复杂条件下超深双沉井施工关键技术

徐海宁，彭夏军，马龙飞

(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司，上海 200092)

1 工程概况

本项目取水工程采用顶管施工工艺，从江心取水至场内泵房井。取水头部工程主要包括2座顶管沉井及1段钢顶管，两座江边沉井作为顶管工作井，向江中心顶进1 615m DN1 800钢管，如图1所示。东、西线沉井最小间距仅为15.2m，深度达41.2m，外径为17.6m，且全程水下施工，穿越涉及土层多，制作及下沉工艺复杂，主要介绍取水头部工程沉井工艺。

图1 顶管施工

根据地质报告，本工程场区地层主要为淤泥质土、粉质黏土和粉砂，场地位于长江之滨，历年最高洪水位6.690m，历年最低枯水位-0.650m，场地长江取水头部考虑最大冲刷深度10m。

2 技术难点

2.1 双沉井下沉

两座沉井最小间距仅为15.2m，下沉深度达41.2m。在下沉过程中水土流动以及井壁对外部土体的扰动必然影响周边土体的稳定性，两座沉井近距离施工必然带来相互干扰的问题。

2.2 周围环境复杂

本工程地处长江沿岸，位于长江南岸江心汽渡祝赵路旁。施工场地北接长江堤岸，东临江心汽渡及码头道路。经探测，现场地坪下有4m左右区域存在较大块石，对沉井施工造成较大困难，需进行较大深度开挖除障工作，移除块石。

西线顶管井毗邻的长江堤岸线经江水冲刷，江堤受侵蚀较大，西线顶管井体已有部分进入江堤边坡区域中。沉井下沉过程中两侧土压力极度不平衡，易导致沉井下沉出现严重偏斜，影响工程安全。当江面处于汛期涨潮位时，西侧沉井将浸泡在江水中，沉井下沉过程中出现土体扰动后，一旦发生沉井内部与长江水体相通的现象，将给西线顶管井的施工质量及安全带来灾难性后果。

东线顶管井东侧有汽渡码头道路及巨幅广告牌，沉井外缘距离道路仅14.9m，场区永久围墙将影响到汽渡码头旁的大型广告牌、避雷针、路灯及非通用码头道路。

2.3 超深沉井下沉

1)沉井结构参数

两座沉井均为圆形钢筋混凝土结构，结构完全相同，结构参数和穿越土层地质情况如表1，2所示。沉井采用两次外台阶结构，变截面宽度20cm，沉井井壁下部厚度为1.3m，中部为1.1m，上部为0.9m。

表1 沉井结构参数 m

表2 沉井穿越土层情况

沉井结构剖面如图2所示，总下沉高度38.5m，分为6次制作(见表3)，3次下沉(见表4)。结构采用混凝土强度等级为C30，抗渗等级P8，设置十字底梁，共4个隔仓。

图2 沉井结构剖面

表3 分节制作高度

表4 设计要求分次下沉高度

2)垂直度控制难

本工程为超深沉井，较大的长细比决定了纠偏是沉井下沉施工的重要控制环节。沉井穿越的土层中存在粉砂层，渗透性高，承载力在沉井刃脚断面分布不均衡，极易在土层交界面发生倾斜。西线沉井部分进入江堤边坡区域中，下沉过程中井体两侧土压力极度不平衡，易导致沉井下沉出现严重偏斜。东线沉井距离码头道路较近，井体一侧地面荷载较大，同样是导致井体下沉偏斜的因素。

另外，井内设置底梁，相对取土空间较小，易发生偏出土的情况以及倾斜和扭转现象。

3)终沉阶段下沉困难

沉井下沉系数在1.05～1.2时，可安全顺利下沉[1-3]。整个下沉过程中，早、中期易出现突沉、偏移现象，末期刃脚接触土层逐渐坚硬，下沉系数过小，下沉困难。经过计算，终沉阶段下沉系数仅为0.36，容易出现沉井滞沉现象。

两座沉井下沉深度达41.2m，终沉阶段相比初沉阶段的特点是慢，主要由于土层承载力及摩阻力大幅增加等相关沉井下沉不利因素累加而产生，施工难度大且安全风险较高。该阶段存在如下特点。

