朱海燕
(廣東省環(huán)境保護工程研究設計院有限公司,廣東 廣州 510080)
沉井是將位于地下一定深度的建構(gòu)筑物或其基礎,先在地面預先制作,形成一個井狀結(jié)構(gòu),然后機械在井內(nèi)不斷挖土,借助井體自重而逐步下沉,下沉到設計深度后進行封底,構(gòu)筑井內(nèi)底板、梁板、內(nèi)隔墻等構(gòu)件,最終形成一個地下建構(gòu)筑物或基礎[1]。鑒于沉井無需做支護,靠自身擋土及擋水,對周邊環(huán)境影響較小,在地下構(gòu)筑物建設中具有優(yōu)越性,應用也越來越廣泛。
污水提升泵站一般是采用基坑支護,然后建造泵站主體結(jié)構(gòu)的設計思路。由于泵站平面尺寸不大,深度較深,可以通過技術(shù)手段將其改造成平面規(guī)則形狀,為采用沉井結(jié)構(gòu)創(chuàng)造條件[2]。本文對某污水提升泵站采用沉井結(jié)構(gòu)進行了應用研究。
中山某污水處理廠一期工程場地位于中山市火炬開發(fā)區(qū)沿江路北側(cè),東側(cè)鄰魚塘,南側(cè)、西側(cè)鄰空地,北側(cè)鄰橫門水道及中順大堤。該水廠收集開發(fā)區(qū)及周邊的污水,處理規(guī)模為10萬t/d,污水經(jīng)重力流入提升泵站,然后經(jīng)提升泵站提升至污水廠相關(guān)處理池。泵站平面尺寸長25.7 m,寬8.2 m~15.7 m,深16.2 m,呈平面不規(guī)則形狀。根據(jù)地質(zhì)報告,本工程巖土物理力學參數(shù)如表1所示,地層由上到下主要為:
①素填土:分布較廣泛,大部分鉆孔有揭露。褐黃色,由黏性土夾強風化碎巖塊組成,土質(zhì)較均一,欠壓實,干燥,松散。局部含中風化塊石較多。厚度約0.70 m~4.50 m,平均厚度為1.89 m。
②-1淤泥:全場地分布。呈深灰、灰黑色,流塑狀,飽和,含有機質(zhì),無搖振反應,稍有光澤,干強度中等,韌性中等,較均勻,局部呈淤泥質(zhì)砂。厚度約11.00 m~25.60 m,平均厚度為19.90 m。
②-2淤泥質(zhì)土:全場地分布。呈深灰、灰黑色,流塑狀,飽和,含有機質(zhì),無搖振反應,稍有光澤,干強度及韌性中等,較均勻,局部呈淤泥質(zhì)砂。厚度約13.80 m~27.60 m,平均厚度為19.88 m。
②-3中砂:大部分鉆孔可見。呈深灰色、灰白色,飽和,中密實狀,呈圓棱狀,含少量黏性土,級配一般。厚度約0.80 m~20.40 m,平均厚度為14.30 m。
③-1全風化花崗巖:局部分布。呈灰黃色,大部分礦物風化呈土狀,手捻有砂感,巖芯呈土柱狀,風化不均,局部含少量強風化花崗巖碎塊,合金鉆具易鉆進。厚度約4.30 m~6.50 m,平均厚度為5.37 m。
③-2強風化花崗巖:全場地分布,未揭穿。呈灰黃色,長石多風化成土狀為主,部分碎屑狀,原巖結(jié)構(gòu)較清晰,巖芯呈碎石土狀,風化不均。為軟巖,極破碎,巖體基本質(zhì)量等級為Ⅴ級。厚度約1.20 m~6.50 m,平均厚度為3.90 m。
表1 巖土物理力學參數(shù)
本場地屬第四系海陸交互相沉積平原,原為耕地及魚塘,已經(jīng)人工填土平整,無明顯的地表水系。地下水主要賦存在沉積層中的孔隙中和花崗巖風化帶風化裂隙中,為微承壓水。中砂為主要含水層,賦水性豐富分布廣泛。淤泥、淤泥質(zhì)土、全風化花崗巖透水性較差,為相對隔水層。地下水補、排條件差,水流水平徑流交替作用較慢,補給量不豐富;以潛流方式排泄為主,其次以蒸發(fā)方式垂直排泄。場地地下水地下徑流方向不明顯??辈炱陂g從鉆孔中測得地下水埋深0.18 m~1.37 m,抗浮設計水位取廠區(qū)室外設計地坪。場地抗震設防烈度為7度區(qū),設計地震分組為第一組,場地類別為Ⅲ類。
