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 羅實瀚，  徐偉

（1中國建筑西南設(shè)計研究院有限公司，成都610041；2同濟(jì)大學(xué)建筑工程系，上海200092）

[摘要]  沉井施工不可避免地擾動周圍地層，導(dǎo)致地表沉降，從而對周圍的建（構(gòu)）物產(chǎn)生影響。結(jié)合實際工程，提出地錨式沉井壓入施工方案，并對壓沉過程中井壁周邊土體水平位移、地表沉降、土體分層沉降、管線沉降等的現(xiàn)場施工監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，探討地錨式沉井施工對周邊環(huán)境的影響。結(jié)果表明，地錨式沉井施工具有下沉速度快、對周邊環(huán)境影響較小等特點，可為今后考慮施工因素的沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計提供依據(jù)。

[關(guān)鍵詞]  地錨式沉井；現(xiàn)場監(jiān)測；地表沉降；土體水平位移；土層分層沉降；管線沉降

0  引言

 在高速城市化的今天，土地資源愈發(fā)緊張。沉井以占地面積小、挖土量少、不需要板樁圍護(hù)、技術(shù)穩(wěn)妥可靠的優(yōu)勢，近年來被大量運用于深基礎(chǔ)或地下構(gòu)筑物施工中。然而一般沉井施工對周邊土體的擾動較大，且這種擾動是多方面的，陸浩亮等認(rèn)為沉井下沉引起土體移動的主要原因是井底土體隆起、井外壁建筑空隙、沉井糾偏、井底流砂、井點降水；韓石忠就上海地區(qū)軟土地層指出最主要原因是由于沉井內(nèi)挖空，井內(nèi)外地下水位差引起的滲透作用，使水帶土涌入井內(nèi)，井外土體不斷減少，從而引起地面沉降。實際工程實踐證明采用壓入式沉井施工對周邊環(huán)境影響較小。

 壓入式沉井是用地錨反力壓沉工法把井筒貫入地層，由于壓沉速度快，可快速封底，且由于施工時井內(nèi)留有一定高度的土塞，因此其對周圍土體的影響小，從而適于市區(qū)或周邊環(huán)境復(fù)雜的地區(qū)施工。本文將某座地錨式沉井前期傳統(tǒng)施工與后期壓入施工時的周圍土體變形實測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，探討壓入式沉井施工對周圍環(huán)境的影響，并提出堅持“以糾偏為主，以下沉為輔”的時控壓入式糾偏原則進(jìn)行施工，以此保護(hù)沉井附近的重要管線。

1  概況

1.1工程概況

本工程為上海市白龍港某污水處理廠頂管工程，采用鋼筋混凝土圓形沉井，外徑24m，壁厚1m，刃腳頂寬1. 25m，刃腳底部相對標(biāo)高為- 14.  18m，沉井頂部相對標(biāo)高為4. Sm，總高為18. 68m，底板厚0. 8m，混凝土強度等級為C30，鋼筋強度等級為HRB400，墊層為C20素混凝土。沉井外圍采用直徑為850mm的SMW工法樁圍護(hù)，水泥攪拌樁按間距600mm布置（H型鋼間隔布置），圍護(hù)平面直徑為32m，圍護(hù)樁高程為+3.95~- 19. 18m。沉井為外臺階結(jié)構(gòu)，臺階寬度50mm．具體結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

1.2工程周邊環(huán)境特點

沉井施工緊鄰周邊多條重要管線，圓形沉井50m范圍以內(nèi)有4條管線（圖2）：航油管(G)最近距離沉井側(cè)壁6m；光纜線(X)從圓形沉井底部穿過；電信管線( GT)最近距離沉井側(cè)壁13m；燃?xì)夤芫�(RQ)最近距離沉井側(cè)壁40m。需要對施工中周邊管線沉降進(jìn)行實時監(jiān)測，以保證其安全。

