沉箱隔水在地下水位以下电梯井、集水坑施工中的应用

高振轩 李佳兴 方 舟

中国建筑第二工程局有限公司 北京 100060

1 项目背景

1.1 勘察报告地下水位

根据岩土工程勘察报告，某工程勘察期间在勘探最大深度60 m范围内实测1层地下水，类型为潜水，稳定水位埋深为22.80～24.60 m，稳定水位绝对高程为21.30～21.71 m。

1.2 现场实测水位

自基坑周边观测井施工完毕后，地下水位观测结果显示，地下水位绝对高程均位于21.5 m以下，筏板施工前15 d起地下水位开始上涨，至施工前，地下水位绝对高程达到22.5 m，此后地下水位上升较缓，基本稳定。

1.3 基坑底及集水坑底标高

工程±0 m相当于绝对高程44.60 m，A、B、C、D楼坑底绝对高程24.18 m，地下车库坑底绝对高程25.08 m；A、B、C、D楼集水坑、电梯井底绝对高程19.93～22.73 m。综合各种因素及现场实际情况，本工程共25个集水坑，电梯井加深部位采用沉箱隔水的地下水处理方案[1-3]。

2 沉箱隔水方案设计

设计地下水位绝对高程按22.5 m计，沉箱顶标高按高出设计地下水位0.5 m考虑，因地下水位仍持续缓慢上升，施工过程中需要对部分地下水进行抽排以确保沉箱顺利下沉。

沉箱设计参数如下：

1）根据地下水位标高和沉箱位置在基底以上预先施工抗浮锚杆以解决沉箱后期抗浮问题，抗浮锚杆采用2束7根φ5 mm的预应力钢绞线，锚杆总长度15 m，自由段长度5 m，锚固段长度10 m，锁定值300 kN；从大面标高计，锚杆成孔深度18 m；因地下水位上升，部分新增集水坑、电梯井部位需增设抗浮锚杆。

2）沉箱面板材料采用厚6 mm钢板，沉箱侧壁与底部角度为45°，沉箱拼接钢板采用焊缝满焊、双面焊的方式，保证沉箱封闭不透水。为便于沉箱安装下沉至设计标高和注浆加固，在沉箱内部设置壁厚8 mm的φ300 mm钢管加工成的连通器，后期还可借用连通器进行抽排降水，减小水压力，目的是防止后期水位上涨造成水压过大导致沉箱强度变形过大。

3）为防止沉箱变形过大，沉箱底部和侧面采用8#槽钢、双8#槽钢和14#工字钢对内外面同时加强。

① 沉箱内面：底部采用8#槽钢进行加固，每隔0.22 m焊接1道槽钢，槽钢与沉箱底部钢板双面半满焊连接，每间隔0.5 m满焊0.5 m，焊接总焊缝宽度不小于总长度的50%。侧壁采用双8#槽钢加固，双8#槽钢与沉箱侧壁钢板双面半满焊连接，每间隔0.5 m满焊0.5 m，焊接总焊缝宽度不小于总长度的50%。

② 沉箱外面：底部采用14#工字钢进行加固，工字钢与沉箱底部钢板双面半满焊连接，每间隔0.5 m满焊0.5 m，焊接总焊缝宽度不小于总长度的50%；侧壁采用双8#槽钢、14#工字钢进行加固，槽钢、工字钢与沉箱侧壁钢板双面半满焊连接，每间隔0.5 m满焊0.5 m，焊接总焊缝宽度不小于总长度的50%。

