胡汝蘭

（天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院 ,天津 300051）

0 前言

沉井施工法是修筑地下工程和深埋基礎(chǔ)工程所采用的重要施工方法之一。沉井組成一般包括井筒、刃腳、隔墻、梁、底板等，其平面形狀一般為圓形、矩形、橢圓形、菱形或者其他不規(guī)則形狀。沉井下沉的深度根據(jù)工程需要確定，一般為7～15 m左右。在施工場(chǎng)地地下水位較高，涌水量較大或有地下承壓水、流砂、軟土等地質(zhì)條件時(shí)，采用沉井施工是最為適宜的。

1 沉井施工引起的環(huán)境效應(yīng)問(wèn)題

沉井施工時(shí)的下沉使得土體壓力重新分布，由初使應(yīng)力狀態(tài)變?yōu)榈诙?yīng)力狀態(tài)，致使井體周邊土體發(fā)生變形、位移，引起地表沉陷與土層位移，從而對(duì)鄰近建筑物和地下設(shè)施帶來(lái)不利影響。因此，在確定沉井的施工工藝時(shí)應(yīng)根據(jù)沉井構(gòu)筑物的場(chǎng)地，各種施工工藝的特點(diǎn)、水文地質(zhì)及工程條件、鄰近建筑物或市政設(shè)施、地下埋藏物（如地下電纜、各種管道）的狀況進(jìn)行合理選擇。

1.1 沉井下沉的施工工藝

當(dāng)?shù)叵滤a(bǔ)給量不大、且排水并不困難時(shí)，沉井一般采用排水下沉，排水方式常有井內(nèi)排水及井外排水（深井降水等）。當(dāng)遇到容易產(chǎn)生“涌流”的不穩(wěn)定土壤，且地下水補(bǔ)給較大而排水又有困難時(shí)，沉井可采用不排水下沉。

1.1.1 排水下沉

采用井點(diǎn)降低地下水位的方法施工時(shí)，應(yīng)注意對(duì)鄰近建筑物進(jìn)行沉降觀測(cè)，必要時(shí)應(yīng)采取措施。

當(dāng)采用水力機(jī)械沖泥時(shí)，應(yīng)以集泥坑為中心逐漸向四周沖射，并注意在刃腳內(nèi)側(cè)保留0.5～1.0 m寬的土臺(tái)，均衡對(duì)稱地、自上而下地一層層沖去，嚴(yán)禁用水槍掏挖刃腳踏面以下的土層。

采用人工挖土?xí)r，次序是先中央后四周，均衡對(duì)稱地進(jìn)行，并應(yīng)根據(jù)需要留有土臺(tái)，逐層切削，使沉井均勻下沉。

1.1.2 不排水下沉

不排水下沉?xí)r，井內(nèi)外水位不宜相差過(guò)大。挖松軟土或流動(dòng)性土?xí)r，應(yīng)保持井內(nèi)水位高出井外水位不少于1 m。如不到1 m，應(yīng)向沉井內(nèi)灌水，以防井外向井內(nèi)涌流。

1.2 沉井對(duì)周邊環(huán)境的影響范圍

1.2.1 排水下沉

當(dāng)?shù)叵滤惠^高時(shí)，井內(nèi)采用人工或水力機(jī)械沖泥，土的含水層被切斷，地下水會(huì)不斷地補(bǔ)給，為保證正常施工，就需要降低地下水，地下水位降低后，在抽水影響半徑范圍內(nèi)土壤會(huì)產(chǎn)生固結(jié)，從而引起地面的沉降。同時(shí)，在井內(nèi)挖土?xí)r，井內(nèi)外地下水位存在一定的水頭差，在動(dòng)水壓力作用下，井內(nèi)會(huì)發(fā)生流土，砂涌現(xiàn)象，導(dǎo)致井體周邊松動(dòng)破壞，引起塌陷，這種塌陷所影響的范圍與井下沉的深度成正比。

