欧茂武 庾鑫 李焕彬
广西建工集团第二建筑工程有限责任公司 广西南宁 530000
摘要：本文结合具体实施案例，针对大直径沉井在下沉过程，遇到倾斜岩层地质发生严重倾斜现状时，通过采用钻孔减摩及配重加载组合方式进行纠偏，并对纠偏关键技术进行分析与总结，为今后类似项目提供参考借鉴。
关键词：沉井 岩层 钻孔减摩 配重加载 纠偏
Friction reduction and counterweight loading of large diameter Open Caisson under the geological condition of inclined strata
Guangxi Construction Engineering Group No.2 Construction Engineering Co., Ltd
Ou maowu, Yu Xin, Li huanbin
Abstract: in this paper, combined with the specific implementation of the case, in view of the large diameter caisson in the sinking process, when the inclined rock stratum geology is seriously inclined, the deviation correction is carried out by using the combination of drilling friction reduction and counterweight loading, and the key technology of deviation correction is analyzed and summarized, so as to provide reference for similar projects in the future.
Key words: open caisson, rock stratum, drilling, friction reduction, counterweight, loading and deviation correction
1.前言
沉井作为一种重要的地下结构和深埋基础形式，被广泛应用到市政、公路、铁路等工程中，沉井在下沉施工过程中因不利地质因素及操作不当等原因，容易出现倾斜现象，沉井发生倾斜后，传统方法一般采用调整沉井刃脚下部土方开挖，通过控制沉井底部阻力方式进行纠偏，但当沉井遇到大坡度的倾斜岩层时（井壁一侧为岩层，另一侧为软土），导致井壁侧摩力差异过大，一旦发生严重倾斜，传统的纠偏方法难以达到效果。
2.工程概况
隆安县城污水处理厂二期扩建工程位于广西隆安县城厢镇黄李片区隆安县污水处理厂内，建设规模为5万m3/d。工程由粗格栅提升泵房（沉井）、细格栅、旋流沉砂池、配水井、污泥泵房等分部工程组成，其中粗格栅提升泵房采用沉井施工工艺，沉井深度为21.1m，池壁厚度800mm，内径15m。
沉井所处场地上覆土层为素填土和第四系更新冲积形成（Q3al）的粉质黏土，素填土厚度为4.5-6.0m，粉质黏土层埋深4.5-15.5m；粉土层以下为三叠系（T）砾岩等组成，岩石坚硬程度分类属硬岩，岩层分布不均匀，地下水位在沉井底部以下约2m处。
沉井在下沉施工至接近底部标高处时，由于遇到大坡度倾斜岩层（一侧为岩层，另一侧为软土层），导致沉井快速发生较大倾斜，至沉井稳定时，沉井顶面标高差730mm，倾斜斜率为4.8%。
3.沉井纠偏方案概述及机理分析
沉井发生倾斜后，项目部尝试采用调整沉井底部土方开挖方法进行纠偏，即是在沉井高侧刃脚底部进行土体开挖，企图通过调整沉井刃脚底部土体阻力，利用沉井自重自行纠偏复位，但刃脚底部土体掏空后，沉井仍丝纹不动。原因分析：沉井发生较大倾斜后，井壁与岩层形成挤压效应，产生巨大摩擦阻力，要破除或减少井壁摩擦阻力，常用方法一般可在井壁外侧进行注浆减摩，或在井壁外侧进行取土减压降摩，从实施难度和成本分析，注浆减摩实施难度和成本相对较低，但从适用条件分析，注浆减摩原理是通过浆液（一般为膨润土土浆液）将土层软化并提高其润滑性能，从而降低井壁与土体的摩擦阻力。但注浆对坚硬岩层难以起到效果，且在注浆过程浆液容易渗透至软土范围，加剧摩阻力的不均匀性。因此，本项目不适合采用注浆减摩方式纠偏。
