复杂地质环境下矩形深大沉井下沉施工技术研究与应用

曾源新

（广东省基础工程集团有限公司 广州 510620）

0 引言

近年来随着市政工程非开挖领域的推进和革新，使得沉井施工的利用率不断上升。沉井借助于其自身自重大、下沉深度深的优势，被广泛应用于桥墩、泵站以及污水处理厂进水泵房等，用途十分广泛。但由于沉井施工对地质和周边环境要求高，下沉时井壁结构受力复杂，或是施工工艺选取不当，往往会出现下沉困难、倾斜、涌土等施工问题，研究如何根据实际条件采用针对性的处理技术手段就显得尤为必要。

丁慈鑫等人［1］提出一种沉井结构及将沉井结构平稳准确沉入地面的方法；钟永新等人［2-5］进行了沉井下沉预留中心土及其受力分析等相关研究；李海强等人［6］利用三维模型对异形沉井下沉问题进行研究；彭琦等人［7-10］从不同方面研究了沉井纠偏技术的受力分析工艺方法。

现以广东省中山市某污水处理厂沉井为研究对象，结合实际地质条件，采取各项施工技术，确保沉井能够安全稳定下沉到位，为类似构筑物沉井下沉提供有价值的参考。

1 工程概况

广东省中山市某污水处理厂新建粗格栅及进水泵房，设计采用沉井施工方式，其平面尺寸为19.3 m×24.1 m，整体高度26.64 m，地面标高+3.000 m，沉井起沉面标高+1.000 m，终沉面标高-14.940 m，下沉深度15.94 m，剩余上部结构在完成封底和底板后施工。沉井四周设置双排咬合高压旋喷桩作为止水帷幕，采用排水法下沉施工。根据地勘报告钻孔揭露，沉井下沉依次经过素填土层、淤泥质粘土层、中粗砂层、淤泥质粉质粘土层、粉质粘土层、砂质粘土层，最终在全风化花岗岩层达到终沉位置。

场地地基土主要为填土、淤泥质土、粉质粘土、中粗砂、全～中风化花岗岩，层位不稳定，同时各岩土层的状态、埋深和厚度在水平和垂直方向局部变化较大，土层力学性质较离散，压缩模量差异较大。素填土结构松散，欠压实，土质不均匀；淤泥质土呈流塑状态，高压缩性，强度低，渗透性低，属高灵敏度土，具有很强的触变性和流变性，场地内软土层厚度有一定变化，分布不均匀，易产生突沉、倾斜等现象；粉质黏土，呈可塑状态，其土性稍好；中粗砂，松散-中密，饱和，在沉井过程中，在水头差的压力下，易流土，涌砂，导致地面塌陷。故地基的均匀性差，在荷载作用下易发生应力集中或应力扩散，从而导致产生不均匀沉降，影响工程稳定性。

沉井东侧为现状小型道路，道路为一期场地进出道路，且有一条架空高压线；南侧为一期的构（建）筑物；西侧为现状小型道路（沉井完成后施工细格栅），道路为一期、二期场地进出道路；北侧为一期的构（建）筑物。

2 复杂地质环境下矩形深大沉井下沉施工技术研究与应用

2.1 多点支撑开挖下沉施工技术

沉井在下沉过程中，常规大锅底方式开挖取土，随下沉深度增加结构受力增加，对于矩形深大沉井需要进行大厚度、大配筋设计。为了优化沉井结构设计，减小沉井结构受力，降低成本，方便施工，对沉井支撑条件进行优化，减小沉井下沉时的支撑跨度，增加刚度，形成多点支撑体系。

⑴支撑优化布置。结合工艺要求和施工工序需要，沉井底板以下刃脚部分设置三短一长双切面刃脚，底板以上十字部位设置内隔墙，两边对齐双切面刃脚设置两道支撑梁，形成平行于沉井短边的三榀框架（中间一榀为内隔墙）、平行于沉井长边的一道内隔墙。

⑵支撑优化验算。为了验算上述优化后结构构件设计和下沉系数及稳定性能否满足要求，利用软件建立模型和荷载计算，对沉井下沉阶段的下沉系数、下沉稳定性系数、抗浮系数，以及长边和短边壁板构件进行验算。结果如下：

