软土地基28.4m深沉井不排水下沉法施工技术

罗维高 林惠庭 黄伟英 周晓敏 章志

1.珠海市斗门区建设工程质量监督检测站 519125

2.广东省建筑工程监理有限公司 广州510133

3.上海市基础工程集团有限公司 200001

引言

沉井施工技术具有对地面干扰小、对施工场地要求低、综合成本低等特点。在不开槽施工给排水管道工程中，沉井的应用技术越来越广泛。沉井具有以下优点：①适用于除岩层以外的各种土层；适用于市政给排水工程中的深、大水池在场地狭窄情况下施工，且对周围环境影响较小；②不需复杂的机械设备，在水文地质条件复杂的情况下施工也安全可靠；③沉井施工与大开挖施工方案相比，沉井施工可减少挖土、运土和回填土方的工程量；④沉井与采用基坑支护方案相比，沉井施工的支护结构与沉井主体结构融为一体，减少支护结构成本。缺点是要求采用分节浇筑混凝土，分次下沉，施工工序较多，技术要求高。因此，沉井施工对质量要求、施工进度的控制要求较高。沉井主体工程由井筒、刃脚、沉井底大梁（简称大梁）和底板等几部分组成。井筒四周与周围土体的摩擦阻力是在沉井下沉过程中影响下沉的主要因素，因此，沉井施工技术的关键是克服井筒四周与土体的摩擦阻力［1］。

陈松［2］以江阴长江公路大桥北锚碇沉井基础为对象研究软土地基大型沉井施工安全监控。顾一峰［3］对上海江源江水厂一期工程取水泵站方形格栅吸水井软土地基沉井施工技术进行研究。姚益华［4］对扬州第五水厂取水泵房淤泥地层中大型沉井基础的地基处理方法进行对比研究。王荣文［5］对沉井设计和施工中发生的工程事故进行分析，并提出防治措施。王理想［6］针对沉井施工过程中出现的周边土体沉降等问题进行分析和研究。汤伟［7］针对《给水排水工程钢筋混凝土沉井结构设计规程》（CECS 137—2015）的下沉系数计算等作研究。穆保岗［8］对马鞍山长江公路大桥大型沉井下沉过程的下沉机理和受力特性进行分析。但国内学者对软土地基大型沉井工程施工研究不多。本文通过珠海市西水东调二期工程过磨刀门水道超长距离钢顶管的36＃大型沉井（接收井）施工案例，重点对软土地基大型沉井施工中的下沉系数和止沉系数进行研究分析。

1 工程概况

珠海市供澳门引水工程目前只有一条输水管线，已满足不了供水需求，急需建设第二条输水管线。该引水工程的输水管道全长约21.33km，DN2448，其中开槽施工管道10.00km，其余管道均采用钢顶管施工，设计全长共采用36 个工作井，36＃沉井位于磨刀门水道东侧的广昌泵站附近。

工程技术难点是：①沉井底部刃脚、沉井底大梁结构部分面积较大，下沉时底部端阻力较大，下沉困难；②36＃沉井位于广昌泵站内，附近的建筑物主要有新建搬迁管线及外侧的护岸大堤，新建搬迁管线距离沉井约为14m，大堤距离沉井约为20m。为保护原有管线设施和大堤的安全，需要严格控制沉井工作井周边地面的沉降。

