吹填人工岛硬土层中超深沉井施工关键技术

徐 杰

(上海市基础工程集团有限公司，上海 200000)

1 概述

1.1 工程概况

北海市铁山港区污水处理厂排海管工程，设计排放流量为23万t/d。工程分为陆域埋管段及海域顶管段两大部分。其中，海域顶管段分两个区间施工，顶管1区间长度为2 180 m，顶管2区间长度为1 420 m。2座顶管工作均位于海域内的人工岛上，为顶管施工的作业平台。1号工作井内径14.6 m，高度35.4 m，2号工作井内径12.6 m，高度35.4 m，2座沉井下沉深度均为35.4 m。

1.2 地质水文资料

沉井下沉施工区域位于北部湾铁山港海域内，下沉需穿越的土层主要为表层的人工岛回填砂，②粗砾砂，④淤泥质黏土，⑤粗砂，⑧黏性土，⑩中粗砂，黏性土。地质资料见表1。

表1 工程地质情况表

2 沉井下沉难点

1)下沉对人工岛结构影响范围大。

人工岛为沉井施工平台，顶面为50 m×50 m，结构形式为岛芯回填砂+砂袋围堰+外侧块石护坡，尤其是2号人工岛回填砂的高度达到了10.8 m(见图1)。

2座沉井的下沉均达到35.4 m，根据下沉深度与影响范围1∶1的关系，整座人工岛均处于沉井下沉的影响范围内，下沉将影响人工岛的结构安全。因此，必须采用有效措施进行下沉施工，确保人工岛的正常使用功能，保障后续顶管施工可以顺利实施。

2)地层坚硬，下沉难度大。

根据地质勘探报告显示，⑧黏性土层层厚达到10.2 m，承载力特征值为280 kPa，黏性土承载力特征值达到330 kPa。

同时，考虑人工岛的结构安全，沉井下沉工艺全程均采用不排水下沉。因此，必须采取针对性措施保障下沉顺利完成。

3 主要施工措施

3.1 沉井下沉施工对人工岛结构安全采取的保护措施

沉井下沉的难题之一就是对人工岛的保护。在全程均采用不排水下沉工艺的前提条件下，如何满足人工岛回填砂层微扰动的要求，这是至关重要的一点。针对这一特殊工况我们采取以下几种措施：

1)本工程2座沉井均没有设置底梁，下沉初期采用55 t履带吊配备抓斗取土，沉井可以快速穿越人工岛的回填砂层，刃脚插入原状土层，减少下沉对回填砂层的扰动时间。

2)在距离沉井外壁3 m设置一圈双排φ600@450的高压旋喷桩围护，在下沉过程中，减小了下沉对井周边土体的扰动。

3)第一次下沉深度达到3 m后，就启用地面灌浆措施，让井外壁形成具有一定厚度泥膜，减少下沉对周边土体的带土效应。

4)平衡井内外水压力，让井内水位高度始终高于海域高潮位的水位，平衡井内外由于水土压力差的原因，而产生井外土体塌方、井内土体隆起的风险。

5)在人工岛四周设置沉降观测点，下沉阶段按照2次/d，沉井制作阶段1次/d的频率，监测人工岛沉降情况，指导施工。

3.2 沉井下沉穿越硬土层的针对性措施

沉井中后期下沉时，主要穿越的地层为⑤中粗砂、⑧层黏性土、⑩层粗砂、层黏性土等交互土层，上述土层承载力特征值高，尤其是黏性土层达到330 kPa。因而，在下沉后期，沉井存在下沉系数不足，无法顺利下沉到设计终沉标高的难题。针对这一工况条件，主要采取以下几种下沉工艺来解决这个问题。

1)从人工岛的结构、边坡安全出发。下沉措施分为两种工艺，刃脚底部为中粗砂层则采用吊车抓泥快速下沉，刃脚底部为⑧或黏性土层时，采用潜水员配合“空气吸泥”进行沉井下沉，利用超高压射水装置将黏性土冲刷成泥浆排出井内。

2)在超高压水冲刷黏土层效果不佳的情况下，采用我司自行研制的钻吸设备进行破土下沉，该设备自重约为300 kg，在设备前端布置2个切削刀盘破坏土体，单次切削50 cm厚度的土体后，由“空气吸泥”机将泥浆排出井内，平均一天可切削2 m厚的井内土体(见图3)。

3)受超高压射水装置冲泥的局限性，只能对井内土体进行冲泥，无法掏空刃脚底部黏性土层，沉井仍然无法顺利下沉。因而在沉井制作阶段，在井壁内按照梅花形布置预埋6寸管，在沉井顶部搭设平台，利用高压旋喷钻机将刃脚底部黏性土冲散成泥浆，削弱刃脚土体反力，帮助沉井下沉(见图4～图6)。

4)触变泥浆助沉法是一种较好的助沉减阻方法，能在较大程度降低顶管井对周围土体扰动影响。为了使沉井外壁可以形成一层泥膜，本工程泥浆减阻采用井外壁注浆结合地面灌浆工艺。对沉井外壁的注浆孔布置重新进行调整，沿井外壁竖向布置4道压浆环，每道注浆环竖向间距为3 m，每道压浆环由环向8组压浆管组成。

4 施工效果

1)在沉井下沉的过程中，1号岛的防汛墙布置了10个沉降监测点，最大沉降量为2.6 cm；同样，在2号岛防汛墙上也布置了10个沉降监测点，最大沉降量为1号点，累计沉降1.2 cm。人工岛的结构安全得到保证，后续顶管施工可以正常展开(见图7)。

2)1号井下沉过程中，由于地质勘探的差异性，一半刃脚插入⑤中粗砂层，一半刃脚遇到⑧黏性土层，在采用超高压水冲击井内黏性土和旋喷钻机冲散刃脚底部土体的措施，沉井顺利下沉，平均下沉速度30 cm/d，沉井终沉刃脚高差不大于10 cm，满足设计规范要求。

5 结语

超深沉井施工在取排水工程的应用日趋广泛，其中越来越多的施工案例涉及到超高水压、复杂土质等工况。本文针对海域内人工岛保护，超深沉井下沉等关键技术，提出了相关可行性措施，并在实际施工中得到有效验证，可为今后类似工程提供有益的参考依据。