大型沉井在深厚软土及复杂环境下的应用研究

欧松松，袁 杰

（珠海市规划设计研究院，广东 珠海 519000）

1 工程概述

1.1 工程概况

斗门区井岸城区生活污水处理厂提标扩容工程项目占地面积37 663 m2，首期污水厂现状规模为3.5 m3/d，本次提标扩建规模为4.5万m3/d。厂址位于珠海市斗门区珠峰大道南侧，华发水郡小区东侧，世荣作品一号小区南侧，紧邻醒狮涌东岸及黄杨河。其中，高效沉淀池（图1）大型沉井平面尺寸为30.9 m×29.4 m，沉井基坑深度约为11.3 m，地面标高为＋4.1 m，沉井刃脚底标高－6.0 m，沉井共分两次下沉，初次下沉5.0 m，二次下沉5.1 m，结构侧壁厚0.9 m。沉井下沉方式采用带水下沉施工工艺。

图1 高效沉淀池沉井现场平面图

本工程原设计高效沉淀池基坑采用排桩支护方案为“D800灌注桩+坑内大直径水泥搅拌桩加固”，排桩外侧止水帷幕采用连续咬合的D600水泥搅拌桩，现场已施工完成D800灌注桩和外侧止水帷幕桩。后考虑到新冠肺炎疫情的影响，工期滞后两个月，导致施工期处于汛期，且施工场地临近黄杨河，易遭遇雨季强台风，高潮位时存在河水倒灌入基坑的风险。同时基坑支护的内支撑一定程度会影响坑内土方开挖和主体结构支模浇筑的施工进度。施工方对类似规模沉井工艺经验较丰富，且先后已完建多座沉井。经专家论证综合评估后对本项目高效沉淀池基坑设计方案由“排桩支护”变更为“沉井施工”。

1.2 水文地质概况

依据本项目地勘报告，拟建场地原始地貌单元属滨海滩涂地貌，后经人工填平。现场地为污水处理厂用地，场内分布有现状建筑物（正常运营）、绿植及厂内道路，拟扩建的污水处理厂东北面为施工道路，西南面为鸡啼门海域，东南面为艾美酒店施工工地，场地整体地势平坦。

高效沉淀池沉井处地质土层自上而下依次为①素填土（黄褐、灰色，结构松散，密实度不均匀，未完成自重固结，层厚4.5 m）；②淤泥（灰、深灰色，含少量砂，饱和，流塑状，层厚30.0 m）；③2淤泥质粘土（灰、深灰色，含有机质，呈饱和，软塑状态，层厚8.3 m）；⑤1全风化花岗岩（为极软岩，岩石基本质量等级Ⅴ级，岩体极破碎，层厚1.9 m）、⑤2中风化花岗岩（灰白色～青灰色，中粗粒结构，块状构造，属坚硬岩，岩石质量等级Ⅳ～Ⅲ级，层厚2.5 m），沉井设计刃脚底标高位于②淤泥层中，地基土承载力特征值fak=40 kPa。

1.3 沉井周边环境概况

沉井基坑周边环境复杂，1~2倍基坑影响范围内均为现状建（构）筑物，距离北侧现状CAST生化池约14.9 m，距离西侧距离现状宿舍约7.2 m，东侧距离现状污泥脱水间约9.2 m。因本次提标扩建施工过程，需保证首期污水厂现状建筑单体正常运行不能中断，因此高效沉淀池沉井施工过程中需加强对现状建筑的保护和监测措施，避免对其造成破坏，影响污水处理厂的正常运行。

2 工程设计与施工难点分析

高效沉淀池沉井基坑周边环境复杂，场地淤泥和淤泥质土层平均厚度约40 m。如何解决沉井主体结构地基承载力和工后沉降问题；确保沉井能顺利下沉不出现超沉、突沉、倾斜及邻近建筑物开裂等问题；减小对周边环境的影响和软土层的扰动；成为了本次沉井基坑设计施工的重点和难点，以下为设计与施工难点分析。

