压入式钢壳沉井施工工艺及其在工程中的应用

杨子松 王海俊 姚人杰 张哲彬 尤士杰

上海市基础工程集团有限公司 上海 200433

市政管网更新或翻排时，往往需新建一些小型基坑，用作顶管施工的工作井。通常这类基坑不深，面积也不大，但设计要件并不会因规模小而减少。在苏浙沪等软土及地下水丰富地区，此类小型基坑也得设置支挡和止水结构，各类工序都必不可少，也会有基坑开挖带来的土体变形等弊端。这类问题已有较多论述，不再说明。尤其在城区，通常的基坑工程将对周边管线、交通及环境带来影响，有时连作业场地都受到较大影响。如何在核心城区快速、绿色地建造此类小型顶管工作井是一个现实的课题。

沉井是一个可选方案[1]，对于在核心城区这一施工边界，混凝土现浇沉井分节现浇、养护、下沉，工期较长，对周边环境压力较大，并不适用。为解决现场现浇工期较长的问题，实践中已经出现预制装配式沉井。比如整环预制并在环间设置预应力连接的混凝土沉井[2]，或竖向整片预制并在片间设置连接的混凝土沉井[3]。进一步，不仅环与环、片与片之间预制拼装，整体分片拼装的混凝土沉井也已有工程实例[4]。另外，为了进一步优化井身受力，减少井身尺寸，可以将钢筋混凝土预制件优化为钢-混凝土预制件[5]。以上装配式沉井解决了现场施工工期或场地的问题，但不能有效地解决沉井下沉对周边环境的影响，特别是周边存在敏感管线时。压入法沉井[6]可以辅助沉井下沉并控制井身垂直度，进而减少对周边环境的影响。

为解决城区沉井现场实施工期、场地及环境影响的限制，本文将介绍一种新的小型工作井建造工艺，利用压入法将钢板预制件形成的分节井身快速压入，以形成受力和止水构造。

1 压入法钢壳沉井工艺

为减少沉井下沉对周边环境的影响，井身尺寸要足够小，所以选择钢板做井身。为了保证基坑整体稳定，井身做成圆形以充分发挥拱效应。为方便运输及现场堆放，圆形钢井身可以分节、分片，环及片间直接焊接以形成整体。为保证井身下沉的垂直度，选择用压入法下压。钢壳沉井下沉到位后，是否封底、如何取土等都是通常沉井施工的内容，可根据水文地质条件选用，不在本文讨论之列。总体工艺为：场外加工及场内准备→单环现场拼装成整体→第1环就位→依次进行前i环拼装→安装下压系统，前i环下压→拆除下压系统，将第i＋1环与第i环进行拼装→依次进行前i＋j环拼装→重新安装下压系统，前i＋j环下压→重复上述过程，至钢井身全部下压入土。

施工中各类处置方式可视具体情况来决定。分节高度和一环分片数量可以根据运输及现场堆放场地确定；下沉中可根据下压力考虑注入减摩泥浆等措施；降水方案及钢壳沉井底部是否用注浆封底可根据水文地质条件确定。另外，根据钢壳沉井是否作为永久结构的一部分，可采用随挖随撑或结构逆筑、顺筑的方案。此类问题不再赘述。

从以上工艺流程中看，相对于常用的灌注桩＋止水帷幕基坑，压入法钢壳沉井优势明显。首先，现场作业时间大大缩短；其次，现场不需要三轴搅拌桩等大型设备，作业场地小；再者，总造价减少，一层钢壳既能形成止水能力，也能与支撑一起形成稳定的基坑围护。这对核心城区基坑施工有着明显社会和经济价值。工艺在实践中还需验证：整个体系能否在开挖之后保持受力稳定，周边土体变形能否控制在可承受的范围内？

2 沉钢壳井设计及计算

从钢壳下压过程来看，这是一个沉井工程。从所处的环境看，这又发挥着基坑工程的作用。从沉井角度看，薄壁钢壳与混凝土厚壁沉井有较大区别。从基坑角度看，平面整体圆形基坑与通常的平面矩形基坑单位宽度验算也有着不同。GB 51130—2016《沉井与气压沉箱施工规范》（规范1）、CECS 137—2015《给水排水工程钢筋混凝土沉井结构设计规程》（规范2）、JGJ 120—2012《建筑基坑支护技术规程》（规范3）中相关验算内容及对策如表1所示，“√”代表需验算，“—”代表不需验算。

表1 钢壳沉井设计及验算内容

从表1可知，考虑钢壳沉井的特殊性，应重点考虑井身强度和刚度。从基坑工程角度看，沉井的插入比相对较小，渗流稳定性、基坑土体隆起、围护整体倾覆稳定性的安全系数较小甚至不合格，需采取施工措施来满足。对于渗流稳定性，可考虑在施工期间安排降水；对倾覆稳定性的计算，要认识到，基坑工程中是以围护单位宽度作计算单元来计算，要在插入比较小的情况下考虑倾覆性问题，可考虑钢壳沉井整体圆形井身对安全系数的提高；对于坑底隆起稳定性，如果插入比较小，原则上可考虑水下开挖并封底，但此方法将极大地限制工艺使用范围。验算中可考虑压入法下沉所形成的土塞对坑底隆起安全性的提高，当然土塞效应还有很多参数需要进一步明确，实际应用中还是通过限制沉井平面尺寸来保证坑底隆起安全性。

