沉施工技术在市政沉井工程的应用

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［摘要］为解决软弱地层中高地下水位的市政工程沉井施工力学性能问题，以某市政工程污水处理厂主干管网过河顶管工程沉井施工为研究对象，针对不排水条件下市政工程沉井施工工艺，以现场监测为主要手段，观测沉井下沉过程中的侧壁摩阻力和土压力变化过程。研究成果可为厚层软弱土层中高地下水位的市政工程沉井施工提供参考。

［关键词］沉井施工；不排水下沉技术；污水管网；侧壁摩阻力

在地下水位较高且存在较厚软土地区进行市政工程沉井施工时，如果采取降水措施，会导致软土固结下沉，导致地表道路或者建筑物的沉降，影响城区道路交通或者产生建筑物开裂；如果采取不降水施工，则地下水浮力会给沉井施工带来下沉阻力，造成沉井的偏斜等。另外，地下水也会导致软土从沉井底部挤入，引起土体流失过大，进一步加剧土体的扰动[1]。为此，在高地下水厚软弱土层中施工沉井可以采取不排水下沉，但应采取一定的控制措施，确保施工过程中的侧壁摩阻力和土压力以免沉井下沉过快或者发生偏斜[2]。

1工程概况

某市政工程污水处理厂主干管网过河顶管工程位于河道北侧，为提升两岸的污水处理效能，提高水环境整治能力，污水管网在河道两侧及河底进行敷设，顶管工程主要由污水管道、南岸顶管接收井和北岸工作井组成，顶管接收井和工作井的尺寸均为15.8m×9.6m，壁厚700mm，深度为16.3m。由于顶管接收井距离河道非常近，地下水位较高，顶管接收井采用沉井不排水下沉施工工艺，沉井刃脚宽800mm，刃脚高1800mm。场区主要有2.65m杂填土、1.23m粘土、3.86m淤泥质粉质粘土、6.09m淤泥质粉土、18.47m淤泥、6.09m淤泥质粘土组成。各层土的试验参数见表1。

2不排水沉井下沉施工工艺及现场监测方法

在市政工程不排水沉井下沉施工中，需要对沉井进行分节段制作，本研究中沉井总高度为16.30m，为了制作方便以及克服较小的下沉阻力，可以将其分为3节段进行制作，第一节段高度为5.50m，第二节段高度为6.20m，第三节段高度为4.60m。其具体的施工步骤如下。（1）将场地平整，并按照沉井的设计位置进行测量放样，利用石灰粉放出边线。（2）开挖沉井刃脚，铺设砂土和混凝土垫层，在第一节段沉井井壁钢筋绑扎和模板架设，模板采用18mm厚胶合板，钢筋绑扎完成后向模板内浇筑商品混凝土，待第一段养护达到100％设计强度方可进行下一步工序。（3）不排水下沉沉井，具体为开挖基坑至与第一节段沉井高度相同深度。（4）第二节段沉井井壁钢筋绑扎和模板架设，制作第二节沉井，制作过程与第一节段沉井一致。（5）不排水下沉沉井，具体为开挖基坑至与第一节段沉井高度与第二节段高度之和相同深度；重复第四步、第五步，下沉和制作第三节段沉井。（6）观测沉井的下沉量，当其下沉量8h内累计小于10mm时，铺设封底混凝土并浇筑底板混凝土。（7）施工沉井其他附属设施[3]。为了保证不排水条件下沉井施工过程的顺利进行，需要对沉井的全过程姿态和力学性能进行现场监测，监测的主要方法是观测下沉过程中沉井的侧壁摩阻力，刃脚和沉井侧壁的土压力。沉井侧壁摩阻力的监测方法是在侧壁安装智能弦式钢筋应力传感器进行测试，传感器的布置方式为从下向上布置[4]，间距为每隔2m布置1个，共布置9个，编号为CBM01~CBM09。刃脚土压力的监测方法是在刃脚踏面和刃脚斜面上安装JMZX–902B钢弦式双模土压力传感器进行测试[5]，传感器的布设在四边中点位置各一个，刃脚踏面共4个，编号为RJSM01~RJSM04，刃脚斜面共4个，编号为RJXM01~RJXM04；沉井侧壁的土压的监测方法是在侧壁上安装JMZX–902B钢弦式双模土压力传感器进行测试，传感器的布置方式从下向上布置，间距为每隔2m布置1个，共布置9个，编号为CBSM01~CBSM09。

