長江一級階地沉井設(shè)計與施工的若干探討

劉金鵬，曾麗萍

（武漢市政工程設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430023）

0 引言

2019 年，為解決武漢市電力供需矛盾，支撐城市快速高質(zhì)量發(fā)展，武漢市政府提出建設(shè)“世界一流城市電網(wǎng)”的部署要求。一流城市電網(wǎng)建設(shè)任務(wù)包括建設(shè)變電站及電纜通道。電纜通道分布于城區(qū)現(xiàn)狀道路下方，限于工程造價、工期、管線遷改及交通壓力等因素，考慮沉井具有整體性強(qiáng)、剛度大、穩(wěn)定性高等優(yōu)點，電纜通道土建工程多數(shù)采用鋼筋混凝土沉井[1]+頂管的施工工藝。

一流城市電網(wǎng)電纜通道的沉井需要同時滿足頂管始發(fā)井、接收井及電纜井工藝需求，沉井平面內(nèi)凈尺寸多數(shù)為10 m×7 m，沉井刃腳底距離現(xiàn)狀路面高度為10～30 m 不等。

根據(jù)距離長江遠(yuǎn)近、周邊建構(gòu)筑物及管線分布、工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，沉井按照下沉方式分為不排水法和排水法下沉。不排水法下沉沉井根據(jù)抗突涌計算結(jié)果分別考慮了深井降水和加固封底兩種措施；排水法下沉沉井根據(jù)沉井穿越土層的滲透系數(shù)、固結(jié)程度等分別考慮了四周設(shè)置止水帷幕和不設(shè)置止水帷幕兩種措施。

本文探討的沉井均分布于長江一級階地，其地層的典型特點是覆蓋層從上到下的土層結(jié)構(gòu)：表層為厚度變化不一的松散人工填土；上部為軟～流塑狀淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、可塑狀一般的黏性土及互層土；中部為稍密～中密～密實的砂土層，部分地段的基巖上部分布有密實的粉細(xì)砂混礫卵石層；下伏基巖為白堊-古近系（K-E）泥巖、砂礫巖、中細(xì)砂巖及志留系（S）泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、含鈣泥質(zhì)粉砂巖[2]。

圖1 為一流城市電網(wǎng)電纜通道的某沉井符合典型特點的地質(zhì)剖面圖。

圖1 某沉井地質(zhì)剖面示意圖

1 勘察設(shè)計

1.1 勘察與測量

根據(jù)建設(shè)一流城市電網(wǎng)電纜通道沉井的經(jīng)驗可知，武漢地區(qū)的長江一級階地沉井工法成功的關(guān)鍵在于對地下水位的合理降排和對既有障礙物的避讓。

設(shè)計前需按現(xiàn)行規(guī)范在擬建場地范圍內(nèi)布孔并進(jìn)行詳勘工作，地質(zhì)勘探鉆孔深度不得小于沉井刃腳設(shè)計高程以下5 m[3]?？辈彀槊鲾M建場地地層、巖性、巖土特征、地下水以及不良地質(zhì)作用等工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，查明地下水類型、埋藏條件、補(bǔ)給來源和排泄條件、地下水動態(tài)變化及其與地表水的聯(lián)系、水質(zhì)、流速、流向，查明孔隙承壓水的水頭高度及其動態(tài)和周期變化規(guī)律，為設(shè)計提供依據(jù)。

施工前對沿線地下與地上管線、周邊建（構(gòu)）筑物、障礙物及其他設(shè)施的詳細(xì)資料進(jìn)行核實確認(rèn)，可采用坑探、物探、測量等各種方法對周邊環(huán)境的風(fēng)險源進(jìn)行核查，并查清其分布范圍、現(xiàn)狀高程、距離、埋深、特性及相關(guān)基礎(chǔ)資料等具體信息。

