劉桂榮

（上海市基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司，上海 200433）

1 概述

隨著國(guó)內(nèi)各大城市建設(shè)的深入發(fā)展，市政配套如供排水、燃?xì)狻㈦娏﹄娎|管道系統(tǒng)面臨新的升級(jí)和改造，此類(lèi)工程配套的大量工作井位于中心城區(qū)交通要道或狹小的場(chǎng)地上，由于能占用的場(chǎng)地極為有限，需要開(kāi)發(fā)替代傳統(tǒng)地墻圍護(hù)的新工藝，減小工作井占地對(duì)交通及周邊環(huán)境的影響。

龍華污水廠廠外管道工程1．2 標(biāo)項(xiàng)目9 號(hào)接收井即面臨以上問(wèn)題，井位地處道路交叉口，原設(shè)計(jì)地墻圍護(hù)工藝由于場(chǎng)地問(wèn)題難以實(shí)施，需考慮其他替代方案進(jìn)行施工。而沉井壓沉工藝經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)十余年的發(fā)展升級(jí)，已成功運(yùn)用于多個(gè)復(fù)雜環(huán)境下的沉井工程，同時(shí)也積累了一定的施工經(jīng)驗(yàn)和周邊沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)［1］。上海建工基礎(chǔ)集團(tuán)作為國(guó)內(nèi)首先開(kāi)發(fā)壓入式沉井工藝的施工單位，為克服傳統(tǒng)沉井工藝對(duì)周邊環(huán)境影響大的缺點(diǎn)，結(jié)合以往成功實(shí)例，聯(lián)合設(shè)計(jì)單位進(jìn)行了多種工況下沉井壓沉工藝研究，提出沉井井體結(jié)構(gòu)與封底優(yōu)化設(shè)計(jì)，增設(shè)具有三重功能的井外隔離抗拔樁，綜合運(yùn)用多種輔助下沉工藝，改進(jìn)取土工藝并研制井下挖土專(zhuān)用設(shè)備，研發(fā)了復(fù)雜敏感環(huán)境下微擾動(dòng)壓入式薄壁沉井工藝。該工藝擬應(yīng)用于試點(diǎn)工程9 號(hào)接收井，并將在項(xiàng)目實(shí)施中作進(jìn)一步理論與實(shí)測(cè)研究，經(jīng)總結(jié)完善、優(yōu)化升級(jí)后擬在其他狹小場(chǎng)地內(nèi)的超深工作井工程中推廣應(yīng)用。

2 試點(diǎn)工程概況

試點(diǎn)工程為龍華初期雨水調(diào)蓄水工程廠外管道標(biāo)，管道路由：沿欽州北路－欽州路－定安路－南寧路至龍華污水處理廠，盾構(gòu)及頂管隧道總長(zhǎng)度約8 km，沿線共設(shè)工作井10 座。

其中9 號(hào)接收井位于欽州路南寧路丁字路口，原設(shè)計(jì)為圓形接收井，開(kāi)挖深度為25．42 m，工作井外尺寸為18．4 m；圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻，長(zhǎng)度58 m；地墻副間止水采用MJS 工藝。9 號(hào)接收井周邊環(huán)境見(jiàn)圖1。

圖1 9 號(hào)接收井周邊環(huán)境平面示意圖

但由于井位地處市政道路上，交通組織困難導(dǎo)致施工占地面積受限，無(wú)法滿足地墻施工鋼筋籠制作及吊裝作業(yè)的需求。同時(shí)經(jīng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，該地墻圍護(hù)方案還存在風(fēng)險(xiǎn)及難點(diǎn)如下：1） 鬧市區(qū)市政道路上吊裝大型鋼筋籠施工作業(yè)的安全風(fēng)險(xiǎn)高；2） 基坑開(kāi)挖期間長(zhǎng)時(shí)間降承壓水可能導(dǎo)致周邊沉降難以滿足敏感環(huán)境要求；3） 地墻接縫滲漏導(dǎo)致的深基坑開(kāi)挖風(fēng)險(xiǎn)較高；4） 鑿除洞門(mén)口地墻工藝實(shí)施盾構(gòu)機(jī)進(jìn)洞方式滲漏風(fēng)險(xiǎn)較高；5） 地墻及基坑開(kāi)挖施工周期長(zhǎng)，難以滿足該工程作為環(huán)保督查項(xiàng)目進(jìn)度需求。

