已建廠房室內(nèi)沉井施工對周邊環(huán)境影響的分析

茅錦麒　趙之波

[摘 要]擬建天津忠旺2#熔鑄車間鑄造機基礎(chǔ)采用沉井法施工，鑄造機基礎(chǔ)南北側(cè)分別緊鄰保溫爐設(shè)備基礎(chǔ)及廠房柱基。本文針對設(shè)備基礎(chǔ)沉井進行分析，考慮其均勻下沉、繞X軸傾斜、繞Z軸傾斜、平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)等幾種工況，以全面了解沉井施工對已建廠房等周邊環(huán)境的影響，從而為沉井的施工提供決策依據(jù)。

[關(guān)鍵詞]沉井，施工，周邊環(huán)境，影響，數(shù)值分析

中圖分類號：TU753.64 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）13-0257-03

§1 前言

沉井，是一種在地面制作、井內(nèi)取土下沉至預(yù)定標高的構(gòu)筑物。沉井在深基礎(chǔ)施工中具有獨特的優(yōu)點：占地面積小，不需要基坑圍護，技術(shù)上比較穩(wěn)妥可靠；與大開挖相比挖土量少，能節(jié)省投資；無需特殊的專業(yè)設(shè)備，而且操作簡便。近年來，隨著施工技術(shù)和施工機械的不斷更新，沉井在國內(nèi)外都得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。

由于人類生產(chǎn)建設(shè)活動的越來越密集，沉井應(yīng)用的場景逐漸由開闊場地的位置向建（構(gòu)）筑物密集的區(qū)域增加。但是，沉井施工也會給周邊環(huán)境帶來負面影響。其負面影響包括：鄰近建（構(gòu)）筑物的開裂、傾斜，道路開裂；地下管線的變形、開裂等。

目前，對沉井施工的研究主要集中在沉井下沉阻力的控制和沉井糾偏等方面，而關(guān)于沉井施工對于周邊環(huán)境影響的分析仍較為鮮見。隨著巖土力學(xué)理論的不斷發(fā)展，巖上的本構(gòu)關(guān)系日益完善，使得巖土數(shù)值模擬方法成為解決工程問題的有效途徑，非常適合于具有復(fù)雜性質(zhì)的上體材料（如非線性應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系，各項異性，非均質(zhì)等），復(fù)雜的邊界條件及任意形狀的求解域等，并可獲得與實際近似的解。由于土體本構(gòu)關(guān)系及其邊界條件的復(fù)雜性，有限元法被廣泛用于分析上部結(jié)構(gòu)、各類基礎(chǔ)、基坑、擋土墻、隧道、邊坡等巖土工程問題。本文結(jié)合天津忠旺2#熔鑄車間設(shè)備基礎(chǔ)沉井施工，采用有限元數(shù)值模擬方法，分析已建廠房室內(nèi)沉井施工對周邊環(huán)境的影響，從而為沉井的施工提供決策依據(jù)。

§2 工程概況

擬建天津忠旺2#熔鑄車間設(shè)備基礎(chǔ)工程共7條生產(chǎn)線含7個鑄造機基礎(chǔ)，所有鑄造機基礎(chǔ)采用沉井法施工，鑄造機設(shè)備基礎(chǔ)分布在廠房DE跨（靠D列）。擬建鑄造井中心線距D列9500mm，南北側(cè)分別緊鄰保溫爐設(shè)備基礎(chǔ)及廠房柱基。本文針對其中的L5號鑄造機設(shè)備基礎(chǔ)沉井進行分析。

L5號鑄造機結(jié)構(gòu)外框尺寸為8500×7100mm，左右邊壁厚650mm，上下邊壁厚為850mm，鑄造井內(nèi)部設(shè)置部分鋼筋混凝土隔墻，隔墻厚度為300mm。鑄造機沉井底板底標高為-16.760m，沉井刃腳標高為-17.620m（大沽高程，±0.00=4.8m，本文標高如無特別說明均為相對標高）。

