析不同土层沉井下沉的控制

摘 要： 本文介绍了越南胡志明市环境卫生工程第七标段沉井在不同地质下沉的影响因素和所采取的方法和措施，包括井内偏心取土、偏心压载、止沉牛腿和触变泥浆等。

关键词： 沉井下沉纠偏软土阻力

0.引言

沉井作为地下构筑物的一种形式，其是在地面上分节制作，通过井内取土，主要依靠其自重克服阻力下沉至设计标高，然后封底、浇注钢筋混凝土底板、盖板等工序构筑而成的。沉井的设计和施工，除要满足荷载及结构要求外，还要考虑如何顺利穿越不同土层下沉到设计标高。影响沉井下沉的主要因素有：沉井底部刃脚正面阻力；沉井侧壁由于水土压力而产生的摩阻力；不排水下沉中，井内水对沉井的浮力等。沉井下沉过程中容易出现：不沉、突沉、倾斜、井旋转等现象。本文借鉴越南胡志明市环境卫生顶管工程第七合同段施工的超深沉井NL-TN（41.8m）和普通井(16~21m)的经验，介绍沉井在下沉过程中的控制。

1.工程概况

越南胡志明市环境卫生工程第七合同段大沉井总数为36座：内径Φ9000mm顶管工作井18座，壁厚下部700mm，上部600mm，其中NL-TN井，壁厚下部1200mm，上部1000mm；内径Φ7000mm顶管接收井18座，上下壁厚都为500mm，其中EAST BANK井，壁厚下部1200mm上部1000mm。

依本工程现场钻探地质情况为：

第一土层：人工回填，总特征为极松散到松散的黑色，棕色和灰色砂夹杂有碎石和碎砖。在少部分地区，是极软到较硬棕灰色软土。

第二土层：总特征为极软到软的黑灰粘土，淤质粘土或砂性粘土，夹杂着零星有机物质。土工试验结果显示，该土层的液限为14~127，平均值为71；塑性指数为4~68，平均值为36 ；土层天然含水量有时接近或超过液限值；土层渗透系数为2.5×10-7,可能的变化范围为1.0×10-3~1.0×10-9。

第三土层：总特征为中硬到硬的灰褐粘土，淤质粘土或砂性粘土，夹杂零星有机物质。随着深度加深，土砂含量增加。该土层的液限为13~87，平均值为37；塑性指数为3~49，平均值为20 ；土层平均渗透系数为4.5×10-5,可能的变化范围为1.0×10-3~1.0×10-9。

第四土层：总体特征为松散至中密灰色、褐色或黄色淤质砂或粘性砂。随深度加深，粘性砂土变化为砂，这部分土层未完全穿透取样。该土层的液限为11~46，平均值为22；塑性指数平均值为8 ；土层平均渗透系数为5.2×10-5,可能的变化范围为1.0×10-3~1.0×10-7。

2.特殊土层中的下沉

2.1下沉系数计算

沉井能下沉必须满足下公式：

式中：K1――沉井下沉系数≥1.05

G――沉井自重；

R――刃脚踏面端载力；

B――不排水下沉水对沉井的浮力；

f――摩擦系数，软土取9.8~11.76kN/m2；

h――最大下沉深度；

L――沉井下沉井壁周长；

软土摩擦系数取最大值来计算，一般井的自重量下沉系数可达到2.5以上，故在软土中接高和下沉很容易发生突沉，为保证下沉的顺利，拟采用每节预留足够的高度和尽量少取土下沉来接高下一节沉井的作法防止突沉带来的危害。

2.2回填土下沉

该工程沉井分布在运河岸两侧，其护岸下大都约有3.0m回填土，垃圾物，其地质表现障碍物多，土质松软和不均匀，因靠近运河，地下水位较高，最浅在地表下1.0m。其下近2.0m为极其软弱的土层，刃脚坐落在该土层在接高时很容易发生过大的下沉或突沉。

根据地质状况，将回填土层挖除，然后在回填一部分砂，把沉井制作及初沉标高降低，避免沉井在该土层下沉遇到地下障碍物产生倾斜和下节接高时的安全浇注，以保证沉井初沉的均衡下沉。

2.3极软到软的淤质粘土或砂性粘土

该土层的标贯数一般在0~5左右，下沉系数在2.5以上，沉井接高和下沉时很容易发生突沉。在排水下沉阶段，大多沉井下沉至3~5m时，发生突沉，普通井一次突沉量最大4.3m，地面有明显震感，井外侧地面塌陷，地面下沉最大为1.5米，波及长度最宽处5m。在这个过程中增大了井壁与土的摩擦力，减少下沉系数，减少了突沉带来的危害，止沉牛腿还有调节沉井下沉出现倾斜用来纠偏的作用。

突沉的主要原因：1.土质本身的软弱，承载力不高，当井壁侧阻力和刃脚的端承载阻力不能支撑沉井本身的重量时， 2.采用不排水下沉的时候，水下的抓土难以控制，使得刃脚周围无保护土堤或者保护土很少，在中间形成较深的“锅底”，为发生突沉创造了条件。

抓斗挖土应分层自中部向四周台阶形均匀取土，分层厚度为0.5～0.8 m，以保证井筒入土时有良好的导向。应始终保持刃脚周围的0.5～1.0m宽的土堤，避免造成刃脚四周砂土不均匀流失，从而防止发生偏斜、突沉等问题的发生，保证沉井按垂直导向下沉。

