沉井结构在平面不规则污水提升泵站中的应用研究

熊勃 刘帅花

(1.安徽省城建设计研究总院股份有限公司华南分公司 广州510651;2.广州嘉联工程技术咨询有限公司 511300 )

引言

沉井是一种在地面制作,通过除去井内土体的方法使之下沉到地下某一深度的井体结构,是一项古老掘井作业发展而来的技术。沉井的埋深可以较大,而且整体性强,稳定性好,有较大的承载面积,可以承受较大的垂直荷载和水平荷载,且沉井既是基础,又是施工时的挡土和挡水构筑物,下沉过程中无须再设置支护系统,简化了施工[1]。鉴于其在建造地下构筑物或深基坑中的优越性,随着施工技术及施工机具的不断发展而获得越来越广泛的应用[2]。污水提升泵站一般平面尺寸不大,但通常埋置较深,一般的做法是参照民用建筑的基坑做好基坑支护然后再施工泵房结构,往往基坑支护的造价占比超过主体结构,由于泵房平面尺寸与一般民用建筑相比较小,可以通过一些技术手段将泵站做成沉井结构,沉井结构既作为泵房的基础又兼作泵站的基坑支护结构,既缩短了工期,又大大节省了投资。本文通过广州市某污水提升泵站的沉井结构进行应用分析。

1 工程概况

长洲岛污水提升泵站位于广州市黄埔区长洲岛西北部,安新街的北部,该泵站负责将整个长洲岛片区面积853.5hm2的污水进行收集,纳污范围内的污水经管道重力流入污水提升泵站,污水通过泵站提升后经过江管进入琶洲七号泵站,最后进入沥窖污水处理厂进行处理。泵站实际占地面积约2839.5m2,根据地质报告,本工程地层从上往下主要为:

(1)素填土层①-1: 本层分布广泛,各钻孔均有揭露。杂色,稍湿,松散,主要由粘性土、中细砂及碎石块组成,厚度约1.5m ～2.5m。

(2)粉质粘土②-2: 红黄色,灰黄色,湿,可塑,局部硬塑,含较多细砂,厚度约1.5m ～3.3m。

(3)砂质粘性土④-2: 灰黄色,红黄色,稍湿,硬塑,遇水易软化崩解,为混合岩风化残积土,厚度约1.50m ～4.9m。

(4)全风化混合岩⑥-1: 灰黄色,岩石风化剧烈,岩芯手可折断,遇水易软化崩解,岩芯呈坚硬土状,厚度约3.0m ～4.0m。

(5)强风化混合岩⑥-2: 灰黑色,灰黄色,岩石风化剧烈,岩芯手可折断,遇水易软化崩解,岩芯呈半岩半土状,厚度约9.0m ～10.30m。

(6) 中风化混合岩⑥-3: 灰黄色,灰白色,中细粒结构,块状构造,岩石较坚硬,较新鲜,击之声较脆,岩芯呈块～短柱状,厚度约2.50m ～3.0m。

本场地地表水主要为其南侧的沥窖水道、北侧的官洲海以及中部的深井涌,与珠江水相通,水位和流量受珠江水影响十分明显,并随季节性变化而变化。场地地下水埋藏较浅,按赋存介质类型分为砂层孔隙水、基岩裂隙水两种类型,孔隙水主要赋存于人工填土层中,富水性较好,水量较丰富; 裂隙水主要赋存于震旦系混合岩之裂隙中,场地稳定水位埋深介于0.50m ～6.30m 之间,并随着珠江河潮汐变化而变化。抗浮设计水位按室外地面标高计算。

2 设计方案

污水提升泵站长24.5m,宽4m ～11.9m,深度约12m,泵站呈不规则矩形,由于泵站埋深较深,且现场地质条件复杂,地下水位较高,填土层中含水量较丰富,且临近珠江,对明挖基坑施工不利,故泵站初拟采用1m 厚地下连续墙+钢管内支撑的基坑支护形式进行开挖。为了尽量节省造价和工期,可将地下连续墙兼作泵站的外壁结构,在连续墙的内侧做一350mm厚的内衬墙,如图1 所示。

图1 泵站基坑支护示意(单位： mm)Fig.1 Schematic diagram of foundation pit support of pumping station (unit: mm)

若采用该方案,则泵站墙体厚度达到1.35m,且由于基坑深度达到12m,采用连续墙支护需要一定的嵌固深度,基坑造价将较高; 且由于基坑不规则,基坑内不便于设置钢管内支撑的换撑结构,将大大影响施工进度,进而影响整个项目的顺利推进。