D列廠房柱基礎(chǔ)承臺底標高為-6.2m，頂標高為-1.5m，下方設(shè)有Φ600鉆孔灌注樁，樁頂標高為-6.15m，樁長25m，樁底標高為-31.15m。保溫爐設(shè)備基礎(chǔ)底標高為-5.25m，頂標高為為-4.31m，下方設(shè)有PHC-A500（100）管樁，樁頂標高為-5.20m，樁長17m，樁底標高為-22.2m。

§3 地質(zhì)條件概況

§3.1 工程地質(zhì)條件

根據(jù)勘察報告，場地地處華北平原，屬沖積、海積低平原，場地埋深65.00m深度范圍內(nèi)，地基土自上而下描述如下：

①1雜填土，呈雜色，松散狀態(tài)，由磚渣、石子、廢土等組成。

①2素填土及耕土，呈褐色，軟塑狀態(tài)，粉質(zhì)粘土、粘土質(zhì)，夾石子、植物根等，屬高壓縮性土。

④1粉質(zhì)粘土及粘土，呈灰黃色，軟塑～可塑狀態(tài)，無層理，含鐵質(zhì)，屬中（偏高）壓縮性土。

⑤1粘土，呈青灰色，流塑～軟塑狀態(tài)，無層理，含有機質(zhì)、腐植物，屬高壓縮性土。

⑥1粉質(zhì)粘土，呈灰色，軟塑狀態(tài)，有層理，含貝殼，屬中壓縮性土。

⑥3粉土，呈灰色，中密狀態(tài)為主，無層理，含貝殼，屬中（偏低）壓縮性土。

⑦粉質(zhì)粘土，呈黑灰～淺灰色，軟塑～可塑狀態(tài)，無層理，含有機質(zhì)、腐植物，屬中壓縮性土。

⑧1粉質(zhì)粘土，呈灰黃色，可塑狀態(tài)，無層理，含鐵質(zhì)，屬中壓縮性土。

⑧1-1粉土（夾層），灰黃色，呈密實狀態(tài)，無層理，含鐵質(zhì)，屬中（偏低）壓縮性土。

⑧2粉土，呈灰黃色，密實狀態(tài)，無層理，含鐵質(zhì)，屬中（偏低）壓縮性土。

⑨2粉砂，呈褐黃色，密實狀態(tài)，無層理，含鐵質(zhì)，屬低壓縮性土。

1粉質(zhì)粘土，呈褐黃色，可塑狀態(tài)，無層理，含鐵質(zhì)，屬中壓縮性土。

2粉砂，呈灰黃色，密實狀態(tài)，無層理，含鐵質(zhì)，屬中（偏低）壓縮性土。

3粉質(zhì)粘土，呈灰黃色，可塑狀態(tài)，無層理，含鐵質(zhì)，屬中壓縮性土。

§3.2 水文地質(zhì)條件

根據(jù)勘察報告，本場地埋深40.00m以上可分為三個含水層：

（1）潛水含水層

位于埋深約11.00m（標高-7.00m）以上，主要含水層為全新統(tǒng)中組海相沉積層粉土（⑥3）為潛水含水層。埋深約11.00～14.00m（標高約-7.00～-10.00m）段全新統(tǒng)下組沼澤相沉積層粉質(zhì)粘土（⑦1）屬不透水層，為潛水含水層的相對隔水底板。

（2）第一微承壓含水層

埋深約21.00～31.00m（標高約-17.00～-27.00m）段的全新統(tǒng)下組陸相沖積層粉土（⑧2）及上更新統(tǒng)第五組陸相沖積層粉砂（⑨2）屬弱透水層，可視為微承壓含水層。