3 工程应用

上海主干道周家嘴路梧州路—新建路段两港截留总管改排，主线采用顶管法，设顶管始发井1座，内净径8 000 mm，设顶管接收井2座，内净尺寸为5 000 mm×8 000 mm。工作井均采用钻孔灌注桩＋止水帷幕的围护。其中始发井位于商丘路上，采用φ600 mm灌注桩＋φ800 mm@500 mm双排高压旋喷桩，设2道钢筋混凝土支撑，基坑深8.5 m，坑底设厚3 m满堂坑底加固。场地周边地上、地下管线复杂，交通改排困难且对时长有较高限制。基于作业环境，设计了压入法钢壳沉井工艺，将大部分的工作放在场外。

地质为上海地区典型软土，沉井影响范围内的土层主要包括：①1填土、②1粉质黏土、③1淤泥质粉质黏土、③t黏质粉土夹淤泥质粉质黏土、③淤泥质粉质黏土、④淤泥质黏土、⑤黏土。地下水位在地表下3 m。通过试算，钢壳采用Q235钢，沉井内径为6 m，外径6.056 m，壁厚28 mm。井体结构高度12 m，刃脚高3.5 m，井身分6节，每节2 m，每节分3段以便运输。

计算采用Midas/Civil 2017软件建立整体模型进行计算。侧壁面板、加劲板、钢护筒采用板单元模拟，沉井钢套箱入土部分，土与井壁接触处考虑土弹簧约束连接。沉井钢套箱下沉到位，套箱在自重、静水压力、土压力作用下，为最不利工况。以水、土压力荷载作用于钢套箱上。钢套箱结构为圆形，结构验算时，考虑等压荷载和50%偏压荷载作用这2种不利工况。计算结果显示，下沉系数无法满足要求，需采取助沉措施。

需要说明的是，此钢壳沉井基坑不满足DG/T J08-61—2010《基坑工程技术规范》抗隆起稳定验算6.3条。考虑到一般基坑工程基底暴露时间相对较长，而此工程面积小且基底暴露时间短，实施中是直接开挖到基底然后使用混凝土迅速封底。

根据计算结果，设置配重，在地面设置2 000 mm×1 000 mm环梁钢筋混凝土反力梁，梁内预埋埋件，用以安装锚具。钢壳顶部放置压梁，压梁为双拼H700 mm×300 mm型钢焊接体。通过4个穿心千斤顶提供下压力。

钢壳分2次下压，每次3节共6 m，每3节现场焊接并下压1次。钢壳就位前，地面先下挖2 m，以清除表层障碍物。第1次下沉耗时205 min，行程2 361 mm，速度约为11.5 mm/min。第1次下压到位后，拆除反力系统，然后焊接上部3节钢壳并再次安装反力系统进行第2次下沉。第2次下沉耗时320 min，行程5 448 mm，速度约为17 mm/min。

第1次下压钢壳摩擦力平均62 kN/m2，第2次下压采用减摩泥浆后钢壳摩擦力可减少到6 kN/m2。

4 施工监测

压沉期间进行了自动化监测，监测设备布置如图1所示。因监测数据较多，对重要监测数据阐述如下。

图1 沉井主体监测布置示意

周边土体分层沉降采用多点位移计监测，设2孔，孔深12 m，每孔测量地表下3、6、9、12 m累计沉降量。其中，1孔的数据如图2所示。

图2 土体分层沉降

从图2可知，土体沉降总体量级很小；3 m深度处受地表施工活动影响，规律性较差；6、9、12 m处量级都未超过1 mm且变化趋势趋同；在下压的1月2日及1月11日，土体呈上台趋势，随后都有不同程度的回落。另外，地面也安排了静力水准监测，但测量值最大也仅仅为0.05 mm，与仪器误差量同量级，只能说明变化量微乎其微，故不列此检测值。在土体中靠近钢壳处埋设了2个轴的土压力盒，埋深为3、6、9、12 m，数据如图3所示。

图3 土压力

从图3可知，3 m深处土压力受地表施工影响显著，a轴3 m处数据规律性较差；下压过程中土压力都有显著上升，土层越深上升幅度越大，12 m埋深处观察到约3.5倍上升，但随后都有回落的趋势；钢壳下切亦能导致土压力提高，2轴在第2次下压过程中不同标高处都表现为土压力剧增，但下压向下影响的范围似有限，在a轴，第1次下压中9 m并没有发生6 m处压力增加的现象。

图4是2个水位观察孔水位变化情况，由图4可知，下压会导致周边孔压增高，导致水位孔水位增加。增加量需要2～5 d才能消散完成。水压增加量相对土压增加量小得多，按照水位最大增加280 mm计算，也仅为28 kPa。

图4 钢壳边水位变化

图5是1个孔中深层土体水平位移值，可知水平位移值很小，最大也仅达1.3 mm，位移较大值集中在6～9 m区域。不过因钢壳开挖前外侧需实施顶管洞口加固，开挖期间内未能持续监测到数据。不过从感官可知，沉井基坑无较大变形，地面无开裂。

图5 深层土体水平位移

实施中还安排测量压梁及钢壳应力，都远未超过允许值，在此不再赘述。

5 结语

1）可通过其他方式提供下压力，比如通过可能设置的永久抗拔桩作为锚桩来提供下压力，或者采用振动法振动下沉。

2）验算中要注意，钢壳较轻，下沉系数较小。另外，从基坑角度看，钢壳沉井插入比小，渗流稳定性、倾覆稳定性、坑底隆起稳定性的安全系数较小，要注意各类施工措施的配备。比如采用降水来提高抗渗流稳定性，通过提高圆形沉井整体的强度及刚度来提高抗倾覆稳定性，通过沉井刃角分仓或限制沉井整体平面尺寸来提高坑底抗隆起稳定性。

3）通过监测数据分析，钢壳沉井下沉期间完全能保证周边土体及环境的安全，相较井壁较厚的混凝土沉井，钢壳沉井有着无可比拟的优势。后期开挖也取得成功。若要提高开挖期间安全性，可考虑逆作法的工艺。