综合以上分析,采用地下连续墙支护的结构并非本工程的最优方案,为提高施工速度,减少工程造价,可考虑将支护结构与主体结构合二为一(即将基坑支护结构兼作泵站的外池壁),而采用沉井则可较顺利地解决该问题,同时,为了便于沉井施工,可将泵站形状改成较为方正、规则、对称的日字形,先施工沉井结构,并在沉井上预留内隔墙的钢筋和接口,待沉井施工完毕后再施工井内的内隔墙,可大大提高施工的便捷性,并降低了造价,沉井结构如图2 所示。

根据地质报告显示,除上层填土层外,本工程地层大多为不透水层,且全风化～强风化混合岩揭露较浅,周边环境较好,邻近无重要建(构)筑物,为方便施工,本沉井采用排水法下沉,沉井分节制作,一次下沉。沉井施工完毕且混凝土达设计强度后开始顶管施工,待顶管施工完毕,场外管道接入泵站后开始内隔墙施工,内隔墙施工完毕最后施工泵站顶板结构等其余附属结构。

3 计算分析

沉井结构计算分析主要包括下沉分析、下沉稳定性分析、井壁计算分析及刃脚计算分析等。采用沉井方案的重(难)点在于其能否顺利下沉及下沉稳定性的分析,根据相关规范及文献[3～5],沉井的下沉系数须≥1.05,下沉稳定系数须在0.8 ～0.9 之间。井壁及刃脚的计算分析仅做简略说明。

图2 沉井泵站平、剖面示意(单位： mm)Fig.2 Drawing of horizontal section of open caisson pumping station (unit: mm)

3.1 下沉系数计算分析

式中:kst为下沉系数;Gik为沉井自重标准值(kN);Ffw,k为下沉过程中的浮托力标准值(kN);Ffk为井壁总摩阻力标准值(kN)。

由于沉井采用分节制作,一次下沉工艺,根据地质报告,地层情况基本为上软下硬,故分别验算沉井下沉至5m 时及下沉至10m 时的下沉系数。

1.当沉井总节下沉至5m 时

采用排水法下沉,Ffw,k=0,Gik=27751kN。根据周边钻孔显示,地面下5m 土层为素填土(1.5m 厚)、粉质粘土(2m 厚)及砂质粘性土(2m厚),其单位侧摩阻力标准值fk根据沉井设计规程分别取25kPa、25kPa 及40kPa,其fk加权平均值为30kPa,沉井周长U=75.4m。则:

kst=(Gik-Ffw,k)/Ffk=27751/3960=7.00 ＞1.05,下沉系数满足要求。

2.当沉井总节下沉至10m 时

根据周边钻孔显示,地面下5m ～10m 地层为全风化混合岩(3m 厚)及强风化混合岩(10m厚),由于规范对该类地层的侧摩阻力标准值无明确规定,故参照地质报告的桩侧摩阻力特征值对该两种土层的fk值分别取为50kPa 及60kPa,fk加权平均值为54kPa。则:

kst=(Gik-Ffw,k)/Ffk=27751/25907=1.07 ＞1.05,下沉系数满足要求。

从以上计算结果可以看出,当沉井下沉至5m 时,下沉系数较大,下沉较快,应继续分析其下沉稳定性,当沉井继续下沉至地面下10m时,下沉系数也能满足要求,但考虑到此处地层情况基本为强风化混合岩,摩阻力较大,应酌情考虑采取注浆减摩措施。根据泵站后续施工过程来看,在下沉至地面下10m 处时没有采取注浆减摩措施沉井亦能顺利下沉,说明按地质报告参考的侧摩阻力标准值稍稍偏大,但基本能反应其真实摩阻力,可以参照使用。

3.2 下沉稳定计算分析

当沉井下沉系数过大,或遇到淤泥等软弱土层时,须验算下沉稳定性:

式中:kst,s为下沉稳定系数;Rb为沉井刃脚、隔墙和底梁下地基土的极限承载力之和(kN)。

地面下5m 处为砂质粘性土(硬塑),沉井规范没有给出此种地层的极限承载力标准值参考数据,根据地质报告,该地层的承载力特征值为220kPa,取其地基土极限承载力为440kPa,则:

外围壁板地基土极限承载力:

中间壁板地基土极限承载力:

故Rb=28151kN,当沉井下沉5m 时,kst,s=(27751 -0)/(3960 +28151)=0.86 ＜0.9

下沉系数已经接近规范允许的限值0.9,初步判断5m 内沉井下沉将偏快,但由于下沉系数还在规范允许范围之内,可先不采取纠偏措施并密切监测沉井变化。在实际施工过程中,在下沉至地面下5m 时,沉井下沉速度稍快,但在没有采取处理措施的情况下仍然能保证其下沉稳定,说明根据地质报告采用的极限承载力数值基本能反应其真实情况。若下沉系数计算值超出规范允许限值,应采取有效措施控制沉井下沉速度,如用木垛在定位垫架处给以支承,并严格控制挖土范围,在刃脚下不挖或部分挖土,同时严格按对称施工,并加强施工监测,防止沉井偏斜。

