沉井結(jié)構(gòu)在平面不規(guī)則污水提升泵站中的應(yīng)用研究

熊勃 劉帥花

(1.安徽省城建設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司華南分公司 廣州510651;2.廣州嘉聯(lián)工程技術(shù)咨詢有限公司 511300 )

引言

沉井是一種在地面制作,通過除去井內(nèi)土體的方法使之下沉到地下某一深度的井體結(jié)構(gòu),是一項(xiàng)古老掘井作業(yè)發(fā)展而來的技術(shù)。沉井的埋深可以較大,而且整體性強(qiáng),穩(wěn)定性好,有較大的承載面積,可以承受較大的垂直荷載和水平荷載,且沉井既是基礎(chǔ),又是施工時(shí)的擋土和擋水構(gòu)筑物,下沉過程中無須再設(shè)置支護(hù)系統(tǒng),簡化了施工[1]。鑒于其在建造地下構(gòu)筑物或深基坑中的優(yōu)越性,隨著施工技術(shù)及施工機(jī)具的不斷發(fā)展而獲得越來越廣泛的應(yīng)用[2]。污水提升泵站一般平面尺寸不大,但通常埋置較深,一般的做法是參照民用建筑的基坑做好基坑支護(hù)然后再施工泵房結(jié)構(gòu),往往基坑支護(hù)的造價(jià)占比超過主體結(jié)構(gòu),由于泵房平面尺寸與一般民用建筑相比較小,可以通過一些技術(shù)手段將泵站做成沉井結(jié)構(gòu),沉井結(jié)構(gòu)既作為泵房的基礎(chǔ)又兼作泵站的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu),既縮短了工期,又大大節(jié)省了投資。本文通過廣州市某污水提升泵站的沉井結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)用分析。

1 工程概況

長洲島污水提升泵站位于廣州市黃埔區(qū)長洲島西北部,安新街的北部,該泵站負(fù)責(zé)將整個(gè)長洲島片區(qū)面積853.5hm2的污水進(jìn)行收集,納污范圍內(nèi)的污水經(jīng)管道重力流入污水提升泵站,污水通過泵站提升后經(jīng)過江管進(jìn)入琶洲七號(hào)泵站,最后進(jìn)入瀝窖污水處理廠進(jìn)行處理。泵站實(shí)際占地面積約2839.5m2,根據(jù)地質(zhì)報(bào)告,本工程地層從上往下主要為:

(1)素填土層①-1: 本層分布廣泛,各鉆孔均有揭露。雜色,稍濕,松散,主要由粘性土、中細(xì)砂及碎石塊組成,厚度約1.5m ～2.5m。

(2)粉質(zhì)粘土②-2: 紅黃色,灰黃色,濕,可塑,局部硬塑,含較多細(xì)砂,厚度約1.5m ～3.3m。

(3)砂質(zhì)粘性土④-2: 灰黃色,紅黃色,稍濕,硬塑,遇水易軟化崩解,為混合巖風(fēng)化殘積土,厚度約1.50m ～4.9m。

(4)全風(fēng)化混合巖⑥-1: 灰黃色,巖石風(fēng)化劇烈,巖芯手可折斷,遇水易軟化崩解,巖芯呈堅(jiān)硬土狀,厚度約3.0m ～4.0m。

(5)強(qiáng)風(fēng)化混合巖⑥-2: 灰黑色,灰黃色,巖石風(fēng)化劇烈,巖芯手可折斷,遇水易軟化崩解,巖芯呈半巖半土狀,厚度約9.0m ～10.30m。

(6) 中風(fēng)化混合巖⑥-3: 灰黃色,灰白色,中細(xì)粒結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造,巖石較堅(jiān)硬,較新鮮,擊之聲較脆,巖芯呈塊～短柱狀,厚度約2.50m ～3.0m。

本場地地表水主要為其南側(cè)的瀝窖水道、北側(cè)的官洲海以及中部的深井涌,與珠江水相通,水位和流量受珠江水影響十分明顯,并隨季節(jié)性變化而變化。場地地下水埋藏較淺,按賦存介質(zhì)類型分為砂層孔隙水、基巖裂隙水兩種類型,孔隙水主要賦存于人工填土層中,富水性較好,水量較豐富; 裂隙水主要賦存于震旦系混合巖之裂隙中,場地穩(wěn)定水位埋深介于0.50m ～6.30m 之間,并隨著珠江河潮汐變化而變化?？垢≡O(shè)計(jì)水位按室外地面標(biāo)高計(jì)算。

