沉箱隔水在地下水位以下電梯井、集水坑施工中的應用

高振軒 李佳興 方 舟

中國建筑第二工程局有限公司 北京 100060

1 項目背景

1.1 勘察報告地下水位

根據巖土工程勘察報告，某工程勘察期間在勘探最大深度60 m范圍內實測1層地下水，類型為潛水，穩定水位埋深為22.80～24.60 m，穩定水位絕對高程為21.30～21.71 m。

1.2 現場實測水位

自基坑周邊觀測井施工完畢后，地下水位觀測結果顯示，地下水位絕對高程均位于21.5 m以下，筏板施工前15 d起地下水位開始上漲，至施工前，地下水位絕對高程達到22.5 m，此后地下水位上升較緩，基本穩定。

1.3 基坑底及集水坑底標高

工程±0 m相當于絕對高程44.60 m，A、B、C、D樓坑底絕對高程24.18 m，地下車庫坑底絕對高程25.08 m；A、B、C、D樓集水坑、電梯井底絕對高程19.93～22.73 m。綜合各種因素及現場實際情況，本工程共25個集水坑，電梯井加深部位采用沉箱隔水的地下水處理方案[1-3]。

2 沉箱隔水方案設計

設計地下水位絕對高程按22.5 m計，沉箱頂標高按高出設計地下水位0.5 m考慮，因地下水位仍持續緩慢上升，施工過程中需要對部分地下水進行抽排以確保沉箱順利下沉。

沉箱設計參數如下：

1）根據地下水位標高和沉箱位置在基底以上預先施工抗浮錨桿以解決沉箱后期抗浮問題，抗浮錨桿采用2束7根φ5 mm的預應力鋼絞線，錨桿總長度15 m，自由段長度5 m，錨固段長度10 m，鎖定值300 kN；從大面標高計，錨桿成孔深度18 m；因地下水位上升，部分新增集水坑、電梯井部位需增設抗浮錨桿。

2）沉箱面板材料采用厚6 mm鋼板，沉箱側壁與底部角度為45°，沉箱拼接鋼板采用焊縫滿焊、雙面焊的方式，保證沉箱封閉不透水。為便于沉箱安裝下沉至設計標高和注漿加固，在沉箱內部設置壁厚8 mm的φ300 mm鋼管加工成的連通器，后期還可借用連通器進行抽排降水，減小水壓力，目的是防止后期水位上漲造成水壓過大導致沉箱強度變形過大。

3）為防止沉箱變形過大，沉箱底部和側面采用8#槽鋼、雙8#槽鋼和14#工字鋼對內外面同時加強。

① 沉箱內面：底部采用8#槽鋼進行加固，每隔0.22 m焊接1道槽鋼，槽鋼與沉箱底部鋼板雙面半滿焊連接，每間隔0.5 m滿焊0.5 m，焊接總焊縫寬度不小于總長度的50%。側壁采用雙8#槽鋼加固，雙8#槽鋼與沉箱側壁鋼板雙面半滿焊連接，每間隔0.5 m滿焊0.5 m，焊接總焊縫寬度不小于總長度的50%。

② 沉箱外面：底部采用14#工字鋼進行加固，工字鋼與沉箱底部鋼板雙面半滿焊連接，每間隔0.5 m滿焊0.5 m，焊接總焊縫寬度不小于總長度的50%；側壁采用雙8#槽鋼、14#工字鋼進行加固，槽鋼、工字鋼與沉箱側壁鋼板雙面半滿焊連接，每間隔0.5 m滿焊0.5 m，焊接總焊縫寬度不小于總長度的50%。

