:超深沉井下沉施工技术
提 要： 嘉兴市30×104t级污水处理厂排海工程泵站和排海管道之间的连接高位井，地质条件复杂，经过研究高位井施工采用地下部分采用5次制作、3次下沉。本文论述了下沉系数的计算、排水下沉、下沉观测、助沉措施等；同时通过排水下沉和不排水下沉的比较，找出了超深沉井下沉施工的最佳方案。
关键词： 超深沉井系数计算值排水下沉方案比较技术措施
Abstract: High level shaft is to connect outfall pump station and outfall piping for 300,000 ton sewage treatment plant in Jiaxing city, with its complicated site conditions. After study, a five step fabrication and 5 time sinking were mapped out for high level shaft construction. This paper discusses sinking coefficient calculation, water drainage sinking, sinking observation, sinking boosting measures, at the same time by way of comparison between drainage sinking and non-drainage sinking, it finds out the optimized proposal for sinking hyper deep shaft sinking job.
Keywords: hyper deep shaft， coefficient calculation， drainage sinking， proposals comparison， technical measures.
1 工程概况
高位井是嘉兴市30万吨级污水处理厂排海工程中的一个重要组成部分，它是泵站和排海管道之间的连接井，又是排海管道的顶管工作井。
1.1 高位井总体概况
高位井总高度为39.85m，其中沉井高度为29.85m，待沉井到位及φ2000排海管道顶管施工结束后，再接高地面部分10.00m。高位井平面尺寸：刃脚部分为15.70m×12.00m；沉井部分为15.40m×11.70m。
1.2 地质情况
根据《嘉兴市污水处理厂高位井工程地质勘察报告》，海塘内各土层分布情况如下：
①层：素填土。为近期围垦积土，由粘性土、粉土组成，层厚4.50～6.00m；
③1层：淤泥质粉质粘土夹粉质粘土。灰色，饱和，流塑，局部夹粉土，含云母片、有机质，属高压缩性土，强度低。顶板高程-0.32～-0.80m，层厚13.50～19.90m；
⑤层：砂质粉土～粘质粉土夹少量淤泥质土。灰色，松散～稍密（淤泥质土流塑），中～高压缩性土，强度一般。顶板高程-13.82～-13.43m，层厚3.50～3.70m；
⑥a层：粉质粘土-淤泥质粉质粘土。灰色，饱和，软塑～流塑，中、高压缩性土，强度一般。顶板高程-20.70～-17.13m，层厚1.50～2.00m；
⑦层：粉砂-砂质粉土。灰黄～灰色，饱和，中密，局部夹薄层状粘性土，属中低压缩性土，强度较高。顶板高程-22.40～-18.63m，层厚6.20～12.90m；
⑧层：粉质粘土-粘土。灰～青黄～灰黄色，饱和，硬塑～可塑，含氧化铁，属中、低压缩性土，强度较高。顶板高程-29.90～-29.32m；
⑨层：粉质粘土。灰～青黄～灰黄色，饱和，软塑，含氧化铁、云母片。顶板高程-33.70m，钻入的层厚2.00～-6.90m，属中、高压缩性土。
沉井下沉穿越①层、③1层、⑤层尖灭缺失、⑥a层，终沉座落在⑦层。
2 高位井制作
高位井地下部分采用5次制作，5次下沉。