2.4中硬到硬的砂性土

该土层主要特征是较硬和含砂量比重大，土的水渗透系数比较的大，沉井下沉到了该土层，距离下沉到设计标高的距离差不多就在3.0米左右，一要注意下沉的标高要满足设计的要求，二要防止下沉过程中出现管涌造成周围沉降过大危及到周围的建筑和临近的道路交通。因此，在下沉取土过程中，必须始终保持井内外压力平衡；在井筒下沉接近砂层时，往井内灌水，保持井内水位高出井外水位1～2 m，即不排水下沉。

从地质资料分析，个别井的地质下沉较早的进入到砂层和透水层，为防止在下沉过程中出现管涌和纵沉困难，利用触变泥浆作为沉井下沉施工的技术措施，拟通过井壁内布置管路压注触变泥浆，在井壁周围形成一层泥浆套，使沉井在下沉过程中与周围的土体隔离，达到减小阻力，从而增加沉井的下沉系数，加快下沉的速度，也防止周围的砂涌入井筒内，造成周围土体下沉。

3.沉井下沉控制

3.1下沉观测

沉井位置的控制是在圈梁上设置十字控制桩、水准基点。下沉时，在井壁上用白色油漆刻画出四个下沉刻度线，各吊垂球一个，对准下部标志板来控制。井的四周和附近设置8个沉降控制点，以观测沉降，并定时用两台经纬仪进行垂直偏差观测。

挖土下沉时随时观测垂直度和记录下沉数据，当垂球离墨线边达50mm 或四面标高高差超过规范时，应立即纠正。当沉至离设计标高2m时，对下沉与挖土情况应加强观测，以防超沉。

3.2下沉速度控制

根据土质和现场的实际情况，一般的土层都用履带吊车配抓斗取土下沉。开始从中间向四周逐渐开挖，并始终均衡对称地进行，每层挖土厚度为 0.4～1.5m。当土垅挡不住刃脚的挤压而破裂时，沉井便在自重作用下破土下沉，削土时应沿刃脚方向全面、均匀、对称地进行，使均匀平衡下沉。

下沉中，若遇到地下障碍物、砂砾石或硬土层，当土垅削至刃脚，沉井仍不下沉或下沉不平稳，这时用人工对称地将刃脚下掏空，掏出障碍物，每段挖完后用砂回填，这样可使沉井因均匀地减少承压面而平衡下沉，以不至于发生沉井下沉的倾斜。

在沉井开始下沉和将沉至设计标高时，一定要注意下沉的速度和沉井的倾斜度，尤其在开始5m以内下沉时，其平面位置与垂直度要特别注意保持正确，否则继续下沉不易调整，在终沉离设计深度20cm 左右应停止取土，依靠自重下沉或者加载下沉至设计标高。

3.3下沉纠偏

沉井下沉过程中，有时会出现倾斜、位移及旋转等情况，应加强观测,及时发现并采取相应得措施纠正，产生倾斜的可能原因有：

 刃脚下土质软硬不均；

 混凝土垫层未对称破除；

 沉井在下沉过程中发生不利的突沉；

 下沉过程中遇到地下障碍物；

 下沉挖土不均匀，使井内泥面高低悬殊；

 刃脚下掏空过多，使沉井不均匀下沉；

 排水下沉，井内一侧出现流砂现象；

 不排水下沉，井内的水压小于井外水的压力，井内出现管涌；

 施工荷载对沉井一侧产生偏压。

对于沉井的倾斜，首先分析倾斜的原因，然后采取可行方法纠偏，若沉井下沉的深度不是很大而发生了倾斜，可采取偏心挖土，即在刃脚较高一侧加强挖土并可在较低的一侧回填适量砂，必要时配以井外射水、千斤顶、止沉牛腿或偏心压载，都可使偏斜得到纠正。待其正位后，再均匀分层取土下沉。

位移产生的原因多由于倾斜所致，如在倾斜情况下下沉，则沉井向倾斜相反方向位移，或在倾斜纠正时，如倾斜一侧土质较松软时,由于重力作用，有时也沿倾斜方向产生一定位移，因此预防位移应避免在倾斜情况下下沉。因纠正倾斜重力作用产生的位移，可有意向位移的一方倾斜后，使其向位移相反方向产生位移纠正。

3.4终沉到位

该工程沉井最大的难点是沉井的终沉，因为地质极其复杂和分布不均匀，当沉井要下沉到设计标高时，当沉井沉到设计标高，经2～3天 ，下沉已稳定，在8h内累计10mm时，即可进行沉井封底。

4.结束语

1）本工程由于沉井距离建筑物近，交通繁忙，地下障碍物较多，软土层深，承载力低，摩擦系数小，硬土层含砂量大，渗透系数大等特征。在施工一个井前要充分考虑各影响因素以采取有较的技术措施，防止采取不必要的工序。

2）沉井的下沉主要还是依靠井内挖土下沉，故在下沉过程中，下沉要连续，间隔时间不要太长，因为井外侧阻力间隔时间越长越大，待要下次再次启动下沉时，会导致井内取土过多，耗时长，对下沉和接高都是不利的。

3）沉井下沉比较理想的下沉系数为1.3，若偏大过多，下沉极易出现突沉、下沉速度过快、发生倾斜和位移等难以控制的现象。为此采取加大预留沉井的高度、向井内回灌水和在沉井井壁上布置止沉牛腿等技术措施，防止突沉带来的危害起到了较好的作用。

4）排水下沉和不排水下沉应适时转换，不排水下沉应时时保持井内的水面标高，在砂层中若外面的水压大于井内的压力很容易发生管涌以致沉井发生倾斜和地面过大的沉井。

注：文章内的图表及公式请以PDF格式查看