王浩 于江

天津市政工程設計研究總院有限公司 300392

引言

隨著城市化的普及土地資源的日益稀缺，在構筑物密集或地形較為復雜的場地進行大范圍的基坑開挖施工，難度與日俱增。而基坑開挖往往需要降低周圍地下水位，易引起土層位移沉降，嚴重時甚至產(chǎn)生塌陷。相比之下沉井技術的應用，在大部分工況可以更好地避免因場地帶來的種種限制，減少施工過程中問題的產(chǎn)生。沉井工程在施工前應認真分析施工范圍內(nèi)的水文地質情況，對施工過程中易出現(xiàn)的位移、傾斜等偏差制定技術防范措施［1］；施工中做好土體位移、地下水位等的監(jiān)測［2］，及時回填土體，力爭其對周邊建、構筑物影響降低到最小。沉井工程雖然較其他開挖形式復雜，但在某些對變形敏感的地區(qū)、地下水控制要求較高的特殊地區(qū)有較好的適用性，在近些年工程實踐中也得到了廣泛應用及認可。

1 工程概況

1.1 工況概述及模擬對象

云南昆明某污水處理廠區(qū)內(nèi)新建檢查井，埋置較深約15m。因工程建設場地空間受限，樁基設備無法進場，且附近有正在運行的滲瀝液水池構筑物，另根據(jù)地質勘察資料，該場地土體雖分布均勻，但新建檢查井位置存在部分泥炭質土，土質較差不易進行大范圍開挖施做。根據(jù)以上工程狀況，擬在此處新建沉井，作為檢查井施工的基坑支護以及后續(xù)頂管工程的接收坑。

所建沉井需下沉約15m，為規(guī)則的圓形，外徑12m，井壁厚1m，井邊緣距離滲瀝液水池約10m，池長、寬、高分別為12m、10m、4.5m，地下埋深為4m。通過對沉井下沉工況進行模擬，分析下沉過程中對正在運行水池結構是否會產(chǎn)生影響，以及水池可否不間斷作業(yè)，旨在對實際工程施工提出建議。

1.2 工程地質情況

根據(jù)工程地質報告描述，擬建場地地貌屬于昆明滇池斷陷盆地地貌單元，鉆探深度范圍內(nèi)主要以第四系人工填土層（）和第四系湖沼積（）黏土、粉質黏土、粉土、泥炭質土、泥炭等土層組成。各土層基本物理性質參數(shù)如表1所示。

表1 地層分布及參數(shù)Tab.1 Strata distribution and parameter table

經(jīng)鉆孔水位觀測，場區(qū)內(nèi)有穩(wěn)定的地下水存在，水位埋深1.00m～2.20m。滲瀝液池及沉井的地層相對關系如圖1 所示。

圖1 滲瀝液池及沉井地層相對關系示意Fig.1 Schematic diagram of the relative relationship between the pool and the caisson formation

2 沉井施工產(chǎn)生的影響

2.1 沉井下沉對周圍土體的影響

沉井下沉施工對周圍土體必定會產(chǎn)生影響，一般沉井四周土的破壞棱體范圍［2］可由式（1）估算得出。一般認為沉井的下沉深度、土質情況和施工方法及沉井平面形狀都會影響土的破壞棱體范圍。

式中：L為破壞棱體范圍；H 為下沉深度；φ 為土層內(nèi)摩擦角。

沉井下沉過程中，由于傾斜、位移和多次糾偏，使得井外周圍土體松動；為減少井壁與土之間的摩擦力，設計大頭井和帶有外臺階的沉井，井壁與土體之間會有一定縫隙，這些因素都會使沉井周圍土體破壞擾動，以致影響周圍建、構筑物［3］。

沉井下沉后期，由于沉降系數(shù)減小，下沉力接近于摩阻力，需用人工或潛水員掏挖刃腳才能使沉井下沉。刃腳不再全部埋入土層中或埋入很少，有時井外泥砂涌入井內(nèi)，也是造成沉井周圍地面塌陷的原因之一［4］。

2.2 沉井施工對水池的影響

本工程池體與沉井邊線距離10m，沉井所穿透的幾層土質摩擦角平均值約為15°，根據(jù)上述公式（1）池體已在估算受影響范圍之內(nèi)，本次沉井采用圓形結構，分次澆筑，兩次下沉，設置1.2m高刃腳。結合以上沉井下沉對周圍建、構筑物所帶來的影響，以軟件模擬為依據(jù)，從整體分析池體是否會受到沉井施工影響。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 計算假定