2 設(shè)計(jì)方案

污水提升泵站長24.5m,寬4m ～11.9m,深度約12m,泵站呈不規(guī)則矩形,由于泵站埋深較深,且現(xiàn)場地質(zhì)條件復(fù)雜,地下水位較高,填土層中含水量較豐富,且臨近珠江,對明挖基坑施工不利,故泵站初擬采用1m 厚地下連續(xù)墻+鋼管內(nèi)支撐的基坑支護(hù)形式進(jìn)行開挖。為了盡量節(jié)省造價(jià)和工期,可將地下連續(xù)墻兼作泵站的外壁結(jié)構(gòu),在連續(xù)墻的內(nèi)側(cè)做一350mm厚的內(nèi)襯墻,如圖1 所示。

圖1 泵站基坑支護(hù)示意(單位： mm)Fig.1 Schematic diagram of foundation pit support of pumping station (unit: mm)

若采用該方案,則泵站墻體厚度達(dá)到1.35m,且由于基坑深度達(dá)到12m,采用連續(xù)墻支護(hù)需要一定的嵌固深度,基坑造價(jià)將較高; 且由于基坑不規(guī)則,基坑內(nèi)不便于設(shè)置鋼管內(nèi)支撐的換撐結(jié)構(gòu),將大大影響施工進(jìn)度,進(jìn)而影響整個(gè)項(xiàng)目的順利推進(jìn)。

綜合以上分析,采用地下連續(xù)墻支護(hù)的結(jié)構(gòu)并非本工程的最優(yōu)方案,為提高施工速度,減少工程造價(jià),可考慮將支護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)合二為一(即將基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)兼作泵站的外池壁),而采用沉井則可較順利地解決該問題,同時(shí),為了便于沉井施工,可將泵站形狀改成較為方正、規(guī)則、對稱的日字形,先施工沉井結(jié)構(gòu),并在沉井上預(yù)留內(nèi)隔墻的鋼筋和接口,待沉井施工完畢后再施工井內(nèi)的內(nèi)隔墻,可大大提高施工的便捷性,并降低了造價(jià),沉井結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

根據(jù)地質(zhì)報(bào)告顯示,除上層填土層外,本工程地層大多為不透水層,且全風(fēng)化～強(qiáng)風(fēng)化混合巖揭露較淺,周邊環(huán)境較好,鄰近無重要建(構(gòu))筑物,為方便施工,本沉井采用排水法下沉,沉井分節(jié)制作,一次下沉。沉井施工完畢且混凝土達(dá)設(shè)計(jì)強(qiáng)度后開始頂管施工,待頂管施工完畢,場外管道接入泵站后開始內(nèi)隔墻施工,內(nèi)隔墻施工完畢最后施工泵站頂板結(jié)構(gòu)等其余附屬結(jié)構(gòu)。

3 計(jì)算分析

沉井結(jié)構(gòu)計(jì)算分析主要包括下沉分析、下沉穩(wěn)定性分析、井壁計(jì)算分析及刃腳計(jì)算分析等。采用沉井方案的重(難)點(diǎn)在于其能否順利下沉及下沉穩(wěn)定性的分析,根據(jù)相關(guān)規(guī)范及文獻(xiàn)[3～5],沉井的下沉系數(shù)須≥1.05,下沉穩(wěn)定系數(shù)須在0.8 ～0.9 之間。井壁及刃腳的計(jì)算分析僅做簡略說明。

圖2 沉井泵站平、剖面示意(單位： mm)Fig.2 Drawing of horizontal section of open caisson pumping station (unit: mm)

3.1 下沉系數(shù)計(jì)算分析

式中:kst為下沉系數(shù);Gik為沉井自重標(biāo)準(zhǔn)值(kN);Ffw,k為下沉過程中的浮托力標(biāo)準(zhǔn)值(kN);Ffk為井壁總摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值(kN)。

由于沉井采用分節(jié)制作,一次下沉工藝,根據(jù)地質(zhì)報(bào)告,地層情況基本為上軟下硬,故分別驗(yàn)算沉井下沉至5m 時(shí)及下沉至10m 時(shí)的下沉系數(shù)。

1.當(dāng)沉井總節(jié)下沉至5m 時(shí)

采用排水法下沉,Ffw,k=0,Gik=27751kN。根據(jù)周邊鉆孔顯示,地面下5m 土層為素填土(1.5m 厚)、粉質(zhì)粘土(2m 厚)及砂質(zhì)粘性土(2m厚),其單位側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值fk根據(jù)沉井設(shè)計(jì)規(guī)程分別取25kPa、25kPa 及40kPa,其fk加權(quán)平均值為30kPa,沉井周長U=75.4m。則:

kst=(Gik-Ffw,k)/Ffk=27751/3960=7.00 ＞1.05,下沉系數(shù)滿足要求。

2.當(dāng)沉井總節(jié)下沉至10m 時(shí)

