罗实瀚， 徐伟
（1中国建筑西南设计研究院有限公司，成都610041；2同济大学建筑工程系，上海200092）
[摘要] 沉井施工不可避免地扰动周围地层，导致地表沉降，从而对周围的建（构）物产生影响。结合实际工程，提出地锚式沉井压入施工方案，并对压沉过程中井壁周边土体水平位移、地表沉降、土体分层沉降、管线沉降等的现场施工监测数据进行分析，探讨地锚式沉井施工对周边环境的影响。结果表明，地锚式沉井施工具有下沉速度快、对周边环境影响较小等特点，可为今后考虑施工因素的沉井结构设计提供依据。
[关键词] 地锚式沉井；现场监测；地表沉降；土体水平位移；土层分层沉降；管线沉降
0 引言
在高速城市化的今天，土地资源愈发紧张。沉井以占地面积小、挖土量少、不需要板桩围护、技术稳妥可靠的优势，近年来被大量运用于深基础或地下构筑物施工中。然而一般沉井施工对周边土体的扰动较大，且这种扰动是多方面的，陆浩亮等认为沉井下沉引起土体移动的主要原因是井底土体隆起、井外壁建筑空隙、沉井纠偏、井底流砂、井点降水；韩石忠就上海地区软土地层指出最主要原因是由于沉井内挖空，井内外地下水位差引起的渗透作用，使水带土涌入井内，井外土体不断减少，从而引起地面沉降。实际工程实践证明采用压入式沉井施工对周边环境影响较小。
压入式沉井是用地锚反力压沉工法把井筒贯入地层，由于压沉速度快，可快速封底，且由于施工时井内留有一定高度的土塞，因此其对周围土体的影响小，从而适于市区或周边环境复杂的地区施工。本文将某座地锚式沉井前期传统施工与后期压入施工时的周围土体变形实测数据进行对比，探讨压入式沉井施工对周围环境的影响，并提出坚持“以纠偏为主，以下沉为辅”的时控压入式纠偏原则进行施工，以此保护沉井附近的重要管线。
1 概况
1.1工程概况
本工程为上海市白龙港某污水处理厂顶管工程，采用钢筋混凝土圆形沉井，外径24m，壁厚1m，刃脚顶宽1. 25m，刃脚底部相对标高为- 14. 18m，沉井顶部相对标高为4. Sm，总高为18. 68m，底板厚0. 8m，混凝土强度等级为C30，钢筋强度等级为HRB400，垫层为C20素混凝土。沉井外围采用直径为850mm的SMW工法桩围护，水泥搅拌桩按间距600mm布置（H型钢间隔布置），围护平面直径为32m，围护桩高程为+3.95~- 19. 18m。沉井为外台阶结构，台阶宽度50mm．具体结构形式如图1所示。
1.2工程周边环境特点
沉井施工紧邻周边多条重要管线，圆形沉井50m范围以内有4条管线（图2）：航油管(G)最近距离沉井侧壁6m；光缆线(X)从圆形沉井底部穿过；电信管线( GT)最近距离沉井侧壁13m；燃气管线(RQ)最近距离沉井侧壁40m。需要对施工中周边管线沉降进行实时监测，以保证其安全。
1.3工程地质概况
场地50. 5m深度范围内除①．层杂填土属近代堆积形成外，其余地层均属第四纪积层，主要由表层填土、黏性土、淤泥质黏性土组成。根据地基土的特征、成因及物理力学性质，影响沉井下沉及围护结构涉及的土层可分为4层。因表层杂填土地基承载力较弱，采用换填垫层法进行地基处理，圆形沉井砂垫层厚度为1. 8m。土层物理力学参数见表1，土层结构剖面见图3。
2 沉井下沉施工
2.1沉井下沉施工方案
圆形沉井采用“三次制作，一次下沉”的施工方法，累计下沉18. 33m。下沉初期，因下沉系数较大，采用传统的排水法下沉。当刃脚底相对标高为-8.5m时，即累积下沉约13. Sm时则改为压人下沉。压沉时沉井圆周内留设一定高度的土塞(高3.5~5m)，并采用“小压力多次数”的压沉方案以减小下沉对周边环境的影响，全过程应坚持按“以纠偏为主，以下沉为辅”的时控压入式纠偏原则进行施工。
