复杂环境下微扰动压入式薄壁钢沉井工艺研究

刘桂荣

（上海市基础工程集团有限公司，上海 200433）

1 概述

随着国内各大城市建设的深入发展，市政配套如供排水、燃气、电力电缆管道系统面临新的升级和改造，此类工程配套的大量工作井位于中心城区交通要道或狭小的场地上，由于能占用的场地极为有限，需要开发替代传统地墙围护的新工艺，减小工作井占地对交通及周边环境的影响。

龙华污水厂厂外管道工程1．2 标项目9 号接收井即面临以上问题，井位地处道路交叉口，原设计地墙围护工艺由于场地问题难以实施，需考虑其他替代方案进行施工。而沉井压沉工艺经过国内十余年的发展升级，已成功运用于多个复杂环境下的沉井工程，同时也积累了一定的施工经验和周边沉降监测数据［1］。上海建工基础集团作为国内首先开发压入式沉井工艺的施工单位，为克服传统沉井工艺对周边环境影响大的缺点，结合以往成功实例，联合设计单位进行了多种工况下沉井压沉工艺研究，提出沉井井体结构与封底优化设计，增设具有三重功能的井外隔离抗拔桩，综合运用多种辅助下沉工艺，改进取土工艺并研制井下挖土专用设备，研发了复杂敏感环境下微扰动压入式薄壁沉井工艺。该工艺拟应用于试点工程9 号接收井，并将在项目实施中作进一步理论与实测研究，经总结完善、优化升级后拟在其他狭小场地内的超深工作井工程中推广应用。

2 试点工程概况

试点工程为龙华初期雨水调蓄水工程厂外管道标，管道路由：沿钦州北路－钦州路－定安路－南宁路至龙华污水处理厂，盾构及顶管隧道总长度约8 km，沿线共设工作井10 座。

其中9 号接收井位于钦州路南宁路丁字路口，原设计为圆形接收井，开挖深度为25．42 m，工作井外尺寸为18．4 m；围护结构采用地下连续墙，长度58 m；地墙副间止水采用MJS 工艺。9 号接收井周边环境见图1。

图1 9 号接收井周边环境平面示意图

但由于井位地处市政道路上，交通组织困难导致施工占地面积受限，无法满足地墙施工钢筋笼制作及吊装作业的需求。同时经风险评估，该地墙围护方案还存在风险及难点如下：1） 闹市区市政道路上吊装大型钢筋笼施工作业的安全风险高；2） 基坑开挖期间长时间降承压水可能导致周边沉降难以满足敏感环境要求；3） 地墙接缝渗漏导致的深基坑开挖风险较高；4） 凿除洞门口地墙工艺实施盾构机进洞方式渗漏风险较高；5） 地墙及基坑开挖施工周期长，难以满足该工程作为环保督查项目进度需求。

综上所述，考虑风险评估及进度需求，施工场地临时占用困难等实际情况，该井位难以实施地墙围护作业，需考虑采用合理的替代方案进行设计变更后施工9 号接收井。

3 微扰动压入式沉井变更方案的总体思路

建造9 号接收井的主要设计目的为满足地下不同高程隧道盾构机进洞需要，鉴于接收井施工客观存在的难点，以最大限度减小对周边环境的影响为出发点，施工方在优化盾构机进洞工艺后，提出了减小井体尺寸后施作微扰动压入式钢格构薄壁沉井作为替代方案。

微扰动压入式钢格构薄壁沉井变更方案总体思路及要点如下：

1） 在沉井井壁外侧先行施工一圈咬合桩围护，围护桩与沉井平面位置关系如图2 所示，剖面关系如图3 所示。该围护桩既作为压入式沉井下压力反力提供装置，又兼作薄壁沉井下沉到位后抵抗浮力的抗拔桩、沉井下沉中环境隔离保护桩。

图2 压入式沉井及围护桩平面布置图

图3 压入式薄壁钢混凝土复合沉井与外侧咬合围护桩示意图

2） 沉井井壁采用整体式钢格构+混凝土结构，经计算井壁厚度初步按45 cm 考虑。

3） 沉井下沉采用压沉工艺，利用外侧围护桩顶浇筑顶圈梁后埋设反力装置，利用穿心千斤顶、钢绞线、井体预留钢牛腿进行压沉及纠偏； 沉井下沉井内取土量及土塞留置量根据下沉阻力进行调整。

4） 综合应用刃脚下方地基土预处理（间隔预先钻孔回填膨润土） 、下压过程中井内外壁压注减阻泥浆、刃脚下方超高压射水破坏土体等辅助下沉措施，从而实现有效减少沉井下压力和预留土塞高度，提高工效及减少周边环境影响的效果。

5） 沉井刃脚下部一定厚度土体采用MJS 进行加固，起到沉井封底后底板制作期间的基底抗隆起的作用，并经设计核算后适当减少水下封底混凝土厚度，提高底板制作期间的安全性。

