宋立偉，王二成，蔡送寶，楊 雪，張文帥

(1.天津市賽英工程技術咨詢有限公司，天津 300051； 2.河北工程大學土木工程學院，河北 邯鄲 056038)

0 引言

在地下空間的開發(fā)中，沉井結構具有剛度大、防水效果好等優(yōu)點，因此在大型橋梁基礎、地下停車庫、地下管廊及隧道工程中的應用越來越多，但在下沉過程中沉井姿態(tài)控制是個難題，特別是對于深度較大的沉井，姿態(tài)控制的好壞直接決定工程項目的成敗，并且沉井會給周邊環(huán)境帶來影響，項目實施之前需對沉井引起周邊地表沉降及對臨近建(構)筑物的影響做出評估。圍繞沉井存在的一些問題，很多專家、學者和工程技術人員開展了很多研究工作。周和祥等[1]對直壁式、階梯式井壁開展離心機模型試驗，分析沉井側壁摩阻力的分布規(guī)律；彭儀譜等[2]對滬通長江大橋主塔沉井著床灌注隔倉混凝土的過程進行了有限元模擬分析，得出了不同施工階段下刃腳受土壓力的變化；王正振等[3]用PLAXIS 3D有限元軟件對某大橋南錨碇沉井進行了分析，計算出沉井在施工及運營階段的最大豎向位移及水平位移；陳國平[4]通過重型井點降水的輔助工藝，解決了軟土地基沉井施工困難的問題；汪成龍[5]基于五峰山長江大橋北錨碇下沉項目，提出十字槽同步開挖、分區(qū)開挖、預留核心土等措施，降低結構應力，保證了結構安全。此外，還有其他學者及工程技術人員[6-10]對沉井進行了相關研究。

1 工程概況

溫州市鹿城區(qū)七都島—鐵塔公園跨甌江電力隧道工程包括2座沉井和1段跨甌江電力隧道，電力隧道采用頂管法施工，頂管自鹿城區(qū)七都島側工作井始發(fā)，下穿甌江至甌江路側接收井，電力隧道全長1 202.4m。七都島側工作井為變壁厚的圓形沉井，外徑為14.2m，壁厚為0.9，1.1m，沉井深度為32.42m，采用沉井法施工。

沉井西側為樟里村浮沙赤巖廟，沉井結構外邊界距離大雄寶殿的最近距離為25m；沉井東側為現(xiàn)狀110kV高壓線架空鐵塔，沉井結構外邊線距離鐵塔基礎的最近距離為21m；沉井南側為現(xiàn)狀村間水泥路，沉井結構外邊線距離村間路的最近距離為15m。寺廟建筑對地基沉降變形比較敏感，對沉井下沉過程中引起周邊圍巖土體變形提出了較高的要求。

工程地貌屬河口三角洲，土層工程地質條件較差，分布有深厚的軟土地層，土層含水量高、靈敏度高。土層自上而下依次為：①2黏土、②1淤泥夾粉砂、②2粉砂含淤泥、②3淤泥、②4粉砂含淤泥、③1淤泥質黏土、黏質粉土、③3卵石，沉井側摩阻力如表1所示。

表1 沉井側摩阻力

2 沉井設計

2.1 沉井支護結構

沉井距離既有高壓線塔、廟宇較近，且沉井深度達32.42m，為了減小對周邊環(huán)境的影響，在距離井壁外側3m布置1圈18m長SP-U400×170拉森鋼板樁，鋼板樁頂部設置1m×0.8m的混凝土冠梁，澆筑C20混凝土。

2.2 第1節(jié)井壁澆筑前地基土換填

第1節(jié)井壁澆筑高度為11.7m，自重較大，天然地基承載力無法滿足要求，需對刃腳墊梁下1.5m深土體進行換填處理，用中砂分層回填密實，提高刃腳下土體的承載力，如圖1所示。

圖1 地基土換填

2.3 沉井分節(jié)及下沉控制系數(shù)計算

沉井井壁結構總高度為32.42m，根據(jù)CECS 137∶2015《給水排水工程鋼筋混凝土沉井結構設計規(guī)程》中對下沉系數(shù)及下沉穩(wěn)定系數(shù)的要求，井壁結構分成5次進行澆筑和下沉，每次澆筑的井壁高度分別為11.7，4.5，3.87，6.4，5.95m，分5次下沉至設計標高，每次下沉的控制系數(shù)如表2所示。

表2 各次下沉控制系數(shù)計算值

沉井結構采用C40混凝土澆筑,抗?jié)B等級為P12，井壁外側涂刷2道水柏油防水。

3 沉井施工控制要點

3.1 分倉排泥，井筒下沉

排泥采用虹吸法，井內(nèi)灌滿水，用帶有葉片的攪拌設備將倉內(nèi)土體攪拌成泥漿，然后用虹吸泵將泥漿排放到泥漿池內(nèi)，靜置待水土分離后再將表層清水泵回至井筒內(nèi)，繼續(xù)用于攪拌泥漿，循環(huán)往復將井底土體帶出，各分倉內(nèi)均勻對稱排泥，井筒同步下沉。