2 工程地质情况

2.1 地质情况

（1）第①层素填土，由粘性土不均匀混大量砂砾及花岗岩成分的碎石、角砾，多呈松散状态，层厚2.0m。

（2）第②层淤泥：间夹淤泥质黏土，饱和、流塑，含有机质及约10%的粉砂，层厚约10.0m，抗剪强度ck＝4.5kPa，φk＝2°，地基承载力特征值为50kPa。

（3）第③层淤泥质黏土：饱和、流塑，不均匀含大量粉细砂及贝壳碎屑。该层分布广泛，层厚30m。抗剪强度ck＝6kPa，φk＝7°，地基承载力特征值为60kPa。

（4）第③1层淤泥质砂，不均匀含贝壳碎屑及淤泥质黏土，饱和、松散，层厚15m，地基承载力值90kPa。

根据设计及勘探资料，36＃井需下沉至第②层淤泥层和第③层淤泥质黏土，上述两层土层分布稳定，厚度较厚，但土质较差，呈流塑状，高压缩性，高灵敏度。

2.2 水文情况

（1）地下水类型。拟建场地地下水为第四系土层孔隙水，主要赋存的地层为淤泥②、淤泥质黏土③、淤泥质砂③1及以下土层，其埋深较浅，水量丰富，地下水补给来源主要接受大气降水及潮水补给。

（2）潜水。地下水位埋深为0.3m ～2.6m（高程1.45m ～4.18m），受潮汐、降水量、季节、气候等因素影响而发生变化。地下水位埋深取地面以下3m。

3 沉井施工

3.1 沉井几何尺寸

沉井为圆形钢筋混凝土结构，几何尺寸为内径φ18.6m，外径φ20.6m。本工程采用黄海标高系统，沉井刃脚底部标高为- 25.60m，顶部标高为+3.8m，总高度29.4m。底板顶面标高为-21.65m，底板厚度为1.2m，底板下部设置钢筋混凝土大梁，大梁呈“十”字形，截面尺寸为1.5m（宽）×3.5m（高）。沉井地下埋深为28.40m，凸出地面高为1.00m。井壁设置2 处内台阶。标高从-25.60m ～ - 17.10m，高度8.5m，井壁厚度1.5m；标高从-17.10m ～-9.70m，高度7.4m，井壁厚度1.3m；从- 9.70m ～ + 3.80m，高度13.5m，井壁厚度1.0m。沉井井壁底面积94.67m2，沉井底大梁底面积53.55m2，合计底面积148.22m2。

3.2 沉井制作、接高

沉井采用不排水下沉法施工工艺。沉井的制作和接高采用分五节制作二次下沉的施工方法，沉井分节制作剖面示意见图1，采用两阶段下沉方案：

图1 沉井剖面（单位： mm）Fig.1 Caisson section view（unit：mm）

（1）初沉阶段。第一节制作高度4.5m，第二节制作高度4.0m，第三节制作高度7.4m，前三节总高度15.9m，制作完成后进行初沉阶段下沉，初沉阶段下沉深度13.9m。

（2）终沉阶段。第四节制作高度7.0m，第五节制作高度6.5m，后两节总高度13.5m，沉井总重量56786kN，全部沉井制作完成后进行终沉阶段下沉，终沉阶段下沉深度13.5m。下沉采用不排水下沉施工工艺，封底采用水下C20 素混凝土垫层，再施工沉井钢筋混凝土底部。

3.3 下沉过程的验算

1.地基承载力验算

（1）初沉阶段。珠海的地貌单元以冲积平原和海积平原为主，软土分布范围广泛，沉积物以淤泥层为主，占陆地总面积的50% ～60%，淤泥层局部厚度达50m 以上，地基承载力特征值低［9，10］。如图2a，在自然地面上制作第一～三节，前三节总重量36014kN，沉井井壁底面积94.67m2，沉井井壁底面处的平均压力值380.4kPa，远大于第②层淤泥地基承载力特征值50kPa。在第②层淤泥上换填1500mm 厚粗砂层，地基处理采用换填垫层法，软弱下卧层的承载力按《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79—2012）验算远远不能满足要求，需要对软弱地基进行处理。如图3 所示，采用长度10m的旋喷桩对井壁刃脚底部第②层淤泥土体进行加固处理，处理后的复合地基承载力特征值为240kPa。井位其他部位采用石灰搅拌桩对土体进行改良，工作井周边采用高压旋喷桩截水帷幕。（2）终沉阶段。初沉阶段沉井下沉到13.9m处稳定后，继续制作好第四、五节井筒，见图2b。此阶段的沉井总重量56786kN，沉井井壁底面积94.67m2，大梁底面积53.55m2，合计底面积148.22m2。沉井下沉至13.9m 处稳定后，该处修正后的地基承载力特征值按200kPa计算。