6） 沉井下沉到位水下封底后，井壁顶部与咬合桩顶部圈梁进行有效连接，井壁外侧压注双液快凝浆液提高井外侧摩阻力，并静置一段时间后进行抽水制作底板，防止沉井整体上浮。

7） 围护桩内外及桩体均布置位移及沉降监测点，应用自主开发的沉井下沉姿态控制自动测量系统，通过信息化指导压入式沉井的精细化施工，确保沉井下沉精度满足设计需求、周边构筑物与管线的位移及沉降值安全可控。

4 微扰动压入式薄壁沉井工艺及关键技术要点

4．1 井外围护桩及上部顶圈梁承台设计

沉井外侧增设咬合桩围护，用以减小沉井施工对周边环境影响，同时提供压入式沉井反力来源，后期围护桩顶圈梁与井壁结构进行有效连接后可满足薄壁钢沉井抗浮需求。为避免盾构进出洞磨桩困难，在洞口外侧位置咬合桩钢筋采用纤维筋替代传统钢筋。

建立数值模型，采用Zone 单元模拟土体，另分别采用Liner 单元和Pile 单元模拟沉井和围护桩。约束底面三个方向的位移，约束侧面法线方向的位移，上表面自由。水平方向基于距沉井的远近进行网格划分，原则是远疏近密，竖直方向按1 m 厚度均匀划分。模型自中间剖开的剖面示意图如图4 所示。

图4 数值模拟示意图

分别取桩长L=30 m，33 m，37 m，41 m，桩距d=2 m，3 m，4 m，共12 种工况进行模拟计算，最终综合不同围护桩工况下环境影响和内力响应，分析评估得：围护桩长比沉井的深度长5 m ～10 m，桩至沉井外壁净距d=2 m ～3 m 之间为佳。同时考虑经济性和压沉系统布置及施工便利性等因素，拟选取桩底标高至沉井刃脚下方5 m 的桩长及d=2 m。

4．2 薄壁沉井结构设计及优化

4．2．1薄壁钢混凝土复合井体结构设计

9 号井由地墙围护基坑变更为微扰动压入式沉井，并对盾构机进洞工艺优化，沉井内径缩小至10 m。由于本次沉井施工点位于市政道路上，传统钢筋混凝土结构沉井井壁厚，下沉阻力较大，分次下沉工期较长，结合工程实际拟优化为的钢壳薄壁沉井，钢格构内填充钢筋混凝土，井壁壁厚初步考虑450 mm，井壁剖面如图5 所示［2］。

图5 薄壁沉井井壁结构剖面图

该井壁钢结构如图6 所示，内外壁均采用30 mm 钢板，采用纵肋板间隔，纵肋板为20 mm 钢板，与内外井壁钢板焊接，同时在格构空间内布置钢筋并浇筑细石混凝土。经Midas/Civil 2017 软件建立整体模型进行计算，侧壁面板、肋板、井壁采用板单元模拟，水土压力采用朗肯土压力计算，并考虑等压荷载和偏压荷载作用两种不利工况，满足规范及结构受力及变形要求。

图6 薄壁沉井井壁钢结构图

刃脚上部每次接高2 m，上下环缝采用钢板开坡口焊接；根据现场情况及运输条件把每节井壁分为3 块～5 块，纵缝也采用坡口焊接连接，并在连接处增设加强板做焊接加固处理。

4．2．2薄壁沉井刃脚结构设计特点

沉井底部刃脚设计高度为5 m，斜踏面高度3 m，考虑尽量减小下压过程中的阻力，刃脚底部宽度设为10 cm，上部宽度与沉井井壁同宽为45 cm，刃脚处结构类同井壁钢混凝土复合结构，肋板空腔内钢筋根据受力计算加密布置。

4．2．3薄壁沉井封底及抗浮、抗隆起设计

本工程沉井采用不排水下沉，到位后采用水下封底。由于沉井重量较小，经抗浮验算，设计5 m 封底厚度与井体结构联合受力，仍不能满足规范的抗浮要求。经与设计研究拟采取终沉到位后，在不抽水工况下，通过围护桩顶圈梁预留预埋件与钢格构井壁进行有效连接，利用围护桩作为抗拔桩，提供足够的抗浮力。

沉井终沉开挖深度32 m，由于井壁结构插入比较小及存在下部承压水层，需控制沉井下沉到位后抽水制作底板期间的土体隆起及下部承压水突涌风险； 考虑一定安全富裕量，水下封底混凝土厚度仍按5 m 设置，并在其刃脚下方4 m 土体进行MJS 加固，同时在围护桩与井壁间预留3 口降水井作为应急储备措施，可短时间应急降低地下承压水水头，确保工程施工安全。