3.3 井壁计算分析

沉井在施工阶段是无底无盖的筒状结构,因此井壁结构计算通常截取单位高度的一段作为平面框架结构进行计算。沉井各部位的截面及配筋,应综合各阶段最不利的受力状态进行验算,此处选取沉井刃脚部位以上1m 进行平面框架结构计算,其计算模型和弯矩图如图3、图4 所示。

图3 沉井平面框架计算简图Fig.3 Calculating sketch of plane frame of caisson

图4 沉井平面框架水平弯矩Fig.4 Horizontal moment diagram of planar frame of caisson

沉井在使用阶段时,可将井壁按双向板(三边固定,一边简支)逐个计算,或者将整个构筑物整体建模计算,综合考虑平面框架计算结果以及双向板计算结果可以得出沉井井壁的配筋。

3.4 刃脚计算分析

刃脚处应按最不利工况计算其竖向内力及水平内力,刃脚的竖向内力分为刃脚的向外弯矩及向内弯矩。刃脚的向外弯矩为沉井初沉时,刃脚下部承受较大的正面及侧面阻力,而井壁外侧土压力并不大,此时刃脚根部将产生向外弯矩; 刃脚内侧弯矩为沉井下沉至最后阶段,刃脚下的土全部挖空,此时刃脚根部水平截面上将产生较大的向内弯矩。刃脚水平内力应考虑刃脚入土时,由于斜面上的土反力产生的横推力在转角处使相互垂直的刃脚产生的拉力。本工程刃脚配筋如图5所示。

图5 沉井刃脚配筋图(单位： mm)Fig.5 Reinforcement diagram of caisson cutting edge(unit: mm)

4 施工注意事项

1.本工程沉井采用排水法下沉,沉井分节制作,一次下沉,故沉井下沉前应做好截排水措施,应在沉井井壁外侧一定距离打设搅拌桩止水帷幕进行止水,沉井混凝土强度达到设计强度95% 以上时方可下沉。

2.明确施工顺序,在井壁与内隔墙相交处预留凹槽和钢筋,以便内隔墙二次施工时候与之有效连结。沉井制作时应按各专业要求预留孔洞,不得后凿,并在下沉过程中用钢板对孔洞进行封堵。

3.沉井下沉过程中应控制下沉速度,随时注意纠偏,应采用挤土下沉,不得随意掏空刃脚,挖土应均匀、对称,采取有效措施保证沉井平衡、均匀和稳定下沉、防止突沉; 沉井下沉时要监控井壁及内隔墙(框架)的不均匀沉降值,防止混凝土开裂,沉井初沉、终沉阶段应增加观测次数,下沉完毕后应对平面位置、终端标高、结构完整性、渗水、裂缝等作全面检查。沉井施工现场如图6 所示。

4.沉井下沉完毕后,在沉井与原状土之间注浆填满空隙。

图6 沉井施工现场Fig.6 Construction site photos of open caisson

5 经济性分析

本工程泵站若按常规方式先做基坑支护结构再做泵站主体结构,则由于现场地形及地质条件限制须采用地下连续墙结构,该支护结构整体造价约570 万元,由于地下连续墙仅作为基坑支护的临时结构使用,若再加上作为永久结构使用的内衬墙的造价约45 万元,则采用该种结构形式的总造价约615 万元,而本工程通过一系列技术手段最终确定采用了沉井形式,其工程造价约为360 万元,比采用常规基坑支护形式节省造价约255 万元,说明沉井结构相较于基坑支护结构经济性优势较为明显。

6 结语

本工程泵站施工按设计指导顺利完成,比预定的工期提前约30 天完工,目前该泵站已投入运营,效果良好。该泵站为广州地区大型污水提升泵站采用沉井结构的首个案例,产生了很好的社会效益和经济效益。本工程的成功实施可为同类型的污水提升泵站提供以下可供借鉴的经验:

1.污水提升泵站一般为不规则形状,不适合采用沉井形式施工,但可将泵站形式做适当改进,使其变成对称的矩形,则非常适合采用沉井形式,若沉井跨度较大,则可在中间增设隔墙。

2.泵站施工顺序一般为先施工沉井,后施工顶管,再施工内隔墙,最后施工泵站顶板结构等其余附属结构。

3.沉井根据周边环境及地质情况可采用排水法或不排水法下沉,下沉过程中应着重验算其下沉系数及下沉稳定系数,当下沉困难时可采用注浆减摩等措施,当下沉过快时可采用支承木垛及控制挖土范围等措施。