根據(jù)周邊鉆孔顯示,地面下5m ～10m 地層為全風(fēng)化混合巖(3m 厚)及強(qiáng)風(fēng)化混合巖(10m厚),由于規(guī)范對該類地層的側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值無明確規(guī)定,故參照地質(zhì)報(bào)告的樁側(cè)摩阻力特征值對該兩種土層的fk值分別取為50kPa 及60kPa,fk加權(quán)平均值為54kPa。則:

kst=(Gik-Ffw,k)/Ffk=27751/25907=1.07 ＞1.05,下沉系數(shù)滿足要求。

從以上計(jì)算結(jié)果可以看出,當(dāng)沉井下沉至5m 時(shí),下沉系數(shù)較大,下沉較快,應(yīng)繼續(xù)分析其下沉穩(wěn)定性,當(dāng)沉井繼續(xù)下沉至地面下10m時(shí),下沉系數(shù)也能滿足要求,但考慮到此處地層情況基本為強(qiáng)風(fēng)化混合巖,摩阻力較大,應(yīng)酌情考慮采取注漿減摩措施。根據(jù)泵站后續(xù)施工過程來看,在下沉至地面下10m 處時(shí)沒有采取注漿減摩措施沉井亦能順利下沉,說明按地質(zhì)報(bào)告參考的側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值稍稍偏大,但基本能反應(yīng)其真實(shí)摩阻力,可以參照使用。

3.2 下沉穩(wěn)定計(jì)算分析

當(dāng)沉井下沉系數(shù)過大,或遇到淤泥等軟弱土層時(shí),須驗(yàn)算下沉穩(wěn)定性:

式中:kst,s為下沉穩(wěn)定系數(shù);Rb為沉井刃腳、隔墻和底梁下地基土的極限承載力之和(kN)。

地面下5m 處為砂質(zhì)粘性土(硬塑),沉井規(guī)范沒有給出此種地層的極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值參考數(shù)據(jù),根據(jù)地質(zhì)報(bào)告,該地層的承載力特征值為220kPa,取其地基土極限承載力為440kPa,則:

外圍壁板地基土極限承載力:

中間壁板地基土極限承載力:

故Rb=28151kN,當(dāng)沉井下沉5m 時(shí),kst,s=(27751 -0)/(3960 +28151)=0.86 ＜0.9

下沉系數(shù)已經(jīng)接近規(guī)范允許的限值0.9,初步判斷5m 內(nèi)沉井下沉將偏快,但由于下沉系數(shù)還在規(guī)范允許范圍之內(nèi),可先不采取糾偏措施并密切監(jiān)測沉井變化。在實(shí)際施工過程中,在下沉至地面下5m 時(shí),沉井下沉速度稍快,但在沒有采取處理措施的情況下仍然能保證其下沉穩(wěn)定,說明根據(jù)地質(zhì)報(bào)告采用的極限承載力數(shù)值基本能反應(yīng)其真實(shí)情況。若下沉系數(shù)計(jì)算值超出規(guī)范允許限值,應(yīng)采取有效措施控制沉井下沉速度,如用木垛在定位墊架處給以支承,并嚴(yán)格控制挖土范圍,在刃腳下不挖或部分挖土,同時(shí)嚴(yán)格按對稱施工,并加強(qiáng)施工監(jiān)測,防止沉井偏斜。

3.3 井壁計(jì)算分析

沉井在施工階段是無底無蓋的筒狀結(jié)構(gòu),因此井壁結(jié)構(gòu)計(jì)算通常截取單位高度的一段作為平面框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算。沉井各部位的截面及配筋,應(yīng)綜合各階段最不利的受力狀態(tài)進(jìn)行驗(yàn)算,此處選取沉井刃腳部位以上1m 進(jìn)行平面框架結(jié)構(gòu)計(jì)算,其計(jì)算模型和彎矩圖如圖3、圖4 所示。

圖3 沉井平面框架計(jì)算簡圖Fig.3 Calculating sketch of plane frame of caisson

圖4 沉井平面框架水平彎矩Fig.4 Horizontal moment diagram of planar frame of caisson

沉井在使用階段時(shí),可將井壁按雙向板(三邊固定,一邊簡支)逐個(gè)計(jì)算,或者將整個(gè)構(gòu)筑物整體建模計(jì)算,綜合考慮平面框架計(jì)算結(jié)果以及雙向板計(jì)算結(jié)果可以得出沉井井壁的配筋。

