深厚粉细砂层沉井综合助沉施工技术的研究与应用

2021-11-05罗婷尹

建筑施工 2021年7期

罗婷尹

广东省基础工程集团有限公司广东广州 510700

沉井结构具有良好的整体性和止水效果，且施工简便、造价低廉，因而得到广泛的应用。但沉井施工工艺受地质条件、地下水埋深、井体设计埋深、井体自重等因素影响较大，施工措施不当便会导致下沉达不到设计深度、井体倾斜度偏大、封底混凝土渗漏、周边沉降严重，对邻近构筑物造成危险等后果。

目前，针对沉井下沉困难问题[1]，一般采取的助沉措施有泥浆润滑套法、压重法、高压射水法、壁后压气法[2]等，一般沉井助沉措施多在沉井开始阶段就实施，而且多用于沉井井壁外，以降低井壁与外部土体间的摩擦力为目的。而针对沉井下沉后施工阶段出现的下沉停滞问题，单一及常规的助沉措施很难达到良好的助沉效果，且实施成本太高，耗时长[3-7]。

深厚粉细砂层下沉停滞沉井综合助沉施工技术采用沉井外部分级配重，多台冲孔钻机环形冲孔成槽，井内配置优质泥浆循环减阻，井外施作钢板桩围堰以确保泥浆质量，防止井外砂层回流，多措并举以达到助沉目的，是传统施工工艺通过合理创新，在新的施工领域进行改良及优化的创新成果。本技术与常规助沉措施相比，处理难度更低，可操作性更强，处理速度更快，成本也更低。

1 工程概况

江高净水厂配套主干管网工程、人和2号泵站（扩建）施工（标段一）项目位于广州市白云区，管道全长约15.7 km，主要采用顶管法施工，沉井采取不排水开挖下沉，沉井数量为177座，形状有圆形与矩形，根据不同路段，沉井深度在6～18 m。

场地地质主要为粉质黏土、淤泥质粉质黏土、粉细砂、中粗砂，地下水位埋深1.2～3.8 m。施工过程中部分沉井下沉至设计标高最后1.5～2.5 m停滞，难沉井位（W13#井、W19#井、W27#井、W29#井、W31#井）均处于田南路段，田南路段地质为砂层且地下水丰富。

2 沉井下沉停滞原因分析

传统沉井先在地面或基坑内制作开口的钢筋混凝土井身，待其达到规定强度后，在井身内部分层挖土运出，随着不断挖土，土面降低，沉井井身在其自重或其他措施协助下克服土壁间的摩擦力和刃脚反作用力，不断下沉，直至设计标高就位，然后进行封底。由于地质条件不同，沉井受土体的摩擦力、刃脚处反作用力也不同，当沉井自重不足以克服土体摩擦力及反作用力时，就会导致沉井很难继续下沉，必须通过施加一定的压力或采取一定的助沉措施才能够继续下沉。

本项目无法下沉到位的沉井均已经下沉了一定深度，很多已有的沉井助沉措施及方法也不适用，或实施成本太高。通过对项目地质条件及现场开挖的岩样进行分析，造成沉井难以下沉的原因可能有几点：

1）项目粉细砂层深厚，开挖过程中粉细砂层颗粒间距小，较为密实，增大了井壁摩擦力及刃脚处的阻力。

2）深厚粉细砂层黏聚力较小，沉井内部土体开挖后，井壁的砂层立刻向沉井内部滑塌，并迅速补充刃脚处的空隙，同时带动零星孤石滑移至沉井刃脚处及周边，形成支点，支撑沉井，导致沉井无法正常下沉。

3）刃脚处有零星孤石或不规则断层岩石，沉井仅靠自重或外部分级配重无法正常下沉。

针对项目沉井下沉停滞的特殊情况，必须创新一种适用于深厚粉细砂层条件的沉井助沉施工技术。沉井无法下沉将严重影响顶管等后续施工作业，为攻克这一难题，项目部成立了创新技术攻关小组，通过对现场施工环境、地质及水文情况、传统沉井下沉措施、多年地下工程施工经验及国内外类似情况处理方法等进行综合分析并深入研究，通过利用冲孔钻机、H型钢及预制混凝土配重块、钢板桩高频振动锤，创新性地提出一种下沉停滞沉井施工综合助沉施工技术。

