張迪勝

（中國(guó)水利水電第八工程局有限公司，湖南長(zhǎng)沙 410002）

0 引言

針對(duì)沉井施工項(xiàng)目而言，保障其周圍土體的穩(wěn)定較重要，施工人員應(yīng)全面探究該項(xiàng)目的建設(shè)過程，找出影響其土體塌裂的要素，從而提高城市沉井施工的建設(shè)水平。

1 城市沉井施工土體塌裂實(shí)例

為探究城市沉井施工周圍土體塌裂的原因與解決方案，研究人員以某沉井施工項(xiàng)目為例，全面分析其周圍土體塌裂的狀態(tài)。該工程項(xiàng)目屬某污水處理廠的干線工程，其服務(wù)的范圍較廣，內(nèi)部管道距離中心干道的距離為27m 左右，在其沿線的周圍有水廠，設(shè)計(jì)管線與輸水管線出平行敷設(shè)的狀態(tài)，在其干管的5～8m處有建筑物、架空電纜、煤氣管道與地下光纜等。

該工程項(xiàng)目的主要的施工工藝為機(jī)械頂管法，其內(nèi)部的工作井屬沉井結(jié)構(gòu)，其主要的施工原理為在地面制作一個(gè)具有深度的井狀結(jié)構(gòu)，通過不斷挖土來增加該結(jié)構(gòu)的下沉性，施工人員在根據(jù)此前的標(biāo)高設(shè)計(jì)完成封底工作，使其形成一個(gè)地下建筑物。沉井施工的占地面積較小，在進(jìn)行挖置的過程中無(wú)須板樁圍護(hù)，不僅操作簡(jiǎn)單，而且只需要較少的挖土量，在完成施工后其整體構(gòu)造如圖1 所示。

圖1 沉井施工造型

2 沉井施工中土體塌裂的主要原因

在進(jìn)行沉井施工時(shí)，由于該項(xiàng)目周圍的土體會(huì)遭到破壞，出現(xiàn)了不同程度的塌裂尺寸，降低該城市沉井的穩(wěn)定性。同時(shí)，沉井還會(huì)引發(fā)土體流失，給周圍建筑物安全造成不同程度的隱患，因此，應(yīng)找到引發(fā)該現(xiàn)象的原因。

2.1 下沉摩擦力

沉井在下沉過程中，其內(nèi)部的粘接力或摩擦力會(huì)影響周圍土體穩(wěn)定，使其內(nèi)部的抗剪強(qiáng)度小于剪應(yīng)力，從而破壞了周圍土體，引發(fā)地面塌陷。通常來講，受地面內(nèi)部作用力影響，相比井深，其塌陷面多為其1.5 倍，也就是說，在該階段施工人員應(yīng)采用合理性措施來保護(hù)建筑物與其周遭管線。

2.2 下沉高度

下沉高度也會(huì)引發(fā)沉井施工內(nèi)部的土體塌裂問題，通常來講，城市工程項(xiàng)目?jī)?nèi)部的地下管線較多，多種管網(wǎng)或電力線路都處在地下，其距離地面大約為2.5m，該污水處理廠的地下深度已達(dá)地下5m，其污水深埋的深度更深，接近地下10m 左右。由于沉井施工的平面尺寸較大，若井的高度與地面高度接近則會(huì)給管線敷設(shè)帶去較大影響，部分管線難以進(jìn)行正常敷設(shè)，依照常規(guī)設(shè)計(jì)來說，通常井的頂部高度在地下2.5m 處。當(dāng)沉井施工的下沉高度設(shè)計(jì)不佳，會(huì)影響地面內(nèi)部拉力的穩(wěn)定性，在改變其穩(wěn)定系數(shù)后，沉井周圍土體會(huì)出現(xiàn)塌裂、偏移等問題。