3.4 刃腳計(jì)算分析

刃腳處應(yīng)按最不利工況計(jì)算其豎向內(nèi)力及水平內(nèi)力,刃腳的豎向內(nèi)力分為刃腳的向外彎矩及向內(nèi)彎矩。刃腳的向外彎矩為沉井初沉?xí)r,刃腳下部承受較大的正面及側(cè)面阻力,而井壁外側(cè)土壓力并不大,此時(shí)刃腳根部將產(chǎn)生向外彎矩; 刃腳內(nèi)側(cè)彎矩為沉井下沉至最后階段,刃腳下的土全部挖空,此時(shí)刃腳根部水平截面上將產(chǎn)生較大的向內(nèi)彎矩。刃腳水平內(nèi)力應(yīng)考慮刃腳入土?xí)r,由于斜面上的土反力產(chǎn)生的橫推力在轉(zhuǎn)角處使相互垂直的刃腳產(chǎn)生的拉力。本工程刃腳配筋如圖5所示。

圖5 沉井刃腳配筋圖(單位： mm)Fig.5 Reinforcement diagram of caisson cutting edge(unit: mm)

4 施工注意事項(xiàng)

1.本工程沉井采用排水法下沉,沉井分節(jié)制作,一次下沉,故沉井下沉前應(yīng)做好截排水措施,應(yīng)在沉井井壁外側(cè)一定距離打設(shè)攪拌樁止水帷幕進(jìn)行止水,沉井混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度95% 以上時(shí)方可下沉。

2.明確施工順序,在井壁與內(nèi)隔墻相交處預(yù)留凹槽和鋼筋,以便內(nèi)隔墻二次施工時(shí)候與之有效連結(jié)。沉井制作時(shí)應(yīng)按各專業(yè)要求預(yù)留孔洞,不得后鑿,并在下沉過程中用鋼板對孔洞進(jìn)行封堵。

3.沉井下沉過程中應(yīng)控制下沉速度,隨時(shí)注意糾偏,應(yīng)采用擠土下沉,不得隨意掏空刃腳,挖土應(yīng)均勻、對稱,采取有效措施保證沉井平衡、均勻和穩(wěn)定下沉、防止突沉; 沉井下沉?xí)r要監(jiān)控井壁及內(nèi)隔墻(框架)的不均勻沉降值,防止混凝土開裂,沉井初沉、終沉階段應(yīng)增加觀測次數(shù),下沉完畢后應(yīng)對平面位置、終端標(biāo)高、結(jié)構(gòu)完整性、滲水、裂縫等作全面檢查。沉井施工現(xiàn)場如圖6 所示。

4.沉井下沉完畢后,在沉井與原狀土之間注漿填滿空隙。

圖6 沉井施工現(xiàn)場Fig.6 Construction site photos of open caisson

5 經(jīng)濟(jì)性分析

本工程泵站若按常規(guī)方式先做基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)再做泵站主體結(jié)構(gòu),則由于現(xiàn)場地形及地質(zhì)條件限制須采用地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu),該支護(hù)結(jié)構(gòu)整體造價(jià)約570 萬元,由于地下連續(xù)墻僅作為基坑支護(hù)的臨時(shí)結(jié)構(gòu)使用,若再加上作為永久結(jié)構(gòu)使用的內(nèi)襯墻的造價(jià)約45 萬元,則采用該種結(jié)構(gòu)形式的總造價(jià)約615 萬元,而本工程通過一系列技術(shù)手段最終確定采用了沉井形式,其工程造價(jià)約為360 萬元,比采用常規(guī)基坑支護(hù)形式節(jié)省造價(jià)約255 萬元,說明沉井結(jié)構(gòu)相較于基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢較為明顯。

6 結(jié)語

本工程泵站施工按設(shè)計(jì)指導(dǎo)順利完成,比預(yù)定的工期提前約30 天完工,目前該泵站已投入運(yùn)營,效果良好。該泵站為廣州地區(qū)大型污水提升泵站采用沉井結(jié)構(gòu)的首個(gè)案例,產(chǎn)生了很好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。本工程的成功實(shí)施可為同類型的污水提升泵站提供以下可供借鑒的經(jīng)驗(yàn):

1.污水提升泵站一般為不規(guī)則形狀,不適合采用沉井形式施工,但可將泵站形式做適當(dāng)改進(jìn),使其變成對稱的矩形,則非常適合采用沉井形式,若沉井跨度較大,則可在中間增設(shè)隔墻。

2.泵站施工順序一般為先施工沉井,后施工頂管,再施工內(nèi)隔墻,最后施工泵站頂板結(jié)構(gòu)等其余附屬結(jié)構(gòu)。

3.沉井根據(jù)周邊環(huán)境及地質(zhì)情況可采用排水法或不排水法下沉,下沉過程中應(yīng)著重驗(yàn)算其下沉系數(shù)及下沉穩(wěn)定系數(shù),當(dāng)下沉困難時(shí)可采用注漿減摩等措施,當(dāng)下沉過快時(shí)可采用支承木垛及控制挖土范圍等措施。