陆上沉井施工对周围环境影响及预防措施

摘要：通过沉井施工的实践监测结果和相关的理论分析，探讨沉井下沉过程引起的井周土体沉降变形和失稳的特征及对周边环境的影响范围，提出较成功的几点处理措施。

关键词：沉井下沉；影响特征；处理措施

中图分类号：U443.13+1文献标识码：A文章编号：

近年来，采用沉井结构和施工工艺设置水处理地下结构物已被广泛应用于自来水厂、污水处理厂、市政道路雨（污）水提升泵站等工程中。对于大多设于城郊结合部的自来水厂、污水处理厂及处于城市密集区的市政道路雨（污）水提升泵站，沉井的施工在从地面沉入地下的过程中，因其对井周边土体造成的变形或失稳，必然会使井周一定范围内可能存在的地下管网、地面建（构）筑物的安全形成威胁并导致破坏。

一、沉井下沉的阶段过程

1、自然下沉阶段

在抽取刃脚下的垫木后沉井依靠自重切入土中至井身自重重力与井身内外壁摩阻力和刃脚下土的抗力达到平衡时停止，在排除施工方法的影响因素以外，其切入深度与井身自重及土的物理力学指标有关。

2、取土下沉阶段

即采用一定的施工方法不断去除井壁内侧和刃脚下的土，卸除刃脚下土抗力和井壁内的摩阻力，井身依靠自重力克服井壁外侧土的摩阻力和进内土的浮力，逐步下沉至重力与外侧摩阻力、刃脚下土抗力及水的浮力（不降、排水下沉时）平衡时，停止下沉。

二、自然下沉阶段对井周土体的影响

在自然下沉阶段，井身以一种切入的方式沉入，依靠较大的自重力对土体产生剪切破坏并挤压井周和刃脚下土体至密实和周围地表隆起。土体在井周隆起的范围及高度视切入的深度和土质状况有关。理论上并没有相应的计算方法来基本确定该阶段土体隆起的状况，实践中的监测监控表明其全部影响的范围在水平向约为切入深度的1/2不足。由于自然下沉阶段的下沉深度占整个下沉深度的比例较小，同时取土下沉阶段对井周土体的影响范围将覆盖该阶段的影响范围，因此该阶段对周围环境的影响可不考虑。

三、取土下沉阶段井周土体的受力状况

一）、现有沉井下沉验算中关于井壁与土体摩阻力的计算规定

1、在沉井设计和施工前的专项方案中需进行沉井下沉验算，即须考虑在自重作用下井体能否克服井壁外侧与土间的摩阻力、地下水的浮力、地层对刃脚的抗力，从而安全顺利的沉到设计标高位置。

2、计算参数可通过计算和地质资料得到，而对于T值，其为下沉深度H的函数，可理解为当井身下沉至（刃脚下端到达O点）时土体所受的总摩擦力。

二）、沉井下沉过程中沉井对周边土体作用力的分析

1、为便于分析，假定整个沉井高度范围内为均匀土、土的物理力学指标均一。理论上沉井下沉至O点时土体对井壁的总的摩阻力就等于,而其变化状况则是深度的一次函数呈三角形。

因此沉井在下沉过程中不断克服越来越大的摩阻力从而表现出下沉速度由快逐步缓慢的现象。同样理论上井壁上任一单位面积的摩阻应力F应为定值并等于f。

2、因此从理论上讲沉井在下沉过程中，其井壁对周边土体主要的作用力有：

①向下的井壁对土体的摩擦应力F=f

②总的摩擦力对O点以下土体的垂直作用力，在O点处最大，并随着距O点在任何方向上的距离的增大而减小。

③土体本身的自重应力 ,―土的重度。

四、井周土体在外力作用下的破坏状况

1、以上F是一个应力定值，不随深度的变化而变化。F产生对土体的一个垂直向下的剪应力，根据布辛奈斯克的弹性力学解答，该剪应力随着距作用点的距离的增大而减小。也就是说：

①当下沉时由摩擦应力F而产生的对土体的剪应力如果小于周边土体的抗剪强度，则井壁沿土壁下沉。

②当下沉时由摩擦应力F而产生的对土体的剪应力如果大于周边土体的抗剪强度，则将周边土体垂直剪断而下沉。

③必须是最紧靠井壁附近的土体最先被剪断并随井壁下沉。

2、下面再看总的摩擦力对O点以下一段已卸除土体的作用力所产生的破坏。弹性半空间体表面上作用一个集中力时，半空间体内任意点土单元的应力共有x（水平向）、y(垂直与x、z方向的纵向)、z（垂直向）三个方向的剪应力和压应力六个分量应力。为简化分析，考虑到剪应力相对又相等，可忽略剪应力的作用。

