预制钢沉井的施工关键技术

陆大伟

上海建工集团股份有限公司总承包部 上海 200080

近年来，城市核心区市政工程作业环境越来越复杂，对常规的施工工艺、周边环境保护、城市运行干扰等的要求也日益趋严[1]。顶管法作为一种成熟的市政工程非开挖施工技术具有环境影响小、施工占地少等优点，近年来在城市核心区市政管线施工中得到了广泛应用[2]。在城市核心区施工时，由于施工作业场地受限，沉井施工因其施工作业面较小、施工环境影响小而被越来越多地应用于顶管施工中[3]。

沉井施工常用的结构形式有圆形混凝土沉井、钢板桩沉井和钢沉井等。圆形混凝土沉井施工土体阻力大、井壁存在拉裂风险、不可周转利用；钢板桩沉井用钢量大、打桩设备复杂、振动噪声大[4-5]。以上2种沉井结构形式在城市核心区应用受到较多限制。

钢沉井依靠自身质量和外部荷载作用下沉，且钢沉井结构可在工厂预制、现场焊接，具有环境影响小、施工噪声小、设备简单等优点，十分适合城市核心区施工需求。为此，本文结合具体工程需求，系统研究总结预制钢沉井施工关键技术，可为类似工程提供借鉴。

1 工程概况

商丘路顶管工作井位于上海市周家嘴路商丘路口南侧，为新建路—梧州路段两港截流总管改排服务，深12 m、内径6 m，采用压沉法工艺进行下沉，下沉时底部预留高3.5 m的土塞。工作井井身由厚28 mm的Q235钢板制成，单节高度2 m。

节段上端口采用20b槽钢内侧抱箍加强；节段中间采用厚28 mm钢板内侧抱箍加强；下部刃角采用Q235钢板圈制，外包于井身，高度为1 m，底部设坡口。

顶管工作井北侧有现状电力220 kV超高压排管，排管中心距离井身为7 m；西侧有DN1 200雨水管，埋深约3.5 m，管中心距离井身为7.9 m；东侧为自来水市北有限公司调度室1层房屋，距井身为27.3 m。施工现场场地狭小，不具备钢井身现场加工条件。同时，周边环境复杂，钢沉井施工过程需要密切监测结构本体及周边环境安全。

2 钢沉井施工流程

结合工程所在具体位置、场地布置、地质条件等因素，经方案比选论证：钢沉井节段在工厂内分块分段制作，现场焊接拼装，沉井施工过程中采用自动化监测技术确保结构本体与周边环境安全。

钢沉井的总体施工工艺流程为：进场准备及测量放线→开设样沟→钢井身场外制作及运输→地梁施工→下节井身就位及拼装→第1节下沉→上节拼装→第2节下沉→封底及底板施工→旋喷洞口及后靠加固→侧壁注浆加固→顶管后靠施工。

3 钢沉井施工关键工艺

3.1 钢沉井构件加工及运输

3.1.1 钢沉井构件单元划分

由于施工现场场地狭小，现场不具备钢沉井加工场地，因此钢沉井结构采用工厂分块加工制作，现场拼装焊接的施工工艺，可有效提升施工进度。钢沉井构件单元划分，充分考虑中心城区道路运输能力的限制，将高12 m的沉井结构分为6环制作（即每环高2 m），考虑单环整体制作构件质量较大，吊装及运输受限，每环划分为3段进行加工制作（图1）。

图1 工作井预制井壁分段俯视示意

3.1.2 钢沉井构件加工制作

为确保构件加工制作精度，在加工厂内搭设8 m×8 m拼装平台，每环加工完成后在平台上试拼装。预制沉井拼装时需要观察内外尺寸，因此以平台中心为圆心，采用地规在平台上画出φ6 000 mm及φ6 056 mm的圆，沿内圆线在平台上焊接9点靠山，每块井壁板3块，便于构件单元吊装就位。

考虑每环井壁构件试拼装的稳定性与便利性，井壁试拼装内壁竖向焊缝采用连接板临时点焊，以保证试拼装时结构整体稳定性和试拼装后快速拆除。具体的工艺做法如下：每道焊缝采用3块连接板，设置在每环底部向上100 mm处、中间1 000 mm处及上部向下100 mm处，焊缝预留2～3 mm；下口与平台上圆重合，上口采用螺旋千斤顶加2 in（管径50.8 mm）无缝钢管撑圆，测量直径误差不得大于5 mm；测量合格后，加焊内壁支撑，内壁支撑为2道，设置在底部向上100 mm处及上部向下100 mm处；在完成待内壁支撑焊接后，拼装焊接加强槽钢抱箍。竖向焊缝拼装连接板如图2所示。

图2 竖向焊缝拼装连接板示意

井壁其他结构件焊接完成后，根据每环每片井壁编号，选用汽车运达施工现场，在装车运输过程中设置托架，以防结构变形，施工现场和加工厂铺设相同的施工平台，井壁每环均在平台上拼装焊接，复测井壁直径，补齐焊缝两侧加强板等钢结构，完成以上工作后方可进行整环吊装（图3）。