2.1 沉井下沉安全系数验算

沉井下沉自上而下依次开挖的土层为素填土和淤泥，沉井刃脚底位于淤泥层中，淤泥呈饱和，软塑状态，地基承载力特征值fak=40 kPa不满足沉井的地基承载力要求，易导致沉井出现超沉、突沉、倾斜等问题，为解决上述问题，以下需结合井壁与各土层的摩阻力和地层对刃脚的反力，对沉井下沉系数和下沉稳定性进行验算分析。

沉井下沉系数验算公式为Kst=（Gik-Ffw.k）/Ffk，

式中，Kst为下沉系数，规范取值应≥1.05；Gik为沉井自重标准值（包括外加助沉重量的标准值，单位kN）；Ffw.k为下沉过程中水的浮托力标准值（kN）；Ffk为井壁总摩阻力标准值（kN），各工况下沉系数验算结果见表1。

表1 下沉系数验算结果

沉井下沉稳定系数验算公式为

式中，Kst.s为下沉稳定系数，规范取值应为0.8~0.9；Gik为沉井自重标准值（包括外加助沉重量的标准值，单位kN）；F'fw.k为验算状态下水的浮托力标准值（kN）；F'fw为验算状态下井壁总摩阻力标准值（kN），Rb为沉井刃脚、隔墙和底梁下地基土的极限承载力之和（kN）。各工况下沉稳定性系数验算结果见表2。

表2 下沉稳定性系数验算结果

2.1 沉井桩基础设计

因场地的素填土还未完成固结，且淤泥和淤泥质土层很厚，现场首期厂的建筑单体与场地的差异沉降较大，出现各建筑门口台梯与地表脱离现象。为减小高效沉淀池主体结构的工后沉降，本次沉井“桩基础”设计选用的是承载能力强的PHC-500AB-125管桩基础，桩底持力层入风化岩。考虑到沉井制作前先行打设管桩，在后期沉井下沉过程中，沉井外围一定范围及深度内的土体从刃脚底涌入井内，会使井内桩基础发生水平位移、倾斜或断桩等问题，且影响沉井内的机械取土和延缓工期进度。故桩基础设计与施工也是深厚软土区域大型沉井的一个难点问题。

2.2 沉井结构计算模型分析

沉井下沉是动态的过程，结构内力分析需考虑各工况下的最不利受力模式，本次对高效沉淀池沉井结构先采用“理正结构”计算模拟沉井各下沉工况的动态受力模式，再用“YJK有限元整体模拟”校核受力模式。通过对沉井后期使用与施工动态下沉过程各种不利工况的验算，确定外壁厚为900 mm，内壁厚600 mm，整体划分为两节带水下沉，第一节5.0 m（包括刃脚），第二节5.1 m。为确保沉井两边侧壁承受土压平衡，底板荷载与侧壁有较好传力，需在沉井内部大格间区域设置3道临时隔墙，以平均格间距保证传力模式合理和清晰，最终将沉井内部划分为16个格间以增加整体刚度，底板与内部小墙肢预留钢筋后浇。

3 解决方案及关键技术

3.1 软土地基加固处理

由表1分析可得，在软土地区沉井下沉系数较大，高效沉淀池沉井刃脚底处于饱和，软塑状态淤泥层中，软土地基承载力和对井壁的侧摩阻力均较小，实际施工可能会出现“突层、超沉”等问题，为避免上述问题出现，设计采用对沉井刃脚部位采用“石灰桩或水泥搅拌桩加固软土的处理措施，能有效提高软土的地基承载力，确保沉井下沉平稳不出现超沉和突沉问题。

由表2中工况3和工况4分析可得，在标高-5 m至-6.7 m下沉段，淤泥未做加固处理时，扣除浮力的沉井自重与侧壁摩阻力和刃脚下地基承载力之和的比值Kst.s=1.95~2.42，与规范要求的下沉稳定性安全系数差别较大，故该段深度范围需采用石灰桩或水泥搅拌桩地基处理对淤泥层进行加固处理，提升软土对沉井的侧壁摩阻力和刃脚下地基承载力。其余工况与规范要求安全系数较接近，只需现场施工通过动态监测来调整井内开挖土方量即可解决。此外，沉井施工前施工方需编制沉井专项施工方案和应急预案，并组织施工方案的专项评审。