下 沉 系 数Kst=（38 518.03-0）/12 039.77=3.20＞1.05，满足要求。

下 沉 稳 定 系 数Kst，s=（38 518.03-0）/（12 039.77+34 316.8）=0.83＜0.9，满足要求。

下沉阶段封底抗浮系数K=58 430.53/54 141.13=1.08＞1.05，满足要求。

⑶多点支撑下沉施工。结合上述支撑优化布置验算，通过增加沉井结构内隔墙或内支撑梁，形成多舱室的小锅底开挖如图1 所示，内外刃脚和内隔墙共同作用支撑于地基上，减小沉井结构受力，能够有效的保证沉井下沉姿态，顺利完成下沉。主要施工工艺如下：

图1 小锅底开挖示意图Fig.1 Schematic Diagram of Small Pot Bottom Excavation

①沉井首节井壁及刃脚制作。为了保证首节沉井制作时地基能够有足够的承载力，在开挖到起沉面后对地基土采用0.5 m 中粗砂进行换填，并浇筑10 cm素混凝土垫层。浇筑时选择夜间浇筑，分层浇筑时每层不大于1.0 m，浇筑过程中监测沉井稳定状态，及时调整浇筑位置，完成浇筑后及时拆模养护。

②垫层破除。首节完成浇筑并达到100%强度后，进行垫层破除，施工时采用PC60 炮机进行破除，为取土下沉做准备。

③首节下沉。下沉时采用2 台长臂挖机进行取土下沉，以长边方向中隔墙分界，每台挖机负责一侧的四格，按照小锅底每格单独开挖形式，从中间到两边，斜对称开挖，每层取土深度不超过50 cm，下沉过程中实时监测四角下沉深度（刻度线），及时纠偏，稳定沉井下沉姿态。沉井首节取土下沉如图2所示。

图2 沉井首节取土下沉Fig.2 Sinking of the First Section of the Open Caisson

④第二～第五节井壁及内撑制作。第二至第五节井壁主要通过在前节井壁预埋螺栓，然后安装三脚架搭设悬挑操作平台，为钢筋绑扎和模板安装加固提供工作面，同时利用外撑内顶的方式对模板进行加固，以保证其垂直度。

⑤第二～第五节下沉。利用2 台挖机仍然按照小锅底方式对称开挖，重复首节下沉施工步骤。

⑥封底及底板施工。沉井下沉至设计标高后，经过观测在8 h 内累计下沉量不大于10 mm 或沉降率在允许范围内，沉井下沉已经稳定时，即可进行沉井封底，封底时采用分仓封底，以保证封底质量。沉井封底浇筑2 000 mm 厚C30 素混凝土，最后浇筑800 mm 厚C35P8钢筋混凝土底板。

2.2 中心土滞挖控制涌土施工技术

通过上述内力计算分析和现场观察，沉井开挖下沉过程中，易于发生沉井中心隆起，降低沉井取土下沉效率，而中心隆起常常伴随着涌土的出现。传统大锅底开挖下沉方法，嵌固深度小，为了控制涌土的发生，结合上述多点支撑小锅底开挖方式，在沉井中心预留一定范围的土，对坑底进行反压，减小沉井中心土体涌起量（见图3）。主要施工工艺如下。

图3 中心土预留平、剖面示意图Fig.3 Schematic Diagram of Reserved Plan and Section for Central Soil

⑴中心土预留。按照方案将中心土范围内土体进行预留，保证沉井中心受力支撑在地基上。

⑵开挖周边土体。2 台挖机按照前述下沉原则进行取土，分层对称，小锅底开挖。

⑶沉井下沉脱空面积减小。随着取土沉井会慢慢下沉，中心位置土体越来越多，下沉受到影响。

⑷中心土适当开挖。结合下沉速率，对中心土进行适当的开挖，使沉井中心继续切土保证沉井继续顺利下沉。

⑸循环以上施工步骤，直至下沉至设计位置。

在实际施工下沉过程中，由于受周边环境影响，降水效果有限，井内无法保证完全干底，故利用井内的水体与中心土共同作用，进行反压，起到了良好的控制涌土的效果。采用此技术后，沉井临近周边土体的下沉量也大大降低，得到有效的控制。