③ 沉箱鋼板連接部位受力較大易變形，應焊接鋼板條加強，同時為保證沉箱內外面槽鋼、工字鋼的整體性，槽鋼、工字鋼之間采用鋼板條焊接。

④ 因抗浮錨桿受力加大，在布孔內部位置加焊18b#槽鋼，作為對抗浮錨桿張拉部位沉箱側壁的加固措施，同時將槽鋼與沉箱側壁鋼板滿焊連接以防漏水。

⑤ 為確保沉箱安放穩固，在沉箱外加設三角支腿，采用8#槽鋼焊接而成，與沉箱側壁或外部加強槽鋼焊接連接。

4）因地層為卵石層，下部地下水較深，水中開挖邊坡側壁坍塌嚴重，沉箱頂部超挖按0.5 m考慮，為保證卵石層穩定，按80°放坡至坑底標高，坑底超挖0.3 m。沉箱安裝過程中利用連通器釋放部分水壓與增加配重的方式進行下沉，在下沉沉箱的過程中不斷調整沉箱位置，在保證沉箱順利下放到預定位置和設計標高后，通過注水和加部分配重的方式確保沉箱在回填注漿加固的過程中不發生偏移錯位。

5）沉箱安裝到位后側壁下部采用級配砂石回填，沉箱側壁上部1～2 m回填C20混凝土，側壁回填完畢后利用沉箱側壁和底部預設注漿管對回填區域注漿加固密實，水泥采用P·O 42.5，注漿配比為0.50～0.55。

6）沉箱底部和側壁回填注漿完畢，注漿體強度達到設計強度75%后，將沉箱內部多余水進行抽排，但抽排的過程中要保證沉箱內部配重大于沉箱外部水浮力，確保不因為抽排內部積水而造成沉箱上浮錯位，隨后張拉鎖定抗浮錨桿防止沉箱上浮。張拉鎖定完成后，錨頭切割多余鋼絞線并用預先加工的盒帽封閉，確保沉箱內部再無出水點，然后移交施工作業面，依次施工墊層、防水及基礎底板。

3 沉箱隔水施工部署

3.1 總體施工順序

測量放線→施工抗浮錨桿→集水坑開挖→沉箱制作→沉箱安裝→沉箱周邊回填、注漿→抗浮錨桿張拉→移交工作面

3.2 施工總平面布置

1）運輸通道：吊車、挖掘機、鏟車等施工機械行走道路，需要鋪設不小于50 cm的卵石墊層，確保施工機械行駛平穩。

2）注漿后臺、水泥罐布置：錨桿注漿后臺2個，大小均為10 m×5 m，第1個設置在基坑東側中部，第2個設置在北側西部。

3）材料堆場：在基坑中部設置1個長5 m、寬4 m的級配砂石料場，用于級配砂石存放。在主樓集水坑附近就近堆放沉箱加工材料，加工沉箱成品。

4 主要施工方法

4.1 抗浮錨桿施工

4.1.1 測量放線

采用全站儀在施工區域中精確定位抗浮錨桿位置，土方開挖至設計抗浮錨桿頂標高以上3 m開始抗浮錨桿施工，本工程抗浮錨桿成孔深度18 m。

4.1.2 鉆機就位及鉆孔

在測量人員對抗浮錨桿中心點定位完畢并做好標記后，將鉆機的導向鉆桿調整至豎直，鉆頭對準樁中心點，調整鉆頭的鉆進速度平穩向下鉆孔，鉆孔過程中應注意觀察鉆機底座是否平穩，鉆桿是否豎直以及鉆進速度是否穩定，一旦發現鉆機底座傾斜、鉆桿不豎直，要及時進行糾正。

鉆孔前先對每根錨桿進行編號，準備相應的記錄表格及分析記錄表格；鉆進過程中，工程師全程見證，及時對鉆出的土樣進行分析并做好記錄，當鉆進至錨桿底設計標高后停止向下鉆進，鉆機反向抽出鉆桿，并注意不要使鉆出的土掉進孔內，如果土掉入孔內，需要再次向下鉆進至需要的孔深以除去掉入的土，形成所需要的錨孔。

4.1.3 灌漿

成孔后，用注漿泵將水泥漿注入孔內，灌漿材料為M30水泥漿。水泥為P·O 42.5，注漿壓力0.3～0.5 MPa，水灰比為0.50～0.55，灌漿應持續至孔口流出水泥漿為止。由于錨桿深超過2 m，為防止注漿材料離析，應將導管接在注漿泵的軟管上，順孔內插到錨桿底，水泥漿淹沒導管200～300 mm，一邊灌注一邊慢慢往上拔出導管，直至澆筑成形。泵送水泥漿量按理論計算值的1.05～1.10倍確定。