3不排水沉井下沉施工侧壁摩阻力及土压力结果分析

施工过程中，选取3个钢筋应力传感器进行计算沉井的侧壁摩阻力，传感器的编号分别为CBM09、CBM07、CBM05，得到沉井的侧壁摩阻力变化结果如图1所示，见表2。从图1中可以看出，3个传感器得到沉井施工过程侧壁摩阻力曲线变化规律基本一致，均在深度4.0m范围内，随着深度的增加，侧壁摩阻力具有较好的线形变化趋势。在深度变化范围为4.0~8.0m，侧壁摩阻力随着沉入深度的增加呈现明显的非线性增加，并在深度8.0m位置处，侧壁摩阻力达到峰值，CBM09传感器得到的侧壁摩阻力峰值为130kPa，CBM07传感器得到的侧壁摩阻力峰值为142kPa，CBM05传感器得到的侧壁摩阻力峰值为140kPa，侧壁摩阻力峰值平均值为137kPa；在深度大于8.0m之后，沉井侧壁摩阻力则明显呈非线性减小的趋势，但剩余峰值仍大于60kPa。由此表明，在沉井的施工过程中，在初始阶段，沉井的侧壁摩阻力呈线性增加，是因为沉井的重量大于表层土提供的摩阻力，导致沉井下沉的速度过快，因此在这个时间节点中应保持分层开挖、先中间后周边的开挖方式，同时及时观测沉井内外的水头高度以及沉降速率，避免沉井过快下沉导致的偏斜。下沉约0.5倍沉井深度时，遇到的沉井侧壁摩阻力最大，下沉速度最慢，在这个时间节点中应控制好开挖节奏，可以采取适当增加沉井配重的方法加快沉降下沉，也可以在侧壁土层中施加一定的泥浆，以减小摩阻力。在沉井下放到位时，沉井侧壁摩阻力存在一定的剩余摩阻力，这个摩阻力与沉井的自重达到了平衡，因此在这个阶段施工应对沉井的下沉量持续观测，避免产生超量的工后沉降。施工过程中，选取4个刃脚踏面土压力传感器和3个侧壁土压力传感器测试结果进行分析，得到土压力的变化规律见表3和如图2、图3所示。从图2中可以看出，4个刃脚踏面土压力传感器得到的土压力结果变化趋势一致，在下沉深度4.0m范围内，刃脚踏面的土压力较小。且变化浮动不大，在4.0~12.0m时，刃脚踏面的土压力呈近线形增加，在12.0~16.0m时，刃脚踏面的土压力趋于稳定，平均土压力值约5.0MPa。从图3中可以看出，3个侧壁土压力传感器得到的土压力结果变化一致，均随着下沉深度的增加而呈线形增加，最大土压力值为148kPa。综合分析表明，刃脚踏面位置的土样远大于侧壁土压力。

4结束语

以某市政工程污水处理厂主干管网过河顶管工程沉井施工为研究对象，针对不排水条件下市政工程沉井施工工艺，以现场监测为主要手段，观测沉井下沉过程中的侧壁摩阻力和土压力变化过程，得到以下几个结论。（1）3个传感器得到沉井施工过程侧壁摩阻力曲线变化规律基本一致，均在深度4.0m范围内，随着深度的增加，侧壁摩阻力具有较好的线形变化趋势。在深度大于4.0m之后，侧壁摩阻力随着沉入深度的增加呈现明显的非线性增加，并在8.0m处达到峰值。（2）4个刃脚土压力传感器得到的土压力结果变化趋势一致，在下沉深度4.0m范围内，刃脚的土压力较小，且变化浮动不大，在4.0~12.0m时，刃脚的土压力呈近线形增加，在12.0~16.0m时，刃脚的土压力趋于稳定，平均土压力值约5.0MPa。（3）3个侧壁土压力传感器得到的土压力结果变化一致，均随着下沉深度的增加而呈线形增加，最大土压力值为148kPa。

参考文献

[1]王宏翔,李维生.不排水施工在大型沉井下沉施工中的关键技术研讨[J].公路,2021(66):12–15.

[2]潘亚洲,王琛,梁发云.大型沉井下沉阻力分布特征及相关工程问题[J].结构工程师,2020,36(6):134–143.

[3]黄彪.砂土层中沉井不排水与排水下沉结合施工技术[J].江西建材,2022(6):230–231.

[4]刘飞.复杂地质条件下沉井施工相关问题研究[D].上海:同济大学,2006.

[5]罗维高,林惠庭,黄伟英,等.软土地基28.4m深沉井不排水下沉法施工技术[J].特种结构,2022,39(5):113–119.

[6]吴鹏.五峰山长江特大桥北锚碇超大沉井下沉施工技术研究[J].上海铁道科技,2018(3):119–120,113.

[7]郝胜利,许国亮,纪晓壮,等.南京长江第四大桥北锚碇沉井不排水下沉施工关键技术[J].公路,2010(6):11–15.

作者：刘新星 单位：湖南博世科环保科技有限公司