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摘要：本文以扬州市第一水厂提标扩建工程——顶管工程中的沉井施工为例，分析工程中遇到的问题，归纳对应的解决方案，总结在软硬差异性较大的复杂地层中施工技术和施工中引起重视的质量控制要点，为类似地质情况下沉井下沉施工提供借鉴经验。
关键词：沉井下沉施工；复杂土层；排水、不排水技术应用；既有设施保护。
复杂地层中的沉井施工一直是施工中处理较为困难的一部分，而本文根据现场施工中实际发生的情况与预期的差距，进行对比分析，改进施工方案及工艺措施，顺利的完成了沉井施工，取得了较好的时间效益和社会效益，为类似复杂地质土层的沉井施工积累了经验。
1、工程背景
1.1概况
扬州市第一水厂提标扩建工程——顶管工程，主要包括两座沉井、一根长546m的DN2000顶管及井内的连通管。顶管工作井为外径15.8m的外截面变径圆井，刃脚底标高为-15.59m，井壁顶标高为5.54m，下沉深度为22.13m。顶管接收井为外径11.4m的内截面变径圆井，刃脚底标高为-15.19m，井壁顶标高为7.97m，下沉深度为24.16m。
1.2下沉区域地质情况
沉井自上而下依次穿越以下土层：①层（Q4ml）填土层陆上主要为粉质粘土杂粉土；②1层（Q4al-pl）粉土层；②2层（Q4al-pl）粉土层；③层（Q4al-pl）粉砂层；④1层（Q4al-pl）粉质粘土层。
该工程沉井施工中，对沉井下沉造成较大影响的为③层粉砂层和④1层粉质粘土层，其中③层粉砂层粘聚力c=5.5kPa，内摩擦角φ=26.3°；④1层粉质粘土层粘聚力c=27.3kPa，内摩擦角φ=14.8°，然后该土层由于偶见铁锰质结合，自身土质分布极不平均，粘聚力最大值cmax达到46.9kPa。该相邻两土层层厚均较大，在实际施工中发现，由粉砂层向粉质粘土层过渡的界面段土层尤其坚硬且在沉井下沉投影范围内土层高差较大，对沉井下沉控制造成较大的影响。
1.3沉井下沉系数计算
沉井下沉过程中，必须克服井壁与土体间摩擦力、地下水浮力以及刃脚土体的反力，沉井自重扣除地下水浮力后与土体间摩擦力和刃脚反力之和的比值称为下沉系数。根据计算出的下沉穿越各土层阶段的下沉系数，决定在合适的位置采取相应的辅助下沉技术措施。既不提前采用，浪费资金与人力、物力，同时导致沉井下沉过快，亦不推延采用，影响施工进度，导致沉井下沉困难。
下沉系数通常按下式计算：
K=（G- B1）/(T+R)
G——分次下沉时井体自重（KN），不考虑封底混凝土和底板；
B1——地下水浮力，排水下沉时为B1=0；
T——土体与井壁的总摩阻力；
R——沉井刃脚及底梁下反力，R=R1+R2，
R1——刃脚踏面及斜面下土的支承力；
R2——沉井内部隔墙和底梁下土的支承力。
根据计算，在采取不排水下沉工艺时，工作井在③层粉砂层中的下沉系数为0.70，在④1层粉质粘土层中的下沉系数为0.62；接收井在③层粉砂层中的下沉系数为0.71，在④1层粉质粘土层中的下沉系数为0.60。对采用沉井法施工的工井而言，下沉系数过小，故需采取多种辅助下沉措施，其中空气幕助沉法作为影响下沉系数分母项中T（土体与井壁总摩阻力）的方法，适当加大锅底深度作为影响下沉系数分母项R（沉井刃脚下反力）的方法，在实际施工中得到采用。