2.2沉井构造及反力系统
压人式沉井构造基本与传统沉井相仿，有所不同的是压入式沉井有一套独立的反力系统，整个系统由穿心式千斤顶、承压牛腿、反力探杆、承台、地锚（钻孔灌注桩）组成，见图4。
2.3压沉关键施工工艺
压沉的原则是“先压后取土”，千斤顶开始慢慢对沉井施加压力，当沉井无法下沉时开始井内吸泥。施工时工作拉杆穿过穿心千斤顶后在千斤顶上端利用上端螺母锚固在千斤顶油缸上端。当需要压沉时，千斤顶油缸向上伸出顶住上端螺母，工作拉杆拉紧后，使千斤顶对井壁牛腿产生一个向下的压力，促使沉井下沉。当沉井下沉一个油缸行程后(约20cm)，千斤顶油缸缩回，将上端螺母下旋约20cm，如此往复。由于上、下拉杆之间的连接螺母尺寸较大，不能向上穿过牛腿的工作拉杆预留孔，因此在下沉约1. 7m深度后，需拆除一段替换拉杆（长度1.7m），将上部工作拉杆（长度3. 7m）与保留的替换拉杆连接，开始下一个压沉循环，直至沉至设计标高。
3 监测方法及仪器布设
3.1监控内容及仪器
为分析沉井下沉时对外部土体的影响，结合本工程的特点和周围环境，特对周边地表沉降和重要管线水平及垂直位移进行实时监测及数据反馈，以保证其安全。监测主要分为4个内容：地表沉降、土体水平位移和分层沉降、主要管线沉降。本工程地表、管线沉降监测采用高精度电子水准仪(莱卡DNA03)；土体水平位移监测及分层沉降监测采用高精度钻孔倾斜仪（航天33所的CX-03E）。
3.2监控测点布设
圆形沉降监测点具体布置图见图5，共设置20个地表沉降观测点( T9-1~T9-5，T10-1~T10-5，T11—1~T11—5，T12-1~T12-5)，4个土体水平位移监测点( CX9~CX12)，6个土体分层沉降观测点(FC9~ FC12，FC129，FC130)，53个管线沉降监测点，本图仅示意距沉井最近的航油管(G)的6个测点( G44~G49)和下穿沉井的光缆线(X)4个测点( X51～X54)。
4 监测数据分析
4.1沉井周边土体水平位移分析
沉井下沉开挖过程是土体的卸荷过程，卸荷引起沉井周边土体原始应力状态的改变，作用在沉井结构上的土压力引起沉井侧壁变形，即沉井侧壁的水平位移；同时沉井周边土体产生侧向滑动，引起地表变形。选取土体水平位移典型的监测点( CX10)的数据进行分析，其他三测点变化趋势与之相仿，监测点( CX10)处土体自沉、压沉、压沉到位及封底后阶段的监测结果见图6（正值表示土体向沉井外移动，负值表示向沉井内移动）。
由图6可知，沉井周边土体在下沉初期先向井外移动，直到下沉到一定深度后土体才逐渐向井内移动，最大水平位移值控制在±10mm左右，最大水平位移与井深( 18. 68m)之比为0.05%，属较低水平。土体水平位移变化的原因如下：沉井在下沉过程中刃脚处存在比较明显的挤土效应，在刃脚踏面下逐渐形成一个压实核，由于沉井的强制下沉，压实核区域的土体向沉井外围移动，这时压实核区域侧壁及刃脚所受的土压力为被动土压力。从图6(a)可见，随着沉井下沉深度的增加，压实核影响区域（即为各土体的水平位移曲线与其对应的下沉标高水平线所围成的区域）逐渐向下移动。与此同时压实核影响区域以外的土体开始向沉井内部移动，压实核影响区域上部侧壁的土压力逐渐从被动土压力过渡为主动土压力。沉井压沉开始后，压实核仍在向下移动，上部土体继续向沉井内部移动，下部土体开始出现向沉井内部移动的趋势。上部侧壁仍然表现为主动土压力，且其值不断增大，向主动土压力极限值靠近。如图6(b)中压沉到位封底后，“垫层施工完”和“底板施工完”两条曲线已快速回缩，土体变形收敛趋于稳定，刃脚及下部侧壁仍表现为被动土压力，但其值已基本保持不变。