③ 沉箱钢板连接部位受力较大易变形，应焊接钢板条加强，同时为保证沉箱内外面槽钢、工字钢的整体性，槽钢、工字钢之间采用钢板条焊接。

④ 因抗浮锚杆受力加大，在布孔内部位置加焊18b#槽钢，作为对抗浮锚杆张拉部位沉箱侧壁的加固措施，同时将槽钢与沉箱侧壁钢板满焊连接以防漏水。

⑤ 为确保沉箱安放稳固，在沉箱外加设三角支腿，采用8#槽钢焊接而成，与沉箱侧壁或外部加强槽钢焊接连接。

4）因地层为卵石层，下部地下水较深，水中开挖边坡侧壁坍塌严重，沉箱顶部超挖按0.5 m考虑，为保证卵石层稳定，按80°放坡至坑底标高，坑底超挖0.3 m。沉箱安装过程中利用连通器释放部分水压与增加配重的方式进行下沉，在下沉沉箱的过程中不断调整沉箱位置，在保证沉箱顺利下放到预定位置和设计标高后，通过注水和加部分配重的方式确保沉箱在回填注浆加固的过程中不发生偏移错位。

5）沉箱安装到位后侧壁下部采用级配砂石回填，沉箱侧壁上部1～2 m回填C20混凝土，侧壁回填完毕后利用沉箱侧壁和底部预设注浆管对回填区域注浆加固密实，水泥采用P·O 42.5，注浆配比为0.50～0.55。

6）沉箱底部和侧壁回填注浆完毕，注浆体强度达到设计强度75%后，将沉箱内部多余水进行抽排，但抽排的过程中要保证沉箱内部配重大于沉箱外部水浮力，确保不因为抽排内部积水而造成沉箱上浮错位，随后张拉锁定抗浮锚杆防止沉箱上浮。张拉锁定完成后，锚头切割多余钢绞线并用预先加工的盒帽封闭，确保沉箱内部再无出水点，然后移交施工作业面，依次施工垫层、防水及基础底板。

3 沉箱隔水施工部署

3.1 总体施工顺序

测量放线→施工抗浮锚杆→集水坑开挖→沉箱制作→沉箱安装→沉箱周边回填、注浆→抗浮锚杆张拉→移交工作面

3.2 施工总平面布置

1）运输通道：吊车、挖掘机、铲车等施工机械行走道路，需要铺设不小于50 cm的卵石垫层，确保施工机械行驶平稳。

2）注浆后台、水泥罐布置：锚杆注浆后台2个，大小均为10 m×5 m，第1个设置在基坑东侧中部，第2个设置在北侧西部。

3）材料堆场：在基坑中部设置1个长5 m、宽4 m的级配砂石料场，用于级配砂石存放。在主楼集水坑附近就近堆放沉箱加工材料，加工沉箱成品。

4 主要施工方法

4.1 抗浮锚杆施工

4.1.1 测量放线

采用全站仪在施工区域中精确定位抗浮锚杆位置，土方开挖至设计抗浮锚杆顶标高以上3 m开始抗浮锚杆施工，本工程抗浮锚杆成孔深度18 m。

4.1.2 钻机就位及钻孔

在测量人员对抗浮锚杆中心点定位完毕并做好标记后，将钻机的导向钻杆调整至竖直，钻头对准桩中心点，调整钻头的钻进速度平稳向下钻孔，钻孔过程中应注意观察钻机底座是否平稳，钻杆是否竖直以及钻进速度是否稳定，一旦发现钻机底座倾斜、钻杆不竖直，要及时进行纠正。

钻孔前先对每根锚杆进行编号，准备相应的记录表格及分析记录表格；钻进过程中，工程师全程见证，及时对钻出的土样进行分析并做好记录，当钻进至锚杆底设计标高后停止向下钻进，钻机反向抽出钻杆，并注意不要使钻出的土掉进孔内，如果土掉入孔内，需要再次向下钻进至需要的孔深以除去掉入的土，形成所需要的锚孔。

4.1.3 灌浆

成孔后，用注浆泵将水泥浆注入孔内，灌浆材料为M30水泥浆。水泥为P·O 42.5，注浆压力0.3～0.5 MPa，水灰比为0.50～0.55，灌浆应持续至孔口流出水泥浆为止。由于锚杆深超过2 m，为防止注浆材料离析，应将导管接在注浆泵的软管上，顺孔内插到锚杆底，水泥浆淹没导管200～300 mm，一边灌注一边慢慢往上拔出导管，直至浇筑成形。泵送水泥浆量按理论计算值的1.05～1.10倍确定。