1.2.2 不排水下沉

當(dāng)?shù)叵滤惠^高，在易產(chǎn)生涌流或塌陷的不穩(wěn)定土層地段，周邊建筑物較近時(shí)，為減小對(duì)周邊的影響，采用不排水下沉。不排水下沉靠沉井自重進(jìn)行下沉，不對(duì)周邊進(jìn)行降水，因此對(duì)周邊土體影響較小。但并不等于說(shuō)就是對(duì)周邊沒(méi)有影響，由于在下沉?xí)r要不斷地沖泥排水，沉井周邊的土體也會(huì)出現(xiàn)下沉及變化，只是其影響的范圍要比排水下沉法小得多。根據(jù)筆者的經(jīng)驗(yàn)，其影響范圍是沉井深度的1/3～1/4。

2 沉井周邊塌陷的防治措施

雖然沉井對(duì)周邊的影響比大開挖等施工方法所影響的范圍要小，但由于沉井的設(shè)置地點(diǎn)常在不能開挖的地段，因此其所造成的沉降對(duì)周邊環(huán)境的危害更大，它的沉降可能造成鄰近建筑物開裂、城市管網(wǎng)的斷裂、市政設(shè)施基礎(chǔ)的破壞。這時(shí)就要求對(duì)沉井周邊采取合理防治措施，以避免上述現(xiàn)象的發(fā)生。因此，合理地選擇沉井的形式及沉井周邊的防護(hù)措施，要根據(jù)工程地質(zhì)及水文條件，結(jié)合工程性質(zhì)、規(guī)模及被支護(hù)建筑物的特性來(lái)進(jìn)行。

采取防治措施的原則如下：

（1）沉井周邊的沉降不得影響相鄰建筑物的正常使用或超過(guò)差異沉降允許值。

（2）沉井周邊土體變位不得影響相鄰各類管線的正常使用或超過(guò)變形曲率允許值。

（3）當(dāng)有管線、重要市政設(shè)施存在時(shí)，土體位移不得造成結(jié)構(gòu)開裂、發(fā)生滲漏或影響市政設(shè)施的正常使用。

對(duì)沉井周邊土體進(jìn)行支護(hù)防治措施的有效手段，常見的方法有注漿法、排樁法，旋噴法、水泥攪拌樁等。其中排樁法屬支擋型支護(hù)，注漿法、旋噴法、水泥攪拌樁為加固型支護(hù)。它們有各自的適用條件，選用時(shí)要根據(jù)工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件，結(jié)合工程性質(zhì)、規(guī)模等進(jìn)行方案比較，選擇既可擋土、防滲，又能滿足周邊環(huán)境效應(yīng)要求的支護(hù)結(jié)構(gòu)。

注漿法、排樁法，旋噴法、水泥攪拌樁是指向地層灌入漿液，使?jié){液與地層發(fā)生填充、置換、擠密等物理和化學(xué)變化，以減少地層的滲透性，并提高地層的力學(xué)強(qiáng)度和抗變形或抗液化能力，其結(jié)果必然會(huì)減少土體的孔隙率和提高土體密度，其防滲和加固的功能是并存的。支護(hù)系統(tǒng)的防滲止水是支護(hù)設(shè)計(jì)需要重視的問(wèn)題。其處理不妥，會(huì)導(dǎo)致周圍建筑物產(chǎn)生不均勻沉降、開裂、鄰近道路下沉，地下設(shè)施的破壞等現(xiàn)象，給周邊環(huán)境帶來(lái)嚴(yán)重破壞。

高壓噴射注漿法（高噴法或旋噴法）主要用途是加固與防滲，其主要是用于軟弱土層，在砂類土、粘性土、黃土、淤泥中都能進(jìn)行噴射加固，效果較好。因其簡(jiǎn)單的設(shè)備及獨(dú)特的施工方法，可以解決其它工法無(wú)法解決的難題。

水泥攪拌樁加固法是用水泥漿液對(duì)軟土進(jìn)行加固，軟土與水泥采用機(jī)械攪拌加固的基本原則，是基于水泥加固土的物理化學(xué)反應(yīng)。水泥漿液充填土層裂隙或孔隙，形成較為密實(shí)的固化體，從而使土層的滲透性減少，強(qiáng)度得到提高。水泥攪拌樁常用來(lái)形成止水帷幕。這樣可以避免沉井下沉?xí)r周邊地下水的流失，其搭接寬度一般為d/4。它還可作雙排樁止水帷幕。

