瓯江三角洲深厚软土层中沉井施工技术研究*

宋立伟，王二成，蔡送宝，杨 雪，张文帅

(1.天津市赛英工程技术咨询有限公司，天津 300051； 2.河北工程大学土木工程学院，河北 邯郸 056038)

0 引言

在地下空间的开发中，沉井结构具有刚度大、防水效果好等优点，因此在大型桥梁基础、地下停车库、地下管廊及隧道工程中的应用越来越多，但在下沉过程中沉井姿态控制是个难题，特别是对于深度较大的沉井，姿态控制的好坏直接决定工程项目的成败，并且沉井会给周边环境带来影响，项目实施之前需对沉井引起周边地表沉降及对临近建(构)筑物的影响做出评估。围绕沉井存在的一些问题，很多专家、学者和工程技术人员开展了很多研究工作。周和祥等[1]对直壁式、阶梯式井壁开展离心机模型试验，分析沉井侧壁摩阻力的分布规律；彭仪谱等[2]对沪通长江大桥主塔沉井着床灌注隔仓混凝土的过程进行了有限元模拟分析，得出了不同施工阶段下刃脚受土压力的变化；王正振等[3]用PLAXIS 3D有限元软件对某大桥南锚碇沉井进行了分析，计算出沉井在施工及运营阶段的最大竖向位移及水平位移；陈国平[4]通过重型井点降水的辅助工艺，解决了软土地基沉井施工困难的问题；汪成龙[5]基于五峰山长江大桥北锚碇下沉项目，提出十字槽同步开挖、分区开挖、预留核心土等措施，降低结构应力，保证了结构安全。此外，还有其他学者及工程技术人员[6-10]对沉井进行了相关研究。

1 工程概况

温州市鹿城区七都岛—铁塔公园跨瓯江电力隧道工程包括2座沉井和1段跨瓯江电力隧道，电力隧道采用顶管法施工，顶管自鹿城区七都岛侧工作井始发，下穿瓯江至瓯江路侧接收井，电力隧道全长1 202.4m。七都岛侧工作井为变壁厚的圆形沉井，外径为14.2m，壁厚为0.9，1.1m，沉井深度为32.42m，采用沉井法施工。

沉井西侧为樟里村浮沙赤岩庙，沉井结构外边界距离大雄宝殿的最近距离为25m；沉井东侧为现状110kV高压线架空铁塔，沉井结构外边线距离铁塔基础的最近距离为21m；沉井南侧为现状村间水泥路，沉井结构外边线距离村间路的最近距离为15m。寺庙建筑对地基沉降变形比较敏感，对沉井下沉过程中引起周边围岩土体变形提出了较高的要求。

工程地貌属河口三角洲，土层工程地质条件较差，分布有深厚的软土地层，土层含水量高、灵敏度高。土层自上而下依次为：①2黏土、②1淤泥夹粉砂、②2粉砂含淤泥、②3淤泥、②4粉砂含淤泥、③1淤泥质黏土、黏质粉土、③3卵石，沉井侧摩阻力如表1所示。

表1 沉井侧摩阻力

2 沉井设计

2.1 沉井支护结构

沉井距离既有高压线塔、庙宇较近，且沉井深度达32.42m，为了减小对周边环境的影响，在距离井壁外侧3m布置1圈18m长SP-U400×170拉森钢板桩，钢板桩顶部设置1m×0.8m的混凝土冠梁，浇筑C20混凝土。

2.2 第1节井壁浇筑前地基土换填

第1节井壁浇筑高度为11.7m，自重较大，天然地基承载力无法满足要求，需对刃脚垫梁下1.5m深土体进行换填处理，用中砂分层回填密实，提高刃脚下土体的承载力，如图1所示。

图1 地基土换填

2.3 沉井分节及下沉控制系数计算

沉井井壁结构总高度为32.42m，根据CECS 137∶2015《给水排水工程钢筋混凝土沉井结构设计规程》中对下沉系数及下沉稳定系数的要求，井壁结构分成5次进行浇筑和下沉，每次浇筑的井壁高度分别为11.7，4.5，3.87，6.4，5.95m，分5次下沉至设计标高，每次下沉的控制系数如表2所示。

表2 各次下沉控制系数计算值

沉井结构采用C40混凝土浇筑,抗渗等级为P12，井壁外侧涂刷2道水柏油防水。

3 沉井施工控制要点

3.1 分仓排泥，井筒下沉

排泥采用虹吸法，井内灌满水，用带有叶片的搅拌设备将仓内土体搅拌成泥浆，然后用虹吸泵将泥浆排放到泥浆池内，静置待水土分离后再将表层清水泵回至井筒内，继续用于搅拌泥浆，循环往复将井底土体带出，各分仓内均匀对称排泥，井筒同步下沉。