1.4沉井下沉区域周边影响
顶管工作井处以扬州城市快速主干道万福路北侧，道路边沿距沉井壁仅20米，道边人行道下埋设有较多通讯光电缆、上下水管等市政设施，约40米远处还有超高压输电塔；顶管接收井在运河东岸江阳大桥引桥北侧，除了上述市政设施以外对大桥通行安全也有较大影响。沉井下沉过程中稍有控制不慎就会给这些市政设施带来破坏造成严重后果。
1.5沉井下沉施工的难特点
沉井下沉穿过土层变化较大，需考虑多种取土手段且对41层黏土层处理应该特别重视；
沉井下沉系数较小，沉井下沉较为困难，需在沉井制作时考虑预埋助沉空气幕或触变泥浆管路，预先准备好相应专用设备。
沉井下沉对周边区域既有设施和道路的影响控制在允许范围内，防止产生不利影响和重大破坏，必须有针对性技术措施及手段。
2、下沉施工技术
针对上述土层情况和有关计算数据，我在施工前就充分考虑应对措施，在技术和设备上做好相应准备。在沉井制作阶段在沉井外壁预埋了空气幕PVC气管预备用于沉井助沉;沉井下沉施工初沉阶段采用排水下沉，主要采用水力机械出土，我准备了带挖土卷扬筒的履带吊机和挖土抓斗，还准备了高压水泵。先期用吊机悬吊水利机械进行排吸泥沉井下沉，如果遇到排吸泥困难立即可以转换为机械挖泥沉井下沉；在穿越③层粉砂层和④1层粉质粘土层时由于沉井内外土压力差增大井外土体塌陷趋势变大考虑采用不排水下沉，不排水下沉采用机械抓斗抓土或高压水枪对土体进行切割冲刷结合水力机械出土；终沉到位后由于处于粘土层中，渗透系数较小为4.48×10-6cm/s，加之沉井外部布置了降水井降水，降（1）排水下沉沉井下沉初期准备了两套水力机械设备，分区域采用水枪将泥冲成泥浆，再用泥浆泵将泥浆吸出井外，通过排泥管道排入专设泥浆沉淀池。
水力机械设备由水泵、进水管路、水力冲泥机、水力吸泥机以及排泥管路组成。排水下沉的关键在于泥泵排水能力和控制沉井位移，尤其是初始下沉阶段至关重要，它是沉井下沉的奠基段，既能检验沉井下沉方案的可行性，又能检验第一节下沉的控制措施，冲泥时，先在水力吸泥机的吸泥龙头下方（选在锅底中央），冲挖出一个直径约为2.0～2.5m的集泥坑。然后用水力冲泥机开拓各个方向通向集泥坑的水沟2～4条，沟的纵向坡度3～5%。此后，即可向四周开挖锅底，为了防止沉井突然下沉，引起很大的偏差，以及减少井外土的扰动坍塌等情况，在沉井四周刃脚旁保留宽0.5～1.0m的土堤。待锅底开挖完毕后，再逐渐均匀地冲挖土堤，第一步先冲除四周处的土堤，第二步再冲除四周土堤，最后冲除中位点处土堤，使沉井下沉，第一阶段下沉较为顺利达到预期。
2.1不排水下沉
当沉井下沉至粉砂层时，下沉系数开始变小，下沉施工变得较为困难，且流砂现象较为严重沉井外土体塌陷较为明显。工作井位旁有条小河浜，两百余米外为当地的京杭大运河，粉砂层渗透系数达到5.32×10-4cm/s，井位区域水源丰富，如继续采用排水下沉，势必带来水土流失进而沉井外大面积土方塌陷，虽然在沉井外围已经布置了双排水泥搅拌桩幕墙隔断，但工作井井位离城市主干道万福路较近，不足20m距离，道路边埋设有上水下水管道、军用光缆、通讯电缆等重要设施；接收井布置在京杭大运河东侧江阳大桥引桥连接北侧。强行降水或继续采用排水下沉极有可能导致周边道路或桥梁引桥及其他重要设施严重沉降发生破坏。为确保沉井的顺利施工并不影响周边环境，按原定方案，我当即决定采用不排水下沉施工，稳定井内外水头差压力，减轻对周边土体的扰动从而避免引起周围设施的破坏。
