預制鋼沉井的施工關鍵技術

陸大偉

上海建工集團股份有限公司總承包部 上海 200080

近年來，城市核心區市政工程作業環境越來越復雜，對常規的施工工藝、周邊環境保護、城市運行干擾等的要求也日益趨嚴[1]。頂管法作為一種成熟的市政工程非開挖施工技術具有環境影響小、施工占地少等優點，近年來在城市核心區市政管線施工中得到了廣泛應用[2]。在城市核心區施工時，由于施工作業場地受限，沉井施工因其施工作業面較小、施工環境影響小而被越來越多地應用于頂管施工中[3]。

沉井施工常用的結構形式有圓形混凝土沉井、鋼板樁沉井和鋼沉井等。圓形混凝土沉井施工土體阻力大、井壁存在拉裂風險、不可周轉利用；鋼板樁沉井用鋼量大、打樁設備復雜、振動噪聲大[4-5]。以上2種沉井結構形式在城市核心區應用受到較多限制。

鋼沉井依靠自身質量和外部荷載作用下沉，且鋼沉井結構可在工廠預制、現場焊接，具有環境影響小、施工噪聲小、設備簡單等優點，十分適合城市核心區施工需求。為此，本文結合具體工程需求，系統研究總結預制鋼沉井施工關鍵技術，可為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

商丘路頂管工作井位于上海市周家嘴路商丘路口南側，為新建路—梧州路段兩港截流總管改排服務，深12 m、內徑6 m，采用壓沉法工藝進行下沉，下沉時底部預留高3.5 m的土塞。工作井井身由厚28 mm的Q235鋼板制成，單節高度2 m。

節段上端口采用20b槽鋼內側抱箍加強；節段中間采用厚28 mm鋼板內側抱箍加強；下部刃角采用Q235鋼板圈制，外包于井身，高度為1 m，底部設坡口。

頂管工作井北側有現狀電力220 kV超高壓排管，排管中心距離井身為7 m；西側有DN1 200雨水管，埋深約3.5 m，管中心距離井身為7.9 m；東側為自來水市北有限公司調度室1層房屋，距井身為27.3 m。施工現場場地狹小，不具備鋼井身現場加工條件。同時，周邊環境復雜，鋼沉井施工過程需要密切監測結構本體及周邊環境安全。

2 鋼沉井施工流程

結合工程所在具體位置、場地布置、地質條件等因素，經方案比選論證：鋼沉井節段在工廠內分塊分段制作，現場焊接拼裝，沉井施工過程中采用自動化監測技術確保結構本體與周邊環境安全。

鋼沉井的總體施工工藝流程為：進場準備及測量放線→開設樣溝→鋼井身場外制作及運輸→地梁施工→下節井身就位及拼裝→第1節下沉→上節拼裝→第2節下沉→封底及底板施工→旋噴洞口及后靠加固→側壁注漿加固→頂管后靠施工。

3 鋼沉井施工關鍵工藝

3.1 鋼沉井構件加工及運輸

3.1.1 鋼沉井構件單元劃分

由于施工現場場地狹小，現場不具備鋼沉井加工場地，因此鋼沉井結構采用工廠分塊加工制作，現場拼裝焊接的施工工藝，可有效提升施工進度。鋼沉井構件單元劃分，充分考慮中心城區道路運輸能力的限制，將高12 m的沉井結構分為6環制作（即每環高2 m），考慮單環整體制作構件質量較大，吊裝及運輸受限，每環劃分為3段進行加工制作（圖1）。

圖1 工作井預制井壁分段俯視示意

3.1.2 鋼沉井構件加工制作

為確保構件加工制作精度，在加工廠內搭設8 m×8 m拼裝平臺，每環加工完成后在平臺上試拼裝。預制沉井拼裝時需要觀察內外尺寸，因此以平臺中心為圓心，采用地規在平臺上畫出φ6 000 mm及φ6 056 mm的圓，沿內圓線在平臺上焊接9點靠山，每塊井壁板3塊，便于構件單元吊裝就位。