3.2 周边现状建（构）筑物保护措施

针对沉井基坑四周均为现状建（构）筑物，距离最近现状宿舍约7.2 m，处于软土地区基坑影响范围1~2倍基坑挖深内，基坑开挖对周边的影响较大。为确保施工期间各现状建筑单体仍处于正常运行状态，避免对其造成破坏，本次沉井施工采用带水开挖下沉工艺，沉井外侧已完建的“D800灌注桩+连续咬合水泥搅拌桩止水帷幕桩”作为隔离保护桩墙，可以很好地起到对周边现状建筑物的保护，此外，通过加强现状建筑和周边沉降的监测，做到提前预警来保证施工安全。

3.3 桩基础施工方案

为解决先施工“管桩基础”，在施工沉井时，会导致沉井外围一定范围及深度内的土体从刃脚底涌入井内，使井内桩基础发生水平位移、倾斜或断桩等问题，且影响沉井内的机械取土和延缓工期进度。经验算发现将“最大锤击力与锤击桩机械荷载之和”与“沉井侧壁摩阻力与刃脚处承载力之和”的比值较小，结合以往成功案列，本次决定采用“先施工沉井，再沉井顶架设钢梁作为打桩平台，将锤击桩机械骑立钢梁上施工桩基础”的方案，如图2所示。最终通过现场沉井姿态监测和周边建筑监测发现，打桩效果较好，沉井打桩发生的二次沉降值小于预留沉降值，满足设计标高要求。后期设计通过加强沉井底板结构配筋和封底混凝土共同受力，将上部荷载传递至桩基础，很好地解决了工后沉降的问题。

图2 高效沉淀池沉井施工图

4 沉降监测及结果

高效沉淀池沉井于2020年6月开始入场进行第三方监测，直至沉井下沉到设计标高并完成封底。为确保沉井基坑周边现状建筑物的安全，监测人员对周边的现状脱泥机房、现状CAST生化池、现状宿舍楼均布置了监测点，本次对现状建筑监测内容为“建筑的沉降、水平位移”，如图3所示。沉井的纠偏姿态监测由施工单位自行监测。建筑沉降监测累计允许值为20 mm，水平位移累计允许值为15 mm，并设定预警值为3 mm/d。

图3 沉降位移监测点布置图

通过监测报告数据分析，本次各现状建筑的沉降监测点中，如图4所示“CJ9号点位”日单次最大沉降量为6.4 mm，“CJ9号点位”累计最大沉降量为8.2 mm。各现状建筑水平位移监测点如图5所示，“WY7号点位”日单次最大水平位移量为0.7 mm，“WY3号点位”累计最大水平位移量为1.6 mm。依据GB 50497—2019《建筑基坑工程监测技术标准》规范，本次的建筑沉降监测点“CJ9号点位”日最大沉降量为6.4 mm/d＞3 mm/d（预警值）。后经现场踏勘分析发现是基坑周边堆载土方荷载较大和重型施工机械导致的本次最大沉降量超出预警值。随后将荷载卸除和严禁重型施工机械通行，最后顺利完成了本次的封底验收。

图4 沉降观测点-时间关系曲线图

图5 位移观测点-时间关系曲线图

5 结束语

本工程通过高效沉淀池大型沉井在深厚软土及复杂环境工况下的成功应用，得出如下几条结论：

（1）在深厚软土地区采用“石灰桩或水泥搅拌桩加固软土”的处理措施，能有效提高软土的地基承载力，确保沉井平稳下沉不出现“超沉、突沉”等问题。

（2）在上部附加荷载验算满足的情况下，可采用“先施工沉井，后施工桩基础”，能避免井内桩基础发生水平位移、倾斜或断桩等问题。

（3）在周边环境复杂情况下，建议沉井采用“设隔离保护桩墙+带水下沉工艺”，能减少周边现状建筑的沉降和变形。

（4）采用“YJK有限元整体模拟”和“理正结构”动态模拟均难准确模拟沉井实际的受力状态，“理正结构”计算模型相对更加吻合实际施工工况。