壓入式鋼殼沉井施工工藝及其在工程中的應用

楊子松 王?？?姚人杰 張哲彬 尤士杰

上海市基礎工程集團有限公司 上海 200433

市政管網更新或翻排時，往往需新建一些小型基坑，用作頂管施工的工作井。通常這類基坑不深，面積也不大，但設計要件并不會因規模小而減少。在蘇浙滬等軟土及地下水豐富地區，此類小型基坑也得設置支擋和止水結構，各類工序都必不可少，也會有基坑開挖帶來的土體變形等弊端。這類問題已有較多論述，不再說明。尤其在城區，通常的基坑工程將對周邊管線、交通及環境帶來影響，有時連作業場地都受到較大影響。如何在核心城區快速、綠色地建造此類小型頂管工作井是一個現實的課題。

沉井是一個可選方案[1]，對于在核心城區這一施工邊界，混凝土現澆沉井分節現澆、養護、下沉，工期較長，對周邊環境壓力較大，并不適用。為解決現場現澆工期較長的問題，實踐中已經出現預制裝配式沉井。比如整環預制并在環間設置預應力連接的混凝土沉井[2]，或豎向整片預制并在片間設置連接的混凝土沉井[3]。進一步，不僅環與環、片與片之間預制拼裝，整體分片拼裝的混凝土沉井也已有工程實例[4]。另外，為了進一步優化井身受力，減少井身尺寸，可以將鋼筋混凝土預制件優化為鋼-混凝土預制件[5]。以上裝配式沉井解決了現場施工工期或場地的問題，但不能有效地解決沉井下沉對周邊環境的影響，特別是周邊存在敏感管線時。壓入法沉井[6]可以輔助沉井下沉并控制井身垂直度，進而減少對周邊環境的影響。

為解決城區沉井現場實施工期、場地及環境影響的限制，本文將介紹一種新的小型工作井建造工藝，利用壓入法將鋼板預制件形成的分節井身快速壓入，以形成受力和止水構造。

1 壓入法鋼殼沉井工藝

為減少沉井下沉對周邊環境的影響，井身尺寸要足夠小，所以選擇鋼板做井身。為了保證基坑整體穩定，井身做成圓形以充分發揮拱效應。為方便運輸及現場堆放，圓形鋼井身可以分節、分片，環及片間直接焊接以形成整體。為保證井身下沉的垂直度，選擇用壓入法下壓。鋼殼沉井下沉到位后，是否封底、如何取土等都是通常沉井施工的內容，可根據水文地質條件選用，不在本文討論之列?？傮w工藝為：場外加工及場內準備→單環現場拼裝成整體→第1環就位→依次進行前i環拼裝→安裝下壓系統，前i環下壓→拆除下壓系統，將第i＋1環與第i環進行拼裝→依次進行前i＋j環拼裝→重新安裝下壓系統，前i＋j環下壓→重復上述過程，至鋼井身全部下壓入土。

施工中各類處置方式可視具體情況來決定。分節高度和一環分片數量可以根據運輸及現場堆放場地確定；下沉中可根據下壓力考慮注入減摩泥漿等措施；降水方案及鋼殼沉井底部是否用注漿封底可根據水文地質條件確定。另外，根據鋼殼沉井是否作為永久結構的一部分，可采用隨挖隨撐或結構逆筑、順筑的方案。此類問題不再贅述。

從以上工藝流程中看，相對于常用的灌注樁＋止水帷幕基坑，壓入法鋼殼沉井優勢明顯。首先，現場作業時間大大縮短；其次，現場不需要三軸攪拌樁等大型設備，作業場地??；再者，總造價減少，一層鋼殼既能形成止水能力，也能與支撐一起形成穩定的基坑圍護。這對核心城區基坑施工有著明顯社會和經濟價值。工藝在實踐中還需驗證：整個體系能否在開挖之后保持受力穩定，周邊土體變形能否控制在可承受的范圍內？