該層上覆的全新統(tǒng)下組沼澤相沉積層粉質(zhì)粘土（⑦1）、全新統(tǒng)下組陸相沖積層粉質(zhì)粘土（⑧1）為該微承壓含水層相對隔水頂板；埋深約31.00～35.00m（標高約-27.00～-31.00m）段上更新統(tǒng)第三組陸相沖積層粉質(zhì)粘土（？1）可視為該微承壓含水層的相對隔水底板。

（3）第二微承壓含水層

埋深約35.00～37.00m（標高約-31.00～-33.00m）段的上更新統(tǒng)第三組陸相沖積層粉砂（？2）為第二微承壓含水層。

該微承壓含水層以埋深約31.00～35.00m（標高約-27.00～-31.00m）段上更新統(tǒng)第三組陸相沖積層粉質(zhì)粘土（？1）為相對隔水頂板，以埋深37.00～40.00m（標高約-33.00～-36.00m）段上更新統(tǒng)第三組陸相沖積層粉質(zhì)粘土（？3）為相對隔水底板。

勘察期間測得場地地下潛水水位如下：

初見水位埋深1.50～3.20m，相當于標高2.76～1.99m。

靜止水位埋深0.70～2.40m，相當于標高3.11～2.84m。

表層地下水屬潛水類型，主要由大氣降水補給，以蒸發(fā)形式排泄，水位隨季節(jié)有所變化。一般年變幅在0.50～1.00m左右。

§3.3 土層參數(shù)

根據(jù)勘察報告，主要土層參數(shù)及描述如下表所示：（見表1）

§4 分析過程與結(jié)果

§4.1 主要思路

在沉井下沉過程中，由于施工過程的不確定性，沉井可能出現(xiàn)如下幾種工況：均勻下沉、繞X軸傾斜、繞Z軸傾斜、平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)。因此本文對上述幾種可能的工況進行模擬，以全面分析沉井施工對周邊環(huán)境的影響。

§4.2 周邊荷載

為了能夠較準確的分析出沉井施工對周邊環(huán)境的影響，需要準確的施加周邊的荷載。本沉井周邊的主要荷載有：廠房上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的荷載，保溫爐設(shè)備產(chǎn)生的荷載。

廠房上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的荷載采用PKPM2010網(wǎng)絡(luò)版進行計算，保溫爐設(shè)備按照極限狀態(tài)，根據(jù)單樁豎向承載力特征值來考慮該區(qū)域的荷載。

§4.3 本構(gòu)模型的選擇及其參數(shù)的確定

本文采用PLAXIS 3D有限元數(shù)值模擬軟件進行分析。PLAXIS 2D/3D程序是由荷蘭PLAXIS B.V.公司推出的一系列功能強大的通用巖土有限元計算軟件，現(xiàn)在已廣泛應(yīng)用于各種復(fù)雜巖土工程項目的有限元分析中，如：大型基坑與周邊環(huán)境相互影響、盾構(gòu)隧道施工與周邊既有建筑物相互作用、大型樁筏基礎(chǔ)（橋樁基礎(chǔ)）與鄰近基坑的相互影響、板樁碼頭應(yīng)力變形分析、庫水位驟升驟降對壩體穩(wěn)定性的影響、軟土地基固結(jié)排水分析、基坑降水滲流分析及完全流固耦合分析、建筑物自由振動及地震荷載作用下的動力分析、邊坡開挖及加固后穩(wěn)定性分析等等。PLAXIS系列程序以其專業(yè)、高效、強大、穩(wěn)定等特點得到世界各地巖土工程專業(yè)人員的廣泛認可，日漸成為其日常工作中不可或缺的數(shù)值分析工具。尤其在歐洲、新加坡、馬來西亞、香港等地應(yīng)用廣泛。截至2012年初，世界范圍內(nèi)PLAXIS用戶多達16000多家；其中中國用戶已有百余家，涵蓋了鐵路、電力、石化、建筑、航務(wù)、冶金等行業(yè)設(shè)計院、高校、科研院所及少量施工單位。