3.2 沉井姿態(tài)控制及糾偏措施

沉井下沉過程中，在井壁上布置水準觀測點，通過水準儀監(jiān)測下沉過程中井筒的姿態(tài)，根據(jù)下沉姿態(tài)實時調整取土位置，對井筒進行動態(tài)糾偏。

沉井下沉過程中出現(xiàn)了較大沉降差，通過分倉取土的方式進行姿態(tài)糾偏效果不明顯，為了對井筒進行及時有效的糾偏，采取一側架設臨時鋼管支撐與對側打設旋噴泥漿減阻潤滑的方法進行姿態(tài)調整。

在靠近沉降量小的一側土層中打設2排φ800mm@600mm的膨潤泥漿高壓旋噴樁，降低該側井壁側摩阻力，加快該側井筒下沉速度；在沉降量大的另一側用8m長、φ300×12鋼管作為臨時支撐,加大該側井筒的阻滑力，降低該側井筒的下沉速度，兩側同時發(fā)揮作用，從而實現(xiàn)對井筒姿態(tài)的調整。井壁上開鑿500mm×500mm×400mm(高×寬×深)的頂洞，每根臨時鋼管支撐下部澆筑1 500mm×1 000mm×500mm(長×寬×厚)的獨立底座，3根臨時支撐鋼管底部用槽鋼焊接，加強支撐之間的整體性，底座布置在換填的砂層上，允許其有適當?shù)某两滴灰?，避免臨時支撐效果過大導致井筒發(fā)生反向偏移。

沉井刃腳下沉至設計標高時，井口的標高偏差為12cm，根據(jù)GB50141—2008《給水排水構筑物工程施工及驗收規(guī)范》的要求，沉井下沉就位后，偏差不大于直徑長度的1%，且≤300mm，滿足規(guī)范要求。

4 沉井對周邊環(huán)境影響的數(shù)值模擬與實測對比分析

根據(jù)沉井所在場地的工程地質條件，建立1個60m×60m×60m的數(shù)值分析模型(見圖2)，預判沉井刃腳下沉至設計標高后引起的周邊地表沉降和井底土體的隆起情況。

圖2 數(shù)值計算模型

模型前、后邊界面上的節(jié)點限制x向位移，左、右邊界面上的節(jié)點限制y向位移，底面節(jié)點限制x，y，z向位移，拉森鋼板繞z軸產(chǎn)生的轉動。實際工程中樁頂放坡1.5m，建模時將1.5m厚土體荷載按照27kPa均布荷載等效考慮，均布荷載布置在拉森鋼板樁以外的表面節(jié)點上，土層物理力學參數(shù)如表3所示。

表3 土層物理力學參數(shù)

數(shù)值計算結果表明，沉井刃腳下沉至設計標高時，沉井周邊地表沉降在15.1～16.5mm，井底土體發(fā)生較大隆起，最大隆起量為62.1mm。

為了監(jiān)控沉井對鄰建建(構)筑物的影響，現(xiàn)場布置了若干監(jiān)測點，并選取了其中4個沉降監(jiān)測點與數(shù)值模擬結果進行對比。刃腳下沉就位時，監(jiān)測點沉降量如表4所示。

表4 各沉降監(jiān)測點沉降量

監(jiān)測點沉降量的數(shù)值模擬結果與實際測量進行對比，如圖3所示。

圖3 地表沉降模擬值與實測值對比

從圖3可以看出，各監(jiān)測點沉降量的模擬值與實測值吻合比較好，沉降量隨距離的變化規(guī)律也基本一致，測點沉降的模擬值與實測值的最大偏差為3.4mm,基本反映了沉井就位時地表沉降的規(guī)律。

整個沉井施工過程中廟內(nèi)4個監(jiān)測點的沉降規(guī)律如圖4所示。

圖4 各監(jiān)測點沉降變化曲線

井筒下沉至設計標高時，井壁及大梁的結構應力計算結果如圖5所示。圖5表明，筒型井壁結構受力均勻合理，適用于深度較大的豎井。沉井下沉至設計標高時，結構最大應力發(fā)生在靠近井壁結構的十字大梁上，進行結構設計時，應加強對該部位的受力分析，并予以適當加強。

圖5 井筒結構應力計算結果

5 結語

1)沉井出現(xiàn)較大的不均勻下沉時，且分倉取土調整沉井姿態(tài)效果不明顯的情況下，通過降低沉井單側側阻力與加大對立側抗滑力的方式可以有效調整沉井姿態(tài)。

2)數(shù)值計算結果與沉降監(jiān)測點的實際監(jiān)測值吻合良好，能夠反映出沉井下沉至設計標高時地表及土層的變形情況，井底土體最大隆起量為62.1mm，但對封底混凝土的鍋形空間影響不明顯，可以正常進行水下封底作業(yè)。

3)井筒結構最大主應力發(fā)生臨近井壁的大梁端部截面，設計時應對該部位進行適當加強。