（1） 平整场地、基坑测量定位
（2） 轻型井点施工
高位井所处位置的第一层土为素填土，由粘性土和粉土组成，厚度为4～6m，第二层为承载力很差的淤泥质粘土。在制作沉井第一节刃脚和第二节井壁时，为了确保基坑和下卧层土体的稳定及第一次下沉时的平稳导向，采用轻型井点降水。轻型井点布置在刃脚向外2.75m的基坑边坡上，井点管长度6m，间距1.2m。
（3） 基坑开挖
基坑开挖深度为2.5m，边坡坡度为1∶1。为了满足搭设脚手架、立模、扎铁及沉井时润滑泥浆的处理空间，从刃脚外壁向外空出1.5m。基坑下口尺寸为18.7m×15m，上口为23.7m×20m。
（4） 砂垫层铺设
根据第一、第二节沉井制作的总重量和地基承载力，通过计算确定砂垫层厚度为0.8m。
砂垫层采用颗粒级配良好的中砂分3层摊铺，每层厚度分别为30cm，30cm，20cm。每层摊铺完毕后，在拍实前先行洒水，使得砂层含水量达20%左右；然后用平板振动器按1/4重叠区域来回拖拍砂层，直至该砂垫层的密实度达到98%以上为止。
（5） 井位测量放样
砂垫层摊铺合格后，利用高位井的轴线控制桩将井位直接放在砂垫层表面，确定井的中心轴线，并做好控制桩点，同时再将所需的高程放在控制桩点上，以供素混凝土垫层立模控制之用。
（6） 素混凝土层铺设
素混凝土垫层采用C20混凝土分2层浇筑，呈“凸”型，底层厚7cm，底层宽以刃脚宽向两边各挑出5cm；上层厚5cm，宽同刃脚踏面，为40cm。
施工中要振捣密实，垫层表面应保持平整，平整误差控制在±10mm以内。
（7） 结构制作
高位井总高度39.85m。结构制作分两阶段施工，第一阶段完成地面以下（高度为29.85m）的沉井部分结构制作；待顶管施工结束后再进行第二阶段地面以上（高度为10.00m）的高位井剩余部分结构及内部结构（剩余隔墙、流槽和轻质混凝土填充）的制作。
沉井部分的结构总高度29.85m，考虑沉井结构和预留洞的高程情况，分五节制作，分节高度分别为：
第一节：标高自-25.55～-20.55m，高5.00m。本节主要为沉井刃脚壁和十字地梁结构，刃脚壁厚1.65m，踏面宽0.40m；地梁宽1.2m，踏面宽0.6m，高4.30m。本节混凝土量共计452.4m3。
第二节：标高自-20.55～-15.70m，高4.85m。本节结构包括厚1.50m的井壁、厚0.8m的纵隔墙（井内与顶进轴线平行的隔墙称纵隔墙）和厚0.8m的东侧横隔墙（井内与顶进轴线垂直的隔墙称横隔墙）的制作。本节混凝土量共计405.7m3。
第三节：标高自-15.70～-8.35m，高7.35m。本节结构包括厚1.2m、高7.35m的井壁；厚0.8m、高7.35m的纵隔墙；厚0.80m、高7.1m的东侧横隔墙（第一阶段施工东侧横隔墙至标高-8.60m为止，剩余部分待顶管结束后再接高）的制作。本节混凝土量共计528m3。
第四节：标高自-8.35～-3.70m，高4.65m。本节结构包括厚1.2m井壁、厚0.8m纵隔墙的制作，高度均为4.65m，混凝土量共计309.5m3。
第五节：标高自-3.70～+4.30m，高8.00m。本节结构包括厚0.9m井壁、厚0.8m纵隔墙的制作，高度均为8.00m，混凝土量共计433.4m3。
（8） 施工缝处理
由于井壁分节制作，节间施工缝采用“凸”型接口。老混凝土表面应进行凿毛，在新混凝土浇筑前应清理垃圾，并洒水湿润新老混凝土接缝处；同时在浇捣前，应在施工缝处先铺一层与混凝土级配相同的水泥砂浆；施工缝处井壁外表面（在缝的上、下各20cm）涂刷环氧沥青防水层。
3 下沉施工
第一节刃脚、第二节井壁制作后进行第一次排水下沉；第三、四节井壁制作好后，进行第二次排水下沉；第五节井壁制作完毕后进行第三次下沉。
3.1 第一、第二次下沉施工
3.1.1 准备工作
（1） 沉井下沉前应将沉井外壁涂环氧树脂漆2度，聚氨酯面漆1度，并喷涂好观测沉井下沉的标高、中心位移标志、井内壁上由刃脚至井位的高度标志。