图2 沉井两个下沉阶段Fig.2 Two sinking stages of the caisson

图3 软弱地基处理示意（单位： mm）Fig.3 Schematic diagram of weak foundation treatment（unit：mm）

2.下沉系数验算

一般情况下，设计人员在设计图纸中已初步计算了下沉系数。但在编制具体下沉施工方案时，还必须对两个下沉阶段的下沉系数进行详细复核。初沉阶段时，井壁还没有产生摩阻力，井壁与土层之间的摩阻力随着沉井下沉深度增加而逐渐增加，下沉系数会逐渐变小。下沉系数kst按以下公式计算：

式中：Gk为沉井自重标准值（kN）；Ffwk为下沉过程中水的浮力标准值（kN）；Ffk为沉井壁总摩阻力标准值（kN）；V为地下水位以下沉井结构的体积（m3），地下水位埋深取地面以下3m。

按公式（1）计算初沉阶段及终沉阶段下沉系数，计算结果见表1，所得的下沉系数是在沉井井壁底和大梁底面的土体均掏空条件下的数值，未考虑大梁底面和井壁刃脚底面的土层阻力。当下沉系数小于1.05 时，说明沉井自重不能克服沉井壁总摩阻力，沉井下沉需要采用配重法、空气幕法、触变泥浆法等辅助措施。36＃沉井初沉阶段下沉系数最小值为1.97，出现在下沉深度为13.9m处。终沉阶段下沉系数最小值为1.58，出现在下沉深度为27.4m处。每个阶段的下沉系数均大于1.05，说明沉井自重完全能克服井外壁总摩阻力，不需要采用辅沉措施。

表1 沉井下沉系数计算Tab.1 Calculation of caisson sinking coefficient

3.止沉系数验算

止沉系数kst，s按下式计算：

式中：qpa为修正后的地基承载力特征值（kPa）；Ap为沉井井壁底和大梁底的合计底面积（m2）；Rb为沉井刃脚、隔墙和底梁下总端阻力（kN），Rb＝200 ×148.22 ＝29644kN。止沉系数不大于1时处于稳定状态。

初沉阶段根据表2 计算结果，下沉到13.9m时，沉井总重量Gk1为36014kN，沉井壁总摩阻力标准值Ffk为12043kN，下沉过程中水的浮力标准值Ffwk为12254kN。第四、五节沉井制作前的止沉系数代入式（3）计算，kst，s＝（36014 -12254）／（12043 +29644）＝0.57，止沉系数0.57 ＜1，沉井处于稳定状态；第四、五节沉井制作后的止沉系数代入式（3）计算，kst，s＝（56786 -12254）／（12043 +29644）＝1.07 ＞1，沉井处于不稳定状态，需要采取粗砂增阻法，降低止沉系数。具体做法是前三节沉井刚下沉到13.9m处时，沉井内侧与土间隙内回填粗砂，增加井壁与土层之间的摩阻力，降低止沉系数后，才能保证制作四、五节沉井时，沉井处于稳定状态。终沉阶段根据表2 计算结果，下沉到27.4m时，沉井总重量Gk1变为56786kN，此时沉井壁总摩阻力标准值Ffk为22840kN、下沉过程中水的浮力标准值Ffwk为20991kN，止沉系数代入式（3）计算，kst，s＝（56786 -20991）／（22840 +29644）＝0.68 ＜1，沉井处于稳定状态，满足沉井底板施工条件。