1.2 基坑設(shè)計比選

設(shè)計方案應(yīng)綜合考慮安全性和經(jīng)濟(jì)性。對于在武漢地區(qū)的長江一級階地開挖深度10～30 m 的基坑，較為常見的開挖方式一般包括2 種：其一是支護(hù)開挖，支擋常見為灌注樁配合高噴樁或攪拌樁咬合止水樁、地下連續(xù)墻、工法樁3 種，根據(jù)水文地質(zhì)條件考慮深井降水或加固封底；其二為沉井開挖，常用工法為預(yù)制沉井配合深井降水+止水帷幕，止水帷幕常見的為單軸、雙軸、三軸水泥土攪拌樁帷幕，高噴樁帷幕，注漿帷幕及素混凝土墻帷幕，攪拌樁和高噴樁在武漢長江一級階地運用較廣泛，為本文所重點討論。從工程造價上對比，因為沉井可兼作永久工藝井結(jié)構(gòu)，初步估算支護(hù)開挖費用高于沉井約2 倍。設(shè)計應(yīng)在前期進(jìn)行方案比選，建議如下：

（1）對于需要設(shè)置帷幕及深井降水的場地，且側(cè)壁分布有較厚砂層或互層土?xí)r，應(yīng)進(jìn)行支護(hù)開挖與沉井方案比選，推薦支護(hù)開挖；

（2）對于需要設(shè)置帷幕及深井降水的場地，但側(cè)壁沒有分布較厚砂層或互層土?xí)r，應(yīng)進(jìn)行支護(hù)開挖與沉井方案比選，周邊環(huán)境復(fù)雜，推薦支護(hù)開挖，周邊環(huán)境簡單，可采用沉井；

（3）需要設(shè)置帷幕，但不需要深井降水的場地，應(yīng)進(jìn)行支護(hù)開挖與沉井方案比選，周邊環(huán)境復(fù)雜，推薦支護(hù)開挖，周邊環(huán)境簡單，可采用沉井；

（4）不需要設(shè)置帷幕，也不需要深井降水的場地，優(yōu)先考慮沉井，局部存在建構(gòu)筑物或管線時，可局部采取保護(hù)措施。

1.3 沉井設(shè)計

1.3.1 止水帷幕設(shè)計

進(jìn)行沉井設(shè)計時，沉井井深范圍內(nèi)地層若為淤泥、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土夾粉土、粉砂、砂層等軟弱土層或互層土，則應(yīng)設(shè)置止水帷幕。沉井在下沉過程中，連續(xù)開挖吸泥取土，當(dāng)發(fā)生井底土體開挖不均勻、局部過挖甚至出現(xiàn)空洞等情況下，刃腳外壁土體擾動，無止水帷幕的加固極易出現(xiàn)局部涌水、涌土、涌砂現(xiàn)象。

根據(jù)建設(shè)一流城市電網(wǎng)電纜通道的沉井工程經(jīng)驗，建議止水帷幕優(yōu)先選用三軸水泥土攪拌樁。當(dāng)現(xiàn)場沒有條件實施三軸水泥土攪拌樁時，可考慮如下方案：（1）止水帷幕深度h＜10 m 且穿越土層無砂層時，可考慮使用單軸水泥土攪拌樁；（2）止水帷幕深度h＞10 m 或穿越土層有砂層時，可考慮選用雙管旋噴樁。為保證沉井順利下沉，根據(jù)工程經(jīng)驗及《給水排水構(gòu)筑物工程施工及驗收規(guī)范》（GB 50141—2008）[3]建議：井深為10～30 m 的沉井，止水帷幕與沉井外側(cè)井壁的間距應(yīng)為：三軸水泥土攪拌樁建議取400 mm，高壓旋噴樁建議取500 mm。止水帷幕與沉井外側(cè)井壁之間在下沉過程中應(yīng)需要填砂，防止止水帷幕與沉井側(cè)壁之間出現(xiàn)空腔，以免帷幕受剪破壞，連帶帷幕外側(cè)土體或帷幕內(nèi)側(cè)土體坍落，抱死沉井形成“土塞效應(yīng)”[4]，造成沉井下沉?xí)r阻力過大乃至無法下沉。

沉井下沉?xí)r沉井周邊土體會出現(xiàn)應(yīng)力并重新分布，造成井體周邊土體發(fā)生變形、位移，進(jìn)而引起地表沉陷與土層位移[5]。在長江一級階地區(qū)域內(nèi)的沉井施工中，這種效應(yīng)愈加明顯。若設(shè)計時考慮采取止水帷幕措施，帷幕的保護(hù)隔離作用會使得在沉井下沉過程中，沉井周邊地表沉陷與土層位移的問題得到明顯改善。

