李 涛

(福州市水务投资发展有限公司总工程师办公室(技术中心) 福建福州 350001)

0 引言

随着我国经济的高速增长，城市基础设施建设日趋完善，沉井在市政管网建设中的应用十分频繁。沉井下沉施工是修筑深基础和地下构筑物的施工方法之一，在地下建筑工程施工时得到广泛运用。目前，沉井下沉有排水下沉和不排水下沉两种方法。因闽江江北中心城区内河综合整治工程—东西河等13条内河10标段安泰河西段通湖路至白马河雨水管道工程中涉及提升泵井下沉深，故采用排水下沉和不排水下沉相结合的下沉方法。基于此，文章拟详细介绍沉井下沉中两种施工工艺转换节点及采取的工程措施，同时，阐述了下沉过程的控制措施、采用的设备及施工中出现因地质扰动造成沉井外侧地面塌陷的处理方法等，希冀其成功经验能为其他大型沉井下沉施工提供参考。

1 工程概况

闽江江北中心城区内河综合整治工程—东西河等13条内河10标段安泰河西段通湖路至白马河雨水管道工程，为避免位于5A级景区内的安泰河西段沿线雨水直排影响其水质而新建设的长度为1.2km的雨水管道，末端提升泵井为大型取水构筑物，钢筋混凝土矩形筒壁结构，提升泵井基础总深为14m,刀脚底标高-7.7m，底板面标高-5.0 m，顶板标高6.30m，井体平面形状为矩形，尺寸18m×12m，壁厚下节1.2m,上节1m，沉井总重量约3000t。

沉井平面位置图如图1所示。

图1 沉井平面位置图

2 沉井地质情况

原始地面平均标高约罗零7.3m，沉井四面地基土质均有差别，从上之下大致可分为：

①杂填土②淤泥质土③粘土④淤泥⑤残积砂质粘性土⑥砂土状强风化岩⑦全风化岩。

沉井四面地质情况不同：沉井北侧和西侧处在⑤残积砂质粘性土和③粘土之间；南侧处在③粘土和④淤泥之间；东侧处在③粘土④淤泥⑤残积砂质粘性土之间。

场地临近白马河，地下水主要为白马河水的渗透以及赋存于淤泥中的潜水，地下水稳定水位埋深为2.2m(约罗零4.5m)。

3 施工工艺选择

为了使沉井下沉较为顺利，通过对沉井施工图纸、地质资料的分析，并结合沉井外形、重量、下沉深度、水文地质条件等进行计算。

(1)沉井下沉系数的验算如下：

K=(Q-B)/(T+R)；

式中：K——下沉安全系数，一般应在1.15～1.25之间；

Q——沉井自重及附加荷载(kN)；

B——被井壁排出的水量(kN)，如采取排水下沉法时，B=0；

T——沉井与土间的摩阻力(kN)，T=L(H-2.5)·f；

L——沉井周长(m)；

H——沉井高(m)；

f——井壁与土间的摩阻系数(KPa)，由地质资料提供；

R——刃脚反力(kN)。

(2)施工中抗浮稳定验算

Kw=Q+0.5T/P

P——沉井承受的水浮力；

Kw——抗浮安全系数，一般取≥1.1；

经验算，抗浮稳定满足要求。

(3)计算枕木用量

N=GO/A[P]

N——每米内垫木的根数；

GO——第一节沉井的单位重量(kN)；(约10 000kN)

A——每根垫木与砂垫层的接触面积(m2)；(取0.5m2)

[P]——砂垫层的承载力设计值(kN/m2)；(取4300kN/m2)

经计算，初步拟定下沉方案：始沉，杂填沉、粘土层、淤泥层土，深为6m左右，工艺采用结合安装在沉井东西两侧的固定抓斗以及配有抓斗的长臂吊车进行排水下沉。该几层穿越后，由于地下水丰富，沉井外有影响，即停止排水下沉，向井内加水，水位保持高于地下水位1m左右，工艺采用不排水潜水员冲吸泥下沉到位。

沉井全高14m，分4节制作、两次下沉，下沉采用排水与不排水下沉相结合。第一节制作高度为3.3m；第二节制作高度为4.6m；第三节制作高度为3.6m；第四节制作高度为2.5m。

沉井第一节、第二节制作完后，待刃脚强度达100%后进行第一次下沉；第三节、第四节制作完成后，强度达100%再进行第二次下沉。

4 施工工艺介绍

(1)排水下沉工艺，使用固定抓斗以及配有抓斗的长臂吊车进行施工，固定抓斗满斗体积为0.5m3，长臂吊车配的抓斗满斗体积为1m3，3台设备同时从沉井东、西、中3个位置开挖，将土体挖至场地内的堆土区，从而使沉井逐步下沉到位。

