2)×2×1.5=92.1m2;

p=G/S=24522/92.1=266.3kPa>地基承载力特征值fak=150kPa。

4.4.2 整个沉井承载力计算

同理，第二节、第三节全部接高后，G1k=(1800×24+2700)=45900kN，

Q1k=(17.2+15)×2×5.2×2×0.3=200.9kN，

Q2k=(17.2+15)×2×1.3×2.5=209.3kN,

G=γGG1k+γG(Q1k+Q2k)=1.2×45900+1.4×(200.9+209.3)=55654kN；

p=G/S=55654/92.1=604.3kPa>地基极限承载fu=300kPa。

经计算，天然地基不满足设计承载力要求，需要进行地基加固处理。

5 砂垫层地基处理

5.1 砂垫层设计

计划采取砂垫层换填处理的方式，砂垫层厚度取1.2m。在砂垫层顶部设置150mm厚C20混凝土垫层，四周各超宽150mm。

5.2 砂垫层换填要求

根据《沉井与气压沉箱施工规范》(GB/T 51130—2016)4.2.2的规定：砂垫层的厚度应根据沉井的重量和地基土承载力按下列公式计算确定(见图3)，且不宜小于600mm。

图3 承载力计算简图

图和公式中p——基底压力标准值，kN/m2；

G0——第一节沉井沿井壁单位长度自重，kN/m；

Gz——整个沉井沿井壁单位长度自重同，kN/m；

hs——砂垫层厚度，m；

γs——砂天然重度，取15kN/m3；

Bz——素混凝土垫层宽度，m，BL=B+2b1，计算时取b1=hc；

b1——素混凝土外挑宽度，m，可取b1≥hc(hc为混凝土垫层厚度)；

α——砂垫层压力扩散角，(°)，可取30°；

fα——修正后的地基承载力特征值，kPa；

fu——修正后的地基承载力极限值，kPa；

b——刃脚踏面宽度，m；

B——刃脚宽度，m。

5.3 砂垫层承载力验算

第1节沉井单位长度沉井自重G0=G/L=[(776×24+1160)]/[(17.2-1.5/2+15-1.5/2)×2]=19784/61.4=322.2kN/m，2hstanα+BL=2×1.2×tan30°+1.8=3.19m，

p=G0/(2hstanα+BL)+γshs=322.2/3.19+15×1.2=119.0kPa≤fa=150kPa。

第2节、第3节全部接高后，沉井单位长度沉井自重G0=G/L=(1800×24+2700)/[(17.2-1.5/2+15-1.5/2)×2]=747.6kN/m，p=G0/(2hstanα+BL)+γshs=747.6/3.19+15×1.2=252.4kPa≤fu=300kPa。

经计算验证，天然地基经过砂垫层换填处理后，承载力满足要求。

6 沉井砂垫层施工

6.1 施工流程

测量放样→基坑开挖→四周设置排水沟和集水井→第一层黄砂回填→水撼法加平板振动器振捣→砂密实度检测→上一层黄砂回填→静载荷试验→素混凝土垫层浇筑。

6.2 施工主要事项

砂垫层施工必须选用平板振捣器进行。砂垫层的施工方法、分层摊铺厚度、每层振捣时间宜通过现场试验确定。其分层铺填厚度宜为200～300mm。

基坑开挖时应避免坑底原状土层受扰动，预留200mm厚的保护层土方，待回填黄砂前由人工开挖至设计标高。在基坑底和边坡位置铺设一层土工织物，防止基坑边坡塌土混入砂垫层中。

砂垫层采用水撼法进行充水，利用平板振动器进行振捣。

7 质量检验

砂垫层的施工质量检验须分层进行，并确保在每层的压实系数符合设计要求后铺设上层。压实系数采用灌砂法进行检验。按照条形基础下垫层每10～20m不少于1个点的频率进行检验，完工后采用静载试验检验砂垫层承载力。

现场黄砂经监理见证取样后试验，最大干密度为1.72g/cm3，现场检测最小值为1.70g/cm3，满足规范压实系数大于0.97的要求。

砂垫层换填施工完成后，选取砂垫层顶面沉井条形基础位置进行荷载试验，荷载板取长度1.8m、宽度1m，最大加载值取747.6kN,分级进行加载试验，试验结果表明承载力—位移曲线无陡变，最终沉降16mm，承载力满足要求。

8 沉降观测

沉井施工前，对沉井下的混凝土垫层设置多个沉降观测钉，施工过程中进行观测，结果表明，最终累计总沉降为20mm左右，且四角沉降均匀，满足要求。

9 结 语

苏州工业园区木沉港泵闸及水立交工程，在娄江河下部采用水立交的方式布设一条引清通道，在娄江河南北两侧布设始发井和接收井二个沉井。本文通过对沉井天然地基进行承载力验算，得出了需要对地基进行处理的合理化建议，经过计算分析，采用了砂垫层的施工方案。本工程案例可为其他类似工程提供参考，从而起到保证工程质量和安全，杜绝安全事故的作用。