考慮每環井壁構件試拼裝的穩定性與便利性，井壁試拼裝內壁豎向焊縫采用連接板臨時點焊，以保證試拼裝時結構整體穩定性和試拼裝后快速拆除。具體的工藝做法如下：每道焊縫采用3塊連接板，設置在每環底部向上100 mm處、中間1 000 mm處及上部向下100 mm處，焊縫預留2～3 mm；下口與平臺上圓重合，上口采用螺旋千斤頂加2 in（管徑50.8 mm）無縫鋼管撐圓，測量直徑誤差不得大于5 mm；測量合格后，加焊內壁支撐，內壁支撐為2道，設置在底部向上100 mm處及上部向下100 mm處；在完成待內壁支撐焊接后，拼裝焊接加強槽鋼抱箍。豎向焊縫拼裝連接板如圖2所示。

圖2 豎向焊縫拼裝連接板示意

井壁其他結構件焊接完成后，根據每環每片井壁編號，選用汽車運達施工現場，在裝車運輸過程中設置托架，以防結構變形，施工現場和加工廠鋪設相同的施工平臺，井壁每環均在平臺上拼裝焊接，復測井壁直徑，補齊焊縫兩側加強板等鋼結構，完成以上工作后方可進行整環吊裝（圖3）。

圖3 拼裝示意

3.2 基礎開挖與地梁施工

基礎開挖前在沉井四周施工影響范圍之外布設坐標控制點和臨時水準點，在沉井四周設龍門樁，作為沉井中心、混凝土圈梁和下沉定位的依據。

3.2.1 基礎開挖

鋼筋混凝土地梁截面尺寸為2 m（寬）×1 m（高），梁下有厚500 mm砂墊層及厚100 mm素混凝土墊層。因此，基礎開挖深度為1.6 m、開挖直徑為16.3 m?；硬捎?5°放坡開挖，如果現場不具備條件，加設高2 m井壁，以抬高壓地梁高度，配合后續沉井壓沉施工?；娱_挖完成后立即采用黃砂回填，在沉井中心位置設置由鋼筋焊制的內徑700 mm、高600 mm的集水坑，集水坑四周及底部選用窗紗包裹2層。

3.2.2 地梁施工

1）墊層施工?；A開挖完成，以沉井中心為圓心，安裝內徑6 856 mm及11 256 mm、高度100 mm的2圈墊層模板，并澆筑C15混凝土墊層，澆筑完成24 h后，測設地梁模板與反拉錨點位置，安裝固定預埋螺栓。

2）地梁鋼筋綁扎。由于地梁高度較大，鋼筋綁扎前必須先用腳手架鋼管延圈梁基礎搭設綁扎架，搭設間距為2 m；依次擺放底層、中層及上層鋼筋，擺放時錯開鋼筋接頭，綁扎接頭率為25%、電焊接頭率為50%，綁扎接頭長度為鋼筋直徑的40倍，電焊接頭長度為鋼筋直徑的10倍，并在上層中心鋼筋上畫出箍筋間距300 mm（下拉錨固點兩邊，至另一錨固點1/4處箍筋加密，間距150 mm）。依次穿入箍筋，穿入時注意對半錯開箍筋接口，并調整箍筋及上層鋼筋的間距，開始綁扎上層鋼筋，上層鋼筋綁扎完后放下層鋼筋，把所有箍筋調整垂直，下層鋼筋間距調勻后，開始綁鋼筋。在下層鋼筋綁扎完成后，在圈梁四周間隔2 m設一個點標記側壁鋼筋間距。按點吊起固定、綁扎側壁鋼筋，必須先穿入橫向箍筋，橫向箍筋與側壁鋼筋一起綁扎。側壁鋼筋綁扎結束后，在圈梁四周均勻設置4個點綁扎防拐倒斜向支撐鋼筋，每點圈梁內外側各綁扎1根，方向相對，與側壁鋼筋綁扎牢固。鋼筋綁扎結束后，在箍筋正下方間隔1 m擺放1排混凝土墊塊，每排4塊厚50 mm墊塊。然后依次拆除綁扎架，落下圈梁，必須確保箍筋放在墊塊上，圈梁兩側必須在模板線內，并確保與兩邊模板線距離相同（圖4）。