3 综合助沉施工工艺流程

沉井施工综合助沉施工工艺流程为：施工剩余沉井井壁→场地平整→测量放线→沉井外施作钢板桩围堰→冲孔钻机就位→冲击成孔→成孔检测→钻机移位→冲孔钻机循环施工至井内环形成槽→沉井顶部吊装H型钢→沉井顶部吊装混凝土配重块→沉井下沉→沉井下沉到位。

4 综合助沉施工操作要点

1）施工剩余沉井井壁。根据沉井下沉停滞位置距离设计井底标高，控制沉井井壁施工高度，一次施工到位。先施工沉井剩余井壁，有利于提高沉井自重，也有利于增加混凝土强度，为后续配重受压提供良好的自身条件。

2）场地平整。钢板桩及冲孔钻机进场施工前，必须先平整场地，若存在淤泥地层，可采取换土回填、铺设钢板等方法。场地平整的基本要求是井壁四周可摆放3台冲孔钻机及1台50 t以上的吊车。

3）测量放线。

① 根据井位形状，由现场测量员根据沉井尺寸、钢板桩与沉井施工距离，按均匀、等距布设的要求，由3台冲孔钻机放出冲孔位，在对应井顶处用红色油漆做好标记，保证每次冲孔定位准确。

② 根据冲桩深度，在钢丝绳上做好标记，钻机冲击具体深度视施工中沉井下沉情况而定，以W19#井试点为例，井壁差2 m下沉到位，考虑冲桩过程中可能出现的局部坍孔以及泥浆沉淀对孔深产生的影响，冲孔深度在刃脚以下2 m再加深2 m，即共4 m（图1）。

图1 冲孔深度立面示意

4）沉井外施作钢板桩围堰。沉井外施作钢板桩围堰主要针对沉井下部起保护作用，可有效防止孔内泥浆外流，防止冲击钻冲孔造成的坍孔现象，使得刃脚附近形成减阻环形泥浆槽，降低了刃脚下方反作用力和周边摩擦阻力，解决了在深厚粉细砂层中，沉井刃脚开挖时沉井外壁砂层回流的问题，避免了水土流失造成的地面不均匀沉降，是后续冲孔助沉的一个重要技术措施。

① 施工钢板桩前，先对材料进行检查、分类、编号、矫正桩体。为保证钢板桩能垂直打入并与板桩墙面平直，先制作和安装H型钢围檩，高度约为离地面50 cm，然后再用吊车将钢板桩吊至桩位处施打。

② 打桩方法：打桩时先用吊车把钢板桩吊起就位，让其凭自重入土，竖起稳定后，再用吊车吊起振动锤并夹住钢板桩，将桩打到要求的深度。钢板桩施工过程中，为保证钢板桩的垂直度，用2台经纬仪在2个方向加以控制。

③ 钢板桩压入时，应采取措施减少施工对原有建筑物、道路、管网的影响。如在压入钢板桩前，先查明地下管网的情况，若遇有地下管线或泄水孔，应跳开该处不压钢板桩，待开挖后，沿缺口两边钢板桩外侧插入钢板挡土。打桩时应尽量受力均匀，避免或减少对基坑两侧现有行车路面或人行道的破坏或扰动。待管道每侧都打了约20 m长的钢板桩时，方可进行基坑开挖。

④ 起拔钢板桩，必须在基坑土方回填夯实以后进行。用吊车吊起振动锤并夹住钢板桩起拔。对拔桩产生的桩孔须及时回填中砂，并用水灌实，做到“边振边拔边回填”，以减少对邻近建筑物的影响。