1.3工程地質(zhì)概況

場地50. 5m深度范圍內(nèi)除①．層雜填土屬近代堆積形成外，其余地層均屬第四紀(jì)積層，主要由表層填土、黏性土、淤泥質(zhì)黏性土組成。根據(jù)地基土的特征、成因及物理力學(xué)性質(zhì)，影響沉井下沉及圍護(hù)結(jié)構(gòu)涉及的土層可分為4層。因表層雜填土地基承載力較弱，采用換填墊層法進(jìn)行地基處理，圓形沉井砂墊層厚度為1. 8m。土層物理力學(xué)參數(shù)見表1，土層結(jié)構(gòu)剖面見圖3。

2  沉井下沉施工

2.1沉井下沉施工方案

 圓形沉井采用“三次制作，一次下沉”的施工方法，累計下沉18. 33m。下沉初期，因下沉系數(shù)較大，采用傳統(tǒng)的排水法下沉。當(dāng)刃腳底相對標(biāo)高為-8.5m時，即累積下沉約13. Sm時則改為壓人下沉。壓沉?xí)r沉井圓周內(nèi)留設(shè)一定高度的土塞(高3.5~5m)，并采用“小壓力多次數(shù)”的壓沉方案以減小下沉對周邊環(huán)境的影響，全過程應(yīng)堅持按“以糾偏為主，以下沉為輔”的時控壓入式糾偏原則進(jìn)行施工。

2.2沉井構(gòu)造及反力系統(tǒng)

壓人式沉井構(gòu)造基本與傳統(tǒng)沉井相仿，有所不同的是壓入式沉井有一套獨立的反力系統(tǒng)，整個系統(tǒng)由穿心式千斤頂、承壓牛腿、反力探桿、承臺、地錨（鉆孔灌注樁）組成，見圖4。

2.3壓沉關(guān)鍵施工工藝

 壓沉的原則是“先壓后取土”，千斤頂開始慢慢對沉井施加壓力，當(dāng)沉井無法下沉?xí)r開始井內(nèi)吸泥。施工時工作拉桿穿過穿心千斤頂后在千斤頂上端利用上端螺母錨固在千斤頂油缸上端。當(dāng)需要壓沉?xí)r，千斤頂油缸向上伸出頂住上端螺母，工作拉桿拉緊后，使千斤頂對井壁牛腿產(chǎn)生一個向下的壓力，促使沉井下沉。當(dāng)沉井下沉一個油缸行程后(約20cm)，千斤頂油缸縮回，將上端螺母下旋約20cm，如此往復(fù)。由于上、下拉桿之間的連接螺母尺寸較大，不能向上穿過牛腿的工作拉桿預(yù)留孔，因此在下沉約1. 7m深度后，需拆除一段替換拉桿（長度1.7m），將上部工作拉桿（長度3. 7m）與保留的替換拉桿連接，開始下一個壓沉循環(huán)，直至沉至設(shè)計標(biāo)高。

3  監(jiān)測方法及儀器布設(shè)

3.1監(jiān)控內(nèi)容及儀器

 為分析沉井下沉?xí)r對外部土體的影響，結(jié)合本工程的特點和周圍環(huán)境，特對周邊地表沉降和重要管線水平及垂直位移進(jìn)行實時監(jiān)測及數(shù)據(jù)反饋，以保證其安全。監(jiān)測主要分為4個內(nèi)容：地表沉降、土體水平位移和分層沉降、主要管線沉降。本工程地表、管線沉降監(jiān)測采用高精度電子水準(zhǔn)儀(萊卡DNA03)；土體水平位移監(jiān)測及分層沉降監(jiān)測采用高精度鉆孔傾斜儀（航天33所的CX-03E）。

3.2監(jiān)控測點布設(shè)

圓形沉降監(jiān)測點具體布置圖見圖5，共設(shè)置20個地表沉降觀測點( T9-1~T9-5，T10-1~T10-5，T11—1~T11—5，T12-1~T12-5)，4個土體水平位移監(jiān)測點( CX9~CX12)，6個土體分層沉降觀測點(FC9~ FC12，F(xiàn)C129，F(xiàn)C130)，53個管線沉降監(jiān)測點，本圖僅示意距沉井最近的航油管(G)的6個測點( G44~G49)和下穿沉井的光纜線(X)4個測點( X51～X54)。