圖4 鋼筋綁扎示意

3）模板選擇。模板選用厚10 mm鋼模板，焊接錨固鋼筋，澆筑完成后作預埋件使用，在沉井下沉時在任意位置焊接支撐，輔助沉井糾偏。豎向筋板選用45 mm×90 mm木條，間隔900 mm布置2根。橫向選用φ50 mm腳手管卷圓（內圓半徑3 468 mm、外圓半徑5 588 mm），2圈配對、錯開接頭，共2道，設置在底部以上200、800 mm，豎向筋板與橫向腳手管交會處開孔安裝鎖緊螺栓（開孔φ18 mm，鎖緊螺栓φ16 mm）。模板安裝時應先內圈、后外圈，準確測量螺栓孔位置，開孔安裝（圖5）。

圖5 地梁模板示意

4）混凝土澆筑。地梁澆筑C30混凝土，由于厚度較大，分2次澆筑，每次澆筑500 mm。

3.3 預制鋼沉井現場拼裝

預制鋼沉井在施工現場設置拼裝場地，焊接拼裝完成后、吊裝前，需在砂墊層上以沉井中心點為圓心，畫出沉井位置，對稱擺放8塊長2 m的道木，井外200 mm、井內1 800 mm；為防止井壁下沉、傾斜，采用水準儀對道木進行測平。為便于鋼沉井吊裝就位，在地梁4個預埋件上對稱焊接4組可調節導向限位的20#槽鋼。吊裝時量出等分四點吊點位置，4根等長吊具固定四點，選用50 t履帶吊起吊就位，對稱鋼絲繩夾角不得大于60°（圖6）。

圖6 現場拼裝示意

3.4 鋼沉井下沉控制

沉井下沉分2次進行，第1次下沉包括刃腳拼裝3環、高度6 m，其中地梁面以下1 m、以上5 m。當第1次下沉到位后再拼裝焊接剩余3環6 m。

鋼沉井下沉具體做法如下：沉井下部3環拼裝焊接完成并檢查合格，在沉井外側4個沉井下沉滑行限位上方，用經緯儀測量放出垂直線，并沿線由下至上畫出尺寸橫線，方便在沉井下沉時直觀觀測沉井垂直度；沉井第1次下沉，首先拆除刃腳下道木，拆除方法是對稱逐步挖出道木底部黃砂，使用鋼絲繩捆綁道木內側一頭吊起，需2根對稱同時起吊，以防沉井移位。為方便上部井壁拼裝焊接，第1次下沉高度為5 m，梁面以上留1 m。

下沉到位后，拆除壓沉油缸、壓沉梁及環形壓鐵等壓沉設備，拼裝焊接上部結構3環6 m。沉井鋼結構焊接完成并檢驗合格后，開始第2次下沉，與第1次沉井下沉相同，挖土配合糾偏直至下沉到位。

壓沉設備主要包括環形壓鐵、壓沉梁、壓沉油缸等，在壓沉過程中技術負責人實時觀察沉井下沉情況，四點固定尺寸及4只油缸壓力是否相同，若發生傾斜及時調整；當沉井下沉到一定深度后，由于井壁與泥土摩擦阻力增加，油缸頂力無法滿足沉井下沉要求時，采用履帶吊抓斗挖出井內泥土，配合油缸壓力下沉。若沉井平穩下沉，只需從沉井中心挖土；若發生沉井傾斜，需從高的一側挖土，挖土時井口處需有專人指揮，配合沉井糾偏。同時，在井壁外側低的一面焊接臨時支撐，支在圈梁上，輔助沉井糾偏。