2.3 下沉管涌

城市沉井在下沉期間，借助其內(nèi)部土體可放出該土體原有的自重應(yīng)力，該類土體因失去平衡性而出現(xiàn)移動(dòng)。具體來說，當(dāng)砂性土層進(jìn)行排水下沉期間，若井點(diǎn)失效或降水的深度不夠，其在動(dòng)水壓力的影響下會(huì)出現(xiàn)流沙，繼而引發(fā)其周遭土體的水平位移。當(dāng)沉井下沉的形式為不排水式，與沉井外部的水相比，井內(nèi)水的標(biāo)高有所減低，因動(dòng)水壓力較大，會(huì)出現(xiàn)井底涌砂現(xiàn)象，引起土體位移與地面沉陷[1]。

3 優(yōu)化城市沉井施工中土體塌裂問題的有效控制措施

3.1 改進(jìn)沉井土體內(nèi)部摩擦力

針對(duì)沉井內(nèi)部的摩擦力，施工人員可將下沉過程中的井填滿，其主要材料可使用粗砂，該材料能切實(shí)降低周圍土體與沉井的摩擦力，有效縮減其斷裂范圍。粗砂帶有兩種特性，即流動(dòng)性與剛度，若砂礫較干凈，其內(nèi)聚力為零，且其內(nèi)部的無(wú)限側(cè)抗壓強(qiáng)度較大，因此，可真正填補(bǔ)基坑空隙。

同時(shí)，城市沉井在下沉期間，其井壁外部會(huì)預(yù)留些許孔隙，引發(fā)周圍土體的流動(dòng)，若施工人員使用粗砂可借助該材料內(nèi)部的流動(dòng)性來填滿孔隙，使其沉井在下沉的過程中還應(yīng)保證位置的穩(wěn)定性，避免其出現(xiàn)沒必要的偏移。此外，地基土帶有超固結(jié)性質(zhì)，在運(yùn)用傳統(tǒng)方法計(jì)算井下沉?xí)r，會(huì)將其內(nèi)部的摩擦力看作靜摩擦力，即摩擦力的數(shù)值較大，利用填砂施工后，該摩擦力借用粗砂內(nèi)部的流動(dòng)性轉(zhuǎn)化成動(dòng)摩擦力，該數(shù)值會(huì)得到合理性控制，提升了沉井下沉的速度。在完成沉井灌砂以后，摩阻力也會(huì)出現(xiàn)不同程度的改變，一般可依照7～10kPa 來計(jì)算，與靜摩擦力的12～25kPa 相比，該數(shù)值將有效縮小[2]。

3.2 合理計(jì)算下沉高度

在計(jì)算沉井施工下沉高度前，施工人員需明確下沉井的內(nèi)部構(gòu)成，如圖2 所示，其主要包含取土孔、頂板、井壁、內(nèi)壁、入孔、凹槽、封底與刃腳等。一般來講，沉井下沉拉力與主動(dòng)土壓力會(huì)影響沉井周圍土地的內(nèi)部性質(zhì)，破壞其棱體范圍，其下沉高度的計(jì)算可運(yùn)用土坡穩(wěn)定法。

圖2 城市沉井項(xiàng)目的內(nèi)部構(gòu)成

試驗(yàn)人員需依照主動(dòng)土壓力與沉井下沉拉力來測(cè)算塌裂范圍，具體來說，L=tg（45°-φ/2）×H；L=tg（45°+φ/2）×H1，在該公式中φ 為土體內(nèi)部的摩擦角，可用°來表示；H 為沉井在土體內(nèi)部的深度；H1為沉井頂面與地面的距離，都用m 來表示。在考量上述兩種方案時(shí)，最優(yōu)方案為兩者數(shù)值中的最大值，當(dāng)沉井下沉?xí)r在其四周開展填砂活動(dòng)，可適時(shí)縮減沉井下沉?xí)r其內(nèi)部拉力，降低土體塌裂的概率，因而在沉井下沉期間需主動(dòng)控制其內(nèi)部的主動(dòng)土壓力。