图3 拼装示意

3.2 基础开挖与地梁施工

基础开挖前在沉井四周施工影响范围之外布设坐标控制点和临时水准点，在沉井四周设龙门桩，作为沉井中心、混凝土圈梁和下沉定位的依据。

3.2.1 基础开挖

钢筋混凝土地梁截面尺寸为2 m（宽）×1 m（高），梁下有厚500 mm砂垫层及厚100 mm素混凝土垫层。因此，基础开挖深度为1.6 m、开挖直径为16.3 m。基坑采用45°放坡开挖，如果现场不具备条件，加设高2 m井壁，以抬高压地梁高度，配合后续沉井压沉施工。基坑开挖完成后立即采用黄砂回填，在沉井中心位置设置由钢筋焊制的内径700 mm、高600 mm的集水坑，集水坑四周及底部选用窗纱包裹2层。

3.2.2 地梁施工

1）垫层施工。基础开挖完成，以沉井中心为圆心，安装内径6 856 mm及11 256 mm、高度100 mm的2圈垫层模板，并浇筑C15混凝土垫层，浇筑完成24 h后，测设地梁模板与反拉锚点位置，安装固定预埋螺栓。

2）地梁钢筋绑扎。由于地梁高度较大，钢筋绑扎前必须先用脚手架钢管延圈梁基础搭设绑扎架，搭设间距为2 m；依次摆放底层、中层及上层钢筋，摆放时错开钢筋接头，绑扎接头率为25%、电焊接头率为50%，绑扎接头长度为钢筋直径的40倍，电焊接头长度为钢筋直径的10倍，并在上层中心钢筋上画出箍筋间距300 mm（下拉锚固点两边，至另一锚固点1/4处箍筋加密，间距150 mm）。依次穿入箍筋，穿入时注意对半错开箍筋接口，并调整箍筋及上层钢筋的间距，开始绑扎上层钢筋，上层钢筋绑扎完后放下层钢筋，把所有箍筋调整垂直，下层钢筋间距调匀后，开始绑钢筋。在下层钢筋绑扎完成后，在圈梁四周间隔2 m设一个点标记侧壁钢筋间距。按点吊起固定、绑扎侧壁钢筋，必须先穿入横向箍筋，横向箍筋与侧壁钢筋一起绑扎。侧壁钢筋绑扎结束后，在圈梁四周均匀设置4个点绑扎防拐倒斜向支撑钢筋，每点圈梁内外侧各绑扎1根，方向相对，与侧壁钢筋绑扎牢固。钢筋绑扎结束后，在箍筋正下方间隔1 m摆放1排混凝土垫块，每排4块厚50 mm垫块。然后依次拆除绑扎架，落下圈梁，必须确保箍筋放在垫块上，圈梁两侧必须在模板线内，并确保与两边模板线距离相同（图4）。

图4 钢筋绑扎示意

3）模板选择。模板选用厚10 mm钢模板，焊接锚固钢筋，浇筑完成后作预埋件使用，在沉井下沉时在任意位置焊接支撑，辅助沉井纠偏。竖向筋板选用45 mm×90 mm木条，间隔900 mm布置2根。横向选用φ50 mm脚手管卷圆（内圆半径3 468 mm、外圆半径5 588 mm），2圈配对、错开接头，共2道，设置在底部以上200、800 mm，竖向筋板与横向脚手管交会处开孔安装锁紧螺栓（开孔φ18 mm，锁紧螺栓φ16 mm）。模板安装时应先内圈、后外圈，准确测量螺栓孔位置，开孔安装（图5）。

图5 地梁模板示意

4）混凝土浇筑。地梁浇筑C30混凝土，由于厚度较大，分2次浇筑，每次浇筑500 mm。

3.3 预制钢沉井现场拼装

预制钢沉井在施工现场设置拼装场地，焊接拼装完成后、吊装前，需在砂垫层上以沉井中心点为圆心，画出沉井位置，对称摆放8块长2 m的道木，井外200 mm、井内1 800 mm；为防止井壁下沉、倾斜，采用水准仪对道木进行测平。为便于钢沉井吊装就位，在地梁4个预埋件上对称焊接4组可调节导向限位的20#槽钢。吊装时量出等分四点吊点位置，4根等长吊具固定四点，选用50 t履带吊起吊就位，对称钢丝绳夹角不得大于60°（图6）。

图6 现场拼装示意

3.4 钢沉井下沉控制

沉井下沉分2次进行，第1次下沉包括刃脚拼装3环、高度6 m，其中地梁面以下1 m、以上5 m。当第1次下沉到位后再拼装焊接剩余3环6 m。

钢沉井下沉具体做法如下：沉井下部3环拼装焊接完成并检查合格，在沉井外侧4个沉井下沉滑行限位上方，用经纬仪测量放出垂直线，并沿线由下至上画出尺寸横线，方便在沉井下沉时直观观测沉井垂直度；沉井第1次下沉，首先拆除刃脚下道木，拆除方法是对称逐步挖出道木底部黄砂，使用钢丝绳捆绑道木内侧一头吊起，需2根对称同时起吊，以防沉井移位。为方便上部井壁拼装焊接，第1次下沉高度为5 m，梁面以上留1 m。