由于澆筑完畢后錨桿頂的注漿材料會有不同程度的下降，需要注意進行適當程度的超灌。

4.1.4 鋼筋錨桿制作及吊裝

錨桿按施工圖紙結構構造，在另外的場地由專人制作完成，錨桿采用2束7根φ5 mm預應力鋼絞線，另外每隔2.0 m焊置1個定位器。錨桿現場加工，利用鉆機上部卷揚機將鋼絞線豎向緩慢放入樁孔中，放置過程中應保證錨桿的垂直，不得碰撞孔壁以免巖土掉入錨孔，當錨桿放置到需要的深度時在地面采用定位裝置將錨桿固定，保證錨桿居中。

4.1.5 抗浮錨桿張拉

沉箱側壁和底部回填注漿完畢后5 d，注漿體強度達到設計強度75%后，張拉固定抗浮錨桿，張拉鎖定完成后切割多余鋼絞線并用預先加工的盒帽封閉錨頭。

4.2 沉箱土方開挖

本工程地層是屬于卵石層，該地層滲透系數大，地下水補給充分，集水坑、電梯井部位降水較為困難。挖掘機在開挖較深部位集水坑時，因為地下水較深的緣故，開挖邊線及標高較難控制，挖掘機開挖過程中受地下水影響，集水坑、電梯井開挖邊坡側壁坍塌嚴重，更增加了開挖標高及尺寸控制的難度，需確保最大程度地控制集水坑的開挖尺寸及標高。

集水坑、電梯井開挖控制措施如下：

因地層為卵石層，水中開挖下部邊坡側壁易坍塌，從沉箱外擴開挖線邊角位置開挖集水坑、電梯井，開挖寬度應比集水坑、電梯井放坡寬度外擴0.5 m，深度應比集水坑、電梯井基底標高加深0.3 m。開挖前標記抗浮錨桿位置，開挖時從抗浮錨桿位置兩側向下開挖，防止挖斷抗浮錨桿。開挖出抗浮錨桿后，人工清理出抗浮錨桿并用鐵絲固定拉緊保護，防止下墜。

注意控制開挖邊坡坡度、尺寸和標高，采用掛線和經緯儀配合檢查開挖邊坡坡度，采用水準儀控制開挖標高。施工過程根據水下邊坡自立條件，盡可能減少邊坡，開挖底標高應大于沉箱底標高200 mm。

開挖至有水部位，受地下水影響無法控制開挖標高及尺寸時，需根據集水坑、電梯井的大小采用2～8臺潛水泵（抽水量80 m3/h、揚程44 m）對集水坑、電梯井的多余地下水進行抽排，必須確保抽水的連續性，直至地下水深降至0.5 m，便于測量集水坑、電梯井開挖標高和尺寸。

開挖時要實時測量集水坑、電梯井尺寸和標高，采用GPS將沉箱底部角點施放至開挖集水坑以校正集水坑的開挖尺寸，采用水準儀測量角點的標高以校正集水坑的開挖標高。

集水坑、電梯井邊角部位易垮塌，在完成邊角開挖后要多次補挖補測，以保證整個集水坑坑底標高基本平齊；集水坑預留一個邊角坡作為最后的收坡修整坑底通道，在其余部位修整到位后進行該部位收尾，嚴禁收坡大開大合造成基坑坍塌。

集水坑、電梯井開挖的土方用鏟車倒運至南側馬道口再統一裝車外運。

4.3 沉箱制作及運輸

采用物資運輸車將原材料運輸至現場，25 t汽車吊將沉箱加工材料吊裝至坑底加工場內，在坑底將沉箱加工為成品，沉箱加工采用25 t汽車吊配合85、150 t履帶吊進行沉箱拼裝焊接、翻轉，加工成形后采用85、150 t履帶吊將成品沉箱吊裝至主樓集水坑、電梯井附近，85、150 t履帶吊采用500 t汽車吊吊入基坑底部。