綜上所述，考慮風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及進(jìn)度需求，施工場(chǎng)地臨時(shí)占用困難等實(shí)際情況，該井位難以實(shí)施地墻圍護(hù)作業(yè)，需考慮采用合理的替代方案進(jìn)行設(shè)計(jì)變更后施工9 號(hào)接收井。

3 微擾動(dòng)壓入式沉井變更方案的總體思路

建造9 號(hào)接收井的主要設(shè)計(jì)目的為滿足地下不同高程隧道盾構(gòu)機(jī)進(jìn)洞需要，鑒于接收井施工客觀存在的難點(diǎn)，以最大限度減小對(duì)周邊環(huán)境的影響為出發(fā)點(diǎn)，施工方在優(yōu)化盾構(gòu)機(jī)進(jìn)洞工藝后，提出了減小井體尺寸后施作微擾動(dòng)壓入式鋼格構(gòu)薄壁沉井作為替代方案。

微擾動(dòng)壓入式鋼格構(gòu)薄壁沉井變更方案總體思路及要點(diǎn)如下：

1） 在沉井井壁外側(cè)先行施工一圈咬合樁圍護(hù)，圍護(hù)樁與沉井平面位置關(guān)系如圖2 所示，剖面關(guān)系如圖3 所示。該圍護(hù)樁既作為壓入式沉井下壓力反力提供裝置，又兼作薄壁沉井下沉到位后抵抗浮力的抗拔樁、沉井下沉中環(huán)境隔離保護(hù)樁。

圖2 壓入式沉井及圍護(hù)樁平面布置圖

圖3 壓入式薄壁鋼混凝土復(fù)合沉井與外側(cè)咬合圍護(hù)樁示意圖

2） 沉井井壁采用整體式鋼格構(gòu)+混凝土結(jié)構(gòu)，經(jīng)計(jì)算井壁厚度初步按45 cm 考慮。

3） 沉井下沉采用壓沉工藝，利用外側(cè)圍護(hù)樁頂澆筑頂圈梁后埋設(shè)反力裝置，利用穿心千斤頂、鋼絞線、井體預(yù)留鋼牛腿進(jìn)行壓沉及糾偏； 沉井下沉井內(nèi)取土量及土塞留置量根據(jù)下沉阻力進(jìn)行調(diào)整。

4） 綜合應(yīng)用刃腳下方地基土預(yù)處理（間隔預(yù)先鉆孔回填膨潤(rùn)土） 、下壓過(guò)程中井內(nèi)外壁壓注減阻泥漿、刃腳下方超高壓射水破壞土體等輔助下沉措施，從而實(shí)現(xiàn)有效減少沉井下壓力和預(yù)留土塞高度，提高工效及減少周邊環(huán)境影響的效果。

5） 沉井刃腳下部一定厚度土體采用MJS 進(jìn)行加固，起到沉井封底后底板制作期間的基底抗隆起的作用，并經(jīng)設(shè)計(jì)核算后適當(dāng)減少水下封底混凝土厚度，提高底板制作期間的安全性。

6） 沉井下沉到位水下封底后，井壁頂部與咬合樁頂部圈梁進(jìn)行有效連接，井壁外側(cè)壓注雙液快凝漿液提高井外側(cè)摩阻力，并靜置一段時(shí)間后進(jìn)行抽水制作底板，防止沉井整體上浮。

7） 圍護(hù)樁內(nèi)外及樁體均布置位移及沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，應(yīng)用自主開(kāi)發(fā)的沉井下沉姿態(tài)控制自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)信息化指導(dǎo)壓入式沉井的精細(xì)化施工，確保沉井下沉精度滿足設(shè)計(jì)需求、周邊構(gòu)筑物與管線的位移及沉降值安全可控。

4 微擾動(dòng)壓入式薄壁沉井工藝及關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)

4．1 井外圍護(hù)樁及上部頂圈梁承臺(tái)設(shè)計(jì)