下沉到位后，拆除压沉油缸、压沉梁及环形压铁等压沉设备，拼装焊接上部结构3环6 m。沉井钢结构焊接完成并检验合格后，开始第2次下沉，与第1次沉井下沉相同，挖土配合纠偏直至下沉到位。

压沉设备主要包括环形压铁、压沉梁、压沉油缸等，在压沉过程中技术负责人实时观察沉井下沉情况，四点固定尺寸及4只油缸压力是否相同，若发生倾斜及时调整；当沉井下沉到一定深度后，由于井壁与泥土摩擦阻力增加，油缸顶力无法满足沉井下沉要求时，采用履带吊抓斗挖出井内泥土，配合油缸压力下沉。若沉井平稳下沉，只需从沉井中心挖土；若发生沉井倾斜，需从高的一侧挖土，挖土时井口处需有专人指挥，配合沉井纠偏。同时，在井壁外侧低的一面焊接临时支撑，支在圈梁上，辅助沉井纠偏。

3.5 沉井封底与结构底板施工

当沉井下沉到位后（井口标高＋3.50 m），将井内泥土挖到设计高度，人工配合清理多余浮土，完成后预埋φ240 mm钢管泄压孔，及时抛厚度为300～600 mm的碎石，同时浇筑厚400 mm混凝土垫层。

沉井下沉到位后，如果井内土体高度不够，而井底泥土含水量较高，土质较软，挖土容易引起翻底，需井内加水平衡沉井内外压力。水下混凝土浇筑需浇筑漏斗及管道，按照沉井深度连接漏斗及管道，由吊车吊起植入井中，触底后抬起100～200 mm，混凝土由漏斗及管道导入，至井底向四周涌筑，由专人使用测量绳、多点测量混凝土表面高度，若高度不够，吊车可轻微上下拉动漏斗（导管下口不可高出混凝土井底面），可使井底混凝土快速涌平，直至达到厚度要求。

压沉设备拆除前，必须固定沉井，使用连接板等分四点，将井壁与圈梁固定焊接。以防井内抽水因沉井自身质量不足引起上浮。待水下混凝土浇筑7～10 d后，同期进行井壁外泥浆置换。排出工作井内水，风镐凿平水下封底混凝土，绑扎焊接封底钢筋（在上层钢筋绑扎时需预留集水井位置），合格完成后浇筑混凝土，振捣密实、抹平。之后，拆除压浆管，封底压浆孔。

3.6 钢沉井施工自动化监测

沉井施工过程中对结构主体及周边环境进行自动化监测，建立由传感器、采集器、无线数据传输终端（DTU）、数据处理系统和云平台等组成的自动化监测系统。沉井结构主体监测内容包括：下沉深度及井体偏移量、井身应力、土体扰动侧土压力、下沉力、压沉大梁内应力、沉井内水位等；周边环境监测内容包括：水位、地表沉降、周围建筑物沉降等。

3.6.1 沉井主体监测

井体偏移量及下沉深度监测：采用井壁内侧安装2台双轴倾斜仪，成90°夹角布置，可实时监测井筒倾斜并报警，沉井下沉时可根据井壁倾斜度和倾斜方向，及时控制反力锚箱调整方向。在井壁外侧靠近顶部（可在压沉梁的底部）安装4台激光位移计，位于东南西北4个方向，用于实时监控沉井下沉深度。

地梁内应力监测：在地梁纵断面安装上下2台埋入式应变计，受力压沉时可实时监测弯曲应力并报警。

井身应力监测：井壁内侧横断面安装4组钢板计（互成90°），每组纵向横向各1台，井壁深度方向共设2个断面，按照下沉拼装顺序，分别布设在2环、4环中间位置。

土体扰动侧土压力监测：井壁外侧横断面安装4台土压力计，在第2、第4节中间位置各设置1个断面。

3.6.2 沉井周边土体监测布置

地下水位采用渗压计实时监测，通过在土体测斜孔内安装固定式测斜仪监测周边土体深层水平位移，采用静力水准仪，在远端相对稳定处布置基准点监测周边土体地表沉降，采用多点位移计监测周边土体分层沉降。

4 结语

结合城市核心区市政工程管线改迁、新建等施工面临的施工作业场地受限、施工作业面较小、施工环境影响小等要求，依托具体工程实践，综合考虑工程位置、场地布置、地质环境等条件，系统研究了预制钢沉井工厂内分块分段制作、现场焊接拼装下沉关键施工技术，并建立了沉井施工过程自动化监测体系，有效确保了施工过程中结构本体与周边环境安全，为后续类似工程的施工提供了参考经验。