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不排水下沉采用灌水排水同步进行，沉井内外水头压力动态平衡，确保不影响周边设施安全为前提，水下冲吸泥采用吊机悬吊高压水枪捆绑外挂吸泥装置的设施进行冲泥吸泥，沉井较快穿越粉砂层，沉井下沉相当平稳，各项技术指标均在控制范围。在沉井下沉到达粉质粘土层时，土层性质急剧变化，该部分的下沉施工为当时施工控制的重点。对于该坚硬的粉质粘土层我预先就准备了采用机械抓斗取土施工和超高压水枪喷射切割配合水力机械取土的两种方案。
2.2尝试用机械抓土法应对粉质粘土层
在工作井下沉达到粉质粘土层时，由于土层自身渗透系数变小，在沉井刃脚全部切入该土层后，我首先尝试将井内水位逐渐降低经观察外部没有水土大量进入，我决定先用机械抓斗取土下沉施工。用50T履带吊机配合抓斗先挖掘井内中央部分的土体，沿沉井刃脚四周保留土堤，使沉井挤土下沉，再续挖刃脚周边的土堤，如此往复，最终使沉井底面形成锅底。
然而在施工进行时发现，由于粉质粘土层的高粘聚力，抓斗从空中落下砸到土面上后，仅留下部分抓痕，并未对土体有明显抓取破坏动作，每斗抓取土量过少，实际效果极差，经现场情况分析判断，机械抓土法并不适用于该类高粘聚力的硬性土层，改用备选方案。
2.3高压水枪喷射取土应对粉质粘土层
由于预选的机械抓土法不适用于粉质粘土层，故采用备选的高压水枪喷射切割加水利机械取土的方法进行井内取土。高压水泵输出压力可达到2.5MPa以上，粘土被冲刷切割后能形成泥浆和较小黏土片块，采用泥浆泵将泥浆吸出井外，经排泥管道排入泥浆池中。而对于该黏土层在沉井下沉范围内高低不一易造成沉井偏斜的情况，取土时勤测量多观察保持沉井均衡平稳下沉。
该工艺中，用履带吊悬吊高压水枪加人工辅助进行水枪喷射切割，井内保有一定的水位减少井内外水头差压力。此时喷射水压能有效的破碎粉质粘土层的坚硬土体，并形成泥浆后排入泥浆池中，有效的解决了坚硬土层的取土问题，确保了沉井的顺利下沉。
3、助沉施工技术
根据下沉系数的计算，当沉井进入③层粉砂层和④1层粉质粘土层时，下沉系数过小，除适当加深取土锅底之外，还需采取相应的助沉措施，降低井外土体与井壁的摩擦力，辅助沉井顺利下沉。现在较为常见的沉井助沉措施有空气幕法、触变泥浆法和压沉法等等。由于沉井下沉深度较深，现场施工场地有限，压沉法能起到的作用较为有限，故排除出可采用措施范围。空气幕法和触变泥浆法原理均为降低土体与井壁的摩擦力，两者的管路布置也相似，但空气幕法有着现场便于操作和可根据深度调节空气压力的优点，触变泥浆法需要在现场拌制泥浆，工序相对繁琐，由于该工程工期要求较紧，我决定采用空气幕法作为辅助下沉措施，在沉井下沉过程中，我在现场配备了大制气量的电动空压机配储气包。
3.1空气幕法施工原理
空气幕法辅助沉井下沉施工的原理是：当沉井下沉时，其正面阻力已大部分消除后，向压气系统压入高压空气，高压气流由井壁内预埋水平管路的气龛上的小孔喷出，一层层输气管路分批由上向下逐层开启向井壁周围土层喷射高压气流，气流沿井壁上溢，形成一圈压气层，带动粘土翻滚，造成土壤液化，粘土则形成泥浆，从而减小土体对井壁的摩阻力，使沉井更易于下沉。