由于浇筑完毕后锚杆顶的注浆材料会有不同程度的下降，需要注意进行适当程度的超灌。

4.1.4 钢筋锚杆制作及吊装

锚杆按施工图纸结构构造，在另外的场地由专人制作完成，锚杆采用2束7根φ5 mm预应力钢绞线，另外每隔2.0 m焊置1个定位器。锚杆现场加工，利用钻机上部卷扬机将钢绞线竖向缓慢放入桩孔中，放置过程中应保证锚杆的垂直，不得碰撞孔壁以免岩土掉入锚孔，当锚杆放置到需要的深度时在地面采用定位装置将锚杆固定，保证锚杆居中。

4.1.5 抗浮锚杆张拉

沉箱侧壁和底部回填注浆完毕后5 d，注浆体强度达到设计强度75%后，张拉固定抗浮锚杆，张拉锁定完成后切割多余钢绞线并用预先加工的盒帽封闭锚头。

4.2 沉箱土方开挖

本工程地层是属于卵石层，该地层渗透系数大，地下水补给充分，集水坑、电梯井部位降水较为困难。挖掘机在开挖较深部位集水坑时，因为地下水较深的缘故，开挖边线及标高较难控制，挖掘机开挖过程中受地下水影响，集水坑、电梯井开挖边坡侧壁坍塌严重，更增加了开挖标高及尺寸控制的难度，需确保最大程度地控制集水坑的开挖尺寸及标高。

集水坑、电梯井开挖控制措施如下：

因地层为卵石层，水中开挖下部边坡侧壁易坍塌，从沉箱外扩开挖线边角位置开挖集水坑、电梯井，开挖宽度应比集水坑、电梯井放坡宽度外扩0.5 m，深度应比集水坑、电梯井基底标高加深0.3 m。开挖前标记抗浮锚杆位置，开挖时从抗浮锚杆位置两侧向下开挖，防止挖断抗浮锚杆。开挖出抗浮锚杆后，人工清理出抗浮锚杆并用铁丝固定拉紧保护，防止下坠。

注意控制开挖边坡坡度、尺寸和标高，采用挂线和经纬仪配合检查开挖边坡坡度，采用水准仪控制开挖标高。施工过程根据水下边坡自立条件，尽可能减少边坡，开挖底标高应大于沉箱底标高200 mm。

开挖至有水部位，受地下水影响无法控制开挖标高及尺寸时，需根据集水坑、电梯井的大小采用2～8台潜水泵（抽水量80 m3/h、扬程44 m）对集水坑、电梯井的多余地下水进行抽排，必须确保抽水的连续性，直至地下水深降至0.5 m，便于测量集水坑、电梯井开挖标高和尺寸。

开挖时要实时测量集水坑、电梯井尺寸和标高，采用GPS将沉箱底部角点施放至开挖集水坑以校正集水坑的开挖尺寸，采用水准仪测量角点的标高以校正集水坑的开挖标高。

集水坑、电梯井边角部位易垮塌，在完成边角开挖后要多次补挖补测，以保证整个集水坑坑底标高基本平齐；集水坑预留一个边角坡作为最后的收坡修整坑底通道，在其余部位修整到位后进行该部位收尾，严禁收坡大开大合造成基坑坍塌。

集水坑、电梯井开挖的土方用铲车倒运至南侧马道口再统一装车外运。

4.3 沉箱制作及运输

采用物资运输车将原材料运输至现场，25 t汽车吊将沉箱加工材料吊装至坑底加工场内，在坑底将沉箱加工为成品，沉箱加工采用25 t汽车吊配合85、150 t履带吊进行沉箱拼装焊接、翻转，加工成形后采用85、150 t履带吊将成品沉箱吊装至主楼集水坑、电梯井附近，85、150 t履带吊采用500 t汽车吊吊入基坑底部。