1)为降低沉井下沉对汽渡码头及道路、管线等构筑物的影响，设计考虑不排水下沉，因而大幅度降低下沉系数，产生滞沉现象。

2)随着下沉速度的增加，取土速度迅速降低，水土流动“时空效应”影响会大幅降低有效下沉效率。

3)沉井终沉阶段需穿越粉质黏土层，其土层特点是承载力较大，承载力特征值高达230kPa，摩阻力较高。在不排水的情况下，通用的高压水枪在40m水深以下难以发挥良好的冲泥效果，沉井刃脚及底梁下的土体难以取出，高水压使得高压水枪破碎土体的能力进一步降低；另一方面，由于不能深入破碎土体，使得底梁及刃脚下方的土体难以破碎清除到必要深度，即底梁和刃脚踏面被高黏度的黏土“裹住”，产生了强大的支撑力阻止沉井下沉。

4)井内不排水下沉施工，井底的高黏度泥浆产生了较强的泥浆护壁效应，底梁下方土体难以有效破碎清除，强行在底梁两侧清除出深“锅底”会给潜水员作业安全带来极大威胁。

3 关键技术方案

3.1 下沉方案

双沉井下沉可分为以下3种工况。

1)完成第1座沉井后进行第2座沉井施工，该工况下，第2座施工的沉井下沉范围完全在扰动土体范围内，不利于下沉施工，而且总体工期较长，施工投入大。

2)两座沉井下沉施工基本同步，此时，两座沉井相互干扰影响范围小，且影响特征基本相同，有利于采取措施。

3)两座沉井错开较大下沉区域，下沉相对位置相差较大，对进度较慢的沉井影响较大，不利于较慢的沉井下沉控制。

为减小两沉井之间的相互影响，本工程两座沉井宜同步实施下沉，此方案相对容易控制两座沉井刃脚高差、终沉深度和下沉速度，但要求下沉前两座沉井均需具备下沉条件，配备两套作业人员，对施工单位的资源配置要求较高。

本工程砂性土层与长江贯通，为确保在下沉穿越时不发生井内涌土、井外塌方的不良现象，且不影响汽渡码头等周边环境的结构安全，采用不排水下沉施工[4]，同时采取以下施工措施。

1)加强沉井下沉测量，及时发现两座沉井位移变化趋势及速率。

2)及时对两座沉井间损失的土体进行回填补充，必要时可以堆土施加预压。

3)在两座沉井周边设置射线状沉降观测点，通过测量数据判断取土方式的调整以及井内水位的高度控制。

4)做好井外壁减阻工作，通过注入润滑泥浆形成护壁，下沉过程中及时补充润滑浆液，减少“带土”作用。

5)土层分布高度的不同易发生位移现象，需对沉井施工范围进行补充勘察、结合勘察资料，在土层分界范围控制好出土方式及范围，精细化施工，平稳穿越交界面。

3.2 环境保护

1)江堤侧沉井

西线沉井部分在长江江堤边坡上，为彻底阻绝长江水与港湾内沉井的水体联系，同时为了保证沉井在下沉过程中两侧土体受力平衡，故在江堤线外侧距顶管井中心30m圆弧区域填土，1 032m2内回填土施工围堰堤坝，放坡坡度为1∶2。距离西线沉井中心20m处施工φ800mm@500mm高压旋喷隔离桩，总计3排，环沉井迎江面，在新增回填土围堰内施工，桩长30m，总计315根。围护施工如图3所示。

图3 西线沉井围护施工示意

回填土环形区域目的在于确保沉井下沉过程中井体两侧受力平衡，阻绝西线顶管井受长江水侵蚀影响。回填土环形区域距离井中心30m，环形填满江堤外部区域。场区完成全部工作内容后场地标高为+7.900m，浅滩淤泥面现状标高为+1.500m，拓展施工时，应先铲除浅滩淤泥面表层，露出坚实土层后，再拓展围堰修筑，顶标高修筑与现状江堤齐平。

2)道路测沉井

东线沉井靠近码头道路，沉井在穿越粉质黏土层过程中由于下沉系数大幅降低，其上层淤泥质黏土、粉砂由于渗透性高，具流变性，在井内外存在水头压力差的情况下，极易发生井内涌土、井外塌方的不良现象，对沉井周边环境保护带来威胁。

为此，设计已在沉井外布置双排旋喷桩作为隔离保护桩。施工中严格控制旋喷桩的平面位置、垂直度、喷浆压力及提升速度，保证成桩效果。沉井下沉过程中应注意小角度及时纠偏，防止大角度纠偏挤断高压旋喷桩体；同时，对于井体与隔离桩之间塌陷的土体应及时回填，减小横向土体挤压。同时在道路及码头位置布置沉降监测点，对管线位置开挖样沟确定位置并布置监测点，下沉施工过程中及时监测。