在和（刃脚下还未除土抗力）两个主应力的作用下，土体处于平衡状态，如果其莫尔园在土的抗剪强度包络线内则土体是稳定的。

但是为使得井身能够下沉，在取土下沉的过程中必然要去除刃脚下一段高度的土以消除地基土抗力，这样则趋向于0（不排水时则接近水的深度压力）。同时随着沉井的下沉不断增加，至一定深度时，当莫尔园突破土抗剪强度线时，土体首先在刃脚处剪切破坏并逐步向土体内延伸，同时发生局部坍塌并导致破坏面上土体下沉，直至井壁再次下沉至未取土面使增加、莫尔园半径减小至抗剪强度包络线内时土体稳定为止。

随着不断的循环取土而且井身下沉速度的减慢则土体不断的破裂，土体沉降的范围越来越大，实践证明该形态与实际施工时的状况是吻合的。

3、以上用简化了的土单元平面应力结合土的抗剪强度理论基本得出土的破坏原因和形态，这样也可根据莫尔―库仑理论的极限平衡条件得出土的破裂面与井壁的角度，即（假定为无粘性土），同时其破裂起点肯定在刃脚下端，则沉井在整个下沉过程中对井周土体的影响范围其在地面上的水平影响宽度为。其中H是一个变量，即随沉入的深度不断加大，B也不断加宽且是出现多道破裂面。对于我们南通地区一般的粉砂土、砂土，其在22～28之间，即可推算出最终的影响宽度B约等于井高的0.65倍。

五、减小井周土体下沉影响范围的措施

当前沉井施工的应用越来越广泛，在有些化工厂的环保达标改造工程中，有些沉井甚至必须做在已建厂房内。因此，沉井在下沉时对周围土体的破坏范围内往往都有地下或地上的建（构）筑物，所以在无法对沉井本身移位的情况下必须采取措施。通常一般有：

1、定向注浆，以提高土的内摩擦角和内聚力，达到固土的目的，此法较便捷有效，但在施工过程中需根据土质情况控制好压浆压力，以防破坏地下管线或构筑物的结构。

2、在地下或地上的建（构）筑物内则一定位置压入钢板桩，以隔断土体的破裂坍塌。其深度要经过计算以保证钢板桩下端有一定的深度以防沉井过程中钢板桩土体下沉而带动钢板桩下沉。

3、在地下或地上的建（构）筑物内则一定位置设置水泥搅拌桩，其作用同于钢板桩。

4、在井周采用触变泥浆护套、灌砂、空气幕墙等措施以减少井壁与土间的摩擦力从而减小对土体的外力。

5、由于随着井下沉的不断加深，需克服的摩阻力越来越大，下沉的速度越来越慢，刃脚下载后导致外侧土体部分的破坏则越严重。因此在下沉到下部时一般控制土的深度，以防突沉或过沉。也就是说尽量的减小刃脚下的土深度和范围也是减少土体下沉失稳的措施之一。

六、有关问题

尽管土体的破坏形态通过理论分析并在实践中得到相关应证，但影响的范围并非如此简单，它涉及到以下几个问题：

1、下沉的阶段性问题，以上分析都是建立在一次下沉的工况基础上的，对于一些大型的沉井必须要进行多次下沉，则其下沉过程中对土体的作用力关系要较一次下沉的要复杂。

2、一般沉井深度范围内的土质并非均质的，可能由不同的土质和层厚组成，这样，所产生的摩阻作用是一个变化的折线。

3、勘测的土的物理力学指标与施工工况不相吻合，是否采用降水或排水施工都对土的有关指标和重度有影响。

4、利用弹性力学建立起来的有关方法，在理论上有许多假设。

鉴于上，并不能较准确的分析和计算出沉井在下沉过程中及最终对井周土体的影响破坏范围。但根据以上基本的理论分析及笔者的实践，在设计方案的确定时，在进行专项安全施工方案的编制时，应考虑的影响范围B应在0.65～1.0井深内，对于粘性土可适当减小。但过去的一概按0.5倍井深考虑是偏不安全的。