污水提升泵站分地上部分和地下部分,地上部分是單層提升泵房,地下部分是粗格柵污水池。這里主要針對污水提升泵站地下部分設計方案展開探討。泵站的粗格柵污水池長25.7 m,寬8.2 m~15.7 m,深度約16.2 m,呈平面不規(guī)則形狀,如圖1所示。根據(jù)地質(zhì)報告,該位置鉆探孔顯示依次是3.5 m素填土,16 m厚淤泥,23.1 m厚的淤泥質(zhì)土,然后是中砂層、強風化巖。地下水位較高,土層含水豐富。故初步提出兩個設計方案:1)采用1 m厚地下連續(xù)墻+鋼管內(nèi)支撐的基坑支護形式,然后在連續(xù)墻內(nèi)襯做一道350 mm厚的內(nèi)襯墻。2)沉井結(jié)構(gòu)。
若采取基坑支護方案,由于存在深厚的淤泥及淤泥質(zhì)土,而地下連續(xù)墻需要一定的嵌固深度,導致地下連續(xù)墻深度約45 m,且粗格柵外池壁達到1.35 m,基坑方案技術(shù)難以實現(xiàn)且造價較高。另外,由于基坑是不規(guī)則形狀,基坑的內(nèi)支撐不易布置換撐,基坑內(nèi)空間狹小,作業(yè)困難,將嚴重影響施工進度。
若采取沉井方案,考慮到對稱形狀有利于沉井穩(wěn)定下沉,可以將泵站改為方正、對稱的規(guī)則形狀。先在地面上澆筑沉井,預留內(nèi)隔墻的鋼筋及凹槽接口,待完成沉井及頂管施工,再施工內(nèi)隔墻,可有效提高施工的便捷性。沉井方案如圖2所示。
綜合以上分析,沉井方案更顯優(yōu)勢。沉井外壁可直接替代泵站外池壁,減少工程造價,提高施工速度??紤]到本工程北鄰橫門水道及中順大堤,本沉井采用不排水下沉,沉井分3節(jié)制作,分次下沉。沉井底板施工完成后,待混凝土達到設計強度后開始頂管施工,頂管施工完畢后,再施工池內(nèi)隔墻及其他附屬結(jié)構(gòu)。
沉井結(jié)構(gòu)計算分析主要包括:地基承載力及抗浮驗算、下沉分析、下沉穩(wěn)定性計算、井壁受力分析、刃腳計算、封底及底板計算分析等。采取沉井法的關(guān)鍵技術(shù)是:如何確保沉井順利下沉及下沉穩(wěn)定性的分析。根據(jù)相關(guān)規(guī)范[3],沉井的下沉系數(shù)kst≥1.05,下沉穩(wěn)定系數(shù)kst.s=0.80~0.90。
為使沉井能平穩(wěn)下沉至設計標高,應根據(jù)土層性質(zhì)、施工方法和下沉深度等因素,選擇適當?shù)南鲁料禂?shù)。一般下沉系數(shù)的計算公式為:
kst=(Gik-Ffw.k)/Ffk≥1.05。
其中,kst為下沉系數(shù);Gik為沉井自重標準值;Ffw.k為下沉過程中水的浮托力標準值;Ffk為沉井井壁總摩阻力標準值。
本沉井采用不排水下沉,沉井分三節(jié)制作、分次下沉的工藝。第一節(jié)從刃腳底向上7.40 m,第二節(jié)為6.00 m,第三節(jié)為6.10 m,下沉后沉井接高時,其頂面應露出地面不小于0.8 m。根據(jù)地質(zhì)資料,地面以下素填土(3.50 m厚)、淤泥(16 m厚),單位側(cè)摩阻力標準值fk分別取15 kPa和10 kPa,沉井周長U=82.8 m。依次計算每次下沉系數(shù),則:
1)下沉至地面以下6.6 m時,kst.s=4.49;
2)下沉至地面以下12.6 m時,kst.s=2.54;
3)下沉至地面以下18.3 m時,kst.s=2.34。
從以上計算結(jié)果可以看出,沉井下沉系數(shù)均大于1.05,滿足規(guī)范要求。下沉初期,下沉系數(shù)較大,然后隨著下沉繼續(xù),下沉系數(shù)趨于穩(wěn)定。由于沉井周邊為軟弱土提供摩阻力有限,下沉速度較快。從后期施工過程來看,采用支承木垛及控制挖土范圍的措施,有效控制沉井下沉速度。