3.3 取土技术

通过下沉系数的验算分析，发现顶管井在早、中期下沉系数较为理想，第1次、第2次下沉采用高压水枪辅以空气吸泥进行取土，潜水员全程配合，结合井外壁泥浆减阻措施。下沉过程中需注意突沉、偏移现象。

通过对沉井下沉的验算分析，充分认识到当前沉井在终沉阶段可能遭遇到的问题，创新性地提出了水上设置操作平台，利用针对本工程研发的超深沉井破土压沉系统喷射高压水流，在坚硬土体内有效切割破碎土体，再利用施工平台上的高压水枪和空气吸泥设备将破碎土体吸除，达到有效去除刃脚、底梁及锅底土体的作用，破土设备施工如图4所示。

图4 超深沉井破土设备施工示意

该套设备能够实现按指定路径行走，并使钻杆精确定位到指定区域，结合井下超声波探测扫描绘制锅底泥面情况，故对内井壁与刃脚之间隔仓空间进行了合理排布，为尽量保证高压水流破碎范围能够扫到刃脚和底梁踏面，破碎区间按φ1 000mm@700mm搭接布置，总计平面布置有268个对应破碎扫除点位，如图5所示。后续施工中，采用两套超深沉井破土设备依据规划点位依次由内向外逐层对称取土，结合高压水枪和空气吸泥设备，形成良好的锅底，确保顺利下沉。如图6所示，超深沉井破土压沉系统主要包含以下几项子系统。

图5 超深沉井破土施工点位

图6 超深沉井破土压沉施工系统

1)超高压破土系统 本系统为超深沉井破土压沉系统的核心，直接影响下沉过程中对硬土层的破碎效果。利用该套系统设备，用超高压水流冲刷硬土层，起到破土效果。

2)回旋浮平台系统 本系统为其他系统载体，超高压破土设备、冲吸泥设备均安置于回旋浮平台上，破土设备的移动依赖于设备本身的自走能力和水上浮平台的转动，实现破土设备对井体仓格内的精确定位破土。

3)冲吸泥系统行动机构 冲吸泥设备载体，可通过本机构系统实现冲吸泥设备的移动、提升、下放等操作。

4)冲吸泥系统破碎机构 本机构为井体仓格内土体取出的关键，利用本机构对硬土层土体进行进一步破碎，形成泥浆后从井内吸除提升至井外泥浆池。

5)压沉系统 本系统旨在为沉井下沉施工配重，增加沉井下沉竖向作用力，增加下沉系数，更有利于沉井下沉。

6)外壁减摩系统 本系统减少了沉井下沉外壁摩阻力，增加下沉系数，辅助沉井下沉。

7)水位控制系统 在采用超高压破土系和冲吸泥破碎机构后，沉井下沉过程中始终处于井内水位频繁变化的状态。为保证井内水位稳定，不影响周边环境及浮平台上各项设备的施工，水位控制系统能良好地控制井内水位在一定范围内，根据情况自动抽水或补水。

8)泥面探测系统 在水下施工中，探测沉井锅底泥面高低起伏状态，及时掌握当前锅底信息，根据探测数据进行取土位置的调整。

9)PLC控制系统 本系统负责将前面8个系统整合联动，实现各项设备的自动化操作控制。

3.4 助沉技术

1)泥浆减阻

触变泥浆减阻是较好的助沉辅助方法，依靠触变泥浆对土体的静力作用和触变泥浆的凝胶状态，起到减少摩擦力和维护土壁稳定的作用。本工程考虑到纠偏和控制下沉速度的需要，采用水平管方式，如图7所示，即沿沉井周向为水平管，每根水平管连接1根竖向管，每根竖向管负责2根弧长6m的水平管。从刃脚以上3，3，4m布置三环侧壁泥浆减阻环，每环共6根水平管。喷浆孔在水平管位置每隔100mm打设，在混凝土浇筑前用橡胶密塞。

图7 泥浆减阻管路布置

沉井下沉完毕后，应对沉井外侧进行灌浆以置换膨润土泥浆。灌浆时将具备一定稠度的水泥浆，从底向上穿过井壁上的灌浆孔。根据施工经验，也可将泥浆管路改造为空气幕+触变泥浆通用管路，根据不同土层的适应性和需要，切换使用空气幕减阻或触变泥浆减阻。若此方法仍然不能起到好的助沉效果，还可采用高压旋喷桩机对井外壁土体射水切割，破坏摩阻力构成以进行减阻。