具體來說，依照該L=tg（45°-φ/2）×H 而言，當(dāng)H1為0 時(shí)，其主要的塌裂范圍即為沉井的整體尺寸，針對(duì)頂管工作井內(nèi)的實(shí)際要求，在開展盾構(gòu)或頂管施工期間，要設(shè)置臨時(shí)擋板或圍護(hù)，其主要目的在于避免出現(xiàn)因井周圍的雜物或土體進(jìn)入到工作井中而引發(fā)的安全事故。對(duì)于臨時(shí)圍擋來說，與自然地面相比，其會(huì)超出500m 左右，該方式不僅耗費(fèi)巨大成本，在實(shí)際工作中也難以實(shí)施，因此，在進(jìn)行正常的沉井施工時(shí)，由于施工人員已掌握該土體的自然狀態(tài)，可同時(shí)制作沉井結(jié)構(gòu)與臨時(shí)圍擋并開展同時(shí)下沉工作，有效縮減其斷裂范圍。在工程項(xiàng)目建設(shè)結(jié)束后，為達(dá)到多種管線的布設(shè)需求可將臨時(shí)圍擋拆除，在該工程建設(shè)中，施工人員利用上述方式改變了沉井結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)其周圍建筑物的穩(wěn)定性，有效避免各式安全事故[3]。

3.3 完善沉井中的下沉管涌

為有效緩解沉井內(nèi)的下沉管涌現(xiàn)象，施工人員需科學(xué)控制其下沉速度，利用沉井速度的改變來使其快速突破砂土層。若想改善沉井的下沉速度，除了采用填砂法，還可改進(jìn)其內(nèi)部剪應(yīng)力。

具體來說，在開展沉井施工的過程中可適時(shí)增加其下沉重力或及時(shí)縮減地基、沉井間的接觸面積，在改善沉井重力時(shí)，由于施工期限的增加，會(huì)無(wú)形中增加工程建設(shè)成本，給項(xiàng)目整體造價(jià)帶去較大影響，因而在實(shí)際作業(yè)時(shí)施工人員多選用縮小沉井、地基間的接觸面積法，通過適宜手段來縮小刃腳寬度。

通常來講，普通的刃腳寬度為150～400mm 之間，受下沉剛度要求的影響，最小值為200m 左右，水平面與刃腳斜面的角度應(yīng)盡量保持在50°～60°為宜。在完成刃腳的修復(fù)后可有效改善沉井下沉的平穩(wěn)度，若降低沉井下沉的速度，由于其內(nèi)部砂土?xí)霈F(xiàn)翻砂，阻礙了項(xiàng)目施工的順利開展，生成安全隱患。當(dāng)前該工程在砂土中開展沉井施工，其刃腳已被降低到90mm，外部包裹的物質(zhì)為角鋼，切實(shí)提升了沉井的施工速度，其下沉速度為過去的3 倍，改進(jìn)施工效果，若其出現(xiàn)傾斜狀態(tài)需立即糾偏，防止施工過程中出現(xiàn)安全事故。

3.4 試驗(yàn)效果

在掌握了引發(fā)土體塌裂的原因后，施工人員對(duì)該項(xiàng)目工程進(jìn)行了針對(duì)性地改造，提升了項(xiàng)目建設(shè)的進(jìn)度與質(zhì)量。在進(jìn)行工程項(xiàng)目施工到竣工檢驗(yàn)，前后接近1.5 年的時(shí)間，通過科學(xué)測(cè)試其沒有出現(xiàn)任意安全事故。依照沉井施工理論，該工程項(xiàng)目的作業(yè)環(huán)境為砂土內(nèi)，若使用傳統(tǒng)方式將會(huì)給施工建設(shè)帶去極大難度，為提升施工效果，施工人員將沉井刃腳的寬度縮減到90mm 左右，切實(shí)保障了12m 高的沉井只用2d 就完成下沉施工，不但提升了施工速度，還避免了其他物體出現(xiàn)塌陷現(xiàn)象。

4 總結(jié)

綜上所述，在建設(shè)城市沉井施工期間，由于土體性質(zhì)受多種要素影響，當(dāng)施工方式不合理時(shí)即會(huì)引發(fā)其周圍土體塌陷，施工人員需開展針對(duì)性試驗(yàn)，改善或優(yōu)化沉井內(nèi)部的土體性質(zhì)，強(qiáng)化此類項(xiàng)目的施工過程，保障其周圍建筑物的穩(wěn)定與安全。