2 沉鋼殼井設計及計算

從鋼殼下壓過程來看，這是一個沉井工程。從所處的環境看，這又發揮著基坑工程的作用。從沉井角度看，薄壁鋼殼與混凝土厚壁沉井有較大區別。從基坑角度看，平面整體圓形基坑與通常的平面矩形基坑單位寬度驗算也有著不同。GB 51130—2016《沉井與氣壓沉箱施工規范》（規范1）、CECS 137—2015《給水排水工程鋼筋混凝土沉井結構設計規程》（規范2）、JGJ 120—2012《建筑基坑支護技術規程》（規范3）中相關驗算內容及對策如表1所示，“√”代表需驗算，“—”代表不需驗算。

表1 鋼殼沉井設計及驗算內容

從表1可知，考慮鋼殼沉井的特殊性，應重點考慮井身強度和剛度。從基坑工程角度看，沉井的插入比相對較小，滲流穩定性、基坑土體隆起、圍護整體傾覆穩定性的安全系數較小甚至不合格，需采取施工措施來滿足。對于滲流穩定性，可考慮在施工期間安排降水；對傾覆穩定性的計算，要認識到，基坑工程中是以圍護單位寬度作計算單元來計算，要在插入比較小的情況下考慮傾覆性問題，可考慮鋼殼沉井整體圓形井身對安全系數的提高；對于坑底隆起穩定性，如果插入比較小，原則上可考慮水下開挖并封底，但此方法將極大地限制工藝使用范圍。驗算中可考慮壓入法下沉所形成的土塞對坑底隆起安全性的提高，當然土塞效應還有很多參數需要進一步明確，實際應用中還是通過限制沉井平面尺寸來保證坑底隆起安全性。

3 工程應用

上海主干道周家嘴路梧州路—新建路段兩港截留總管改排，主線采用頂管法，設頂管始發井1座，內凈徑8 000 mm，設頂管接收井2座，內凈尺寸為5 000 mm×8 000 mm。工作井均采用鉆孔灌注樁＋止水帷幕的圍護。其中始發井位于商丘路上，采用φ600 mm灌注樁＋φ800 mm@500 mm雙排高壓旋噴樁，設2道鋼筋混凝土支撐，基坑深8.5 m，坑底設厚3 m滿堂坑底加固。場地周邊地上、地下管線復雜，交通改排困難且對時長有較高限制?；谧鳂I環境，設計了壓入法鋼殼沉井工藝，將大部分的工作放在場外。

地質為上海地區典型軟土，沉井影響范圍內的土層主要包括：①1填土、②1粉質黏土、③1淤泥質粉質黏土、③t黏質粉土夾淤泥質粉質黏土、③淤泥質粉質黏土、④淤泥質黏土、⑤黏土。地下水位在地表下3 m。通過試算，鋼殼采用Q235鋼，沉井內徑為6 m，外徑6.056 m，壁厚28 mm。井體結構高度12 m，刃腳高3.5 m，井身分6節，每節2 m，每節分3段以便運輸。

計算采用Midas/Civil 2017軟件建立整體模型進行計算。側壁面板、加勁板、鋼護筒采用板單元模擬，沉井鋼套箱入土部分，土與井壁接觸處考慮土彈簧約束連接。沉井鋼套箱下沉到位，套箱在自重、靜水壓力、土壓力作用下，為最不利工況。以水、土壓力荷載作用于鋼套箱上。鋼套箱結構為圓形，結構驗算時，考慮等壓荷載和50%偏壓荷載作用這2種不利工況。計算結果顯示，下沉系數無法滿足要求，需采取助沉措施。

需要說明的是，此鋼殼沉井基坑不滿足DG/T J08-61—2010《基坑工程技術規范》抗隆起穩定驗算6.3條?？紤]到一般基坑工程基底暴露時間相對較長，而此工程面積小且基底暴露時間短，實施中是直接開挖到基底然后使用混凝土迅速封底。

根據計算結果，設置配重，在地面設置2 000 mm×1 000 mm環梁鋼筋混凝土反力梁，梁內預埋埋件，用以安裝錨具。鋼殼頂部放置壓梁，壓梁為雙拼H700 mm×300 mm型鋼焊接體。通過4個穿心千斤頂提供下壓力。