采用Midas GTS NX 2021R1 有限元軟件，用軟件模擬沉井兩階段下沉，分析下沉過程對臨近水池結構產(chǎn)生的影響，得出水池變形量。計算原則：（1）假定模擬土體是各向同性連續(xù)介質體，土體采用各向同性修正摩爾庫侖模型；（2）各土層均勻分布，均在彈塑性范圍內(nèi)產(chǎn)生應力應變；（3）程序自動平衡初始地應力，不對模擬分析產(chǎn)生影響［5］；（4）采用排水下沉方式。

3.2 計算模型建立

采用Midas GTS有限元軟件進行三維數(shù)值模擬，如圖2 所示。土體采用修正的MC 本構模型，總應力指標，共分成5 層土。滲瀝液水池池體采用線彈性本構。對兩階段沉井施工過程進行模擬，共15 個施工步驟，兩階段施工步連續(xù)，逐步進行沉井下沉。為考慮沉井對周圍土層的擾動，井壁周圍進行一層薄弱層的劃分，以模擬頂進時沉井與土體間的掏挖空隙。

圖2 幾何模型Fig.2 Geometric model

模型計算尺寸長70m ×寬50m ×深30m，混凝土水池最近點到沉井壁水平距離為10m，沉井深約15m，為規(guī)則的圓形，外徑12m，井壁厚1m，沉井下沉高度根據(jù)模擬情況設定為1m/節(jié)，兩階段共下沉15m。

由于沉井高度較大，其中第一階段為下沉已施工完成的9m高沉井，下沉8m留置1m作業(yè)面施做其余6m井身，第二階段下沉剩余沉井。

3.3 計算模型分析

由于有限元模擬軟件單元的連續(xù)性，土體與池體經(jīng)實體劃分布爾運算等操作，模型網(wǎng)格相耦合，即池體獨立存在于模型相應位置可連續(xù)接受土體傳遞的作用力而不會對土體反向施加拉力從而影響整體計算。故模擬分析時池體變形量數(shù)據(jù)取值同臨近土體。

此次沉井模擬分別對水池內(nèi)有水、無水兩種工況進行分析，旨在判斷不中斷廠區(qū)運行情況下可否進行沉井下沉施工。兩種工況施工步驟基本相同，差異僅存在于初始工況水池中是否有水，概括如表2 所示。

表2 計算步驟概述Tab.2 Summary of calculation steps

1.工況一：池內(nèi)無水

一階段下沉8m施工結束后沉井池壁施工時、二階段15m沉井完全下沉后，選取靠近滲瀝液池土體為研究對象進行位移分析，將整個沉井下沉過程中各施工步（S1～S16）的位移變化統(tǒng)計得圖3 曲線，其中S8～S9為沉井二階段開始，暫停下沉，施工二階段池壁，位移曲線有所突變。對比工況一的兩個施工階段，二階段影響范圍比一階段施工完成時要明顯更大。故取二階段完成時數(shù)據(jù)作為研究對象，如圖4 所示。最大位移出現(xiàn)在沉井下沉結束，x向最大值約2.5mm；y向數(shù)據(jù)較小，趨于0；z向約2mm；矢量和位移約3mm。

圖3 工況一 水池池壁距沉井最近點在各施工段的位移Fig.3 Displacement of the closest point between the pool wall and the caisson in each construction section（condition 1）

圖4 工況一 二階段沉井完成時水池位移（單位：mm）Fig.4 Pool displacement of the second-stage caisson is completed（condition Ⅰ）（unit：mm）

2.工況二：池內(nèi)有水

該工況與上述池內(nèi)無水模擬工況相似，直接取最終沉井完成時作為研究對象，選取與工況一相同點位，各施工步（S1～S16）的位移變化統(tǒng)計如圖5 所示。x 向位移最大值約1.6mm；y 向數(shù)據(jù)較小，趨于0；z 向位移約1.3mm；矢量和位移約2mm，如圖6 所示。

圖5 工況二 水池池壁距沉井最近點在各施工段的位移Fig.5 Displacement of the closest point between the pool wall and the caisson in each construction section（condition Ⅱ）

圖6 工況二 二階段沉井完成時水池位移（單位：mm）Fig.6 Pool displacement of the second-stage caisson is completed（condition Ⅱ）（unit：mm）

根據(jù)模擬結果可得工況二的土體位移較小，即水池內(nèi)有水工況要優(yōu)于池內(nèi)無水工況。兩種工況的數(shù)據(jù)最大值均出現(xiàn)在沉井完全下沉階段，工況一位移約3mm，工況二位移約2mm。

4 施工監(jiān)測

實際施工過程中分別對沉井及鄰近建（構）筑物進行了變形監(jiān)測，防止沉井施工影響過大，起到預警作用，以便提前采取相應工程措施。

監(jiān)測主要應用的儀器為天寶DINI03、萊卡iCR80，觀測內(nèi)容為點位沉降量及水池位移產(chǎn)生的夾角。選取滲瀝液池附近土體觀測點DBC3-4、滲瀝液池體觀測點JGC-3、水平角觀測點AO（1）B、沉井附近土體觀測點DBC3-1數(shù)據(jù)，如圖7所示。

