紧邻敏感建筑沿湖超深大断面工作井施工技术研究

蒋礼兵，张杰，尹跃国，印帅，甄亮

（1.镇江市给排水管理处，江苏 镇江 212000;2.中铁上海工程局集团有限公司，上海 200436;3.上海隧道工程有限公司，上海 200032）

沉井法施工指首先在现场预制混凝土或钢结构桶状井体，然后在井内进行取土，结构依靠自重下沉并达到设计施工目的。因具有结构整体性强、刚度大、承载能力高、抗震性能好、抵抗不均匀沉降好和空间利用率高等优点，被广泛应用于实际工程中[1-4]。虽然沉井法在埋深较大的工程应用中表现突出，但是也存在着较高的风险和技术挑战，主要风险来源是沉井制作及下沉过程控制措施是否合理可靠和施工扰动对周边环境造成的不利影响。沉井结构制作过程涉及场地地基承载力是否满足结构制作要求、接高稳定系数和沉井下沉系数是否达到施工安全要求[5]。下沉过程涉及结构几何姿态控制、沉井下沉速度和对周边环境影响[6-9]。

尤其对于存在深厚软弱地层、不同地层渗透特性差异大等沿江（湖）环境下的超深大直径工作井施工，因施工控制不到位易发生结构突沉、倾斜、过沉等风险事故，并对周边环境造成较大影响。比如因超深大直径沉井体积大导致下沉阻力大，因难沉、突沉引起结构应力集中造成结构破坏，因施工质量控制不到位造成结构内力和施工难度增加，因沉井侧摩阻力和井底取土产生的应力变化导致井外土体发生扰动变形。针对深厚软土层地质条件，如何保证超深大直径沉井施工平稳可控和降低对周边环境影响等技术难题值得深入研究。

1 工程背景

海绵城市建设综合达标工程项目－沿金山湖CSO溢流污染综合治理大口径顶管工程位于镇江市金山湖畔，该工程服务于运粮河片区、古运河片区、解放路片区、绿竹巷片区和江滨新村片区共五大片区，服务面积约8.75 平方公里。该项目可以大幅削减金山湖流域各主要污染物，使试点区径流污染削减率达到72.81%。起点位于金山湖与运粮河交汇河口处Y-1 江南泵站节点竖井，在金山湖水下，沿长江路先自西向东近岸敷设，然后向北穿金山湖到征润州污水处理厂西侧的末端泵站，最后过京江路至长江江边滩涂，终点为Y-8 末端排放井节点，先后经过8 座节点竖井，全程采用水下曲线顶管施工方式。

本工程中的顶管管道口径DN4000，壁厚320mm，全长6436m，最大埋深30m，单程顶距最长1336m，是目前国内最大内径最长顶距的混凝土顶管工程。本工程沉井具有体积大、自重重、埋深深等特点，最大外径18.6m，最大制作高度31.28m，最大自重30007T，最大下沉深度32.0m，且多个沉井场地周围存在敏感建筑物，下沉控制要求高。

2 节段式沉井压沉施工技术

考虑本工程中的沉井结构自重较大，若采用传统的整体预制下沉法，易发生结构突沉、倾斜、过沉等风险事故。因此，本工程提出了节段式沉井压沉施工技术。如图1，制作沉井时，先制作首节，首节下沉到位后，上部结构采用“每节下沉到位后再分节浇筑接高标准节”的形式，标准节一次接高短，重量小；下沉过程中，通过在井内取土，利用加压装置向沉井施加压力和井筒自重进行下沉。

图1 节段式沉井压沉施工技术示意图

3 起弧丝杆定型化模板体系

如图2，该模板体系灵感来源于花篮螺丝的丝杆伸缩，由面板、横向背楞、竖向背楞、面板螺栓、起弧丝杆、起弧基座和旋转块等组成，具有自重轻、安拆方便、模板弧度可变范围广、适用性好、周转次数多等特点。起弧基座焊接在相邻竖向背楞上，起弧丝杆上带有螺纹和旋转块，旋转块可沿起弧丝杆双向移动，通过转动起弧丝杆的中部可使木模板发生弯曲定型直至与沉井设计弧度匹配。

图2 起弧丝杆定型化模板体系示意图

4 施工关键技术

4.1 基坑开挖

施作止水帷幕，放出上、下底开挖边线，机械开挖，修坡，人工平整至设计标高。

4.2 刃脚垫层施工

基坑内铺砂垫层，选用级配较好的中粗砂，每层层厚控制在200mm～300mm，用打夯机分层夯实，压实系数达0.95，允许承载力达140kPa。

砂垫层施工合格后，施工混凝土垫层，浇筑混凝土强度等级为C20，在混凝土垫层上设置四个观测点，以检测沉井制作对基底的影响。

刃脚砖膜砌筑材料为MU15 混凝土实心砖，采用M10 水泥砂浆砌筑，刃脚砖膜砌筑完成后与沉井刃脚之间涂刷油毡。

4.3 沉井首节制作

沉井首节段制作高度根据原地基承载力和地下水文情况计算确定，标准节段不超过压力装置千斤顶高度。

沉井首节段制作采用自主研制的起弧丝杆定型化模板体系（图3）。面板采用18mm 的胶合板，单块模板2.4m 长，标准高度1.5m，次背楞为双拼槽钢，外模板尺寸2.4m×1.8m，内模板尺寸2.05m×1.8m。弧度通过螺旋口可调节，调节范围：最小直径φ3.5m。可调弧形模板由工厂加工制作完成，运往施工现场进行拼接安装。