鋼殼分2次下壓，每次3節共6 m，每3節現場焊接并下壓1次。鋼殼就位前，地面先下挖2 m，以清除表層障礙物。第1次下沉耗時205 min，行程2 361 mm，速度約為11.5 mm/min。第1次下壓到位后，拆除反力系統，然后焊接上部3節鋼殼并再次安裝反力系統進行第2次下沉。第2次下沉耗時320 min，行程5 448 mm，速度約為17 mm/min。

第1次下壓鋼殼摩擦力平均62 kN/m2，第2次下壓采用減摩泥漿后鋼殼摩擦力可減少到6 kN/m2。

4 施工監測

壓沉期間進行了自動化監測，監測設備布置如圖1所示。因監測數據較多，對重要監測數據闡述如下。

圖1 沉井主體監測布置示意

周邊土體分層沉降采用多點位移計監測，設2孔，孔深12 m，每孔測量地表下3、6、9、12 m累計沉降量。其中，1孔的數據如圖2所示。

圖2 土體分層沉降

從圖2可知，土體沉降總體量級很??；3 m深度處受地表施工活動影響，規律性較差；6、9、12 m處量級都未超過1 mm且變化趨勢趨同；在下壓的1月2日及1月11日，土體呈上臺趨勢，隨后都有不同程度的回落。另外，地面也安排了靜力水準監測，但測量值最大也僅僅為0.05 mm，與儀器誤差量同量級，只能說明變化量微乎其微，故不列此檢測值。在土體中靠近鋼殼處埋設了2個軸的土壓力盒，埋深為3、6、9、12 m，數據如圖3所示。

圖3 土壓力

從圖3可知，3 m深處土壓力受地表施工影響顯著，a軸3 m處數據規律性較差；下壓過程中土壓力都有顯著上升，土層越深上升幅度越大，12 m埋深處觀察到約3.5倍上升，但隨后都有回落的趨勢；鋼殼下切亦能導致土壓力提高，2軸在第2次下壓過程中不同標高處都表現為土壓力劇增，但下壓向下影響的范圍似有限，在a軸，第1次下壓中9 m并沒有發生6 m處壓力增加的現象。

圖4是2個水位觀察孔水位變化情況，由圖4可知，下壓會導致周邊孔壓增高，導致水位孔水位增加。增加量需要2～5 d才能消散完成。水壓增加量相對土壓增加量小得多，按照水位最大增加280 mm計算，也僅為28 kPa。

圖4 鋼殼邊水位變化

圖5是1個孔中深層土體水平位移值，可知水平位移值很小，最大也僅達1.3 mm，位移較大值集中在6～9 m區域。不過因鋼殼開挖前外側需實施頂管洞口加固，開挖期間內未能持續監測到數據。不過從感官可知，沉井基坑無較大變形，地面無開裂。

圖5 深層土體水平位移

實施中還安排測量壓梁及鋼殼應力，都遠未超過允許值，在此不再贅述。

5 結語

1）可通過其他方式提供下壓力，比如通過可能設置的永久抗拔樁作為錨樁來提供下壓力，或者采用振動法振動下沉。

2）驗算中要注意，鋼殼較輕，下沉系數較小。另外，從基坑角度看，鋼殼沉井插入比小，滲流穩定性、傾覆穩定性、坑底隆起穩定性的安全系數較小，要注意各類施工措施的配備。比如采用降水來提高抗滲流穩定性，通過提高圓形沉井整體的強度及剛度來提高抗傾覆穩定性，通過沉井刃角分倉或限制沉井整體平面尺寸來提高坑底抗隆起穩定性。

3）通過監測數據分析，鋼殼沉井下沉期間完全能保證周邊土體及環境的安全，相較井壁較厚的混凝土沉井，鋼殼沉井有著無可比擬的優勢。后期開挖也取得成功。若要提高開挖期間安全性，可考慮逆作法的工藝。