（2） 先内后外地凿除刃脚凸出井壁外踏面的混凝土垫层。
（3） 对井内刃脚部分混凝土表面进行凿毛处理，以利沉井到位后能直接进行封底施工。
3.1.2 下沉系数的计算
为确保和控制沉井平稳、顺利地下沉，在下沉施工前，先计算和掌握各个下沉阶段和深度时的下沉系数。
沉井下沉系数按下式计算：
K=(Q-B)/(T+R) （1）
式中K——下沉系数；
Q——沉井自重及附加荷载（kN）；
B——浮力（被井壁排出的水量）（kN）；
T——井壁与土壤间的总摩擦阻力（kN）；
R——沉井刃脚、底梁下地基土反力（正面阻力）之和（kN）；
T=U×(H-2.5)×f；
U——与土壤接触部分的井壁周长（m）；
H——沉井下沉入土深度（m）；
f——井壁与土壤单位面积摩擦阻力（kN/m2），软塑及可塑状态的粘性土取f=20 kN/m2，井外壁周圈设有泥浆套时取f=5kN/m2。
R=A×R极 （2）
式中A——刃脚正踏面面积A1、刃脚斜面投影面积A2、底梁正踏面面积A3之和，即A=A1+A2+A3。
A1=21.5m2，A2=59m2，A3=20.24m2。
R极——地基土极限承载力，淤泥质粘土取R极=200kN/m2。
经计算，得沉井下沉各阶段的下沉系数见表1。
表1 下沉系数表
下 沉
次 序
刃脚踏面标高（m）
下沉深度（m）
井内水位高度（m）
下沉系数
说 明
K1
K2
第一次
下沉
+2.1～
-7.25
2.1～-0.4
2.5
0
2.50
-0.4～-2.9
5.0
0
1.87
0.96
从中到边挖，刃脚斜面去部分土。
-2.9～-5.4
7.5
0
1.53
0.82
从中到边挖，刃脚斜面去较多土。
-5.4～-7.25
9.35
0
1.47
0.80
从中到边挖，刃脚斜面去较多土。
第二次下沉-7.25～
-16.2
-7.25
9.35
0
2.90
1.58
K值较大，仅防突沉，刃脚斜面土不挖除。
-7.25～-10.2
12.3
0
2.74
1.53
K值较大，仅防突沉，刃脚斜面土不挖除。
-10.2～-13.2
15.3
0
2.60
1.49
K值较大，仅防突沉，刃脚斜面土不挖除。
-13.2～-16.2
18.3
0
2.47
1.44
从中到边挖，刃脚斜面土不挖除。
注：K1——刃脚斜面下土体全部去除时的下沉系数；
K2——刃脚斜面下土体不去除时的下沉系数。
3.1.3 排水下沉
沉井的刃脚和框架部分混凝土必须达到设计强度的100%及第二节接高的墙身混凝土达到设计强度的70%后，方可进行沉井下沉施工。第一次排水下沉时，先采用50t履带吊的吊装抓斗抓去表面土后，然后采用高压水枪冲土。采用对角两仓进行，先冲中间土形成锅底，然后逐渐向四周扩散，使沉井均匀平衡下沉，严禁冲空刃脚踏面下的土体。在沉井初沉阶段，为了使沉井平稳导向下沉，四仓的锅底深度均应控制在0.7m以内，并根据测量报表数据随偏随纠。当沉井偏斜达到1/4允许值（7.5cm）时，必须进行纠偏。
当刃脚部分完全插入土体中后，井内冲土的锅底深度可逐渐加深至1.0m，但必须控制相邻两仓的锅底差不大于50cm。
第一次下沉结束，在第三、第四节井壁结构接高制作前，为了使沉井稳定，向井内灌高4m左右的压仓水，等第二次下沉前再将水抽出；第二次下沉到位后，及时加15m高的压仓水，确保沉井接高时的稳定。
3.1.4 下沉观测
在初沉阶段，刃脚标高每班至少测量2次，轴线位移每天测1次，下沉稳定后测量高差和中心位移；中沉阶段至少每2小时测1次，接高时应连续观测。
3.1.5 助沉措施
由于沉井深，当遇阻不沉或下沉速度非常慢时，可采取压注润滑泥浆的助沉措施。为防止润滑泥浆渗漏和减少泥浆损失，在井的外凸台阶型部位设置一圈宽35cm的橡皮板，用压板和螺栓固定。
井壁内圈按3m间距布置16根φ48的竖管（标高+5.0～20.8m），然后从竖管底接直弯至外井壁平，这样可随时压注润滑泥浆。
3.2 第三次下沉
