流砂软土地基建地下泵站沉箱方案设计与施工

王俊增 王德源 于 斌

(山东三箭置业集团有限公司，山东济南 250100)

0 引言

东明县地下污水泵站工程是南水北调在该县的一项重要配套工程。该工程位于县城内工业路与东关大街交叉口东北角，北临黄河，属黄河冲积平原地貌，土质较松软，地下水埋深1 m;地下污水泵站设计为现浇钢筋混凝土结构，长20.2 m，宽9.4 m，高7.97 m(见图1，图2)，泵站埋深约9 m。

图1 地下污水泵站平面图

图2 地下污水泵站剖面图

建设地点的西侧、南侧为马路，距泵站混凝土外墙5 m～6 m，东侧学校院墙距泵站混凝土外墙6 m，北侧30 m处为商铺和住宅。根据地质资料和当地技术人员介绍，该处土层多为粉砂、粉土，局部粘土夹层，土质较松散，粘聚力差，极易产生流砂，而且又适逢雨期施工，地下水位较高。如按传统方法降水、支护、明挖法施工，不但会产生流砂造成施工非常困难，大量降水也会导致地面沉降而危及周边马路、房屋，而且费用高、施工周期长，以前有过因流砂严重导致基坑坍塌事故的经验教训。经综合分析研究并与工程设计人员协商后确定采用安全、可靠对周边建筑、设施影响较小的沉箱技术方案，即利用泵站自身钢筋混凝土结构经加强后改制成沉箱，在其内开挖下沉完成施工任务。沉箱设计与施工技术路线为:为保证沉箱下沉位置准确和减少泥砂对沉箱侧壁的阻力，确保沉箱顺利下沉，确定先明挖至-4.5 m处，以下结构按沉箱施工，以上结构按常规方法施工。这样既不需要挖深基坑，也解决了支护问题，部分结构与支护结构融为一体，还节省了费用和工期。具体设计与施工方法如下。

1 技术方案设计

1.1 沉箱设计

沉箱施工工艺就是用钢筋混凝土制成箱筒结构，施工时先就地制作第一节带刃脚的箱筒，然后在箱筒内挖土，使沉箱在自重作用下克服土的阻力而下沉，随着沉箱逐步下沉，再逐步接高箱筒，直至下沉到设计标高，封底后形成地下结构物。

本工程沉箱经结构计算采取将原泵站钢筋混凝土结构外墙厚度加宽至500 mm，墙体钢筋做适当加强调整，内墙及地梁也做适当加强，再在外墙下端加设900高的钢筋混凝土刃脚而制成(见图2)。为确保沉箱在下沉、下沉期间、沉至设计标高后都能满足要求，根据实际情况并对下沉系数和下沉稳定系数进行了计算，确定整个8.87 m高结构分两段制作施工，下段5 m高按沉箱工艺施工，在-4.5 m处制作下沉，待下沉到设计标高后，上段3.87 m高结构在开挖面上按常规混凝土结构施工方法续接施工。

1.2 护坡防砂止水帷幕设计

为切断坑外地下水与沉箱内开挖面处的水力联系，防止砂随水涌现象，以及加固-4.5 m以上边坡，沿基坑周边做两排水泥土搅拌桩，形成护坡防砂止水帷幕(见图3)，减小四周水向坑内渗透的动力，确保边坡及挖井时的安全。

图3 复合地基

1.3 做刃脚支撑桩

由于此处土层松软，混凝土沉箱体积大、重量大、也较高，为保证沉箱能均匀下沉，采取在沉箱刃脚下做一圈水泥土搅拌桩以加强对沉箱的支撑(见图3)，用挖土削桩的办法使沉箱下沉，以控制下沉量和防止沉箱发生不均匀下沉而倾斜。

1.4 底部止水止砂及地基处理

根据地质资料，泵站底部土质较松软(散)，泵站地基需进行加固处理，而且底部水压力大，流砂也会更多。为加固泵站地基和阻挡涌砂，采取在泵站混凝土底板下布设2.5 m长的水泥土搅拌桩，形成复合地基(见图3)，既加固地基又起到阻挡涌砂作用，便于安全封底，确保工程质量。

1.5 降水

为确保-4.5 m以上基坑开挖和沉箱制作，在基坑周边设一圈井点进行降水，确保坑内-5 m以上无水，抽出的水进行回灌，以保持坑外水位稳定，不影响到周边地面和建筑。沉箱内水采取明排法用水泵抽出箱外。

1.6 环境监测

为随时掌握施工期间周边设施变形情况，在马路、院墙上分别设两个沉降观测点，住宅、商铺等建筑物上设三个沉降观测点，以便根据观测数据采取相应措施。

2 技术方案的实施

施工程序为:施工基坑周边止水止砂帷幕→施工刃脚支撑桩→施工封底桩→降水、挖土至-4.5 m及混凝土喷护边坡→预制沉箱基础→制作沉箱(5 m高)→沉箱下沉→沉箱封底→施工沉箱上部第二段结构→回填土→停止降水。

2.1 施工水泥土搅拌桩止水止砂帷幕

由于被加固土体属饱和土，所以采用粉体喷射深层搅拌法。帷幕桩采用直径500 mm，桩长L=9 000 mm，做内外两排桩，内排间距0.5 m，外排间距1 m，水泥用量15%，复喷深度3.2 m，复喷水泥用量10%，采用GZB-500型钻机施工。