1.3.2 降水設(shè)計

對于長江一級階地沉井刃腳進(jìn)入砂性土的工況，武漢地區(qū)的工程經(jīng)驗[6-8]證明，加固封底后基坑底部地基的透水性仍然非常大。為防止沉井基底地基滲透破壞、增加基坑的穩(wěn)定性，使用深井降低地下水位、減少基坑內(nèi)外水頭差是有效且經(jīng)濟(jì)的措施。

一流城市電網(wǎng)電纜通道的沉井在有承壓水時，應(yīng)考慮止水帷幕+降水井的雙重措施。設(shè)置止水帷幕可大大減小降水引起沉井周圍土體總沉降和不均勻沉降的程度，并且隨著止水帷幕深度的增加，沉井周圍地表總沉降和不均勻沉降的程度都會減小[9]。但應(yīng)注意，降水井為動態(tài)設(shè)計，應(yīng)確保現(xiàn)場可根據(jù)降水試驗增加深井的數(shù)量或調(diào)整深井井深等。在降水深度未達(dá)到設(shè)計要求時不允許繼續(xù)開挖。

1.3.3 降水+封底設(shè)計

根據(jù)建設(shè)一流城市電網(wǎng)電纜通道的沉井的施工現(xiàn)場反饋，在武漢地區(qū)的長江一級階地，因為實際施工過程中止水帷幕+深井降水的方案很難達(dá)到設(shè)計要求，導(dǎo)致開挖過程中井內(nèi)帶水挖土下沉，多個沉井均出現(xiàn)井外砂土隨著地下水滲漏入井內(nèi)的情況，進(jìn)而引起了井周邊不同程度的地面沉降。所以建議類似設(shè)計中可適當(dāng)考慮加固封底，作為控制沉井開挖下沉?xí)r抗突涌穩(wěn)定性和減小對周邊建構(gòu)筑物影響的儲備安全措施。比較典型的案例為一流城市電網(wǎng)電纜通道的某圓形沉井，內(nèi)徑為10 m，井深為16 m，沉井外圍采用兩排三軸水泥土攪拌樁止水帷幕+5 m 厚三軸水泥土攪拌樁封底，并在井外設(shè)置了3 口25 m深降水井，其剖面示意圖見圖2。

圖2 某沉井剖面示意圖（單位：mm）

實際施工過程中，三軸攪拌樁封底處雖出現(xiàn)滲漏情況，與武漢地區(qū)的工程經(jīng)驗[6-8]一致，但是沉井周邊地面無明顯沉降；對比其它類似地層及大小沉井，當(dāng)未考慮封底措施時，均出現(xiàn)了沉井周邊地面不同程度的沉降。

綜合對比后可以認(rèn)為，加固封底可適當(dāng)阻止砂土及軟弱土流入井內(nèi)。在工程造價允許的情況下，可作為減小沉井周邊地面沉降程度的安全儲備措施加以考慮。

2 施工

2.1 下沉方式比選

沉井下沉方式分為排水法下沉和不排水法下沉，應(yīng)根據(jù)沉井下沉穿過的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件、下沉深度、周圍環(huán)境等情況綜合進(jìn)行確定[3]。一流城市電網(wǎng)電纜通道工程沉井深度范圍內(nèi)存在粉土、砂土等強(qiáng)透水層，但透水層不與河道直通，故多采用排水法下沉[10]。

2.2 止水帷幕施工

止水帷幕施工前必須進(jìn)行試樁，并根據(jù)地層類型進(jìn)行摻入量的強(qiáng)度及其他施工參數(shù)的對比試驗，以確定施工工藝及各項施工參數(shù)，確保加固效果。采用雙管單動取樣器鉆取芯樣進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗和標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗檢測樁身強(qiáng)度和均勻性檢測；同時打設(shè)水平探孔檢測加固體的完整性、均勻性及止水效果。

若實際施工的止水帷幕未達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度及抗?jié)B要求，則在沉井下沉過程中，井內(nèi)易出現(xiàn)滲水、流砂土現(xiàn)象，進(jìn)而引起沉井周邊出現(xiàn)不同程度的沉降，甚至有可能出現(xiàn)塌空現(xiàn)象，對周邊構(gòu)筑物及道路影響極大。因此，止水帷幕是否成功是沉井施工成敗的一個關(guān)鍵因素。