影響支護(hù)穩(wěn)定性的因素有設(shè)計(jì)、施工、環(huán)境條件等諸多因素。就設(shè)計(jì)而言，又有參數(shù)選擇、計(jì)算方法及安全系數(shù)的確定諸多環(huán)節(jié)的影響。為保證支護(hù)的穩(wěn)定有效，確保良好的環(huán)境效應(yīng)，即需要設(shè)計(jì)與施工各方面具有成熟的方法與經(jīng)驗(yàn)，又要密切配合，任一方面原因都會(huì)導(dǎo)致支護(hù)失效，影響周邊環(huán)境。

另外，在整個(gè)施工過(guò)程中，對(duì)鄰近的建筑物及路面、地下管道設(shè)施的沉降觀測(cè)非常必要，其觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)于在整個(gè)施工過(guò)程中周邊環(huán)境的保護(hù)是非常必要的。同時(shí)，這些數(shù)據(jù)對(duì)以后可能的加固修復(fù)設(shè)計(jì)方案的選擇也是非常重要的。

3 實(shí)例

某泵站位于天津郊區(qū)，排水規(guī)模10 m3/s，下部主體結(jié)構(gòu)外形尺寸長(zhǎng)31.20 m，寬23.04 m，地下埋深 10.114 m（見圖1）。

3.1 施工措施

該泵站的設(shè)計(jì)地坪標(biāo)高為3.0 m（大沽水準(zhǔn)）。表層有1.5～2.5 m厚的回填土?；靥钔梁穸燃昂什痪?，承載力有差異。為保證初沉階段均衡下沉，將回填土挖除至大沽水準(zhǔn)0.5 m。沉井采用排水下沉（井點(diǎn)或大口井），施工時(shí)需將地下水降至開挖層以下，沉井前應(yīng)先明挖基坑至初沉標(biāo)高-0.824 m，然后先墊0.5 m厚的砂石料再預(yù)制沉井箱體。沉井下沉?xí)r取土順序：先挖框架、地梁底及QB6、QB8，再由中心向四周均衡對(duì)稱地進(jìn)行，最后挖除刃腳下樁體,使沉井下沉均勻、穩(wěn)定。

由于泵站底板標(biāo)高下有8 m左右的淤泥質(zhì)粘土，該層土的壓縮性高，透水性差，承載力低。為了防止下沉過(guò)程中發(fā)生突沉現(xiàn)象，采取了以下措施。

（1）適當(dāng)加大刃腳踏面寬度以增大正面阻力。

（2）增設(shè)了框架底梁，施工階段底梁的地基反力設(shè)計(jì)值取地基土的極限承載力值進(jìn)行計(jì)算。

（3）為防止封底前發(fā)生突沉事故，在刃腳下采用高壓旋噴樁樁徑為Ф600，間距600 mm，長(zhǎng)度為刃腳以下5 m。施工前先明挖2.5 m后打高壓旋噴樁，旋噴樁漿液采用42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥及膨潤(rùn)土混合漿液，并摻入2%水玻璃，水泥摻入量為180～220 kg/m，注漿壓力不宜低于20 MPa(可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)土層及注漿效果適當(dāng)調(diào)整)，帷幕及底部注漿層滲透系數(shù)不大于10-7cm/s，帷幕及底部注漿旋噴樁每延米膠凝材料摻入量應(yīng)分別根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定。下沉過(guò)程中樁在刃腳下需挖除部分的旋噴樁注漿壓力應(yīng)5～10 MPa。高程-10.214 m以下部分的旋噴樁注漿壓力不宜低于20 MPa。

圖1 泵站剖面圖（單位：mm）

沉井挖土下沉是施工中一道重要工序，在井壁混凝土澆筑完成并且達(dá)到100%的設(shè)計(jì)強(qiáng)度后方可下沉。沉井下沉前應(yīng)結(jié)合工程的地質(zhì)條件，制定具體的挖土計(jì)劃，合理配備施工人員和機(jī)械設(shè)備。