4．3 压入式沉井工法及技术控制要点

压入式沉井工法是人为对沉井施加合理可控的垂直下压力，使沉井具有适宜的下沉系数，并辅以其他减阻手段，使下压力替代重力能够主导沉井的下沉，在预留土塞的工况下可控下沉，降低施工风险，提高工效，通过减少土体扰动最大限度地降低对周边环境的影响。

本次沉井井壁一周均布8 个反力作用点（井壁钢板外侧设置钢牛腿） ，每个点布设一只150 t 千斤顶，整体可提供最大下压力为1 200 t；组装后千斤顶通过穿心钢绞线、咬合桩及顶部承台组成完整的压沉传力系统，系统受力示意图如图7 所示。通过PLC 系统对系统实现远程控制，及时掌握千斤顶行程位移、油压等情况。

图7 压入式沉井受力示意图

反力拉锚为多股钢绞线，可根据下沉深度灵活调整长度，提供足够的下压力，且操作更为便捷。压沉系统可同步纠偏，也可根据实际情况单独纠偏。

本次压入式沉井考虑多次制作接高、五次下沉，除下沉初期（5 m 范围内） 采用干下沉，后续均采用井内加水工况下的不排水下沉（水位液面高于实测承压水水头） ，过程中留置土塞高度保持2 m 以上，并根据周边沉降数据情况进行实时调整。沉井下沉可采用专用液压抓斗进行取土，在配备泥水分离系统情况下也可采用新型水下绞吸式取土装置进行取土，该装置可实现沉井刃脚外壁以内所有空间的全覆盖高效取土。

另配置专业测深设备实时扫描水下泥面三维高程形态，并派遣潜水员在终沉阶段验证水下工况，实现全程精准控制下沉及纠偏。终沉到位后，潜水员清基后采用水下混凝土封底［3－5］。

4．4 克服沉井下压过程中阻力较大的辅助措施

1） 井壁压注减阻泥浆助沉。沉井内外井壁均预留泥浆压注管路及压注口，下沉期间可压注减阻泥浆大幅减小井壁摩阻力；下沉到位后可在外侧压注双液快凝浆液以提高外侧井壁摩阻力。

2） 刃脚下方超高压射水破土助沉。为应对硬土层或由于压沉施工后可能产生的刃脚下部黏土产生地基土固结而导致刃脚下方反力增大的问题。考虑在井壁上从上至下预先埋设管路，管路如图8 所示，沉井下沉中后期可通过该管路利用MJS 设备对刃脚下方土体进行超高压射水切削破坏，从而降低刃脚斜面下方土体承载力。预埋管主管由内径100 mm 以上的铸铁管组成，在沉井刃脚每隔1 m ～2 m 布置一个射水孔。射水孔位置应与先期预处理钻孔错开布置。进行高压射水破坏刃脚斜面土体时，应考虑同步对称布置、同步施工［6］。

图8 井壁注浆管及高压射水孔管路布置图

5 新型微扰动压入式薄壁钢沉井工艺的优点及效益

1） 与原设计地墙法接收井方案相比，节约了至少2/3 的施工场地，大大降低了对周边交通的影响，并减少了管线、绿化搬迁工作量，同时减少了对地下空间的占用深度。

2） 施工工序相对较少，达到部分模块化作业，相比地墙围护后基坑开挖回筑工艺，可较大幅度地缩短工期。

3） 通过沉井外围咬合桩作为隔离保护体，全程留置土塞工况下运用不排水压入式下沉方法，并无需降承压水，可最大限度地降低对周边敏感环境的影响；且压入式沉井下沉中后期均处于水土平衡工况，相比围护深基坑开挖工艺规避了由于围护体质量问题引起的水土渗漏风险［7］。

4） 沉井盾构进洞口可采用低强度砂浆填充+钢闷板处理，如图9 所示。与传统洞口凿除地墙工艺相比，可大大降低盾构进出洞的渗漏风险。

图9 沉井接收井穿墙洞口形式

5） 压入式沉井及外侧围护深度远小于原地墙，全程无需降水作业，减少了工作量从而降低工程总体造价，经济性好；同时能有效节约地下空间更为绿色环保。

6 结语

本文在近年来沉井压沉工艺发展的基础上，提出了一种新型微扰动压入式薄壁钢沉井工艺，其施工占地小，施工周期短，造价低，无需降水且开挖风险低，周边环境影响小，相比传统地墙围护后基坑开挖回筑工艺有着显著的优势；对比VSM 工艺，有着井体尺寸不受限，结构整体性好、造价更经济等优点。微扰动压入式薄壁沉井工艺极大地减轻了常规竖井施工对周边环境影响问题，对市区大量超深隧道工作井的施工，具有极为有益借鉴与推广应用价值。笔者认为该工艺将在未来成为中心城区复杂环境下施作大深度管道工作井时，成为替代传统地墙+深基坑开挖的一项重要绿色建造新技术，并值得继续深入研究发掘和优化升级。