沉井外側(cè)增設(shè)咬合樁圍護(hù)，用以減小沉井施工對(duì)周邊環(huán)境影響，同時(shí)提供壓入式沉井反力來(lái)源，后期圍護(hù)樁頂圈梁與井壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效連接后可滿足薄壁鋼沉井抗浮需求。為避免盾構(gòu)進(jìn)出洞磨樁困難，在洞口外側(cè)位置咬合樁鋼筋采用纖維筋替代傳統(tǒng)鋼筋。

建立數(shù)值模型，采用Zone 單元模擬土體，另分別采用Liner 單元和Pile 單元模擬沉井和圍護(hù)樁。約束底面三個(gè)方向的位移，約束側(cè)面法線方向的位移，上表面自由。水平方向基于距沉井的遠(yuǎn)近進(jìn)行網(wǎng)格劃分，原則是遠(yuǎn)疏近密，豎直方向按1 m 厚度均勻劃分。模型自中間剖開(kāi)的剖面示意圖如圖4 所示。

圖4 數(shù)值模擬示意圖

分別取樁長(zhǎng)L=30 m，33 m，37 m，41 m，樁距d=2 m，3 m，4 m，共12 種工況進(jìn)行模擬計(jì)算，最終綜合不同圍護(hù)樁工況下環(huán)境影響和內(nèi)力響應(yīng)，分析評(píng)估得：圍護(hù)樁長(zhǎng)比沉井的深度長(zhǎng)5 m ～10 m，樁至沉井外壁凈距d=2 m ～3 m 之間為佳。同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)性和壓沉系統(tǒng)布置及施工便利性等因素，擬選取樁底標(biāo)高至沉井刃腳下方5 m 的樁長(zhǎng)及d=2 m。

4．2 薄壁沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化

4．2．1薄壁鋼混凝土復(fù)合井體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

9 號(hào)井由地墻圍護(hù)基坑變更為微擾動(dòng)壓入式沉井，并對(duì)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)洞工藝優(yōu)化，沉井內(nèi)徑縮小至10 m。由于本次沉井施工點(diǎn)位于市政道路上，傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)沉井井壁厚，下沉阻力較大，分次下沉工期較長(zhǎng)，結(jié)合工程實(shí)際擬優(yōu)化為的鋼殼薄壁沉井，鋼格構(gòu)內(nèi)填充鋼筋混凝土，井壁壁厚初步考慮450 mm，井壁剖面如圖5 所示［2］。

圖5 薄壁沉井井壁結(jié)構(gòu)剖面圖

該井壁鋼結(jié)構(gòu)如圖6 所示，內(nèi)外壁均采用30 mm 鋼板，采用縱肋板間隔，縱肋板為20 mm 鋼板，與內(nèi)外井壁鋼板焊接，同時(shí)在格構(gòu)空間內(nèi)布置鋼筋并澆筑細(xì)石混凝土。經(jīng)Midas/Civil 2017 軟件建立整體模型進(jìn)行計(jì)算，側(cè)壁面板、肋板、井壁采用板單元模擬，水土壓力采用朗肯土壓力計(jì)算，并考慮等壓荷載和偏壓荷載作用兩種不利工況，滿足規(guī)范及結(jié)構(gòu)受力及變形要求。

圖6 薄壁沉井井壁鋼結(jié)構(gòu)圖

刃腳上部每次接高2 m，上下環(huán)縫采用鋼板開(kāi)坡口焊接；根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況及運(yùn)輸條件把每節(jié)井壁分為3 塊～5 塊，縱縫也采用坡口焊接連接，并在連接處增設(shè)加強(qiáng)板做焊接加固處理。

4．2．2薄壁沉井刃腳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

沉井底部刃腳設(shè)計(jì)高度為5 m，斜踏面高度3 m，考慮盡量減小下壓過(guò)程中的阻力，刃腳底部寬度設(shè)為10 cm，上部寬度與沉井井壁同寬為45 cm，刃腳處結(jié)構(gòu)類(lèi)同井壁鋼混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)，肋板空腔內(nèi)鋼筋根據(jù)受力計(jì)算加密布置。

4．2．3薄壁沉井封底及抗浮、抗隆起設(shè)計(jì)