當下沉系數(shù)過大,或在軟弱土層中下沉,沉井是有可能發(fā)生突沉的。這時除了安排合理的挖土施工工序,可利用井內(nèi)的隔墻,或在沉井中加設底橫梁等作為防止發(fā)生突沉的措施,必要時可采取地基處理措施。通常沉井的下沉穩(wěn)定驗算公式為:
本沉井基本處于淤泥地層,井壁側(cè)摩阻力和地基承載力均比較低。為避免發(fā)生突沉,擬在井壁處設置兩排φ500@500 mm高壓旋噴樁作為穩(wěn)定樁,此時井壁處的地基承載力特征值取為150 kPa,即地基極限承載力為300 kPa。沉井底梁和內(nèi)隔墻下仍處于淤泥層,根據(jù)地勘報告,地基土極限承載力為90 kPa。此外,由于分節(jié)制作、分次下沉,前次下沉后進行后續(xù)接高施工,應驗算接高后穩(wěn)定系數(shù)等,并及時測量沉井的沉降變化情況。故計算每次下沉穩(wěn)定系數(shù),則:
1)下沉至地面以下6.6 m時,kst.s=1.08;
2)下沉至地面以下12.6 m時,kst.s=1.12;
3)下沉至地面以下18.3 m時,kst.s=0.85。
從以上計算結(jié)果可以看出,下沉穩(wěn)定系數(shù)隨著下沉深度,先增大后減小,最終沉到設計標高后,系數(shù)在規(guī)范允許范圍內(nèi)。其原因是沉井分節(jié)制作分次不排水下沉,隨著沉井下沉,浮托力和井壁摩阻力增加。根據(jù)后續(xù)施工過程中反饋,井壁下的高壓旋噴穩(wěn)定樁發(fā)揮了很好的效果,在動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)指導下控制挖土范圍,下沉速度穩(wěn)定,有效避免了沉井突沉和傾斜。
在施工時,沉井是無底無蓋的筒狀結(jié)構(gòu),故井壁受力分析通常是選擇單位高度按平面框架結(jié)構(gòu)進行計算??紤]不同階段的最不利工況下,各截面配筋計算。對于跨度較大或較深的沉井可以增設橫梁,改善井壁受力狀況,提高沉井的整體剛度[4]。本沉井分三節(jié)制作,井壁厚度從下至上分別為1.20 m,1.0 m和0.8 m,分別截取第一節(jié)刃腳部位,第二、三節(jié)底部的單元高度進行平面框架計算。其第一節(jié)刃腳部位以上1 m寬的計算模型和彎矩圖如圖3所示。
沉井在使用階段時,在底板和頂板的約束作用下,可將壁板按雙向板逐個計算。若考慮整體協(xié)同效應,也可以按水池整體建模計算壁板的受力及配筋。
沉井在下沉過程中,刃腳受力較為復雜,刃腳切入土中初沉時受到向外彎曲應力,當挖空刃腳下的土時,刃腳又受外部水土壓力作用而向內(nèi)彎曲。從結(jié)構(gòu)受力分析,刃腳在豎向方向上受到水土壓力而產(chǎn)生的彎矩,可以假定為懸臂梁;在水平方向看刃腳構(gòu)成一個水平框架[5]。矩形沉井中內(nèi)隔墻底距離刃腳踏面小于500 mm或稍超500 mm,但底梁支托時,才考慮作用于水平框架的水平外力分配。否則,水平外力全部用刃腳豎向(懸臂梁)承擔。本工程沉井刃腳受力按懸臂梁模型,梁跨為刃腳高度,分兩種情況:1)刃腳向外撓曲的內(nèi)力計算,配置刃腳內(nèi)側(cè)豎筋;2)刃腳向內(nèi)撓曲的內(nèi)力計算,配置刃腳外側(cè)豎筋。本沉井的刃腳配筋圖如圖4所示。
1)沉井封底及底板計算。沉井下沉到設計標高隨即要進行素混凝土封底。矩形沉井的混凝土封底根據(jù)長寬比例確定單向簡支板還是雙向板,承受地下水壓力作用而產(chǎn)生彎矩和剪力。由于封底混凝土是無筋的素混凝土,封底后可能產(chǎn)生裂縫,從而出現(xiàn)滲水現(xiàn)象。因此設計鋼筋混凝土底板,水壓力全部由鋼筋混凝土底板承受,視底板周邊與井壁凹槽或預留插筋的構(gòu)造情況確定支座條件[6]。本沉井采取排水封底方法,可分兩步實施:第一步進行土形整理,使之呈鍋底形。自刃腳向中心挖放射形排水溝,填以石子形成盲溝,在中部設置集水坑,集水坑填以卵石,設置φ150 mm花管,用泵進行抽排,減小封底混凝土的水壓力,使地下水保持在封底混凝土標高以下,便于底板的施工。集水坑及鋼管個數(shù)應根據(jù)地下水滲透量確定。第二步進行2 m厚封底混凝土澆筑,對稱均勻澆筑至設計標高。然后澆筑鋼筋混凝土底板,按四邊簡支雙向板計算。