经验资料表明，风压应为水平通气管路入土深度理论水压的1.6—2.5倍。风量应根据气龛耗气量决定。一般按每个气龛耗气量0.02—0.03m3/min计，并另加一定储备风量考虑。
3.2空气幕布置
空气幕系统主要是由一套压气设备组成，包括空压机、储气包，井壁中的预埋管，气龛以及地面供气管路等。
气龛是空气系统的关键设施，它直接决定空气幕的使用效果，气龛是预设在沉井外壁上的凹槽，空气幕气孔即开口于此，它对喷气孔有保护作用，并便于由喷气孔射出的高压气扩散，沿沉井壁上升，形成气幕，本工程采用倒梯气龛设置在沉井外壁10cm的砼层内，气龛围绕沉井外壁环向布置两组，两段圆弧之间间距5m。考虑到气龛位置如放的过低，可能会导致高压气流沿刃脚底进入井内引起翻砂，因此气龛在离刃脚3m处布置一道，为便于施工压气和纠偏，每组气龛均有独立的竖向供气支管供气。
井壁内予埋管路：空气幕的喷气孔是在供气管上用手枪钻打出的，这些带有喷气孔的管路通常有竖直和水平两种布置方式，本工程考虑到纠偏和控制下沉速度的需要，采用水平管方式，即沿沉井周向为水平管，每根水平管与一根竖向供气管相连，水平管与竖向供气管均采用PVC管材。喷气孔在气管位置用于手枪钻在水平管上打出Ф3mm的孔，根据以往经验，为便于气体扩散，气孔位置稍偏上约45°为宜，同时注意磨掉小孔处的毛料，以防止堵塞气孔。
井外供气总管：井壁外供气管路搁置在井壁顶部的牛腿上为PVC管，通过空气分流装置连接到空气幕每个组的供气支管，在分流装置上设有阀门和气压表以便于控制。
空压机及储气包：空压机采用10m3电动空压机1台，10m3气包1只。
3.3助沉方案的布置与改进
由于工程中两座沉井的穿越土层情况基本相同，工作井先进行下沉施工，故在过程中对工作井发生的情况及时反馈并分析，对空气幕与下沉施工工艺的搭配时机加以改进，随后再按改进的方案进行接收井的沉井施工。
在工作井下沉过程中，深入至③层粉砂层时，根据每日施工测量数据，发现下沉速度明显减缓。由于工井离周边道路较进，且井底已出现一定量的翻砂现象，为平衡井内外水头差，此时决定采取带水下沉的施工工艺。在实际施工中当水枪冲刷形成一定深度的锅底后，将井内水位适当降低，并向预埋在井壁外的管路供气，形成井壁外空气幕，同时减小水对沉井的浮力和周边土体对沉井的摩阻力。
在采用了空气幕施工后，下沉速度明显加快，但是同时暴露出一定的问题。由于喷气孔喷出气体后，一部分气体喷到土体后附壁上升，起到降低摩阻力的作用，而另一部分气体则沿着土体空隙喷向前方逸出地面，尤其在砂层中时，这种喷入土壤空隙内的气体能传出较远，不但没有起到降低摩阻力的作用，相反还增加了土壤的液化宽度和深度，使井周原状土体遭到破坏，内摩擦角失稳，造成楔形土的破坏。而在开启空气幕时又同时降低井内的水位高，导致水头差产生，加之周边本已有被严重破坏的土体，井内出现大量翻砂现象。即使立即进行土体回填压实，但原状土体已遭严重破坏的情况下，回填土体的密实度无法达到天然土体的程度，使得空气幕对松散的回填土体进一步形成破坏，翻砂现象难以根治，增加了沉井下沉过程中的取土量，减缓了施工进度。在下沉过程中，沉井周边围护桩内土体曾出现过较为严重的破坏，有较明显的断裂层。