本工程沉井采用不排水下沉，到位后采用水下封底。由于沉井重量較小，經(jīng)抗浮驗(yàn)算，設(shè)計(jì)5 m 封底厚度與井體結(jié)構(gòu)聯(lián)合受力，仍不能滿足規(guī)范的抗浮要求。經(jīng)與設(shè)計(jì)研究擬采取終沉到位后，在不抽水工況下，通過(guò)圍護(hù)樁頂圈梁預(yù)留預(yù)埋件與鋼格構(gòu)井壁進(jìn)行有效連接，利用圍護(hù)樁作為抗拔樁，提供足夠的抗浮力。

沉井終沉開(kāi)挖深度32 m，由于井壁結(jié)構(gòu)插入比較小及存在下部承壓水層，需控制沉井下沉到位后抽水制作底板期間的土體隆起及下部承壓水突涌風(fēng)險(xiǎn)； 考慮一定安全富裕量，水下封底混凝土厚度仍按5 m 設(shè)置，并在其刃腳下方4 m 土體進(jìn)行MJS 加固，同時(shí)在圍護(hù)樁與井壁間預(yù)留3 口降水井作為應(yīng)急儲(chǔ)備措施，可短時(shí)間應(yīng)急降低地下承壓水水頭，確保工程施工安全。

4．3 壓入式沉井工法及技術(shù)控制要點(diǎn)

壓入式沉井工法是人為對(duì)沉井施加合理可控的垂直下壓力，使沉井具有適宜的下沉系數(shù)，并輔以其他減阻手段，使下壓力替代重力能夠主導(dǎo)沉井的下沉，在預(yù)留土塞的工況下可控下沉，降低施工風(fēng)險(xiǎn)，提高工效，通過(guò)減少土體擾動(dòng)最大限度地降低對(duì)周邊環(huán)境的影響。

本次沉井井壁一周均布8 個(gè)反力作用點(diǎn)（井壁鋼板外側(cè)設(shè)置鋼牛腿） ，每個(gè)點(diǎn)布設(shè)一只150 t 千斤頂，整體可提供最大下壓力為1 200 t；組裝后千斤頂通過(guò)穿心鋼絞線、咬合樁及頂部承臺(tái)組成完整的壓沉傳力系統(tǒng)，系統(tǒng)受力示意圖如圖7 所示。通過(guò)PLC 系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，及時(shí)掌握千斤頂行程位移、油壓等情況。

圖7 壓入式沉井受力示意圖

反力拉錨為多股鋼絞線，可根據(jù)下沉深度靈活調(diào)整長(zhǎng)度，提供足夠的下壓力，且操作更為便捷。壓沉系統(tǒng)可同步糾偏，也可根據(jù)實(shí)際情況單獨(dú)糾偏。

本次壓入式沉井考慮多次制作接高、五次下沉，除下沉初期（5 m 范圍內(nèi)） 采用干下沉，后續(xù)均采用井內(nèi)加水工況下的不排水下沉（水位液面高于實(shí)測(cè)承壓水水頭） ，過(guò)程中留置土塞高度保持2 m 以上，并根據(jù)周邊沉降數(shù)據(jù)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。沉井下沉可采用專(zhuān)用液壓抓斗進(jìn)行取土，在配備泥水分離系統(tǒng)情況下也可采用新型水下絞吸式取土裝置進(jìn)行取土，該裝置可實(shí)現(xiàn)沉井刃腳外壁以內(nèi)所有空間的全覆蓋高效取土。

另配置專(zhuān)業(yè)測(cè)深設(shè)備實(shí)時(shí)掃描水下泥面三維高程形態(tài)，并派遣潛水員在終沉階段驗(yàn)證水下工況，實(shí)現(xiàn)全程精準(zhǔn)控制下沉及糾偏。終沉到位后，潛水員清基后采用水下混凝土封底［3－5］。

4．4 克服沉井下壓過(guò)程中阻力較大的輔助措施

1） 井壁壓注減阻泥漿助沉。沉井內(nèi)外井壁均預(yù)留泥漿壓注管路及壓注口，下沉期間可壓注減阻泥漿大幅減小井壁摩阻力；下沉到位后可在外側(cè)壓注雙液快凝漿液以提高外側(cè)井壁摩阻力。