表2 沉井止沉系数计算Tab.2 Calculation of caisson settling coefficient

3.4 沉井下沉

1.下沉方案选择

确定下沉方案是沉井施工的关键环节。沉井下沉方案主要有三种：①排水下沉；②不排水下降；③部分排水下沉。排水下沉方案的主要优点有：便于控制挖泥深度，容易处理下沉纠偏，容易清理大块杂物，有效保证封底混凝土质量等，这种方案在工程中被广泛采用。不排水下沉或部分排水下沉方案适用于排水困难、有流砂等特殊地质情况的土层。

36＃沉井下沉主要穿越土层分别为第①层素填土、第②层淤泥、第③层淤泥质黏土、第③1层淤泥质砂。其中②层淤泥和③层淤泥质黏土的强度低，渗透性低，含水量高，压缩性高，灵敏度高，具触变性和流变性。这两层土与③1层淤泥质砂相比，井壁摩阻力与承载力都发生了大幅度的减小。在沉井下沉穿越③1层淤泥质砂后，进入③层淤泥质黏土时，易发生沉井倾斜与突沉的不良现象，易对外部土体带来较大的扰动，构筑物易出现不均匀沉降、变形、开裂等现象。同时沉井抗隆系数较小，下沉过程中井格内土仓会出现一定程度的隆起现象。

综合考虑，36＃井采用五节制作、二次下沉的施工方案，下沉采取不排水下沉工艺。

2.下沉准备工作

沉井第一节混凝土强度达到100%，其余各节沉井达到70%设计强度时方可下沉。下沉前先凿除刃脚素混凝土垫层和砖胎模。垫层拆除应先内后外对称进行，采用50t 吊车抓斗将井内碎砖清理干净。当素混凝土垫层敲拆后，沉井重心偏高，沉井井壁的四周无摩阻力，沉井的下沉系数很大，掏挖大梁和刃脚下的砖土若不均匀，将会使沉井产生很大的倾斜，所以在沉井挖土前，大梁及刃脚先采用人工全面分层掏挖，挖除的土方先集中在各仓底中央，让沉井逐渐下沉，使沉井刃脚埋在土层中，降低沉井重心。

同时，在沉井四周外壁上画出刻度尺和弹出垂直线，用于监测下沉深度和倾斜状态。

3.沉井初沉阶段施工

沉井初沉采用50t吊车抓土下沉，配0.75m3容积抓斗。吊车下部铺垫路基箱，扩大支承面，以减少吊机施工荷载对基坑的影响。

36＃沉井初沉阶段穿越的土层为③层淤泥质黏土，该土层承载力低，渗透系数小。采用吊车抓斗取土时，挖土顺序应“先中后边”，先挖除大梁与刃脚中间部分土体，形成“锅底状”，后挖除大梁与刃脚周围土体，使沉井挤土下沉，见图4a。在A、B、C、D四个井隔之间挖土应按照A区→B区→C区→D区的顺序，见图4b。采取分层、均匀、对称的方式挖土，并根据沉井下沉速率控制井内土面高差即“锅底”深度，保证沉井均匀下沉。

图4 初沉阶段挖土施工Fig.4 Excavation construction in initial settling stage

沉井初沉时下沉系数较大，在施工时必须慎重，特别要控制好初沉，尽量在深度不深的情况下纠偏，符合要求后方可继续下沉。

4.沉井终沉阶段施工

终沉阶段，挖土顺序应“先边后中”，形成“反锅底”状，随着“反锅底”的缓慢开挖使沉井缓慢就位，见图5a。在A、B、C、D四个井隔之间挖土应按照A 区→B 区→C 区→D 区的顺序，见图5b，采取分层、均匀、对称的方式挖土。下沉过程中，做到均匀、对称出土，严格控制泥面高差，沉井下沉到接近设计标高时，应控制沉井内土面高差调整下沉速度，下沉到设计标高前应预留50mm ～200mm 的土方余量，保持沉井缓慢下沉到设计标高。

