沉井因具有整体性强、稳定性好、节材效果佳、场地适用条件广等优点, 在桥梁及市政工程中得到广泛应用。沉井基础适用于表层地基土软弱、无法承受较大荷载、一定深度下的土层持力较好以及地面空间狭小能够充分利用地下空间的情形。目前沉井工艺已经得到广泛应用, 如20世纪90年代建成的江阴长江大桥北锚碇沉井基础^[1,2], 平面尺寸为世界之最的南京长江四桥北锚碇沉井基础^[3,4,5]以及沉井基础在泵房和水电站^[6]的应用。沉井多集中在野外空旷地作业, 要求场地开阔, 地形平坦便于施作。但本项目是为了缓解停车位资源紧张的现状, 拟在靠近市区的位置建1个地下机械智能车库, 面临施工场地狭小、工期紧张、施工精度要求高、需降低对周围居民的干扰等诸多问题。在此基础上, 采用了预制拼装的施工工艺, 本文从沉井的制作、吊装焊接以及沉井下沉探讨其施工特点, 并提出一种简单的监测沉降方法, 结合监测数据指导沉井顺利平稳下沉到设计标高。

福建省某小型机械智能停车库, 总用地面积2 333.05m², 井筒整体为圆形, 沉井内径20m, 外径22m, 下沉到设计标高时, 顶部相对标高-1.100m, 刃脚底部相对标高-16.200m。车库分为地下5层, 每层10个车位, 可同时容纳50辆车;地上1层, 设计为进出口。本工程开挖深度17.05m, 属于超过一定规模的危险性较大的深基坑工程, 同时采用预制拼装工艺, 场外集中预制井段, 主要预制底部刃脚和标准节2种模块。根据尽量减少接缝、满足运输条件、吊装方便的原则对沉井进行拆分。井筒共分为6层, 每层10块, 每块所占圆心角为36°, 第1层刃脚层高3.5m, 其余5层标准节高均为2.32m, 单井共10块刃脚, 50块标准节, 刃脚单块重约30t, 标准节单块重约14t (见图1) 。

福建属东南沿海省份, 是典型的海洋性气候, 受季风的影响非常明显, 年平均降水量大, 拟建地址原始地貌属滨海滩涂地带, 地下水资源丰富。根据地质条件, 选择降水明挖法作业, 以及时对突发情况做出预警判断。首先在沉井外壁外侧1.5m位置施工1圈三轴搅拌咬合桩作为止水帷幕, 桩径850mm, 桩长20m, 然后在沉井与止水帷幕之间设置6口降水井, 提前降水, 预防开挖至砂层等位置出现流砂、突涌等现象。

在预制厂集中预制井段, 在现场进行拼装焊接, 2个班组根据现场的进度要求及时沟通协调施工, 在现场吊装拼接、浇筑内腔混凝土以及挖土下沉期间, 预制厂预制工作同时进行, 以节省工期。预制采用分块的可拆卸钢模, 尤其是对于预制块内外壁之间的横撑等非同一平面的构造来说, 这样对于尺寸的把握会更加精确且拆卸方便、容易清洗、减少模板用量、提高模板的利用率。在满足进度要求和节约材料的前提下, 共加工刃脚2套侧模+4套底模, 标准节4套侧模+8套底模。预制块采用C40P8混凝土, 配合比设计以8~10h拆模时间为主控, 蒸汽养护17h达到75%强度起吊, 自然养护24h达到75%强度起吊。浇筑时在外模上安装4~6个附着式振捣器, 充分振捣, 以提高混凝土密实度和浇筑质量。因为沉井需要拼装焊接, 所以对整体尺寸、接缝部位等细部的平整度和精度要求也更高。预制块采用空腔的形式, 由内外壁以及中间的2根横撑构成, 减轻了预制块的质量, 方便运输和吊装拼接, 且筒身高度不大, 施工过程中便于控制。在沉井出现倾斜的情况下可以通过吊装拼接较高一侧预制块的方式来加载纠偏。预制时提前埋置好预埋件, 在每一预制块的外侧周边接缝位置埋置钢片, 以供后期现场拼装焊接。