2.2 施工刃脚支撑桩

刃脚支撑桩采用直径 500 mm，桩长 L=12 000 mm，自-4.5 m～-16.5 m，桩间距2 m，水泥用量15%，复喷深度6 m，复喷水泥用量10%，采用GZB-500型钻机施工。

2.3 施工封底桩

封底桩采用直径500 mm，中距2 m，梅花形布置，从-2.5 m处开始钻孔，桩长L=9 400 mm，上部6.9 m只搅拌压缩不喷水泥，下部2.5 m喷水泥，水泥用量15%，采用GZB-500型钻机施工。

2011年12月，浙江省人民政府下发《关于加强矿产资源勘查工作的意见》，进一步加强矿产资源勘查工作，加快实现地质找矿重大突破，切实提高矿产资源保障能力。

2.4 挖土及边坡喷护

水泥土搅拌桩施工完毕固结后，采取两级井点降水，然后挖土至-4.5 m，挖土自东向西逐层顺次开挖，按1∶0.4～1∶0.5放坡，挖土时尽量减少对基坑边坡土体的扰动，修好边坡后进行混凝土喷护。

2.5 预制沉箱基础

由于沉箱较高、重量较大，为防止在制作沉箱和下沉时地基产生不均匀下沉引起井身裂缝，采用了砂垫层法，即在刃脚下设砂垫层，经计算铺设2 000 mm宽、400 mm厚的砂垫层即可满足要求。砂垫层上铺设1 500 mm×220 mm×160 mm垫木，间距0.5 m～0.6 m，设8组定位支承垫木，位置铺设在两长边方向，距端部1 m，中间等分，以待抽出其他支承垫木后，沉箱有比较扎实的着力点。

2.6 预制沉箱段

根据沉箱设计方案要求，第一段包括刃脚共5 m高作为沉箱，刃脚高900 mm，底部宽300 mm，刃脚上部宽600 mm，混凝土为C30S6。

模板、钢筋工程施工同普通混凝土结构施工方法，在墙体中部设置400 mm×3mm连续钢板止水带，混凝土内掺加早强剂，浇筑沉箱壁混凝土时要求均匀、对称、分层浇筑，分层厚度300 mm，每层浇筑时间控制在2 h内。

2.7 沉箱下沉

1)抽降垫木。

沉箱混凝土达到设计强度后，做好下沉前的准备工作，并抽降垫木，抽取垫木要对称、隔一抽一，并立即用粗砂灌填密实，收口处四周填黄砂以减少井壁倾斜的可能性。

2)挖土与削桩。

沉箱下沉采取箱内用水泵明排水，人工挖土削桩下沉，并用一台汽车吊将土方运出箱外。沉箱下沉的取土顺序和方法为:先将泵站结构地梁底下土取出，再由中心向四周均衡地取土;当挖至刃脚时，先将桩间土取出，再逐层、对称、均匀的用利凿和锤子人工削桩，以使沉箱均匀稳定下沉，沉箱下沉速度控制在200 mm/d。

沉箱位置与标高控制是在井壁顶部四面设置纵横十字中心控制线和水准基点，井外设标志桩，以控制位置和标高;沉箱垂直度控制是采取在井内壁悬挂6个吊坠，长边2个，短边1个，挖土削桩时随时观测，当线坠离墨线边达50 mm或四面标高不一致时，立即采取纠偏措施。在沉箱过程中，由于严格按设定程序挖土、削桩，沉箱下沉平稳，未发生倾斜和滞沉现象。

4)箱内排水排砂。

在沉箱施工至临近基底时，有部分地下水和流砂由下向上和在沉箱刃脚下涌入井内，为此，在井底设了3个集水井，用污水泵排水、排砂。

2.8 沉箱封底

沉箱沉至设计标高3d后，经观测沉箱平面轴线、高差值符合规范要求，并且下沉速度已达到规范要求的8 h下沉小于10 mm的稳定条件，开始封底。

本工程采取无水干封底，先将基底修整成锅底状，用碎石子和水泥管做集水沟井，抽净基底水后浇筑700 mm厚C15混凝土，其上再做100 mm厚的砂垫层和100 mm厚的混凝土垫层，最后做600 mm厚钢筋混凝土结构底板(见图4)，待混凝土底板达到设计强度后逐个用C30早强干硬膨胀混凝土封堵抽水井。

图4 钢筋混凝土结构底板

此时第一段沉箱已经全部封闭，需要验算其抗浮力。经计算在沉箱段地下水产生的最大静水浮力(算至预留口)约为32.3kN/m2，抗浮力约为51 kN/m2，抗浮力与浮力比值k=1.59，所以是安全的。

2.9 施工沉箱上部第二段结构

沉箱上部第二段结构施工是在已开挖的基坑内施工，钢筋接长连接、施工缝处理、模板支设、混凝土浇筑与施工普通混凝土结构无异。

2.10 回填土、停止降水

在结构施工完成、拆除模板并经有关单位验收后进行回填土施工，在全部工程施工结束后，采取注水抗浮措施，然后停止降水。

3 结语

工程按期竣工后经运行应用各项指标均满足设计要求，周边马路、建筑物经观测均未受影响，说明沉箱技术在本工程的应用是成功的，选择和设计的技术方案是正确的，制定的措施是有效可靠的。在以后遇到的类似地质松软(散)、流砂严重及周边情况复杂的深基坑工程中也采取了此技术路线进行设计与施工，均取得了满意效果。本工程的经验可供同类工程借鉴。