2)地基承載力計算。本工程位于淤泥層,采用φ500@1 000 mm×1 000 mm的高壓旋噴樁進行地基處理,旋噴樁為雙管法高壓噴射注漿,主要材料為42.5的普通硅酸鹽水泥,水灰比(質(zhì)量比)1∶1,每米水泥用量250 kg;根據(jù)需要可加入適量的外加劑及摻合料。樁頂標高為沉井底,樁底進入中砂層不小于1 m。處理后復合地基承載力為150 kPa,滿足設計要求。
3)抗浮驗算。沉井抗浮分施工階段和使用階段。施工階段主要是采取必要的抽水措施,封底下設置集水盲坑,用水泵抽水直至上部結(jié)構(gòu)全部施工完成。使用階段整體抗浮公式W/Fw≥1.05,其中,W為沉井自重(包括井壁、框架梁、隔墻、樓板、底板、頂板以及上部結(jié)構(gòu)自重);Fw為地下水浮力。若自重抗浮不足的條件下,常用配重抗浮措施,即在不影響井內(nèi)空間用毛石混凝土壓重沉井內(nèi)部底板。
1)本工程沉井采用不排水下沉,分節(jié)制作,分次下沉。沉井下沉施工難度較大,需合理安排井內(nèi)挖土施工,根據(jù)位移監(jiān)測數(shù)據(jù)動態(tài)調(diào)整施工。第二節(jié)和第三節(jié)沉井制作時,其模板不能直接支撐于地面上。這時沉井自重加大,下沉系數(shù)陡然增大,應采取必要措施,避免沉井養(yǎng)護時期發(fā)生突沉。2)明確施工工序,先施工止水樁、穩(wěn)定樁和井底地基處理。沉井制作須預留凹槽、插筋以及工藝管道洞口,便于沉井內(nèi)隔墻二次施工時與之有效連接。沉井下沉時,各專業(yè)的預留洞口須用鋼板封堵。頂管施工完成后,采用膨脹水泥填充洞口孔隙,二次施工水池內(nèi)隔墻。3)沉井下沉過程應控制下沉速度,及時糾偏。刃腳下挖土須均勻?qū)ΨQ,采取相關(guān)措施防止突沉或不均勻沉降。初沉和終沉階段增加位移觀察次數(shù)。沉井下沉完成后,應全面檢查結(jié)構(gòu)完整性、裂縫及滲漏情況。4)下沉施工完成后,井壁周圍應填充中砂或注漿填充孔隙,避免周邊地面產(chǎn)生裂縫。
本泵站沉井深度達19.5 m且處于近40 m厚的淤泥及淤泥質(zhì)土,控制其穩(wěn)定均勻下沉是本工程難點。在設計指導下順利完成施工,至目前已投入使用近4年,運營效果良好。該泵站是大型污水提升泵站采用沉井法的典型工程,產(chǎn)生了良好的社會及經(jīng)濟效益。該工程成功實施可為同類工程提供以下經(jīng)驗借鑒:
1)污水提升泵站一般是不規(guī)則形狀,結(jié)合水處理工藝,可以將其改造成對稱形狀,適用于沉井結(jié)構(gòu)。當跨度較大時,可以設置隔墻,布置沉井底梁及各層框架梁,增加沉井的整體剛度,避免沉井下沉發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞。2)沉井泵站施工,應先沉井制作下沉施工,再頂管施工,然后施工內(nèi)隔墻及上部結(jié)構(gòu)。沉井制作時應預留鋼筋,便于井內(nèi)隔墻二次施工。3)沉井根據(jù)周邊環(huán)境和水文地質(zhì)采取排水或不排水法下沉。下沉過程中,重點是驗算下沉系數(shù)和下沉穩(wěn)定系數(shù),雖然施工現(xiàn)場與理論計算存在差異,但基本可以把握大方向。當下沉困難時可采取注漿減摩等措施,當下沉過快時可采用支承木垛及控制挖土范圍的措施,對于淤泥等軟弱土層,井壁下采用旋噴樁處理也是一種選擇。