沉箱需嚴格按設計尺寸進行加工，沉箱面板材料采用厚6 mm鋼板，沉箱側壁與底部角度為45°，沉箱鋼板拼接采用雙面滿焊的方式確保沉箱封閉不透水。沉箱面層拼接完畢后，采用8#槽鋼和14#工字鋼對沉箱內外面進行加固，并采用鋼板條對連接薄弱和受力較大部位加強，連接轉角處槽鋼、工字鋼需確保其整體性。

沉箱加固完畢后根據實測抗浮錨桿位置在沉箱側壁割φ50 mm的小孔使抗浮錨桿能順利從孔中穿過，在沉箱底部割孔焊接φ300 mm×8 mm的鋼管連通器以利于沉箱下沉和后期地下水位上升抽水應急。

在沉箱底部和側壁單獨埋設注漿管，通過在底部和側壁設置槽鋼圈將注漿管固定牢固，槽鋼圈與沉箱采用電焊方式連接。

沉箱底部的注漿管安裝時，每2根工字鋼之間安裝1根注漿管，相鄰2根注漿末端相反。底部注漿管與工字鋼等長，順著工字鋼的方向，注漿端沿著沉箱側壁露出地面不低于2 m。注漿管末端折疊綁扎封死，在沉箱底部的注漿管每隔500 mm鉆1個注漿孔，用膠帶纏繞封堵，側壁的注漿管不設注漿孔。

沉箱側壁的注漿管每隔1 m的間距布置1根，注漿管末端設置于沉箱底處，末端折疊綁扎封死，注漿端露出地面不少于2 m。注漿管末端沿沉箱壁段每隔500 mm間距鉆1個注漿孔，用膠帶纏繞封堵。

4.4 沉箱安裝

沉箱檢查質量合格后，采用25 t汽車吊、85 t履帶吊和150 t履帶吊配合將沉箱吊裝到位（連片沉箱先安裝較深沉箱，再安裝較淺沉箱，采用85、150 t履帶吊配合拼接成整體），檢查沉箱位置和方向無誤后緩緩下放吊鉤，將沉箱下放到坑內，通過連通器使沉箱緩緩下沉，下沉至一定部位后，因水壓增加下沉困難時，使用吊裝水泥塊配重與沉箱內部注水相結合的方式使沉箱順利下沉至設計標高。沉箱下放安裝過程中注意保護好注漿管，防止死彎和砸裂。下沉過程中檢查沉箱焊縫漏水情況，如對漏水部位進行補焊加固。

因采用注水沉箱，需將沉箱底邊線引到沉箱側壁上，便于沉箱定位。引線可以用經緯儀或全站儀定位定點，引線用墨斗彈線，引線在沉箱加工制作完成后進行。

沉箱快下沉到位時，通過拉出十字形的基坑上下口線，不斷調整沉箱位置到位。沉箱下沉至設計位置及標高后采用挖掘機固定。

再次檢查沉箱底標高、沉箱位置、沉箱焊縫漏水情況、注漿管完好性，合格后開始穿鋼絞線到沉箱內，要確保鋼絞線位置的準確性和垂直度。

沉箱安裝完畢后可采用C20混凝土回填沉箱中間的連通器，對連通器進行封閉。

4.5 回填注漿加固

檢驗級配砂石質量→側壁下部回填級配砂石→側壁上部回填C20混凝土→沉箱側壁、底部注漿

4.5.1 檢驗級配砂石質量

對級配砂石進行技術鑒定，其質量均應達到設計要求或規范的規定。級配砂石宜選用質地堅硬的中粗砂、卵石、碎石，顆粒級配應良好，不得含有草根、樹葉等有機雜物及垃圾，有機質不超過砂石總質量的5%，含泥量小于5%，可采用施工現場開挖出的級配良好的砂卵石。

