压入式下沉技术在沉井施工中的应用

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1 沉井下沉的主要方法[1-4]

沉井下沉是沉井这种地下结构最终实现其功能的重要环节，现在沉井下沉按照所采取措施的不同有许多种方法。概括起来有如下几种：按照是否排水分为排水下沉法和不排水下沉法；按取土方式的不同可分为人工挖土法、机械挖土法；按助沉方式的不同可分为水冲法、泥浆润滑套法、空气帷幕法。

可以看出从沉井下沉施工经过数十年的发展，方法措施已经较为丰富，已经能够适应高含水量或渗透系数较高地质条件下的施工，某些工程还可以通过在沉井外设置挡水围护结构来降低沉井下沉对外部环境的影响，从而提高了沉井工艺的应用范围。通过沉井下沉方法的列举可以看出，目前下沉环境保护方面考虑最佳施工方案应该是不排水法下沉方式+机械挖土（或空气吸泥）取土方式+配重助沉方式。这种组合兼职环境影响以及施工效率，但仍然难以满足一些特殊工程的应用。许多工程，尤其是超深沉井即便采取多种助沉措施联合使用，仍无法达到理想效果。

2 工程实例

江苏丹阳市长江边某工程有2 座圆形沉井需要下沉，沉井Φ16 m，下沉深度45 m，两沉井最小间距9.5 m，主要穿越土层为黏土及粉砂层。为了保护江堤以及边侧的泵房井，沉井下沉采取了数项措施联合使用：不排水下沉+隔离围护桩+水力机械出土，并采用了泥浆套润滑、空气帷幕助沉工艺。最终该沉井下沉在数万立方回填土、下沉累计耗时70 d完成了施工任务，成本大大超过了预算。

3 工程特点

（a）由于两沉井间距非常小，若采取分别下沉的方式会大大延长工期，而采取同时下沉应将两者隔离，但传统围护桩工艺无法满足本案例的下沉深度；

（b）由于沉井总质量达5 800 t，在如此小的面积上所能配置的配重相比较沉井自重非常的轻微，因此配重助沉措施局限性很大；

（c）在下沉最后10 m阶段，沉井下沉采取了冲水破坏砂土层以及泥浆降低黏土层摩阻力以及空气幕助沉等助沉措施，但由于沉井刃脚聚集的压力较大，都未能起到很好的效果。

（d）由于下沉深度深，土质变化较大，透水性高的工况条件，采用了不排水下沉的下沉工艺。这是在超深下沉深度条件下减少外部涌入井内的唯一方法，但缺点是受浮力作用，大幅降低了沉井的下沉系数，造成沉井在下沉30 m后下沉系数不足，从而加强了对助沉措施的依赖，而助沉措施也不能解决的这种局面下不得不采取超挖锅底的措施，但随之而来的是外部土体的沉降，为了减少环境影响，采取不断的回填土到沉井周围。

从以上几点分析可以看出，目前的沉井下沉施工工艺在超深以及减少扰动方面存在着较大的缺陷，产生的原因就在于下沉系数的不足。若不排水下沉，并在井内保留一定的土塞厚度，沉井下沉仍然具有足够的下沉系数，则可大大提高施工效率、减少了对外部土体的扰动。

4 解决方法

现有的下沉工艺的下沉驱动力来源于沉井的自重，而一旦沉井迫于环境影响压力采取不排水下沉工艺往往会造成下沉系数的不足，而下沉系数的不足又会反过来增大沉井下沉对环境的影响。

若需要减少沉井下沉所带来的环境影响就需要防止外部土体向井内涌入，也就是说采取不排水下沉的施工工艺，在这种前提下若要增大下沉系数则需要降低侧壁摩阻力，但从上个案例中可以知道随着下沉深度的增加，其效力是递减的，最终导致沉井下沉出现了一个瓶颈。而破除这个瓶颈的方法就是采用压入式下沉工艺。

5 压入式下沉施工

对沉井施加一个足够的下压力，使沉井具有足够的下沉系数，该下压力足以消除土层对其产生的种种不利影响，即能够主导沉井的下沉，减少对环境的影响。

压入式下沉主要组成部分为：反力地锚、反力拉杆、承压牛腿以及穿心千斤顶（图1）。穿心千斤顶在与沉井相连的承压牛腿上通过张拉连接锚固在地下的反力拉杆获得下压力，主导沉井下沉。反力地锚可使用钻孔灌注桩等形式。其施工工艺如图2所示。

图1 压入式沉井组成

图2 压入式沉井施工工艺

该工艺需要在沉井制作前于沉井下沉通道边侧设置反力地锚，然后可以开始常规的沉井制作。在压入式下沉阶段，若沉井下沉深度较浅，在土质及水文条件允许的情况下可以使用排水下沉的方式，但必须保留足够的土塞高度，通过足够的安全土塞高度可以阻止外部土体在下沉过程中进入沉井内。

需要注意的是压沉的下压力大小取决于沉井的结构、沉井大小以及外部土层情况，下沉深度越深，则反力地锚需要设置的越多（图3）。

图3 沉井反力地锚设置

压入的过程是通过穿心千斤顶反复张拉实现的。在压沉过程中，沉井下部的土体会被挤压入沉井隔仓内，而一旦穿心千斤顶停止，工作沉井就会牢牢地停留在土层中。这时，可以将井内挤入的泥土清出。当沉井内土塞高度下降到一定程度后可继续实施压沉，如此反复直至达到终沉标高。

6 结语

在上海市污水治理白龙港南线东段工程SST2.2标段工程中，首次应用了压入式下沉施工工艺，在国内尚属首次，起到了非常好的效果。在适当取土的同时，将沉井压入土体。

其主要有如下优点：

（a）控制沉井姿态容易且精度很高，终沉高差小于3‰；

（b）下沉速度快，通过压沉装置，增加沉井的下沉系数，可大幅提高沉井下沉速度，在实际应用中达到了最快3 m/d的速度；

（c）对外部土体扰动小，案例中距离沉井7 m处的重要管线沉降仅为4 mm。

采用上述压入式下沉工艺应用于超大沉井工程，不仅完成了下沉施工任务，而且极大的提高了施工效率及质量，为以后超深、复杂地质并且环境保护要求较高的沉井工程积累了宝贵经验。