4  監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

4.1沉井周邊土體水平位移分析

沉井下沉開挖過程是土體的卸荷過程，卸荷引起沉井周邊土體原始應(yīng)力狀態(tài)的改變，作用在沉井結(jié)構(gòu)上的土壓力引起沉井側(cè)壁變形，即沉井側(cè)壁的水平位移；同時沉井周邊土體產(chǎn)生側(cè)向滑動，引起地表變形。選取土體水平位移典型的監(jiān)測點( CX10)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，其他三測點變化趨勢與之相仿，監(jiān)測點( CX10)處土體自沉、壓沉、壓沉到位及封底后階段的監(jiān)測結(jié)果見圖6（正值表示土體向沉井外移動，負(fù)值表示向沉井內(nèi)移動）。

 由圖6可知，沉井周邊土體在下沉初期先向井外移動，直到下沉到一定深度后土體才逐漸向井內(nèi)移動，最大水平位移值控制在±10mm左右，最大水平位移與井深( 18. 68m)之比為0.05%，屬較低水平。土體水平位移變化的原因如下：沉井在下沉過程中刃腳處存在比較明顯的擠土效應(yīng)，在刃腳踏面下逐漸形成一個壓實核，由于沉井的強制下沉，壓實核區(qū)域的土體向沉井外圍移動，這時壓實核區(qū)域側(cè)壁及刃腳所受的土壓力為被動土壓力。從圖6(a)可見，隨著沉井下沉深度的增加，壓實核影響區(qū)域（即為各土體的水平位移曲線與其對應(yīng)的下沉標(biāo)高水平線所圍成的區(qū)域）逐漸向下移動。與此同時壓實核影響區(qū)域以外的土體開始向沉井內(nèi)部移動，壓實核影響區(qū)域上部側(cè)壁的土壓力逐漸從被動土壓力過渡為主動土壓力。沉井壓沉開始后，壓實核仍在向下移動，上部土體繼續(xù)向沉井內(nèi)部移動，下部土體開始出現(xiàn)向沉井內(nèi)部移動的趨勢。上部側(cè)壁仍然表現(xiàn)為主動土壓力，且其值不斷增大，向主動土壓力極限值靠近。如圖6(b)中壓沉到位封底后，“墊層施工完”和“底板施工完”兩條曲線已快速回縮，土體變形收斂趨于穩(wěn)定，刃腳及下部側(cè)壁仍表現(xiàn)為被動土壓力，但其值已基本保持不變。

4.2地表沉降曲線分析

圖7為沉井一側(cè)測點( T9-1~T9.5)處累積地表沉降曲線（正值為隆起，負(fù)值為沉降），沉井其余三側(cè)測點累積地表沉降曲線趨勢與之相仿。

 沉井下沉階段累計地表沉降變化規(guī)律可以分為3個階段：隆起階段、初沉階段、加速沉降階段。前兩個階段即為自沉階段，地表沉降表現(xiàn)為先略微向上隆起，直到沉井下沉至4.1m時，地表轉(zhuǎn)而向下沉降，期間地表隆起最大值控制在5mm以內(nèi)；第三個階段即為壓沉階段，從下沉13. 5m開始，由于加壓下沉，施工速度大大加快，因而地表加速下沉，該階段的沉降量占到總沉降量的80%以上，且沉降速率較快，屬于施工過程中較為重要敏感的階段，需采取適當(dāng)?shù)拇胧└�好地減小地表沉降。監(jiān)測結(jié)果表明，最大地表沉降量發(fā)生在距沉井最近的T9.1測點處，達(dá)28.3 mm，其與井深之比為0.15%，從目前工程建設(shè)的總體情況上看，一般將地面最大沉降監(jiān)控值較保守地限定在30mm以內(nèi)，所以該階段地表沉降屬可控范圍。

沉井下沉施工對地表沉降的影響與其距沉井的距離有著密切的關(guān)系。距離沉井較遠(yuǎn)的測點累計地表沉降量幾乎為0，說明沉井施工存在一定的影響半徑。從圖7可以看出，距沉井圓心約26m的測點T9.5的累計地表沉降幾乎為0，說明此沉井施工的影響半徑約為26m，接近于沉井下沉深度的1.5倍，符合軟土地區(qū)的經(jīng)驗資料。傳統(tǒng)的計算方法認(rèn)為沉井下沉?xí)r引起的破壞范圍1�？砂聪率浇�似計算：