圖7 監(jiān)測點位Fig.7 Monitoring point bitmap

為與數(shù)值模擬階段對應，觀測數(shù)據(jù)按照施工階段時間列出，S1～S16 對應沉井下沉施工階段，S17 為施工完成后靜置2 周數(shù)據(jù)，整理列舉如表3～表6 所示。

表3 沉井周圍土體觀測Tab.3 Soil observation around caisson

表4 滲瀝液池周圍土體觀測Tab.4 Soil observation around the pool

表5 滲瀝液池體觀測Tab.5 pool body observation

表6 AO（1）B水平角觀測Tab.6 Horizontal angle observation of AO（1）B

由測站O（1）觀測數(shù)據(jù)以及O（1）選取點距池體10m，可計算得水池有約1.4mm的水平位移。

沉降數(shù)據(jù)取監(jiān)測點位JGC-3 與模擬的兩種工況對比，如圖8 所示，可以看出，實際監(jiān)測數(shù)據(jù)相比于模擬數(shù)據(jù)變化更均勻，最終沉降數(shù)值也略小于兩種模擬工況。

圖8 監(jiān)測數(shù)據(jù)與模擬沉降位移對比Fig.8 Comparison between monitoring data and simulated settlement displacement

水平數(shù)據(jù)取監(jiān)測點O（1）與模擬的兩種工況對比，如圖9 所示。實際監(jiān)測數(shù)據(jù)在沉井第一階段數(shù)值略大于有水的模擬工況，后期趨于平穩(wěn)，最終沉降數(shù)值也小于兩種模擬工況。

圖9 監(jiān)測數(shù)據(jù)與模擬水平位移對比Fig.9 Comparison of monitoring data and simulated horizontal displacement

沉降監(jiān)測及模擬最終數(shù)據(jù)匯總見表7。

表7 最終結果匯總Tab.7 Summary of final results

5 模擬結果

沉井施工對于水池各向位移的影響較小，模擬工況池內(nèi)無水受到影響稍大，位移最大3mm，實際監(jiān)測1.62mm，根據(jù)《建筑變形測量規(guī)程》（JGJ 8—2016）6.1.2-6.1.6 節(jié)，模擬所得沉降及變形結果小于規(guī)范中給出關于影響建筑物預估平均沉降量表所給出的預估值15mm，在允許范圍內(nèi)。

沉井施工使水池結構產(chǎn)生變形量，其中池壁因受土壓力產(chǎn)生的變形量最大不超過0.4mm，根據(jù)《混凝土結構設計規(guī)范》（GB 50010—2002）3.4.3及7.2.1受彎構件撓度要求應小于l0/200，滿足規(guī)范要求；池壁應力增加約為3kN/m2，其中水池內(nèi)無水工況池壁所受應力為42.5kN/m2。結合廠區(qū)水池設計圖紙，池壁400mm 厚，高度為4.5m，單格跨度約4m，原池壁配筋結果中14@150mm，按混凝土裂縫限值0.2%控制的條件下，該池壁最大可承受約100kN/m2應力，故沉井下沉帶來的應力增加不會對水池結構產(chǎn)生不良影響，池內(nèi)有水運行時也可抵消部分應力。

本次沉井施工對水池結構影響較小在合理范圍內(nèi)，并且在施工時滲瀝液池可正常運行。

6 結論

1.在研究沉井工程對水池結構影響時，由有限元預測分析和實測數(shù)據(jù)可知，沉井下沉時在水平、豎向都存在一定擠推力，池體與沉井間存在一定距離，傳導至池壁更多是水平力，從模擬及觀測結果也可看出池體產(chǎn)生較小水平位移，均在變形觀測允許范圍之內(nèi)。所以實際施工中應加強對池體變形的監(jiān)測，在施工完成后按照規(guī)范要求也應進行一定周期的監(jiān)測，以便掌握周圍土體變形狀況，對水池池壁、底板的應力狀況及時把控，防止出現(xiàn)局部沉降導致結構破壞等狀況發(fā)生。

2.在工程條件復雜，如當沉井工程緊鄰城市基礎設施工程時，根據(jù)地質條件、工程的基本要求及參數(shù)等數(shù)據(jù)建立有限元模型進行數(shù)值模擬分析預測，可以根據(jù)模擬結果提前得出需要做的調整以及應急方案。

3.工程沉降量有限元模擬的計算具有地域性，處于不同的地質環(huán)境的相同工程也會有模擬結果上的差異，若再考慮雨水等天氣因素的影響，模擬結果與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)可能會出現(xiàn)差異。