设备操作员每天工作9h，有效工时90%，固定抓斗工作效率5min一斗、长臂吊车6min一斗。每天出土：2台固定爪斗×0.5m3×(9h×60min×90%÷5min)+1m3×(9h×60min×90%÷6min)=178.2m3。沉井断面：18×12×1.05=226.8m3,每天可下沉178.2÷226.8=0.78m,下沉7.5m约10d。

在下沉过程，每小时观察沉井动态。在沉井外部地面及井壁顶部四面设置纵横十字中心控制线、水准基点，以控制沉井位置。在井外壁上四面用油漆画出标尺，在沉井两侧搭设两个观测棚用2台水准仪固定同时观测沉降并记录，用数据指导下沉，遇到倾斜及时纠偏。

(2)不排水下沉工艺，采用导管式潜水泥浆泵调节泥浆泵在沉井中水下深度，利用泥浆泵特质的导管吸头以自身的重力将土体破碎与水混合成一定浓度的泥浆，然后由潜水泥浆泵经由输泥管排出沉井送至泥浆池。导管式潜水泥浆泵通过吊车控制，以水平和垂直方向相结合移动泥浆泵到指定位置，使沉井均匀，对称下沉。

由于地下水随着第二次下沉深度增加而增大等状况不能满足水力冲吸泥下沉时，改为不排水下沉，即向井内注水(注水设备始沉前已安装到位)，置换安装4组导管式潜水泥浆泵设备。由于不排水下沉吸泥耗水量大，及时补水保持内外水位平衡，保证不发生井底返砂。

不排水潜水员冲吸泥机组流量140m3/h，按照泥浆浓度2%，有效工作时80%，工作效率80%，每天出土：4台×140m3/台×24×80%×80%×2%=172.2m3，沉井断面：18×12×1.05=226.8m3,每天可下沉172.2÷226.8=0.76m,下沉到位6.5m约9d。

5 出现地质扰动时处理方案

该沉井在进行第二次不排水下沉施工，沉井下沉至12m时，沉井北侧(靠道山西路桥侧)壁外地面发生坍塌，整个井体往北侧倾斜，高差至400mm，沉井无法继续下沉。若继续采用增加吸泥泵的不排水下沉法，将导致吸走多少、外面就塌多少，沉井北侧10m左右就道山西路桥桥台，继续下沉坍塌会影响桥台。现场照片如图2所示。

图2 下沉坍塌现场照片

经过专家咨询会，专家认为该情况是由于该沉井位置地质情况复杂，且靠近河道，在之前的下沉过程中沉井北侧地下土质发生扰动造成。基此，专家建议采用冲孔桩结合高压旋喷桩或简易工法桩进行支护：在沉井北侧和东西两侧的一半打梅花桩巩固土体配合双排高压旋喷桩以及冠梁，待桩达到要求强度再继续下沉。

设计支护方案平面图如图3所示。

图3 设计支护方案平面图

6 重新下沉

加固措施完成后开始进行下沉。此次下沉采用排水下沉法，沉井分两部分取土，如图4所示，把井内分割成两个三角形，先在三角形Ⅰ的A角往B、C方向取土。由于取土过程可能会下沉，待稳定后继续挖至刃脚一下，再挖三角形Ⅱ，慢慢纠偏。

图4 加固措施示意图

沉井挖土下沉采用机械配合人工挖土，一台25t汽车吊运出土。由于挖土施工困难，综合考虑挖土、吊运的施工能力，研究沉井下沉的安全控制，沉井下沉速度控制为1m/24h。在坑边堆放弃土、材料和移动施工机械时，与坑边保持一定距离，距坑边3m以外，堆放高度不超过1.5m。

沉井下沉中，如遇到砂砾石或硬土层，当土垅削至刃脚，沉井仍不下沉或下沉不平稳，则按平面布置分段的次序，逐段对称地将刃脚下掏空，并挖出刃脚外壁10cm；每段挖完后，用小卵石填满夯实，待全部掏空回填后，再分层刷掉回填的小卵石，使沉井因均匀减少承压面而平衡下沉。

在沉井开始下沉和将沉至设计标高1.0m以上时，适当减少下沉速度，刃脚下慎重掏土，防止突沉或超沉事故。周边开挖深度小于10cm，避免发生倾斜，尤其在开始下沉5m以内时，其平面位置与垂直度要特别注意保持正确，预防继续下沉不易调整；在离设计深度20cm左右停止取土，依靠自重下沉至设计标高。