4.2地表沉降曲线分析
图7为沉井一侧测点( T9-1~T9.5)处累积地表沉降曲线（正值为隆起，负值为沉降），沉井其余三侧测点累积地表沉降曲线趋势与之相仿。
沉井下沉阶段累计地表沉降变化规律可以分为3个阶段：隆起阶段、初沉阶段、加速沉降阶段。前两个阶段即为自沉阶段，地表沉降表现为先略微向上隆起，直到沉井下沉至4.1m时，地表转而向下沉降，期间地表隆起最大值控制在5mm以内；第三个阶段即为压沉阶段，从下沉13. 5m开始，由于加压下沉，施工速度大大加快，因而地表加速下沉，该阶段的沉降量占到总沉降量的80%以上，且沉降速率较快，属于施工过程中较为重要敏感的阶段，需采取适当的措施更好地减小地表沉降。监测结果表明，最大地表沉降量发生在距沉井最近的T9.1测点处，达28.3 mm，其与井深之比为0.15%，从目前工程建设的总体情况上看，一般将地面最大沉降监控值较保守地限定在30mm以内，所以该阶段地表沉降属可控范围。
沉井下沉施工对地表沉降的影响与其距沉井的距离有着密切的关系。距离沉井较远的测点累计地表沉降量几乎为0，说明沉井施工存在一定的影响半径。从图7可以看出，距沉井圆心约26m的测点T9.5的累计地表沉降几乎为0，说明此沉井施工的影响半径约为26m，接近于沉井下沉深度的1.5倍，符合软土地区的经验资料。传统的计算方法认为沉井下沉时引起的破坏范围1。可按下式近似计算：
式中：日为沉井人土深度，m；妒为土的内摩擦角，。；R为沉井半径，m。
根据式(1)计算的沉井下沉时引起的破坏范围1。的结果为24. 48m，与实测结果吻合较好。
4.3土体分层沉降曲线分析
在沉井下沉施工过程中，为掌握地基土压缩层范围内各层土的变形特性，一般通过测试不同深度地基土的分层沉降量，根据实测结果分析土体压缩特性并指导施工及验证设计参数的合理性。选取有代表性的测点FC10（沉降最大点）的监测数据进行分析，如表2所示，其中正值表示上升，负值表示下降。测点FC10的1～5号磁环埋深分别为1.53m（位于②，层），-2.47m（位于③层），-5.61m（位于④层），-9.53m（位于④层），- 13. 5m（位于④层）。
由图8可以看出，沉井开始下沉时，除表层土外其他各土层均产生下沉，压沉结束时测点FC10处土体产生的最大累计分层沉降量为25mm，为1号磁环处表层土体产生。由土体累积分层沉降曲线可得出，沉井下沉对监测范围内的土层均产生影响，位于上部的两个磁环处的相应土体产生的沉降量最大且变化最大。沉井下沉开始时，表层土体产生少量的隆起，其下层土体均产生沉降；随着下沉量的增加，土体累计分层沉降量增加，最终沉降量趋于平缓。产生此种现象原因可能为：沉井下沉初期，井内土方吸泥排出速度较慢，沉井的压入产生挤土，导致表层土体隆起，随着沉井下沉深度的增加，吸泥速度加快，土体逐渐被挤压密实，土体开始沉降。此外，沉井压沉到位时，表层土体有突沉现象，可能是由于当时加压过大，下沉速度太快，同时井内吸土较多导致的。
4.4周边重要管线沉降曲线分析
本文就距沉井最近的航油管（测点G45~G48）和下穿沉井的光缆线（测点X51~X54）的沉降变化（图9，10），从沉降速率、沉降量、差异沉降和管线变形4个方面作分析（正值为隆起，负值为沉降）。
沉井下沉阶段管线的沉降变化与深基坑开挖施工类似，大致分为4个阶段：第一阶段为均匀沉降（深度0~ 13. 5m）；第二阶段为差异沉降(深度13.5~17.1m)；第三阶段为加速沉降(深度17.1~18. 3m)；第四阶段为稳定阶段（垫层施工~底板浇筑）。图9，10仅对前三个阶段予以分析，由图可见，整个沉井过程航油管线(G)和光缆线(X)的沉降速率均不大，控制得较好。