3.2.1 排水下沉和不排水下沉的比较
（1） 排水下沉
排水下沉的有利方面是：在下沉过程中能够直观地观察到沉井穿越的各种土层，便于采用相应的技术措施；能较好地控制施工时间，最大限度地满足工期要求；能确保封底素混凝土和钢筋混凝土底板的施工质量。
不利方面是：对周围土体的扰动较大；若不能采取有效的技术措施保证井底的稳定，则在下沉过程中有可能发生井底隆起或管涌等现象，其后果将是灾难性的。
（2） 不排水下沉
不排水下沉的有利之处为：只要合理控制好压仓水位，就能保证沉井的坑底稳定，不会发生突沉；能保证沉井稳定地下沉，便于对下沉井进行控制；对周围环境影响小。
不利之处为：无法直观地观察地质情况的变化；下沉系数偏大；全靠潜水员在水下触摸冲土，因而工作效率不高，无法满足工期的要求；水下封底时，若有局部地方泥土没有冲洗干净，将会影响水中封底素混凝土的质量，进而影响钢筋混凝土底板的施工。
经反复分析和论证认为：第三次下沉主要是在⑦层粉砂-砂质粉土层中，该层具强渗透性、富含承压水，状态中密，强度较高，易降水，疏干后抗剪强度增高，可确保井底稳定。最终决定应用大口径深井点降水后，采用排水下沉，技术上可行，施工成本降低，比不排水下沉在技术和经济上更先进合理。
3.2.2 深井降水措施
（1） 降水方案比较
深井降水可分为真空深井降水和重力式自流深井降水，本工程采用的是重力式自流深井降水，其特点是施工方便、易于维护、能耗小、抗干扰能力强。
（2）深井降水的目的
保证沉井干沉到底，则应将地下水位最终降至地面以下30m处；保证沉井干封底顺利施工；保证海堤不因降水而产生破坏；配合正常排放管顶进出洞。
（3）单井试验
通过抽水实验，测定含水层的水文地质参数，用于降水方案的制定，指导降水运行。
（4）群井试验
群井（设计8口井）试验是为了进一步验证单井抽水试验的结果；确定所需的井数，完善降水方案。
2001年4月12日开始抽水试验，历时3 140min。以#4井为观测井，其余7口井同时抽水。抽水过程中，观测井水位每小时观测1次，抽水井水位每2h观测1次。5h后，各抽水井水位深度均达到31～34m，水量稳定，至4月14日观测井水位深度为26.2m。
（5） 井点结构
降水井孔径为650mm，井管及过滤管直径为325mm，井深36m，过滤管埋置于26～35m中，过滤管以下为1m沉淀管，在0.00～18.00m处填粘土，18.00～36.00m处填粗砂。
（6） 井数量与控制降水
通过单井、群井抽水试验，取得相关水文地质资料，经计算后确定共设置9口深井，沿沉井外围呈圆周状封闭布置。
随沉井下沉，以最不利点水位始终控制在刃脚踏面以下来确定开启井点的数量，因此是随沉井下沉深度的增加而逐步增加井点的开启数量，实现控制降水。
3.2.3 第三次下沉
群井抽水实验结束后，立即进行预抽水，预抽3天后，开始第三次沉井下沉，下沉方法与第一、第二次下沉相同。
3.2.4终沉阶段
当沉井下沉接近设计标高时，应加强观测，每小时至少测1次，待24h内沉井自沉累计不大于10mm时方可进行封底，此时井体标高、位移和倾斜应在允许偏差范围内。
沉井到位后，外壁与土体间隙中的润滑泥浆要进行置换，用一定配比的水泥粉煤灰置换泥浆，使井壁与土体间隙能很快地充填固结，形成整体。
4 结语
（1） 在有足够技术措施保证的条件下，深沉井可以采用排水下沉。本沉井排水下沉深度达29.35m，创上海地区软土层中排水下沉深度的记录。
（2） 观测井实测水位降深与理论计算值基本相符，说明单井试验的结果是正确的；群井抽水后，各井的水位降深均可达31～34m，证明降水井的结构及水泵选型与本工程的工程地质特性相符。
（3） 排水下沉与不排水下沉相比，在经济上更合理，可以更好地控制施工质量及进度。本次沉井施工取得了良好的社会效益和经济效益。
新闻来源：《城市交通隧道工程最新技术》
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