取土减压降摩方法，是在井壁外侧进行土方开挖或钻孔取土，破除或减少土体与井壁的接触面，从而减少其摩擦阻力，该方法相对注浆减摩法更为直接有效。由于本项目沉井已下沉较深，现场场地空间不利于大开挖，进而选择采用钻孔取土方法，即在井壁外侧岩层范围内采用钻机进行钻孔取土，钻孔直径150mm，孔间间距600mm，钻孔深度至沉井刃脚下部。但钻孔取土后，沉井高侧只下沉210mm，后采取加密钻孔取土措施（在两孔之间补钻孔），仍未能实现纠偏目的，沉井顶部仍有420mm的高差。原因分析：虽然在沉井高侧进行了钻孔取土，但由于钻机不能形成连续贯通的钻孔面（岩层部位较深，钻杆较长，当在凌空面钻进时，钻杆向凌空面发生弯曲偏斜而难以成孔）。不能形成连续贯通钻孔面，意味这不能将岩层与井壁进行完全隔离，孔间岩层与井壁仍会形成局部点位的卡紧效应，形成的摩阻力仍大于沉井自重。
基于上述情况，项目部在钻孔取土措施基础上，进一步采用配重加载措施，即在沉井高侧顶部设置加载平台，再在平台上堆载配重块，最终实现沉井的纠偏。
4.纠偏施工技术要点
4.1钻孔取土施工
钻孔取土减压降摩即是采用钻机在沉井外壁边缘从地表钻至沉井刃脚附近岩层，通过破碎斜岩减少其与井壁接触面积及压力，进而减小井壁摩阻力。钻机采用履带式钻机（MGL-150D），钻头过程时产生的钻渣，由风水混合气体冲洗排出孔外。钻孔作业时采用跳孔施工方法，即先沿入岩区井壁边缘钻设A孔，然后根据沉井纠偏效果情况，再施工B孔（图4.1.1）。
1、钻孔定位
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图4.1.1 钻孔示意图 图4.1.2 孔位测量定位示意图
钻孔前先进行场地平整再测量定位钻孔位置，钻孔定位应精确，钻孔底部位置既要尽量贴近刃脚附近斜岩以提高减摩效果，又要避免钻进过程钻杆垂直度误差导致钻头碰到沉井井壁，钻头距离刃脚应保证一定的距离x（x一般不宜小于100-150mm），根据沉井的倾斜角度θ及地表与刃脚的高差H，计算确定钻孔在地表的定位位置A，即A距离井壁的距离为Y（）（图4.1.2）
2、钻机就位
为确保钻孔定位及垂直控制可靠性，钻机安装及就位时应注意以下事项：
（1）钻机底座应平稳，以防钻在作业过程发生机身倾斜或位移。
（2）钻杆安装精确，位置偏差不得大于20mm。
（3）钻杆垂直度度偏差不超1%。
3、钻孔作业
钻机安装就位并检查其位置、平稳性、钻杆垂直度等合格后，方可开始钻孔作业。钻杆垂直度及钻进速度控制是影响钻孔施工的重要因素，在钻进过程应时刻关注二者的变化。钻孔作业操作要点如下：
（1）在钻进过程中，应根据地质情况调整钻机的钻进速度，上部土层阶段可采用高速钻进，钻至岩层时应降低速度。
（2）在钻进过程中应时刻注意钻机仪表，如仪表显示竖直度有变化，应及时进行调整，调整后方可继续钻进。
（3）在钻进过程中，应随时监测沉降下沉变化状况，如井壁下沉速度过快，应调整钻孔速度或调整钻孔间距，必要时停止施工，防止沉井发生突然下沉。
（4）A孔钻设完毕后，应静置6-8h，待沉井下沉稳定后，再继续钻设B孔。
4.2 沉井配重加载施工
配重加载即是在沉井井壁高侧顶部设置加载平台，然后在平台上堆载配置块。本项目的加载平台采用钢梁及钢板加工制做，并在平台临空面设置防护栏杆。配重材料采用混凝土配重块，配重总重量按600吨预备。
4.2.1沉井回顶限位措施
考虑到沉井低侧为软土层，且已基本下沉至设计标高，为避免在加载过程沉井低侧跟随下沉，除了在沉井内部底侧区域采用土方堆载加固外，另在沉井顶部采取回顶限位措施。具体做法为：在低侧沉井顶部浇筑钢筋混凝土悬挑压顶，压顶宽高各为350mm，悬挑出井壁外侧300mm，压顶内部配筋与井壁竖筋焊接成整体，压顶混凝土强度等级为C35，浇筑并养护到位后，在压顶与地面基层（可采用混凝土配重块）之间搭设钢管支撑（图4.2.1）。
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图4.2 加载平台及回顶限位平面图 图4.2.1 混凝土压顶设置及回顶示意图
4.2.2加载平台加工与安装
1、加载平台加工制作
（1）加载平台的结构形式及材料应经计算复核后，方可进行加工制作。加载平台由钢梁、钢板、防护栏杆组成，其中，钢梁选用45#工字钢，钢板选用20mm厚的钢板，防护栏杆采用8#槽钢和金属方通。