刃脚拼装是整个沉井下沉的关键工序, 必须对刃脚的环状线型、块间拼缝、水平高度、偏位误差严格控制。吊装标准节时, 用支撑钢管定位保证每块标准节能够与周围的块段拼接严丝合缝, 每层相对于下一层逆时针转动12°, 错开接缝位置, 防止整体开裂, 保证筒身的整体性。外侧焊接竖向和环向连接钢板接缝, 然后施作钢板外防水保护层。安装竖向和环向的连接钢筋时尤其在接缝处增大钢筋密度并以箍筋连接进一步提高井筒的整体性和强度, 循环完成1层所有标准节的施工直至合拢, 浇筑C30P8自密实内腔混凝土 (浇筑至构件顶面下0.5m) , 挖土下沉。

“多次制作、多次下沉”即制作1段、拼装1段、下沉1段, 每层预制块拼装焊接完成浇筑内腔混凝土后, 开始挖土下沉。土方开挖按照对称跳开开挖的原则, 根据预制块数量将沉井划分10个区间, 分5次对称开挖。严禁连续在刃脚周圈大面积开挖。每次挖井深度控制在30~50cm。每层预制件顶面下沉至距地面0.5m高位置停止挖土作业, 以方便吊装拼接和施焊工作。沉井下沉至设计标高8h内下沉量累计≤10mm后清底, 排干水进行沉井封底, 刃脚底部沉至相对标高-16.200m, 井底圆心处挖至相对标高-17.050m, 呈碗状。

由于侧摩阻力较大, 沉井下沉过于缓慢或出现停沉现象, 提前在沉井内腔预埋钢制泥浆套管, 高压注入泥浆润滑侧壁与土层的接触面, 增加土壤含水量, 降低土壤密实度, 减小侧壁摩阻力。由于土质软硬不均、挖土不均、刃脚下非对称开挖、井内涌砂等现象, 沉井会产生突沉以及较大倾斜, 采用反挖法、压重法纠偏;在水平位移纠偏中, 通常采用在较高一侧刃脚集中开挖, 沉井单侧下沉, 将挖出的土预先堆放到另一侧并尽量挤压密实以增大其对沉井侧壁的摩阻力减缓低侧下沉速度, 回正至水平之后继续开挖原位置使原先较高的一侧下沉为较低的一侧, 略低20~30cm (相当于故意让沉井略微倾斜) , 主要目的是复位中轴线, 防止中轴线的偏位过大。待一侧开挖完成, 再开挖相对一侧, 让沉井慢慢移动, 使沉井回正, 即反挖法。压重法主要是利用沉井分块的优势, 在停挖间歇, 在高的一侧率先拼装2~3块, 每块标准节14t, 利用其自重下压助沉。实践证明, 压重法有一定效果, 效果明显与否与土质有很大关系。

为有效控制施工过程中的各种不利因素, 确保沉井下沉过程中结构的安全, 保证沉井能够平稳顺利下沉到设计标高并与后期施工工序顺利衔接, 不产生太大的误差导致设备无法安装, 对沉井的竖向位移以及偏位情况进行严密监测^[7], 及时将监测数据反馈给施工方以指导沉井下沉及土方开挖。

在刃脚层拼装合拢后, 从1号轴线开始按照逆时针方向在井壁外侧四分点处每隔90°布置1个位移测点, 分别为1-1点、1-2点、1-3点、1-4点, 主要根据现场基准点的空间位置及施工场地状况布置。基准点一共有3个, 基准点1的位置和高程由设计单位提供, 基准点2, 3引自基准点1, 引点的时候由2人分别观测, 每人测3次取均值, 并定期对基准点进行校核以确保测量结果的精确性, 位置选取以方便观测为宜。通过基准点1测量测点1, 2的高程, 基准点2测量测点3的高程, 基准点3测量测点4的高程, 具体布点位置如图2所示。测量仪器为水准仪和竖尺。首先测出测点初始高程h₁, h₂, h₃, h₄, 然后测出测点随沉井下沉后的高程, 求其与初始高程的差即得到下沉量。待每层沉入土后, 布置在下层的测点便不可见, 提前将4个测点沿竖直方向提升一定高度, 布设在上一层井壁外侧, 分别为n-1点、n-2点、n-3点、n-4点 (n=2, 3, 4, 5, 6) , 将提升量记录在专门的表格中, 测出提升后4点的高程, 减去提升量即可得到1-1点至1-4点此时的高程, 求此高程和初始高程h₁, h₂, h₃, h₄的差就可得到下沉量, 循环使用此方法计算下沉量。沉井完全沉入地下之后测其顶部标高所得的对角点高差, 与采用此方法测得的结果误差不超过3cm。计算方法如下。