下沉观测：沉井位置的控制是在井外地面设置纵横十字控制桩、水准基点。下沉时，在井壁上设十字控制线，并在四侧设水平点。井壁外侧用红铅油画出标尺，以测沉降。即在井内壁四边标出垂直轴线，各吊垂球一个，对准下部标志板来控制，并定时用两台经纬仪进行垂直偏差观测井内中心线与垂直度。挖土时随时观测垂直度，当垂球离墨线边达50mm或四面标高不一致时，立即纠正，沉井下沉过程，每班至少观测两次，并在每次下沉后进行检查，做好记录。当发现倾斜、位移、扭转时，及时通知值班班长，指挥操作工人纠正，使允许偏差范围控制在允许范围以内。沉井在下沉过程，最大沉降差均控制在250mm以内。当沉至离设计标高2m时，加强观测下沉与挖土情况，以防超沉。下沉完成后照片如图5所示。

图5 沉井下沉到位现场图

7 沉井纠偏

对现场沉井采用偏心压重纠偏

其纠偏方法为，当沉井倾斜时，在较高一侧加偏心压重，同时在较高一侧多挖土，使沉井逐渐下沉恢复水平后，再进行均匀挖土，使沉井顺利下沉，纠偏过程如图6所示。

图6 纠偏过程示意图

8 下沉到位、封底

当沉井沉到设计标高，经2～3d ，下沉已稳定，在8h内累计<10mm时，进行沉井封底。沉井对封底质量要求严格，不允许出现渗漏，再者涌水量不大，井底土质较密实，采取排水封底方案。

①集水：沉井到位后进行土形整理，使之呈锅底形，自刃脚向中心挖放射形排水沟，填以石子做成滤水暗沟；在中部设2个集水坑， 井深1m～2m ，采用石块堆放长宽约0.6m～0.8m或四周取孔的直径约0.6m～0.8m钢套管。

②排水：将2根带有单向底阀的自吸泵水管(PVC管)预埋进集水井内，并接至井壁底板以上50cm预装上法兰，以便安装自吸泵；然后，在集水井四周填以卵石，使井中的水都汇集到集水井中，用自吸泵排出，使地下水位保持低于井底面30cm～50cm。

③浇注：当沉井下沉至设计标高后，为保护基底土质不被扰动破坏、便于下道工序施工，立即进行封底施工。井底封底为C20素砼厚度1500mm，浇筑过程预留φ8拉接筋，按400方格网布置，分别接入封底素砼与钢筋混凝土底板各40d。素砼浇筑完，接着浇筑沉井C35P8底板钢筋混凝土800厚。浇筑前先凿毛槽口，清除封底砼表面残渣，并冲冼干净，使砼连接紧密。沉井底板浇筑完成后，再后浇筑C20素砼800厚。浇筑在整个沉井面积上分层由四周向中央进行，每层厚 30cm～40cm ，并捣固密实。

④封堵：混凝土养护14d 期间，在封底的集水井中不间断地抽水，待底板混凝土达到70%设计强度后，再对集水井逐个停止抽水，逐个进行封堵。方法是关闭法兰再拆除自吸泵，等顶管及井内施工完毕后，切除该管，并立即向管内灌入防水堵漏混凝土捣实，以确保不会漏水，最后再浇注0.3m厚的C15垫层平整底板。

9 结语

本文以江北中心城区内河综合整治工程—东西河等13条内河10标段安泰河西段通湖路至白马河雨水管道工程中某大型沉井施工工程为例，全面介绍了大型沉井下沉工艺选择、地质扰动影响排除方法及工程控制措施。主要经验如下：

(1)对于下沉深度较深的大型沉井，应根据施工实际工况，灵活转换使用排水下沉与不排水下沉工艺。因排水下沉速度快，不排水下沉速度慢，为有效控制工程施工成本，应尽量增加排水下沉量，减少不排水下沉量。

(2)沉井下沉期间要不间断观测，用测量数据来指导施工，严格控制4个方向的刃脚高差，以防止产生较大的位移。

(3)涉及位于河道边缘以及地质情况较为复杂的下沉环境时，应分别从设计及施工角度制定防范措施，保守设计及施工，避免出现不可预测的地质扰动等情况。

(4)出现地质扰动造成沉井无法继续下沉的情况，应结合实际选用合适的支护措施对土体进行加固，待土体达到要求强度后方可继续下沉。