式中：日為沉井人土深度，m；妒為土的內(nèi)摩擦角，。；R為沉井半徑，m。

 根據(jù)式(1)計算的沉井下沉?xí)r引起的破壞范圍1。的結(jié)果為24. 48m，與實測結(jié)果吻合較好。

4.3土體分層沉降曲線分析

在沉井下沉施工過程中，為掌握地基土壓縮層范圍內(nèi)各層土的變形特性，一般通過測試不同深度地基土的分層沉降量，根據(jù)實測結(jié)果分析土體壓縮特性并指導(dǎo)施工及驗證設(shè)計參數(shù)的合理性。選取有代表性的測點FC10（沉降最大點）的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如表2所示，其中正值表示上升，負(fù)值表示下降。測點FC10的1～5號磁環(huán)埋深分別為1.53m（位于②，層），-2.47m（位于③層），-5.61m（位于④層），-9.53m（位于④層），- 13. 5m（位于④層）。

由圖8可以看出，沉井開始下沉?xí)r，除表層土外其他各土層均產(chǎn)生下沉，壓沉結(jié)束時測點FC10處土體產(chǎn)生的最大累計分層沉降量為25mm，為1號磁環(huán)處表層土體產(chǎn)生。由土體累積分層沉降曲線可得出，沉井下沉對監(jiān)測范圍內(nèi)的土層均產(chǎn)生影響，位于上部的兩個磁環(huán)處的相應(yīng)土體產(chǎn)生的沉降量最大且變化最大。沉井下沉開始時，表層土體產(chǎn)生少量的隆起，其下層土體均產(chǎn)生沉降；隨著下沉量的增加，土體累計分層沉降量增加，最終沉降量趨于平緩。產(chǎn)生此種現(xiàn)象原因可能為：沉井下沉初期，井內(nèi)土方吸泥排出速度較慢，沉井的壓入產(chǎn)生擠土，導(dǎo)致表層土體隆起，隨著沉井下沉深度的增加，吸泥速度加快，土體逐漸被擠壓密實，土體開始沉降。此外，沉井壓沉到位時，表層土體有突沉現(xiàn)象，可能是由于當(dāng)時加壓過大，下沉速度太快，同時井內(nèi)吸土較多導(dǎo)致的。

4.4周邊重要管線沉降曲線分析

本文就距沉井最近的航油管（測點G45~G48）和下穿沉井的光纜線（測點X51~X54）的沉降變化（圖9，10），從沉降速率、沉降量、差異沉降和管線變形4個方面作分析（正值為隆起，負(fù)值為沉降）。

 沉井下沉階段管線的沉降變化與深基坑開挖施工類似，大致分為4個階段：第一階段為均勻沉降（深度0~ 13. 5m）；第二階段為差異沉降(深度13.5~17.1m)；第三階段為加速沉降(深度17.1~18. 3m)；第四階段為穩(wěn)定階段（墊層施工~底板澆筑）。圖9，10僅對前三個階段予以分析，由圖可見，整個沉井過程航油管線(G)和光纜線(X)的沉降速率均不大，控制得較好。

 第一階段：航油管線(G)和光纜線(X)沉降速率均在±4．0mm/d以內(nèi)，平均沉降速率均較��；航油管線(G)和光纜線(X)最大沉降分別為靠近沉井的測點G47(8.0mm)和測點X53(2.0mm)，沉降曲線均先呈現(xiàn)出略為抬升而后逐漸下降的趨勢；最大差異沉降（兩測點沉降差的絕對值）為測點G46和測點G47之間，達(dá)9.2mm，光纜線(X)各測點沉降均穩(wěn)定在2mm以內(nèi)，兩條管線的差異沉降變化速率較小且均勻；此階段兩條管線沉降曲線均呈拋物線形，靠近沉井的各測點向下沉降明顯，而遠(yuǎn)離沉井的其余測點略為上抬或沉降較小。