（2）为了提高钢梁在井壁上受荷性能及稳定性，在外侧钢梁两端靠井壁处设置固定支撑脚架，脚架采用两根16#槽钢与钢梁焊接形成三角形状（图4.2.2-1）。
（3）加载平台的防护栏杆用于对配重块及操作人员进行防护，栏杆包括竖向栏杆、水平栏杆及斜撑，竖向栏杆采用槽钢材料，水平栏杆及斜撑采用方通材料，与竖向栏杆焊接形成加载平台临边防护体系（图4.2.2-2）。
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图4.2.2-1 钢梁焊接固定支撑脚架 图4.2.2-2 防滑栏杆
2、加载平台安装
加载平台安装施工工艺流程：井壁钢筋及止水钢板保护施工→钢梁吊装→钢板铺设→配重防滑栏杆安装。
（1）井壁钢筋及止水钢板保护施工：因沉井井壁顶部设置有止水钢板和预留了一定长度的接长钢筋，在钢梁吊装前，通过在沉井高侧井壁顶部浇筑30cm混凝土，保护井壁钢筋及止水钢板，同时也为钢梁安装提供平整的混凝土基础面。为了避免钢筋及止水钢板与混凝土粘结在一起，影响后期混凝土凿除工作，应在混凝土浇筑前，用彩条布等隔离材料包裹钢筋和止水钢板。
（2）钢梁吊装固定：在钢梁吊装前，应先在沉井井壁顶部对钢梁的位置进行测量放线，然后根据钢梁的位置，采用汽车吊逐根将钢梁吊装到位，为增强钢梁两端的支座稳定牢固性，当所有钢梁吊装完成后，在钢梁两端沿井壁顶部浇筑混凝土，混凝土面与钢梁面标高一致，将钢梁的活动支座变成了固定支座，提升钢梁平台的受荷性能。
（3）钢板铺设：钢梁吊装并固定好后，通过采用汽车吊把钢板吊到钢梁上，每块钢板与钢梁采用电焊固定。
（4）防护栏杆安装：为减少临空作业，可在地面上将防护栏杆的竖向及水平杆件焊接组装好后，再进行整体吊装，吊装就位后先初步点焊固定在钢板上，再设置斜撑杆件。
4.2.3混凝土配重块加载
1、配重块吊装
（1）加载平台安装完毕并经检查验收合格后，方可进行配重块吊装加载，配置块规格为1500×1000×800mm，为保证钢梁平台受力平衡，配重块按照从加载平台中间到两端对称分层吊装，上下两层配重块应错缝码放，提高配重块的稳定性。
（2）混凝土配重块应逐层加载，当钢梁平台加载到50%荷载后，应静置一段时间，待沉井沉降稳定后再继续加载，并全程对沉井的沉降进行监测，测量沉井高侧及低侧的井壁标高，根据纠偏效果确定配重块的加载速度及数量。
（3）随着配重块的加载，沉井缓慢下沉，在即将下沉至控制标高以上100mm前，密切观察沉降下沉情况，并放慢加载速度，加大配重块的吊装时间间隔，直至沉井下沉到位。沉井刃脚底部设置垫块控制最终下沉标高，避免沉井过量下沉。
4.2.4加载平台及压顶拆除
1、钢梁平台拆除施工工艺流程：配重块吊卸→防护栏杆割除→钢板吊卸→钢梁支座混凝土凿除→钢梁吊卸→井壁顶部混凝土压顶凿除。
2、在压顶凿除过程中应注意保护止水钢板和井壁预留钢筋。
5.结语
通过本项目针对沉井倾斜状况及结合地质综合情况，通过采用钻孔减摩及配重加载组合方式成功实现对沉井的纠偏，通过本案例，有以下几点体会：
1、沉井在下沉过程发生严重倾斜，往往跟复杂地质环境有关，尤其是遇到极端不利地层时，操作稍有不当便会引发倾斜，因此，施工前掌握详细的地质情况和进行充分的前期研判，，应引起足够的重视，必要时应在沉井井壁位置加密补勘，进一步查明详细地质情况，为施工过程及时采取相关应对措施提供参考依据，这对避免和减少沉井倾斜具有重要意义。
2、沉井一旦在岩层中发生严重倾斜时，井壁往往会与岩层产生挤压卡紧效应，井壁与岩层产生的摩阻力大小及分布比较复杂，一般无法应用常规的土力学理论进行计算确定，进而难以为纠偏措施或纠偏方案的选择提供充分的理论决策依据，因此在纠偏时，往往需要采取多种措施组合纠偏方式，实施过程往往带有经验性和尝试性质，需要在纠偏过程中根据实施效果不断调整措施，方能达到目的。比如在本项目的实施中，需要多少配重加载量是难以通过计算确定的，只能根据经验判断按上限600吨进行预估，如果加载到极限仍无法实现纠偏目的，则需要考虑采取其他措施，如换用旋挖钻机继续破碎岩层或在井壁外侧采取大开挖方式进一步处理。
参考文献：
1.浅谈沉井下沉施工的倾斜纠偏控制措施，宋兰禄，江西建材，2021-04-26，期刊
2.长细比偏大的沉井发生较大倾斜时的纠偏技术，王天功;?羊军;?朱建培，建筑施工，2020-05-25，期刊
3.淤泥土质沉井及纠偏施工技术，杨燕红，建筑，2015-07-05