沉箱需严格按设计尺寸进行加工，沉箱面板材料采用厚6 mm钢板，沉箱侧壁与底部角度为45°，沉箱钢板拼接采用双面满焊的方式确保沉箱封闭不透水。沉箱面层拼接完毕后，采用8#槽钢和14#工字钢对沉箱内外面进行加固，并采用钢板条对连接薄弱和受力较大部位加强，连接转角处槽钢、工字钢需确保其整体性。

沉箱加固完毕后根据实测抗浮锚杆位置在沉箱侧壁割φ50 mm的小孔使抗浮锚杆能顺利从孔中穿过，在沉箱底部割孔焊接φ300 mm×8 mm的钢管连通器以利于沉箱下沉和后期地下水位上升抽水应急。

在沉箱底部和侧壁单独埋设注浆管，通过在底部和侧壁设置槽钢圈将注浆管固定牢固，槽钢圈与沉箱采用电焊方式连接。

沉箱底部的注浆管安装时，每2根工字钢之间安装1根注浆管，相邻2根注浆末端相反。底部注浆管与工字钢等长，顺着工字钢的方向，注浆端沿着沉箱侧壁露出地面不低于2 m。注浆管末端折叠绑扎封死，在沉箱底部的注浆管每隔500 mm钻1个注浆孔，用胶带缠绕封堵，侧壁的注浆管不设注浆孔。

沉箱侧壁的注浆管每隔1 m的间距布置1根，注浆管末端设置于沉箱底处，末端折叠绑扎封死，注浆端露出地面不少于2 m。注浆管末端沿沉箱壁段每隔500 mm间距钻1个注浆孔，用胶带缠绕封堵。

4.4 沉箱安装

沉箱检查质量合格后，采用25 t汽车吊、85 t履带吊和150 t履带吊配合将沉箱吊装到位（连片沉箱先安装较深沉箱，再安装较浅沉箱，采用85、150 t履带吊配合拼接成整体），检查沉箱位置和方向无误后缓缓下放吊钩，将沉箱下放到坑内，通过连通器使沉箱缓缓下沉，下沉至一定部位后，因水压增加下沉困难时，使用吊装水泥块配重与沉箱内部注水相结合的方式使沉箱顺利下沉至设计标高。沉箱下放安装过程中注意保护好注浆管，防止死弯和砸裂。下沉过程中检查沉箱焊缝漏水情况，如对漏水部位进行补焊加固。

因采用注水沉箱，需将沉箱底边线引到沉箱侧壁上，便于沉箱定位。引线可以用经纬仪或全站仪定位定点，引线用墨斗弹线，引线在沉箱加工制作完成后进行。

沉箱快下沉到位时，通过拉出十字形的基坑上下口线，不断调整沉箱位置到位。沉箱下沉至设计位置及标高后采用挖掘机固定。

再次检查沉箱底标高、沉箱位置、沉箱焊缝漏水情况、注浆管完好性，合格后开始穿钢绞线到沉箱内，要确保钢绞线位置的准确性和垂直度。

沉箱安装完毕后可采用C20混凝土回填沉箱中间的连通器，对连通器进行封闭。

4.5 回填注浆加固

检验级配砂石质量→侧壁下部回填级配砂石→侧壁上部回填C20混凝土→沉箱侧壁、底部注浆

4.5.1 检验级配砂石质量

对级配砂石进行技术鉴定，其质量均应达到设计要求或规范的规定。级配砂石宜选用质地坚硬的中粗砂、卵石、碎石，颗粒级配应良好，不得含有草根、树叶等有机杂物及垃圾，有机质不超过砂石总质量的5%，含泥量小于5%，可采用施工现场开挖出的级配良好的砂卵石。