图3 起弧丝杆定型化模板

现场安装工艺流程：钢筋验收合格→单块起弧丝杆定型化模板预调适应弧度→内模安装→穿对拉螺栓→外模安装→调节模板弧度→紧固对拉螺栓→外斜撑架设→模板安装完成。

4.4 导圈梁施工

根据节段式沉井压力装置计算导圈梁需提供的反力，设计导圈梁结构以满足承载力和强度要求。导圈梁纵断面呈L 型，圈梁厚度0.2m。导圈梁与井外壁间距50mm，其结构如图4 所示。

图4 导圈梁施工

导圈梁施工流程：钢筋下料→制作上、下层钢筋网片→制作上、下层连接钢筋→钢筋绑扎或者焊接→预埋件安装→浇筑混凝土→养护导圈梁。

预埋件的制作与定位：导圈梁钢筋绑扎完成后，需预埋规格为PSB785Φ32 的反力地锚钢筋，通过钢筋笼的形式将反力地锚钢筋固定在导梁之中，经全站仪高精度定位检查完成后，进行导圈梁混凝土浇筑。

导圈梁采用HPB300Φ8mm@200 单层双向钢筋，钢筋保护层厚度均为50mm，采用C25 等级混凝土浇筑而成。沉井下沉到位后，采用挖机破除设备将顶管预留洞口土体加固范围的导圈梁实施破除。

4.5 压沉设备安装

通过加压下沉计算压沉设备所需钢反力架和千斤顶的数量和规格，并进行分组和编号，最后确定树根桩的数量和尺寸。如图5 所示，压沉设备采用地锚树根桩固定，每个加压装置由4 根φ400 的树根桩提供反力。树根桩桩身采用HRB400 普通钢筋，每根桩配置6 根18mm 纵向受力主筋，箍筋为HPB300、8mm@200mm形式。压沉设备每组控制2 个液压千斤顶，每个千斤顶都安装一个变频器，用来进行纠偏。

图5 压沉设备安装

4.6 沉井首节压沉

开启沉井首节段压沉设备前，首先人工凿除砖胎膜和刃脚两边的素混凝土垫层，将底板与井壁接触面进行凿毛处理。井内杂物全部运出井外，并在井壁上刻画测量标尺，保证土塞的控制高度。

初始阶段，所有加压单元的油缸活塞杆推进速率均设定在30cm/h，当检测到井体下沉后，应确认是否存在个别加压单元无法推进的情况，若所有加压单元均能保持同一推进速率工作，则提升活塞杆推进速率至60cm/h，每个千斤顶的顶力控制在60t。

沉井压沉设备开启后，反力架千斤顶缓慢向井壁延伸，千斤顶与井壁间安放700mm×450mm 的钢垫板，以增加井壁受力面积。千斤顶接触井壁后，密切关注压力表数据，防止千斤顶施加压力超出预定压力。

压沉过程中，测量人员跟踪监测井内土塞高度，并对井体下沉姿态进行监控，每下沉30cm 测量一次；若对边高程相差1cm，立即调节变频器进行纠偏，直到井体垂直度满足要求后再继续压沉作业。

压沉作业剩余0.3m 时，应逐步减缓活塞推进速率至0.3m/h，为防止超沉，保持上述操作直至达到指定深度，关闭加压设备，沉井首节压沉施工完成（图6）。

4.7 标准节接高制作

沉井首节段下沉完成后，操作人员收回液压千斤顶，进行标准节段的制作、下沉工艺施工。在井壁上部接高制作增加荷载时，做好接高沉降跟踪监测：沿沉井外壁对称布置4 个监测点，接高制作前完成初始值测定，监测频率为2 次/d。

沉井标准节段依然采用起弧丝杆定型化模板体系，安装过程同首节段。标准节段混凝土浇筑高度1.5m，采用汽车泵浇筑方式，浇筑时按次序、方向、分层进行，要求浇筑的井壁对称均匀上升，且浇筑顶面必须平整，一次浇筑厚度为30cm—50cm。

4.8 取土压沉作业

沉井标准节段制作完成后，开挖取土，同时启动压沉装置进行加压下沉。根据地勘报告，通过分析地下水位、土质条件等因素，确定开挖取土时的排水方式采用上干下湿法或上湿下干法。

4.9 封底混凝土浇筑

重复以上步骤，注意预留洞口施工符合设计要求，直至达到沉井设计深度，观察井内外水位高差，保证内外水压基本一致；潜水员下入沉井内，对井底情况详细摸查、清理。

若发现刃脚处有掏空漏洞，采用砂袋将空隙堵住，防止抽泥浆时沉井浮起和井外淤泥涌入井内；若刃脚坐落在淤泥土层，先抛一层20cm—50cm 粒径块石，潜水员配合抛入块石挤密淤泥，防止水下浇筑混凝土时淤泥上翻。

采用水下混凝土封底施工时，浇筑顺序从低处开始，逐渐向导管周围扩大。随着混凝土高度增大，逐步提升导管，直到完成混凝土连续浇筑。

4.10 底板施工

沉井封底混凝土强度满足要求后，启动降压井将地下水位降至抗浮设计标高，然后进行底板施工。底板混凝土浇筑顺序为四周逐渐向中间推进。底板浇筑完成后，沉井安装完成，即可在井内开展顶管施工作业。

5 结语

以超深大直径沉井为载体，通过技术研发与改进形成了节段式沉井压沉施工、起弧丝杆定型化支模等关键技术，综合解决了超深大直径工作井制作工艺要求高、下沉阻力大、下沉姿态不易调控等多项技术难题，具有工作井标准节一次接高短、重量小、质量高，模板安拆便捷、适用性强、成本低，下沉系数稳定、风险低和井外扰动小等特点，实现了最大自重30007T 工作井的高质量下沉。