水泥搅拌桩控制沉井下沉施工技术

1 工程概况

天津塘沽开发区基础设施泵站基坑长31.5m、宽19.6m、高15.255m、下沉12.855m。沉井所在地场区为典型的滨海盐土环境，地基土均为淤泥质及淤泥质粘土厚19m，含水量45%～50%，孔隙比1.4～1.6，土质性能极差。

2 沉井施工方案

在沉井施工中，尤其在软土地基下沉井施工，将不可避免地扰动沉井周围土体，产生底涌、突沉或超沉、倾斜，难以纠偏，轻则影响工程质量，造成工期延误；重则造成伤亡事故或构筑物的报废，不仅在经济上损失严重，也会给施工企业带来恶劣影响。开发区的大型沉井在下沉施工中如不采取有效的加固方法常会出现各种问题。由于本工程工期紧，在施工过程中必须采取有效方法确保沉井下沉安全，控制沉井质量。

2.1 施工难点分析

1）由于土质太差，沉井下沉施工中容易出现超沉、突沉、井底涌土等现象。

2）沉井下沉施工中容易造成沉井周边土体下沉、土体开裂，影响临近设施安全。

2.2 沉井地基处理方案

针对以上难点，设计采用在刃脚下打搅拌桩的方法，解决沉井下沉施工的质量及安全问题。

刃脚下设置水泥搅拌桩。根据沉井的重量、沉井施工特点、土的力学性能、水泥搅拌桩在开发区的物理性质的经验值等推算确定，刃脚桩采用双排水泥搅拌桩，桩径600mm，强度2MPa，桩总长度16m，桩与桩之间纵向咬合20 cm、横向相切。刃脚下水泥搅拌桩有两种强度要求，可在一根桩中采用两种不同的水泥掺入量，达到两种强度要求，一种用在沉井下沉过程中刃脚需将其穿过压碎的上部桩体部分，长为13m，该部分桩体要求既能满足支承沉井重量的要求又能在挖土下沉过程中桩体自身压碎破坏，这部分桩体的水泥掺入量为10%；另一种是用在沉井下沉到位后支承刃脚的下部桩体部分，长为3m，该部分桩体要求有足够的强度支承沉井重量且防止底涌，这部分桩体的水泥掺入量为15%。刃脚外侧设置一排护桩，在沉井挖土下沉过程中，为减少沉井下沉对周围土体的扰动，须在沉井外侧施打一排钢板桩围护，采用18m长40B工字型钢桩。

采取水泥搅拌桩地基加固技术对软土地基进行加固处理，使软土抗剪强度提高的同时增大地基承载力。沉井通过不断剔凿破碎水泥搅拌桩的过程进行下沉，当需要下沉时，只需凿除桩头（沉井下沉初期阶段，随着井内的不断取土，搅拌桩可由沉井自重压碎），沉井即可凭自重克服土体摩擦力而下沉。这样，沉井在淤泥中下沉的过程成为一个可控的过程，有效地解决了沉井在软土地基下沉过程中易出现的质量问题。

设计地面以下15m范围内自上而下分别为回填土、淤泥、粉质粘土及淤泥质粉质粘土，当沉井沉至设计标高后，刃脚及封底后的底板落在淤泥质粉质粘土层上，其承载力特征值仅为80 kN，不能满足要求。因此需要解决施工过程中及沉井终了的稳定问题。沉井井筒分三节浇筑，第一、二节浇筑高度为10.7m，第三节待沉井落到设计位置后再接高浇筑。第一、二节沉井制作混凝土量为1 022.36m3，总重量约为24 536.64 kN，井壁周长为88.78m，刃脚踏面宽为0.4m，则刃脚总面积A=88.78×0.4=35.51（m2）。如仅以刃脚底面作为支撑面时，则承受的荷载P=690.98kN/m2，根据地质资料，软土地基承载力仅为80 kN/m2，很明显，即使满铺木方也不能满足预制时承载力的要求。为此，根据设计意图，在预制沉井箱体之前先加固刃脚下地基，使加固后的土体能支承住沉井的重量，不致在预制过程中产生沉降和下沉过程中速度过快产生突沉和偏移。在沉井刃脚下预打水泥搅拌桩，形成联排桩式的地下连续桩墙，对于沉井井壁形成具有一定强度的承托和支撑墙体，将沉井在淤泥中下沉的过程成为一个可控的工艺。