第一阶段：航油管线(G)和光缆线(X)沉降速率均在±4．0mm/d以内，平均沉降速率均较小；航油管线(G)和光缆线(X)最大沉降分别为靠近沉井的测点G47(8.0mm)和测点X53(2.0mm)，沉降曲线均先呈现出略为抬升而后逐渐下降的趋势；最大差异沉降（两测点沉降差的绝对值）为测点G46和测点G47之间，达9.2mm，光缆线(X)各测点沉降均稳定在2mm以内，两条管线的差异沉降变化速率较小且均匀；此阶段两条管线沉降曲线均呈抛物线形，靠近沉井的各测点向下沉降明显，而远离沉井的其余测点略为上抬或沉降较小。
第二阶段：各测点已不像第一阶段那样均匀下沉，呈现出显著的差异沉降，沉降速率显著加快，平均沉降速率几乎为第一阶段的2倍；累计沉降变化与第一阶段较平稳的趋势不同，航油管线(G)的测点已全呈现出加速下沉的趋势，而光缆线(X)测点则呈现上抬的趋势；差异沉降最大为测点G46和G47之间，达10. 2mm，光缆线(X)各测点沉降均稳定在3mm以内，且两管线差异沉降变化速率较之前明显加快，参考广州市区开挖工程的相关技术规定管线两接头之间的局部倾斜不得超过b/1 000，其中6为管节长度，航油管线(G)两接头间距约为37m，其中测点G46和G47相距约16. 7m，即其变形在可控范围内；航油管线(G)沉降曲线保持第一阶段的抛物线形，不过幅度更大，光缆线(X)沉降曲线已由第一阶段的抛物线形转变为折线形，靠近沉井的测点X52，X53转为向上抬升，远离沉井测点的X51，X54转为向下沉降。
第三阶段：各测点沉降的发展延续第二阶段的趋势，差异沉降继续增大，且沉降速率也大幅增加，沉降速率达到下沉阶段的最大值；两管线均呈现下沉的趋势，光缆线(X)累计沉降值也全部变为负值。根据文献[10]可知铸铁管接头位移破坏限值为30~ 46 mm，两条管线最大累计沉降为测点G47，达23mm，在可控范围内；差异沉降继续增大，两条管线最大差异沉降分别为9. 9mm和3.7mm，属可控范围；两条管线沉降变形曲线变化趋势与第二阶段相仿，只是幅度大大增加。
5 结论
(1)沉井周围土体分层沉降量主要产生在沉井下沉阶段，而在下沉前的准备阶段，各分层沉降速率较低，累计沉降量基本保持不变，此阶段土体的变形主要来自于围护桩施工及沉井制作。
(2)距沉井距离越大，土体由于沉井下沉受到的影响就越小，即沉井下沉施工存在一定的影响半径，从监测数据看，其值约为沉井下沉深度的1.5倍，且影响半径的大小随距离迅速递减，距沉井距离超出下沉深度的各测点受到沉井下沉施工的影响显著减小。
(3)沉井下沉施工对周边土体的影响大致可分为4个阶段：均匀隆起阶段、均匀下沉阶段、加速下沉阶段、沉降稳定阶段。各阶段呈现出不同的特点和良好的规律性，值得注意的是沉井压沉到位封底后，土体的沉降迅速收敛趋于稳定。
(4)分析表明，当沉井下沉深度较浅(<10m)时，沉井施工对周边环境的影响不显著，当沉井下沉深度继续增加(≥10m)时，沉井施工对周边环境的影响显著增强，各项指标（沉降速率、累计沉降、差异沉降）均不断变大，直至沉井封底。因此，采用压沉工艺可有效缩短沉井下沉10m至封底的时间，将各项指标控制在可接受的范围以内。但需严格控制下沉压力和作用时间，采用“小压力多次数”的压沉方案才能有效地控制沉井施工对周边环境影响。
(5)沉井施工时，应坚持“以纠偏为主，以下沉为辅”的时控压入式纠偏原则进行施工，以此保护沉井附近的许多重要管线。
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