2） 刃腳下方超高壓射水破土助沉。為應(yīng)對(duì)硬土層或由于壓沉施工后可能產(chǎn)生的刃腳下部黏土產(chǎn)生地基土固結(jié)而導(dǎo)致刃腳下方反力增大的問(wèn)題。考慮在井壁上從上至下預(yù)先埋設(shè)管路，管路如圖8 所示，沉井下沉中后期可通過(guò)該管路利用MJS 設(shè)備對(duì)刃腳下方土體進(jìn)行超高壓射水切削破壞，從而降低刃腳斜面下方土體承載力。預(yù)埋管主管由內(nèi)徑100 mm 以上的鑄鐵管組成，在沉井刃腳每隔1 m ～2 m 布置一個(gè)射水孔。射水孔位置應(yīng)與先期預(yù)處理鉆孔錯(cuò)開(kāi)布置。進(jìn)行高壓射水破壞刃腳斜面土體時(shí)，應(yīng)考慮同步對(duì)稱(chēng)布置、同步施工［6］。

圖8 井壁注漿管及高壓射水孔管路布置圖

5 新型微擾動(dòng)壓入式薄壁鋼沉井工藝的優(yōu)點(diǎn)及效益

1） 與原設(shè)計(jì)地墻法接收井方案相比，節(jié)約了至少2/3 的施工場(chǎng)地，大大降低了對(duì)周邊交通的影響，并減少了管線、綠化搬遷工作量，同時(shí)減少了對(duì)地下空間的占用深度。

2） 施工工序相對(duì)較少，達(dá)到部分模塊化作業(yè)，相比地墻圍護(hù)后基坑開(kāi)挖回筑工藝，可較大幅度地縮短工期。

3） 通過(guò)沉井外圍咬合樁作為隔離保護(hù)體，全程留置土塞工況下運(yùn)用不排水壓入式下沉方法，并無(wú)需降承壓水，可最大限度地降低對(duì)周邊敏感環(huán)境的影響；且壓入式沉井下沉中后期均處于水土平衡工況，相比圍護(hù)深基坑開(kāi)挖工藝規(guī)避了由于圍護(hù)體質(zhì)量問(wèn)題引起的水土滲漏風(fēng)險(xiǎn)［7］。

4） 沉井盾構(gòu)進(jìn)洞口可采用低強(qiáng)度砂漿填充+鋼悶板處理，如圖9 所示。與傳統(tǒng)洞口鑿除地墻工藝相比，可大大降低盾構(gòu)進(jìn)出洞的滲漏風(fēng)險(xiǎn)。

圖9 沉井接收井穿墻洞口形式

5） 壓入式沉井及外側(cè)圍護(hù)深度遠(yuǎn)小于原地墻，全程無(wú)需降水作業(yè)，減少了工作量從而降低工程總體造價(jià)，經(jīng)濟(jì)性好；同時(shí)能有效節(jié)約地下空間更為綠色環(huán)保。

6 結(jié)語(yǔ)

本文在近年來(lái)沉井壓沉工藝發(fā)展的基礎(chǔ)上，提出了一種新型微擾動(dòng)壓入式薄壁鋼沉井工藝，其施工占地小，施工周期短，造價(jià)低，無(wú)需降水且開(kāi)挖風(fēng)險(xiǎn)低，周邊環(huán)境影響小，相比傳統(tǒng)地墻圍護(hù)后基坑開(kāi)挖回筑工藝有著顯著的優(yōu)勢(shì)；對(duì)比VSM 工藝，有著井體尺寸不受限，結(jié)構(gòu)整體性好、造價(jià)更經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)。微擾動(dòng)壓入式薄壁沉井工藝極大地減輕了常規(guī)豎井施工對(duì)周邊環(huán)境影響問(wèn)題，對(duì)市區(qū)大量超深隧道工作井的施工，具有極為有益借鑒與推廣應(yīng)用價(jià)值。筆者認(rèn)為該工藝將在未來(lái)成為中心城區(qū)復(fù)雜環(huán)境下施作大深度管道工作井時(shí)，成為替代傳統(tǒng)地墻+深基坑開(kāi)挖的一項(xiàng)重要綠色建造新技術(shù)，并值得繼續(xù)深入研究發(fā)掘和優(yōu)化升級(jí)。