针对工作井出现的情况，决定在接收井施工过程中，沉井进入粉砂层下沉速度明显放缓后，采用带水下沉冲刷形成锅底，然后开启空气幕，同时稳定保持井内水位高程，保证井内外水头差平衡，并及时对沉井外出现破坏的土体进行回填压实，减少井内出现的翻砂量，尽量保证原状土免遭严重破坏，并对喷气压进行严格控制，随着深度加深逐渐加大。这样虽然在下沉过程中水对沉井的浮力并没有得到减小，但是由于翻砂现象的减缓，取土工作量大大减少，实际下沉速度仍可以得到保证，并在周边有道路和重要建筑物的情况下，降低了施工的安全风险。
4、沉井纠偏
由于沉井穿越土层中的粉砂层与粉质粘土层上下土质差异性极大，且在两土层相交的界面上土质尤为坚硬，两土层过渡变化的界面并不是在同一水平面上，故在沉井下沉遭遇该界面时极易遇到一端还在粉砂层中，而另一端已搁在粉质粘土的硬土层上的情况，导致沉井各向下沉速度不一，沉井出现偏斜。针对该情况，在施工过程中，需事先根据地勘情况确定分层界面的大致深度，在下沉快靠近至该深度时改用高压水枪冲刷，加大测量频率，控制下沉速度，一旦发现有偏斜趋势需即刻加大反方向取土量，确保沉井偏差在规定范围内。
5、结语
我通过该工程施工的实践，我对沉井这一传统施工工艺有了新的认识，应在施工前充分分析了解工程现场情况，对于不同地质采取不同应对措施。当沉井施工需穿过粘聚力较大，土质坚硬的粘性土层时，利用机械抓斗进行抓土的施工效果并不理想，当破碎后的粉质粘土能较好的形成泥浆时，采用较高喷射压力进行水力切割取土能取得较好的实际效果，并可利用排水下沉时已有的排泥管路，利用现场吊机悬吊高压水枪进行冲刷，不需要多次重新布置现场，工序过渡平稳。
而对于在含砂量高、渗透系数大的土层如本工程中的粉砂层下沉时，采用空气幕助沉固然取得了降低侧壁摩阻力，辅助沉井顺利下沉的功效，但实际施工时由于空气幕的喷射气体带动侧壁外粉砂土体翻滚，井外土体破坏严重，大量流砂进入井内，出现井外一边回填土体一边不断流入井内的现象，虽然沉井得以顺利下沉，但是过多增大了取土工作量，造成实际下沉时间减缓，施工成本的增加。故在含砂量高、渗透系数大的土层中，不推荐首先采用空气幕法，触变泥浆法能稳定井壁外砂层，效果应会好于空气幕。
我根据现场施工中实际发生的情况与预期的差距，进行对比分析，改进施工方案及工艺措施，顺利的完成了沉井施工，取得了较好的时间效益和社会效益，为类似复杂地质土层的沉井施工积累了经验。
参考文献
[1] 王晓伟,文自立.华能福州电厂循环水泵房大型沉井下沉施工技术[J].湖南水利水电,2017,(1):1-3.
[2] 刘桂荣.大型核、火电厂取水结构施工技术研究[D].上海交通大学,2014.
[3]《市政地下工程施工及质量验收规范》DGJ08-236
[4]《市政道路、排水管道成品与半成品施工及验收规程》DGJ08-97
[5]《建筑桩基技术规范》（JGJ94）
[6]《沉井与气压沉箱施工技术规程》（DG-TJ08-2084）
论文作者:梁锋
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第7期
论文发表时间:2017/8/7
标签：沉井论文; 土层论文; 粘土论文; 井壁论文; 系数论文; 泥浆论文; 管路论文; 《建筑学研究前沿》2017年第7期论文;