2.3 降水施工

沉井下沉過程中應(yīng)進(jìn)行連續(xù)深井降水，保證觀察井水水位使之位于開挖面以下1 m，保證沉井井內(nèi)地層水得以疏干，不應(yīng)帶水挖土，以免引起水土流失，導(dǎo)致沉井周邊地面沉降。實際的沉井下沉開挖過程中，限于工期的壓力、存在僥幸心理的施工單位在未能降水至設(shè)計標(biāo)高的情況下便急于開挖下沉，導(dǎo)致開挖施工過程中出現(xiàn)坑底翻砂、冒水或隆起的情況，臨時又補(bǔ)打深井，既耽誤了工期，又對周邊造成了不利影響。因此在降水施工實施過程中，必須先施工具有代表性的單井，并進(jìn)行試驗性抽水。降水是否成功是沉井施工成敗的另一個關(guān)鍵因素。

2.4 下沉及封底施工

挖土應(yīng)分層、均勻、對稱地進(jìn)行，應(yīng)盡可能只開挖沉井中部土體，靠沉井刃腳切削刃腳部分土體下沉，減小對沉井周邊土體的擾動，以控制周邊土體沉降的程度。沉井下沉工程中較容易出現(xiàn)因為施工時挖土不均勻、局部超挖、止水帷幕施工不精準(zhǔn)導(dǎo)致侵入刃腳下部等原因引起沉井無法下沉，因此需要預(yù)先考慮助沉措施。助沉方法的原理為增大沉井下沉動力或減小沉井下沉阻力。增大沉井下沉動力主要包含在頂部增加配重或通過反力架施加向下壓力；減小沉井下沉阻力主要包括向側(cè)壁均勻灌入黃砂，采用自滲入、管路強(qiáng)制壓入補(bǔ)給觸變泥漿或空氣幕助沉。對于止水帷幕局部侵入刃腳的這種特殊情況，在保證止水帷幕止水效果的前提下，可考慮采用鋼板樁插孔、旋挖鉆孔、小挖機(jī)井內(nèi)破鑿等措施破除侵入刃腳的止水帷幕，以輔助下沉。

沉井施工過程中，因為未知因素引起周邊地面沉降或構(gòu)筑物變形、破損時應(yīng)立即停止沉井下沉，可在井內(nèi)反灌清水反壓，以防止井外砂土進(jìn)一步涌入井內(nèi)，然后分析原因，進(jìn)行方案調(diào)整。

沉井無法按照設(shè)計要求繼續(xù)下沉，應(yīng)根據(jù)施工情況分析原因。沉井下沉到位后，井內(nèi)若仍有2～3 m積水無法通過深井降水疏干，切不可直接用水泵明抽，可考慮使用帶濾料的泵抽或與設(shè)計者協(xié)商。在井外進(jìn)行連續(xù)深井降水前提下，應(yīng)對沉井進(jìn)行水下封底。

在長江一級階地區(qū)域內(nèi)，施工階段建議嚴(yán)格按照設(shè)計及規(guī)范[3]指導(dǎo)進(jìn)行施工，嚴(yán)格控制施工質(zhì)量，遇到突發(fā)情況應(yīng)及時搶險、分析、補(bǔ)救，不可蠻干，切勿自作主張。

3 結(jié)論

（1）對長江一級階地沉井的勘察應(yīng)尤其注意水文地質(zhì)條件，設(shè)計方案應(yīng)綜合考慮周邊環(huán)境、工程地質(zhì)及水文地質(zhì)等因素。

（2）在長江一級階地區(qū)域內(nèi)，實施勘察設(shè)計階段建議：1 倍井深范圍內(nèi)有房屋、高壓鐵塔、地鐵、鐵路、主干雨污管道、燃?xì)狻崃Φ戎匾?gòu)筑物或市政管網(wǎng)的頂管井，應(yīng)慎用沉井，若設(shè)計為沉井，宜考慮采用深井降水+止水帷幕+封底措施，封底措施僅為施工過程中止水帷幕和深井降水未達(dá)到設(shè)計要求時的安全儲備。

（3）長江一級階地沉井施工時應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計要求，尤其應(yīng)注意深井降水和止水帷幕的施工質(zhì)量。