數(shù)值分析中的關(guān)鍵問題之一是要采用合適的土體本構(gòu)模型和計算參數(shù)。根據(jù)《上海市基坑工程技術(shù)規(guī)范》（DG/TJ08-61-2010）第335頁：線彈性模型由于對拉應(yīng)力沒有限制而無法較好的模擬主動土壓力和被動土壓力，一般不適合用于基坑開挖的數(shù)值分析；彈-理想塑性的Mohr-Coulomb模型或Drucker-Prager模型不能區(qū)分加荷和卸荷，且其剛度不依賴于應(yīng)力歷史和應(yīng)力路徑，應(yīng)用于基坑開挖數(shù)值分析時往往會得到不合理的很大的坑底回彈，雖然這兩個模型在有些情況下能獲得一定滿意度的墻體變形結(jié)果。而土體硬化（Hardeding Soil，HS）本構(gòu)模型能考慮黏土的硬化特征、能區(qū)分加荷和卸荷的區(qū)別，且其剛度依賴于應(yīng)力歷史和應(yīng)力路徑，計算結(jié)果能同時給出較為合理的墻體變形及墻后土體變形，適合于敏感環(huán)境下的基坑開挖數(shù)值分析。因此，土體硬化模型已成為基坑工程數(shù)值分析中用的最多的模型之一。

HS 模型為 Plaxis 軟件中的一種本構(gòu)模型，由Schanz 等提出。該模型為等向硬化彈塑性模型，其在主應(yīng)力空間中的整個屈服面如圖所示。土體硬化模型可以同時考慮剪切硬化和壓縮硬化，并采用 Mohr-Coulomb 破壞準則。

綜上，本次分析土體的本構(gòu)模型采用HS模型，其中使用的參數(shù)是根據(jù)工程勘察報告，并結(jié)合《基坑開挖數(shù)值分析中土體硬化模型參數(shù)的試驗研究》（王衛(wèi)東，王浩然等，巖土力學(xué)，2012.08）一文進行確定：土體硬化模型能適合于多種土類的破壞和變形行為的描述，并且適合于巖土工程中的多種應(yīng)用，如堤壩填筑、地基承載力、邊坡穩(wěn)定分析及基坑開挖等。土體硬化模型共有 11 個參數(shù)，包括：有效黏聚力 c′、有效內(nèi)摩擦角、剪脹角、三軸固結(jié)排水剪切試驗的參考割線模量 、固結(jié)試驗的參考切線模量 、與模量應(yīng)力水平相關(guān)的冪指數(shù)m、三軸固結(jié)排水卸載-再加載試驗的參考卸載再加載模量 、 卸載再加載泊松比 、 參考應(yīng)力 、破壞比 、正常固結(jié)條件下的側(cè)壓力系數(shù) K0。模型參數(shù)中的靜止側(cè)壓力系數(shù) K0 的確定可由 K0 =1-sin計算得出。根據(jù) Janbu的研究，對于砂土和粉土，與模量應(yīng)力水平相關(guān)的冪指數(shù) m 一般可取為 0.5；對于黏性土，m 的取值范圍為 0.5～1 。卸載再加載泊松比 可采用 Plaxis 軟件模型手冊中的建議值，一般取為 0.2；參考應(yīng)力 一般取為 100 kPa；根據(jù)Bolton 的研究，對于砂土，剪脹角可取為（-30°）；對于黏性土，一般取為 0。

此外，模型中涉及的結(jié)構(gòu)單元，如沉井、灌注樁、承臺、設(shè)備基礎(chǔ)和PHC管樁等，均采用線彈性模型進行模擬，其參數(shù)根據(jù)實際的混凝土等級結(jié)合《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50010-2010）進行確定。