5）冲孔钻机就位。

① 根据定位点安排吊车吊放机架，在机架距离地面不高于1 m后，可由工人配合吊车推动摆放机架。

② 就位安装必须稳固、周正、水平。

③ 立好机架后调试并安装起吊系统，将冲锤吊起于定位点对应的井壁内侧上方，距离井壁内侧200 mm，定位后与原定位置偏差不大于20 mm（图2）。

图2 钻头与沉井施工位置示意

6）冲击成孔。钻机使用桩径1 m的冲锤，冲锤可破碎风化岩，可有效清除刃脚障碍。冲桩时井内泥浆循环形成减阻环形泥浆槽，既可减阻也能携渣出井。

① 开孔：在开孔阶段冲孔速度不宜太快，一般控制每小时进尺在1 m以内，相应地，提锤高度要小，冲击次数要多，这样产生的冲击力小，可使孔壁逐渐受水平力的挤压而密实。

② 正常冲孔：此时如果冲击过猛，进度太快，孔壁不能较好地形成，反而会引起坍孔。所以在开孔阶段要严格控制冲孔进度，以利于加强孔壁。在已开挖深度以下1 m范围之内，要求尽可能把孔壁护得牢实一些，此后进入正常冲孔，便不容易产生坍孔问题。经过开孔阶段之后，即开始正常冲孔，可加快冲锤速度、高度。提锤高度可增至1 m以上，泥浆相对密度相应降低，宜控制在1.5以下。

7）成孔检测。成孔检测主要针对孔深。测量仪器，即冲孔钻机自身，对准已冲桩孔中轴缓缓放入，当冲锤下沉趋于平稳，证明冲锤已至孔底，查看钢丝绳上的标记，判断深度是否达标，误差不大于20 mm。

8）钻机移位。使用吊车将冲孔钻机沿逆时针移动1 200 mm（具体距离可根据实际冲桩的扩孔率调整），继续循环冲孔步骤（图3）。

图3 冲孔钻机成孔顺序示意

9）冲孔钻机循环施工至井内环形成槽。沿井壁内一圈完成冲孔，直至第一个与最后一个冲孔位相接（图4）。

图4 冲击成环形槽施工示意

10）沉井外部分级配重计算。以W19#井为例，井身质量为703.126 t，沉井下沉系数为1.05，为使井壁顺利下沉，沉井外部分级配重至少92 t。

11）沉井顶部吊装H型钢。根据沉井尺寸及受力计算，选用4根长度为12 m的700 mm×300 mm的H型钢，在井壁上平行放置，如图5所示。

图5 H型钢布置示意

12）沉井顶部吊装混凝土配重块。从中间往两边按顺序均匀吊放，完成第1层堆放后，第2层采用同样的方法均匀吊放，共加载至100 t（图6）。

13）沉井下沉到位。沉井在配重作用下自行下沉，如果下沉停滞，可采取增加外部分级配重的措施，直至沉井井壁刃脚下沉至设计标高，达到预期效果。

5 实施效益分析

1）经济效益分析。江高净水厂配套主干管网工程、人和2号泵站（扩建）施工（标段一）项目工程采用了一种适用于深厚粉细砂层下沉停滞沉井综合助沉施工技术，解决了沉井下沉停滞带来的施工难题，避免了因人员及机械窝工而造成的费用增加，缩短了施工工期，节约了管理费用等成本。

图6 混凝土配重块布置示意

2）社会效益分析。深厚粉细砂层下沉停滞沉井综合助沉施工技术，针对性地解决了深厚粉细砂层沉井下沉停滞的难题，有效提高了沉井在复杂地质条件下的下沉效率和成功率，为沉井下沉停滞处理提供了一种新的解决方法，降低了工期风险，确保了沉井施工安全，沉井施工进度与质量也得到了保证。

6 结语

本技术研究成果综合采用了冲孔钻机、H型钢和预制混凝土配重块，以及高频振动锤，研究出了一种适用于深厚粉细砂层下沉停滞沉井综合助沉施工技术。该技术适用范围广泛，主要应用于沉井下沉后阶段施工，有效解决了由于各种地质问题造成的沉井下沉困难或停滞难题，可用于填土层、黏土层、粉土层、淤泥层、砂土层、碎石土层、砾卵石层、岩溶发育岩层或裂隙发育、风化岩层等地层的沉井施工，值得推广应用。