2)压沉技术

在采用了超深沉井破土施工工艺和泥浆护壁减阻后，终沉阶段的下沉系数依然只有0.82，为增加沉井下沉质量，达到最优下沉效果，采取了压沉辅助措施。在沉井周围采用多边形承台的方式，作为压沉设备的安装平台，辅以配重放置于承台上，总计能够提供2 000t的质量储备，足以满足沉井下沉的需要。由于本工程起沉标高与最终回填标高相差2.4m，且井壁伸出最终地面0.3m，故有2.7m空间是不涉及下沉施工的，考虑将该高度区域做成压顶圈梁的形式，构建压沉受力平台，具体如图8所示。

图8 压沉受力平台示意

3.5 沉井接高稳定性措施

在第1,2次下沉完成后，需进行顶管井的接高操作，该过程中沉井已有一定下沉深度。为保证在接高过程中沉井稳定，需进行沉井接高稳定性的验算。

1)在第1,2次下沉施工结束后，均需停止外壁的泥浆减阻措施，回填土使全刃脚底梁下土塞达到2m，可同时增加摩阻力和刃脚下土体的极限承载力。

2)井内灌水至水位与外部齐平，增加沉井的浮力，方能保证在第3～6次后续制作接高过程中，井体始终保持稳定。

3.6 纠偏技术

在初沉阶段核心工作是形成顺直的下沉通道，此阶段沉井的下沉系数较大，下沉速度不宜过快，尽量在深度不深的情况下纠偏；沉井周边设置沉降观测点，辅助指导纠偏工作，勤测勤纠。终沉阶段下沉速度大幅减缓，此时不宜盲目采取降低水位或深挖“锅底”的措施，需结合下沉过程所采集的各类数据，现场分析后方可采取措施，一般主要采取触变泥浆侧壁减阻措施来增大下沉系数，从而避免突沉及大面积塌方事故。

下沉过程应注意均匀、对称出土，严格控制泥面高差。取土过程中及时跟进测量底梁两侧土塞高度，结合扭转测量数据及土层特性针对性出土，扭转控制效果不佳时采取沉井外部偏顶措施控制扭转。

沉井每次下沉稳定后应进行高差和中心位移测量，必要时连续观测，及时纠偏。初沉时，沉井下沉系数较大，重心高，稳定性差，出现波动属于正常现象，当高差值偏差大时，应该及时纠偏。在终沉阶段应以纠偏为主，应在沉井下沉至距设计标高1m以上时基本纠正好，纠正后应谨慎下沉，在沉井刃脚接近设计标高30cm以内时，必须不再有超出容许范围的位置及方向偏差，否则难以纠正。采取的纠偏措施如下。

1)偏除土纠偏 一般可在刃脚高的一侧抓土，减少刃脚下正面阻力，方法简单，效果较好。

2)破坏单向摩阻力 当沉井下沉深度较大时，破坏土层的土压力时纠偏的关键。根据偏位情况启动纠偏泥浆润滑减阻，使土层的被动土压力大为降低。通过独立注浆管由井外钻入旋喷钻杆高压破坏局部摩阻力同样起到纠偏的作用。

3)压沉纠偏 利用本工程的压沉辅助措施，在不同的位置开启压沉千斤顶，实现压沉效果。

4)井外偏填土扭转纠偏 当沉井平面发生扭转时，可在对侧两角偏除土，在另外对侧两角偏填土，借助刃脚不相等的土压力形成的扭矩，在下沉过程中逐步纠正。

4 结语

本工程已按照设计指导如期完工，施工过程比较顺利，表明设计和施工方案是可行的，可作为同类型沉井施工提供如下借鉴经验。

1)超深双沉井顺利下沉到位有较大困难，周围环境复杂且容易倾斜，因此在设计和施工过程中必须有一定的保护方案和安全储备措施，并制定完善的应急预案。

2)本工程根据周边环境和地质水文情况选择不排水下沉，下沉过程中着重验算下沉系数和下沉稳定系数，视情况采取相应的技术措施。

3)利用针对本工程研发的超深沉井破土压沉施工系统，能够对硬土层的实现有效破碎处理，大大减少了沉井下沉过程中的正面承载力，增大下沉系数，确保沉井能够顺利下沉。