 第二階段：各測點已不像第一階段那樣均勻下沉，呈現(xiàn)出顯著的差異沉降，沉降速率顯著加快，平均沉降速率幾乎為第一階段的2倍；累計沉降變化與第一階段較平穩(wěn)的趨勢不同，航油管線(G)的測點已全呈現(xiàn)出加速下沉的趨勢，而光纜線(X)測點則呈現(xiàn)上抬的趨勢；差異沉降最大為測點G46和G47之間，達(dá)10. 2mm，光纜線(X)各測點沉降均穩(wěn)定在3mm以內(nèi)，且兩管線差異沉降變化速率較之前明顯加快，參考廣州市區(qū)開挖工程的相關(guān)技術(shù)規(guī)定管線兩接頭之間的局部傾斜不得超過b/1 000，其中6為管節(jié)長度，航油管線(G)兩接頭間距約為37m，其中測點G46和G47相距約16. 7m，即其變形在可控范圍內(nèi)；航油管線(G)沉降曲線保持第一階段的拋物線形，不過幅度更大，光纜線(X)沉降曲線已由第一階段的拋物線形轉(zhuǎn)變?yōu)檎劬�形，靠近沉井的測點X52，X53轉(zhuǎn)為向上抬升，遠(yuǎn)離沉井測點的X51，X54轉(zhuǎn)為向下沉降。

 第三階段：各測點沉降的發(fā)展延續(xù)第二階段的趨勢，差異沉降繼續(xù)增大，且沉降速率也大幅增加，沉降速率達(dá)到下沉階段的最大值；兩管線均呈現(xiàn)下沉的趨勢，光纜線(X)累計沉降值也全部變?yōu)樨?fù)值。根據(jù)文獻(xiàn)[10]可知鑄鐵管接頭位移破壞限值為30~ 46 mm，兩條管線最大累計沉降為測點G47，達(dá)23mm，在可控范圍內(nèi)；差異沉降繼續(xù)增大，兩條管線最大差異沉降分別為9. 9mm和3.7mm，屬可控范圍；兩條管線沉降變形曲線變化趨勢與第二階段相仿，只是幅度大大增加。

5  結(jié)論

 (1)沉井周圍土體分層沉降量主要產(chǎn)生在沉井下沉階段，而在下沉前的準(zhǔn)備階段，各分層沉降速率較低，累計沉降量基本保持不變，此階段土體的變形主要來自于圍護(hù)樁施工及沉井制作。

 (2)距沉井距離越大，土體由于沉井下沉受到的影響就越小，即沉井下沉施工存在一定的影響半徑，從監(jiān)測數(shù)據(jù)看，其值約為沉井下沉深度的1.5倍，且影響半徑的大小隨距離迅速遞減，距沉井距離超出下沉深度的各測點受到沉井下沉施工的影響顯著減小。

 (3)沉井下沉施工對周邊土體的影響大致可分為4個階段：均勻隆起階段、均勻下沉階段、加速下沉階段、沉降穩(wěn)定階段。各階段呈現(xiàn)出不同的特點和良好的規(guī)律性，值得注意的是沉井壓沉到位封底后，土體的沉降迅速收斂趨于穩(wěn)定。

 (4)分析表明，當(dāng)沉井下沉深度較淺(<10m)時，沉井施工對周邊環(huán)境的影響不顯著，當(dāng)沉井下沉深度繼續(xù)增加(≥10m)時，沉井施工對周邊環(huán)境的影響顯著增強，各項指標(biāo)（沉降速率、累計沉降、差異沉降）均不斷變大，直至沉井封底。因此，采用壓沉工藝可有效縮短沉井下沉10m至封底的時間，將各項指標(biāo)控制在可接受的范圍以內(nèi)。但需嚴(yán)格控制下沉壓力和作用時間，采用“小壓力多次數(shù)”的壓沉方案才能有效地控制沉井施工對周邊環(huán)境影響。

 (5)沉井施工時，應(yīng)堅持“以糾偏為主，以下沉為輔”的時控壓入式糾偏原則進(jìn)行施工，以此保護(hù)沉井附近的許多重要管線。