具体的施工做法是在刃脚下打两排直径600mm、间距600mm的水泥搅拌桩，上下排咬合200mm，桩长16 m，水泥采用42.5#普通硅酸盐水泥，掺入水泥标高为-14.000～-11.000m，15%～18%(此标高段为沉井终了后支撑沉井作用，永久存在，不挖除)，其余段-11.000～2.000m为10%。(实践证明掺量10%的水泥搅拌桩便于施工时挖除)。按经验数据水泥掺量为10%的水泥土7 d的无侧限抗压强度为 600 kPa，28 d抗压强度为800～1 000 kPa，因此水泥搅拌桩本身的强度能承受沉井的压载，而为使沉井在浇注和养护时不下沉，经计算桩长需16m。另外在沉井箱体内侧距箱体壁1～2m处打两排500mm间距1 000mm的水泥搅拌桩，其深度与刃脚底的水泥搅拌桩相同。这一做法是可以改变井内淤泥土结构，结合刃脚下的桩体共同作用阻止挖土时井外土体向井内的上涌现象。

2.3 下沉施工方法

由于该沉井刃脚下进行过桩基处理，所以与一般沉井施工方法不同。

1）挖土方法。由于泵站场区外南侧地势开阔且淤泥质土人工开挖较困难，因此挖土采用水力冲挖、泥浆泵抽泥出土。破碎桩头吊车吊运，20 cm为一层，分层对称从刃脚向中心开挖，尽量保持1～l.2m的高差，使井底土形成倒锅底形状，以减少井内底部的被动土压力的损失。

2）破桩方法。如桩身不能挤压破碎，则沉井不会下沉，需采用破桩来下沉。首先要挖出沉井刃脚并暴露出水泥桩，人工用铁镐凿除桩身。凿桩要求对称同步进行，先凿内排桩，按60 cm间隔、50 cm高一桩进行凿除，直到靠沉井自重可压碎下沉为止，如仍不能下沉，以同样方法凿除外排水泥桩。

3）沉井施工质量控制。根据本工程的质量要求和沉井施工规范制定质量控制指标，进行严格控制，控制指标见表1。

表1 沉井施工质量控制指标

根据指标进行观测。为防止沉井倾斜、轴线位移或垂直的偏移，在沉井四周上设标尺，标尺外用钢管架搭设固定标针，标针均在同一水平面上，一旦沉井发生倾斜，即可在标尺上反应出来，同时在沉井外30m处设轴线位移观测点，轴线位移观测点和标尺外标针每两个小时观测一次，一旦沉降倾斜和沉降平移超过控制标准便通过改变取土方法来进行调整。

3 实施效果

泵站沉井下沉过程相当稳定，以0.4～0.5m/d的速度均匀下沉，甚至能够做到随意地控制沉井的倾斜和下沉的速度，与设计标高偏差最大4 cm，沉井四角高差最大3 cm，满足规范要求。沉井下沉过程中不需要人工破桩，靠自重压碎下沉。沉井下沉过程中周边土体无明显破坏，井底无涌土现象，南侧地面局部土体有下沉现象，地面土体最大开裂裂隙在3 cm之内，沉井施工均取得了良好的效果。

4 结语

1）采用水泥搅拌桩处理大型沉井地基操作方便可靠，克服了在软土地基中沉井施工常出现的涌土、倾斜、超沉等不良现象，能够确保工程质量和施工安全。

2）同一桩身采用不同水泥掺量的搅拌桩在施工中取得了成功，沉井下沉过程中刃脚穿透压碎的上部桩体水泥掺人量为10%；沉井下沉到位后支承刃脚的下部桩体水泥掺人量为15%能够满足施工要求，同时还改善了施工挖土的条件，但打桩时水泥掺量的标高控制应注意。

3）从经济效益上讲，采用搅拌桩处理沉井地基相对于其他方法来说是经济合理的，同时该沉井挖土采用了水力冲挖下沉，节省了大量的机械费用，节约了开支，降低了成本。