2.3 偏位堆载沉井纠偏施工技术

不均匀地质条件使得沉井在同一高度受力不均，易产生倾斜，提出采用偏位堆载沉井纠偏施工技术，即在较软弱地层一侧（沉井下沉较多一侧）进行填土堆载，增加沉井的侧压力，同时减少堆土侧的井内取土量，通过改变沉井受力状态，使沉井在不平衡水平荷载作用下由受力大的一侧往受力小的一侧进行滑移，从而达到沉井纠偏。

为了计算不同填土高度对沉井井壁侧压力增加效果分析，结合实际施工分节高度，计算填土高度分别为1 m、2 m、3 m、4 m 共4 种情况下的侧压力分布情况，计算得到不同填土高度情况下的侧压力结果，如表1所示。

表1 不同填土高度下侧压力计算结果汇总Tab.1 Summary of Calculation Results of Lateral Pressure under Different Fill Heights

根据以上计算结果得到不同堆土高度侧压力分布图和趋势图，如图4、图5所示。

图4 沉井偏位堆载不同填土高度侧压力分布Fig.4 Distribution of Lateral Pressure at Different Filling Heights for Inclined Loading of Open Caisson

图5 沉井偏位堆载不同填土高度侧压力变化趋势Fig.5 Trend Chart of Lateral Pressure Changes at Different Filling Heights During the Offset Loading of Open Caisson

由图4、图5 和表1 结果分析可知，填土后均不同程度的增加了井壁的侧压力，并且当填土高度在地面以下时，原起沉面以下的井壁侧压力均保持不变，仅填土段井壁增加了侧压力，而当填土高度超过地面以后，在井壁不同位置的侧压力均不同程度的增加，增加幅度随深度增加而减小，说明过于加高填土高度来实现增加侧压力的办法效果不明显，且会造成成本增加，不经济。

总体来说，偏位堆载对沉井增加侧压力，用来实现纠偏的方法是可行，且施工简便，易于操作，在填土时要根据情况选择合适的填土厚度，以使满足纠偏要求。

主要施工工艺如下：

⑴偏位填土堆载。在沉井发生倾斜后，在倾斜一侧进行回填堆土，以增加井壁侧向抵抗力。沉井偏位堆载纠偏下沉如图6所示。

图6 沉井偏位堆载纠偏下沉Fig.6 Correction of Deviation and Sinking of Open Caisson by Stacking and Loading

⑵取土下沉。完成堆载后，低位侧减小或停止取土，高位侧加大取土量，同时需要保证小锅底对称分层开挖，使得沉井高位侧加快下沉。

⑶沉降监测。在开挖过程中，要加强监测，增加监测频率，并及时分析高差变化情况，直至沉井复位。

⑷挖除填土恢复正常开挖下沉。待沉井恢复到正常姿态后，挖除填土使得两侧的挖土平台高度保持一致，继续按照前述取土下沉原则进行下沉施工。

2.4 周边环境自动化三维监测施工技术

沉井下沉过程中，不同程度的会带来周边地面的下沉，甚至可能引起周边建筑物的破坏。为了实时掌握周边建筑物的安全变化情况，采用自动监测系统，通过在周边建筑物上安装监测点，自动进行数据的测量和采集，具有频次快、时效性好、稳定性高、数据真实可靠等优点，实时且精准地为施工安全保驾护航。一旦数据报警，项目部将对数据进行分析，同时观察现场实际变化情况，相应的采取应急措施，保证建筑物安全可控。

3 结论

提出采用多点支撑开挖下沉、中心土滞挖控制涌土、偏位堆载沉井纠偏、周边环境自动化三维监测等多项施工技术，克服了下沉过程中的各项问题，同时也保证了周边环境的安全，加快了施工进度，使得沉井安全稳定下沉到位。在参考运用时，要注意支撑优化和中心土厚度对下沉的负面影响，防止出现难以下沉的风险。此外，本技术对于不同地质或环境情况具有不同的适用性，将在下一步进行更加深入的研究，从而更好地适应今后复杂地质环境下矩形深大沉井下沉施工发展的需要，促进不良地质和周边环境下矩形深大沉井下沉施工技术的安全高效化发展，对国内深大沉井下沉安全高效化施工有一定的推动作用。