测点提升之前:

测点提升之后:

式中:H为累计下沉量;h_i为初始高程 (即第1次测得的高程) ;h_xi为提升后测点高程;h_t为累计的测点提升量 (即与第1次测点相比累计提升的高度) 。

由于预制进度相对下沉速度稍微滞后, 沉井的下沉大致分为3个阶段:第1阶段下沉经历了12d, 下沉了6.88m, 沉井经过的土层为杂填土和淤泥质土, 刚开始下沉的启动阻力较大, 破除地表硬壳花费时间比较长, 沉井的下沉速度缓慢, 待稳定后沉井开始以较快速度下沉, 单日最大下沉量1.5m;第2阶段下沉了4.62m, 经历11d, 这一阶段沉井经过的土层为中粗砂和粉质黏土, 阻力相对于第1阶段加大;第3阶段下沉4.25m, 经过的土层为粉质黏土和粗砂, 阻力较大, 前期下沉困难, 后面加快挖土速度, 采用泥浆润滑助沉, 最后1层标准层加载完毕井筒整体成型, 质量较大, 沉井在4d内下降了3.223m, 在接近设计标高时使其利用自身重力缓慢下沉, 最后沉到设计标高位置。沉井下沉曲线如图3所示。

通过测量沉井下沉高度, 以及对比测点1与测点3, 测点2与测点4的下沉高度差, 用沉降差来反映沉井周边4点的高度差, 以此指导土方开挖, 确保沉井平稳下沉, 如图4所示。

从图4可以看出, 沉井下沉初期因土质松软, 沉井的下沉不稳定, 测点的沉降高差常出现波动, 但是总体的高差维持在一个较小值。由于施工过程中的各种不确定因素, 到第12d, 测点1, 3和测点2, 4均出现了高差的最大值, 约为0.5m。即测点3比测点1多下沉0.5m, 测点4比测点2多下沉约0.5m。随后集中开挖测点1和测点2处土壤, 采用上述方法结合使用纠偏。但是由于地质条件复杂, 同一高度上土质不均导致纠偏过程复杂而缓慢。测点3的土质软弱层很厚, 在开挖测点1周围的土方时, 测点3一侧的筒体也会自然切土下沉, 所以测点3一侧的下沉高度在纠偏过程中几乎始终大于测点1, 也因为测点3处筒体的下沉速度大于测点1, 所以纠偏效果还是比较明显, 最终使沉井回正。在后期, 各点均度过软弱层之后, 下沉高度逐渐趋于稳定, 最终沉降差都被控制在5cm左右, 小于安全值0.5%D (D为结构物直径即22m) 。

1) 预制拼装施工工艺使沉井制作精度更高, 提高施工效率, 满足工期要求, 减少施工场地占有率, 对周围环境影响较小。

2) 预制块体采用中空的形式, 质量较轻, 方便运输, 在吊拼的时候也比较便利。分块的形式利于压重纠偏, 在土质较软的情况下, 纠偏效果显著。土质不均时, 较硬一侧下沉困难, 沉井出现不均匀下沉时, 反挖法结合泥浆助沉取得了显著效果。

3) 沉井接缝处的处理、竖向接缝的旋转错位拼装、内部接缝处加密钢筋网布置能够很好地保证沉井筒体的整体性。

4) 提出了一种较简单的监测沉降量的方法, 实践证明, 对于需要实时、快速提供数据指导的情况, 这种方法比较实用且精度较高。

5) 介绍了沉井通过不同土层的下沉速度及动态变化情况, 通过对角点下降的高度差这一变量严控沉井筒体的倾斜, 动态指导沉井开挖, 保证沉井平稳下沉到设计标高, 倾斜程度小于筒体直径的0.5%, 为类似工程提供借鉴。