初沉階段沉井箱體大部分在地面以上，側(cè)向土體的約束作用很小，穩(wěn)定性較差，最容易產(chǎn)生偏移和傾斜。這個(gè)階段應(yīng)嚴(yán)格控制挖土程序和深度，需同時(shí)安排多個(gè)作業(yè)面對(duì)稱均勻挖土。下沉階段發(fā)生的傾斜應(yīng)根據(jù)產(chǎn)生傾斜的原因及時(shí)糾偏，確保偏差在允許范圍內(nèi)。常規(guī)的糾偏方法是挖除沉井內(nèi)刃腳高的一側(cè)土方或在沉井高的一側(cè)上進(jìn)行配重。若沉井刃腳下土層軟硬不均勻，可采用軟土層壓漿和換填處理的方法。對(duì)于刃腳下的障礙物要盡快破碎，并在其對(duì)稱面增加阻力，避免產(chǎn)生傾斜。

由于在刃腳下設(shè)置了高壓旋噴樁，沉井下沉過(guò)程是邊鑿除攪拌樁樁頭，邊下沉，因此較易掌握下沉速度，保證下沉穩(wěn)定。攪拌樁在沉井施工中起到了較好的調(diào)節(jié)作用，當(dāng)需要下沉?xí)r，只需鑿除樁頭，沉井即可憑自重克服土體摩擦下沉，一旦刃腳落至樁頭即可止沉。當(dāng)下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)，刃腳下的樁起到支撐作用，滿足承載要求，避免出現(xiàn)地基承載力較低而發(fā)生的突沉現(xiàn)象。

3.2 施工過(guò)程的控制

沉井下沉過(guò)程的控制主要包括三個(gè)方面：（1）刃腳高差控制。（2）下沉速度控制。（3）平面位移控制。其中平面位移控制是通過(guò)刃腳高差控制和下沉速度控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

3.2.1 刃腳高差控制

排水下沉?xí)r，由于不帶水作業(yè)，故刃腳高差鍋底的形成和移動(dòng)都比較直觀，根據(jù)高差的大小可以有效地改變鍋底的大小，深淺和平面位置，以此來(lái)達(dá)到對(duì)刃腳高差的控制。

3.2.2 沉井下沉速度控制

沉井下沉速度控制也是一個(gè)重要方面。一般來(lái)講，對(duì)沉井下沉速度沒(méi)有嚴(yán)格的限制，需根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)和沉井下沉的具體情況而定。該工程施工中主要按以下原則進(jìn)行：

（1）在沉井刃腳高差不大時(shí)（在水平間距的0.5%以內(nèi)），沉井的下沉速度越快越好。

（2）沉井的下沉速度均勻?yàn)橐恕?/p>

（3）沉井在粉砂土等易引起涌砂的土層中下沉?xí)r，應(yīng)加快下沉速度。

3.2.3 沉井平面位移控制

對(duì)沉井平面位移控制主要是通過(guò)控制沉井刃腳高差來(lái)實(shí)現(xiàn)，如果沉井刃腳高差不大，則沉井平面位移較易得到控制，它們之間的關(guān)系并無(wú)定量計(jì)算，但有一些聯(lián)系：

（1）沉井哪個(gè)角下沉得快（即刃腳較低），則沉井就會(huì)向哪個(gè)方向移位。

（2）沉井刃腳高差大時(shí)，沉井位移量大。

（3）沉井始終在同一個(gè)方向的刃腳高差下下沉?xí)r，沉井位移量較大。

4 結(jié)語(yǔ)

由于施工中采取了相應(yīng)的技術(shù)措施和施工方法，確保沉井的下沉穩(wěn)定。工程質(zhì)量的各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)和規(guī)定的要求。隨著工程建設(shè)的需要和施工技術(shù)的發(fā)展，沉井將在基礎(chǔ)工程中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

[1]GB50141-2008，給水排水構(gòu)筑物工程施工及驗(yàn)收規(guī)范[S].

[2]JGJ94-2008，建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].

[3]給水排水構(gòu)工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社.