4.5.2 侧壁下部回填级配砂石

沉箱安装到位后，采用人工配合铲车从沉箱侧壁一侧开始分层回填级配砂石，每层回填厚度小于500 mm，回填过程中采用高压水枪冲刷使砂石料尽量回填均匀，下层四侧均回填完成稳定后再进行上层级配砂石回填，防止沉箱一侧回填土过高沉箱发生倾斜，直至回填至地下水位标高以上，之后采用混凝土回填。

4.5.3 侧壁上部回填C20混凝土

沉箱侧壁上部位于地下水位以上部分采用C20混凝土回填，回填的混凝土应具有良好的和易性和流动性，混凝土坍落度宜为160～200 mm，采用天泵和铲车配合分层回填混凝土，混凝土可分4次回填至沉箱顶标高，每次回填深度小于500 mm，为确保混凝土回填质量，可采用人工或机械振捣方式密实混凝土，下层混凝土振捣密实后才能回填上层混凝土，直至混凝土达到沉箱顶标高。

4.5.4 沉箱侧壁、底部注浆

为确保沉箱侧壁和底部回填密实度，侧壁回填完毕2～3 d稳定后，需对沉箱底部和侧壁回填部位进行注浆加固。

注浆顺序应按跳孔间隔注浆方式进行，先进行沉箱侧壁注浆，一端注浆完毕再进行另一端注浆，直至侧壁均注浆完毕为止，最后再进行底部注浆，底部相邻2根注浆末端相反，可分2次注浆。

注浆施工前应进行现场注浆试验，以确定注浆施工参数，如水灰比、注浆压力和注浆流量等。

注浆采用P·O 42.5水泥，水灰比宜为0.50～0.55，水灰比太小浆液浓稠，易堵管且浆液很难注入地层，水灰比太大浆液稀释，容易跑浆，很难满足固结体强度达到加固回填土目的。

根据选定浆液的配比参数拌好浆液，浆液应搅拌均匀，注浆过程中应连续搅拌，搅拌时间应小于浆液的初凝时间。水泥浆拌好后用1 mm×1 mm网筛过滤，放入搅拌机进行二次搅拌，确保浆液均匀。

拌和后的浆液应经筛网过滤后方可进入注浆机，注浆过程中应做好施工记录，包括浆液配合比、注浆压力、注浆流量、注浆总量、跑浆、窜浆等内容。

采用自动压力流量记录仪控制注浆的压力和浆液的流量，开始注浆压力为0.6～0.8 MPa，注浆流量宜为10～20 L/min。为提高注浆体早期强度，可在水泥浆中加入3‰的三乙醇胺早强剂。

当注浆压力逐步升高至设计终压≥1.0 MPa，吸浆量＜2.5 L/min，稳定时间10 min后可停止注浆，为确保注浆饱满，第1次注浆施工完毕1～2 h后及时进行2次或多次补浆，每次注浆完毕要用清水把注浆管清洗干净，防止堵管，以便多次补浆。

4.6 地下水位监测

1）监测目的：通过地下水位的观测，了解沉箱施工期间水位的变化情况，从而对集水坑部位地下水位进行预测，保证沉箱正常施工。

2）监测方法：因集水坑、电梯井已开挖，在沉箱施工前可采用全站仪或水准仪配合塔尺直接在坑内测量水位标高；沉箱施工后测量其他已开挖沉箱地下水位标高；沉箱施工完毕后可测量观测井水位标高。

3）监测频率：每天早上8点监测水位1次，直至基础施工完毕。雨季期间、雨后等特殊情况下加强观测，每日观测2～3次，至特殊情况结束。

5 结语

本工程在施工前期就进行了详细的方案比选，通过对多种方案进行适应性及符合性评价，经过多方论证进行社会效益及经济效益分析，从而确定此最优施工方案；实施过程中严格按照方案及设计要求进行沉箱的加工制作，控制原材质量，加强对沉箱安装加固、抗浮锚杆张拉锁定、回填注浆加固等施工工序的过程把控，从而保证方案内的相关要求实质性落地；实施完成后对相关工艺参数、效果评价、经济技术指标等认真总结归纳，为后续类似工程提供指导及借鉴意义。