4.5.2 側壁下部回填級配砂石

沉箱安裝到位后，采用人工配合鏟車從沉箱側壁一側開始分層回填級配砂石，每層回填厚度小于500 mm，回填過程中采用高壓水槍沖刷使砂石料盡量回填均勻，下層四側均回填完成穩定后再進行上層級配砂石回填，防止沉箱一側回填土過高沉箱發生傾斜，直至回填至地下水位標高以上，之后采用混凝土回填。

4.5.3 側壁上部回填C20混凝土

沉箱側壁上部位于地下水位以上部分采用C20混凝土回填，回填的混凝土應具有良好的和易性和流動性，混凝土坍落度宜為160～200 mm，采用天泵和鏟車配合分層回填混凝土，混凝土可分4次回填至沉箱頂標高，每次回填深度小于500 mm，為確?；炷粱靥钯|量，可采用人工或機械振搗方式密實混凝土，下層混凝土振搗密實后才能回填上層混凝土，直至混凝土達到沉箱頂標高。

4.5.4 沉箱側壁、底部注漿

為確保沉箱側壁和底部回填密實度，側壁回填完畢2～3 d穩定后，需對沉箱底部和側壁回填部位進行注漿加固。

注漿順序應按跳孔間隔注漿方式進行，先進行沉箱側壁注漿，一端注漿完畢再進行另一端注漿，直至側壁均注漿完畢為止，最后再進行底部注漿，底部相鄰2根注漿末端相反，可分2次注漿。

注漿施工前應進行現場注漿試驗，以確定注漿施工參數，如水灰比、注漿壓力和注漿流量等。

注漿采用P·O 42.5水泥，水灰比宜為0.50～0.55，水灰比太小漿液濃稠，易堵管且漿液很難注入地層，水灰比太大漿液稀釋，容易跑漿，很難滿足固結體強度達到加固回填土目的。

根據選定漿液的配比參數拌好漿液，漿液應攪拌均勻，注漿過程中應連續攪拌，攪拌時間應小于漿液的初凝時間。水泥漿拌好后用1 mm×1 mm網篩過濾，放入攪拌機進行二次攪拌，確保漿液均勻。

拌和后的漿液應經篩網過濾后方可進入注漿機，注漿過程中應做好施工記錄，包括漿液配合比、注漿壓力、注漿流量、注漿總量、跑漿、竄漿等內容。

采用自動壓力流量記錄儀控制注漿的壓力和漿液的流量，開始注漿壓力為0.6～0.8 MPa，注漿流量宜為10～20 L/min。為提高注漿體早期強度，可在水泥漿中加入3‰的三乙醇胺早強劑。

當注漿壓力逐步升高至設計終壓≥1.0 MPa，吸漿量＜2.5 L/min，穩定時間10 min后可停止注漿，為確保注漿飽滿，第1次注漿施工完畢1～2 h后及時進行2次或多次補漿，每次注漿完畢要用清水把注漿管清洗干凈，防止堵管，以便多次補漿。

4.6 地下水位監測

1）監測目的：通過地下水位的觀測，了解沉箱施工期間水位的變化情況，從而對集水坑部位地下水位進行預測，保證沉箱正常施工。

2）監測方法：因集水坑、電梯井已開挖，在沉箱施工前可采用全站儀或水準儀配合塔尺直接在坑內測量水位標高；沉箱施工后測量其他已開挖沉箱地下水位標高；沉箱施工完畢后可測量觀測井水位標高。

3）監測頻率：每天早上8點監測水位1次，直至基礎施工完畢。雨季期間、雨后等特殊情況下加強觀測，每日觀測2～3次，至特殊情況結束。

5 結語

本工程在施工前期就進行了詳細的方案比選，通過對多種方案進行適應性及符合性評價，經過多方論證進行社會效益及經濟效益分析，從而確定此最優施工方案；實施過程中嚴格按照方案及設計要求進行沉箱的加工制作，控制原材質量，加強對沉箱安裝加固、抗浮錨桿張拉鎖定、回填注漿加固等施工工序的過程把控，從而保證方案內的相關要求實質性落地；實施完成后對相關工藝參數、效果評價、經濟技術指標等認真總結歸納，為后續類似工程提供指導及借鑒意義。