3.2 沉井姿态控制及纠偏措施

沉井下沉过程中，在井壁上布置水准观测点，通过水准仪监测下沉过程中井筒的姿态，根据下沉姿态实时调整取土位置，对井筒进行动态纠偏。

沉井下沉过程中出现了较大沉降差，通过分仓取土的方式进行姿态纠偏效果不明显，为了对井筒进行及时有效的纠偏，采取一侧架设临时钢管支撑与对侧打设旋喷泥浆减阻润滑的方法进行姿态调整。

在靠近沉降量小的一侧土层中打设2排φ800mm@600mm的膨润泥浆高压旋喷桩，降低该侧井壁侧摩阻力，加快该侧井筒下沉速度；在沉降量大的另一侧用8m长、φ300×12钢管作为临时支撑,加大该侧井筒的阻滑力，降低该侧井筒的下沉速度，两侧同时发挥作用，从而实现对井筒姿态的调整。井壁上开凿500mm×500mm×400mm(高×宽×深)的顶洞，每根临时钢管支撑下部浇筑1 500mm×1 000mm×500mm(长×宽×厚)的独立底座，3根临时支撑钢管底部用槽钢焊接，加强支撑之间的整体性，底座布置在换填的砂层上，允许其有适当的沉降位移，避免临时支撑效果过大导致井筒发生反向偏移。

沉井刃脚下沉至设计标高时，井口的标高偏差为12cm，根据GB50141—2008《给水排水构筑物工程施工及验收规范》的要求，沉井下沉就位后，偏差不大于直径长度的1%，且≤300mm，满足规范要求。

4 沉井对周边环境影响的数值模拟与实测对比分析

根据沉井所在场地的工程地质条件，建立1个60m×60m×60m的数值分析模型(见图2)，预判沉井刃脚下沉至设计标高后引起的周边地表沉降和井底土体的隆起情况。

图2 数值计算模型

模型前、后边界面上的节点限制x向位移，左、右边界面上的节点限制y向位移，底面节点限制x，y，z向位移，拉森钢板绕z轴产生的转动。实际工程中桩顶放坡1.5m，建模时将1.5m厚土体荷载按照27kPa均布荷载等效考虑，均布荷载布置在拉森钢板桩以外的表面节点上，土层物理力学参数如表3所示。

表3 土层物理力学参数

数值计算结果表明，沉井刃脚下沉至设计标高时，沉井周边地表沉降在15.1～16.5mm，井底土体发生较大隆起，最大隆起量为62.1mm。

为了监控沉井对邻建建(构)筑物的影响，现场布置了若干监测点，并选取了其中4个沉降监测点与数值模拟结果进行对比。刃脚下沉就位时，监测点沉降量如表4所示。

表4 各沉降监测点沉降量

监测点沉降量的数值模拟结果与实际测量进行对比，如图3所示。

图3 地表沉降模拟值与实测值对比

从图3可以看出，各监测点沉降量的模拟值与实测值吻合比较好，沉降量随距离的变化规律也基本一致，测点沉降的模拟值与实测值的最大偏差为3.4mm,基本反映了沉井就位时地表沉降的规律。

整个沉井施工过程中庙内4个监测点的沉降规律如图4所示。

图4 各监测点沉降变化曲线

井筒下沉至设计标高时，井壁及大梁的结构应力计算结果如图5所示。图5表明，筒型井壁结构受力均匀合理，适用于深度较大的竖井。沉井下沉至设计标高时，结构最大应力发生在靠近井壁结构的十字大梁上，进行结构设计时，应加强对该部位的受力分析，并予以适当加强。

图5 井筒结构应力计算结果

5 结语

1)沉井出现较大的不均匀下沉时，且分仓取土调整沉井姿态效果不明显的情况下，通过降低沉井单侧侧阻力与加大对立侧抗滑力的方式可以有效调整沉井姿态。

2)数值计算结果与沉降监测点的实际监测值吻合良好，能够反映出沉井下沉至设计标高时地表及土层的变形情况，井底土体最大隆起量为62.1mm，但对封底混凝土的锅形空间影响不明显，可以正常进行水下封底作业。

3)井筒结构最大主应力发生临近井壁的大梁端部截面，设计时应对该部位进行适当加强。