§4.4 模型的建立

計算模型包括了土體和沉井等結(jié)構(gòu)構(gòu)件。模型的左右向為X軸，上下為Z軸，豎向為Y軸。以沉井中鑄造機的中心點為模型的原點，X軸方向的坐標為-50～50m，共100m；Z軸方向的坐標為-40～30m，共70m；豎向Y軸方向的坐標為-1.5m～-42.95m，共41.45m。豎向土層建立至？3粉質(zhì)粘土層底。模型頂面自由，四周施加法向約束，底面施加X、Z、Y三向約束。

§4.5 計算工況及計算過程

由于沉井的施工過程是一個動態(tài)的逐步下沉的過程，動態(tài)下沉的過程難以模擬，故采取一種近似的方法進行模擬：將沉井沿豎向分為幾節(jié)，逐節(jié)激活沉井并挖除井內(nèi)土體，以此來實現(xiàn)模擬沉井施工的過程。在沉井下沉過程中，由于施工過程的不確定性，沉井可能出現(xiàn)如下幾種工況：均勻下沉、繞X軸傾斜、繞Z軸傾斜、平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，為全面分析沉井施工過程可能產(chǎn)生的最不利影響，共分為以下五個工況進行分析：

工況一：沉井正常均勻下沉；工況二：沉井繞X軸傾斜；工況三：沉井繞Z軸傾斜；工況四：沉井逆時針旋轉(zhuǎn)；工況五：沉井順時針旋轉(zhuǎn)。

其中二～五這四個非正常工況，考慮傾斜或旋轉(zhuǎn)的極限狀態(tài)，通過施加主被動壓力差來實現(xiàn)。

計算步驟如下表所示：（見表2）

§4.6 計算結(jié)果

以下計算結(jié)果中的正負號是根據(jù)以下坐標軸確定的：原點位于鑄造井沉井中心點，X軸平行于D柱列，Z軸垂直于D柱列并指向D柱列。

各個工況的計算結(jié)果匯總?cè)缦卤硭荆海ㄒ姳?）

各個工況樁基的內(nèi)力情況匯總?cè)缦卤恚海ㄒ姳?）

§5 結(jié)論

由數(shù)值分析計算結(jié)果表明，樁基水平位移的最大值均小于20mm（報警值），基本可以認為沉井施工對廠房和周邊環(huán)境的影響在安全的可允許范圍之內(nèi)。但是沉井的下沉過程是動態(tài)的，施工過程中可能會產(chǎn)生各種不可控因素，導(dǎo)致沉井的施工產(chǎn)生不良后果，因此建議如下：

1.工程周邊環(huán)境較復(fù)雜，為保證沉井施工對周邊環(huán)境的影響在可控范圍以內(nèi)，沉井施工前應(yīng)編制詳細可行的施工組織設(shè)計方案，其中應(yīng)包括切實可行的應(yīng)急預(yù)案。

2.沉井施工前可在沉井周圍施工一圈封閉的止水帷幕。

3.施工過程中應(yīng)加強監(jiān)測，主要的監(jiān)測項目應(yīng)包含但不限于以下幾個方面：周邊地表沉降、承臺和設(shè)備基礎(chǔ)水平及豎向位移、廠房柱測斜、地下水位變化等。

4.如果在監(jiān)測過程中，發(fā)現(xiàn)變形過大有可能產(chǎn)生風(fēng)險時，沉井應(yīng)改為不排水下沉，沉井內(nèi)的水位不應(yīng)低于沉井頂部向下1.0m，以減小沉井內(nèi)外壓力差，從而控制變形。

5.從分析計算結(jié)果可以看出，沉井在傾斜的狀態(tài)下比正常下沉對周邊環(huán)境產(chǎn)生的影響要大，因此，在沉井的下沉過程中，應(yīng)始終堅持“以糾偏為主，以下沉為輔”的原則，在糾偏的過程中下沉，可以使沉井偏斜幅度得到有效控制，縮小對周邊環(huán)境的影響范圍。

6.沉井下沉過程中應(yīng)始終不斷的在井壁外側(cè)凹陷處回填土，可以阻止凹陷范圍擴大，縮小影響范圍。

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