图5 终沉阶段挖土施工Fig.5 Excavation in final settlement stage

终沉阶段不排水下沉施工时，沉井内水位应满足施工方案控制水位要求，下沉有困难时，应根据内外水位、井底开挖几何形状、下沉量及速率、地表沉降等监测数据综合分析调整井内外的水位高差。利用预先在井外壁对称的四个方向上画出的刻度尺和垂直线，即时观测垂直度及下沉高程偏差，应保持沉井平稳、均衡、缓慢下沉，发生倾斜时应通过调整开挖顺序和方式“随挖随纠、动中纠偏”，纠偏应缓慢进行。

为了使抓斗能在井壁靠边的位置上抓土，可在井孔顶部周围预埋几根钢筋挂钩，见图5b。偏抓时，当抓土斗落至井底后，将抓土头张口用的钢丝绳挂在钢筋钩上，并将抓土斗提起后突然松下，抓土斗即偏向井壁落下，再收紧闭口用的钢丝绳，即可达到偏抓的目的。

5.沉井封底

沉井采用水下封底施工，水下封底应按以下要求进行施工：

（1）沉井底位于第③层淤泥质黏土层，属于软土层，封底施工前应清除井底浮泥修整锅底，铺设碎石垫层。

（2）封底混凝土与井壁及沉井底大梁接触部位应用高压水冲洗干净，封底混凝土浇筑应对称进行，避免沉井发生不均匀下沉。

（3）浇筑混凝土的导管加工、设置应满足施工要求，浇筑前，每根导管应有足够量的混凝土，浇筑时能一次将导管底埋住，水下混凝土封底的浇筑顺序应从低处开始，逐渐向四周围扩大；井内有隔墙、底梁或混凝土供应量受到限制时，应分格对称浇筑。

（4）36＃沉井均由大梁和井壁分成四个隔仓，封底水下混凝土应分仓浇筑，每个仓应连续浇筑，导管埋入混凝土的深度不宜小于1.0m，各导管间混凝土浇筑面的平均上升速度不应小于0.25m／h，每根导管的停歇时间不宜超过15min。导管的间距不宜大于3m，导管与井壁及大梁的距离小于1.5m，相邻导管间混凝土上升速度宜相近，最终浇筑成的混凝土面略高于设计高程。

（5）水下封底混凝土强度达到设计强度，沉井能满足抗浮要求时，方可将井内水抽除，并凿毛表面松散混凝土进行钢筋混凝土底板施工。

（6）封底施工质量的控制要求，沉井下沉到设计标高后，应尽快进行封底。封底前必须保证井底土体开挖形成设计要求的锅底尺寸；验收时，采用测量绳或进行锅底尺寸的测量［11］。

施工完成后沉井仰、俯视图见图6。

图6 沉井完成实体图Fig.6 Solid drawing of caisson completion

4 结语

通过珠海市西水东调二期工程软土地基28.4m深沉井不排水下沉法施工技术研究，得出以下结果：

1.经过工程应用实践，36＃井采用不排水下沉施工工艺，制作和接高采用分五节制作二次下沉的施工方案，是切实可行的方案。

2. 36＃沉井初沉阶段下沉系数计算值最小值为1.97，出现在下沉深度为13.9m 处。终沉阶段下沉系数最小值为1.58，出现在下沉深度为27.4m处。每个阶段的下沉系数均大于1.05，不考虑大梁底面和井壁刃脚底面的土层阻力，通过掏空大梁底面和井壁刃脚底面的土层进行下沉，免除了配重法、空气幕法、触变泥浆法等辅助措施繁杂工艺，完全满足施工要求。

3.终沉阶段在下沉深度为13.9m 处的止沉系数1.07 大于1，处于不稳定状态。采取粗砂增阻法，增加井壁与土层之间的摩阻力，能降低止沉系数，确保施工顺利完成。