3.5 沉井封底與結構底板施工

當沉井下沉到位后（井口標高＋3.50 m），將井內泥土挖到設計高度，人工配合清理多余浮土，完成后預埋φ240 mm鋼管泄壓孔，及時拋厚度為300～600 mm的碎石，同時澆筑厚400 mm混凝土墊層。

沉井下沉到位后，如果井內土體高度不夠，而井底泥土含水量較高，土質較軟，挖土容易引起翻底，需井內加水平衡沉井內外壓力。水下混凝土澆筑需澆筑漏斗及管道，按照沉井深度連接漏斗及管道，由吊車吊起植入井中，觸底后抬起100～200 mm，混凝土由漏斗及管道導入，至井底向四周涌筑，由專人使用測量繩、多點測量混凝土表面高度，若高度不夠，吊車可輕微上下拉動漏斗（導管下口不可高出混凝土井底面），可使井底混凝土快速涌平，直至達到厚度要求。

壓沉設備拆除前，必須固定沉井，使用連接板等分四點，將井壁與圈梁固定焊接。以防井內抽水因沉井自身質量不足引起上浮。待水下混凝土澆筑7～10 d后，同期進行井壁外泥漿置換。排出工作井內水，風鎬鑿平水下封底混凝土，綁扎焊接封底鋼筋（在上層鋼筋綁扎時需預留集水井位置），合格完成后澆筑混凝土，振搗密實、抹平。之后，拆除壓漿管，封底壓漿孔。

3.6 鋼沉井施工自動化監測

沉井施工過程中對結構主體及周邊環境進行自動化監測，建立由傳感器、采集器、無線數據傳輸終端（DTU）、數據處理系統和云平臺等組成的自動化監測系統。沉井結構主體監測內容包括：下沉深度及井體偏移量、井身應力、土體擾動側土壓力、下沉力、壓沉大梁內應力、沉井內水位等；周邊環境監測內容包括：水位、地表沉降、周圍建筑物沉降等。

3.6.1 沉井主體監測

井體偏移量及下沉深度監測：采用井壁內側安裝2臺雙軸傾斜儀，成90°夾角布置，可實時監測井筒傾斜并報警，沉井下沉時可根據井壁傾斜度和傾斜方向，及時控制反力錨箱調整方向。在井壁外側靠近頂部（可在壓沉梁的底部）安裝4臺激光位移計，位于東南西北4個方向，用于實時監控沉井下沉深度。

地梁內應力監測：在地梁縱斷面安裝上下2臺埋入式應變計，受力壓沉時可實時監測彎曲應力并報警。

井身應力監測：井壁內側橫斷面安裝4組鋼板計（互成90°），每組縱向橫向各1臺，井壁深度方向共設2個斷面，按照下沉拼裝順序，分別布設在2環、4環中間位置。

土體擾動側土壓力監測：井壁外側橫斷面安裝4臺土壓力計，在第2、第4節中間位置各設置1個斷面。

3.6.2 沉井周邊土體監測布置

地下水位采用滲壓計實時監測，通過在土體測斜孔內安裝固定式測斜儀監測周邊土體深層水平位移，采用靜力水準儀，在遠端相對穩定處布置基準點監測周邊土體地表沉降，采用多點位移計監測周邊土體分層沉降。

4 結語

結合城市核心區市政工程管線改遷、新建等施工面臨的施工作業場地受限、施工作業面較小、施工環境影響小等要求，依托具體工程實踐，綜合考慮工程位置、場地布置、地質環境等條件，系統研究了預制鋼沉井工廠內分塊分段制作、現場焊接拼裝下沉關鍵施工技術，并建立了沉井施工過程自動化監測體系，有效確保了施工過程中結構本體與周邊環境安全，為后續類似工程的施工提供了參考經驗。