复杂地质条件下沉井下沉各阶段风险分析及对策

宋朋远

（中石化北海液化天然气有限责任公司，广西 北海 536000）

在施工场地有限、地下水位较高、涌水量较大或有地下承压水等软土地质条件下修筑深基础时,沉井施工是常采用的一种施工方法。该方法具有占地面积小、挖土量少、施工设备简单、对周围环境影响小等优点。然而在实际施工过程中，由于地质条件复杂、设计考虑不周到、施工工艺不合理等问题，沉井下沉可能出现流砂、管涌、突沉、倾斜、位移、扭转、超沉等问题，导致周围地面下沉、位移或出现裂缝，不但严重影响了沉井的施工质量，而且对施工人员的安全造成威胁[1]。文章通过工程实例，介绍了沉井下沉施工的施工工艺，对沉井下沉过程中的风险进行评估，并制订了应对措施，以保证沉井下沉质量安全可控。

1 工程概况

文章以某LNG接收站海水泵房沉井工程为例，进行复杂地质条件下沉井下沉安全风险分析。该沉井位于距离海岸5.3km的一座人工岛上，长45.2m，宽37.4m，外墙体厚1.2m，重约21720t，四周被海水环绕，施工区域有限，且在距沉井50m处有一座LNG储罐。在沉井底部3.7m范围内，由内外墙刃脚及底梁将沉井分为56个格仓。沉井预制高度为17.25m，设计高程为-9.2m，共计需下沉17.25m。经地质勘探得出沉井地质剖面图：下沉自上而下依次穿过约7.2m厚的岛域吹填中粗砂层、7m厚的原状粉质黏土及黏土层、0.5m厚的粉细砂及中粗砂层，各地质层间接触面不均匀。地下水位主要随海水潮汐而变化，其中粉细砂及中粗砂层属透水层，具有一定的承压性。沉井在下沉过程中，由于地质条件较为复杂，前后采用两种主要的下沉施工方法，即在吹填中粗砂层采用不排水下沉施工，在黏土层采用排水下沉施工。

2 沉井下沉各阶段风险分析

2.1 初始下沉阶段

风险分析：在初始下沉阶段，沉井采用不排水下沉方案，由于沉井周围地质条件主要为陆域形成吹填砂，因此相对比较松软，如果井内冲砂除土不均匀，将容易发生偏斜的风险。

对策：为了避免沉井发生初始偏斜，在施工过程中，将沉井底部的56个格仓，划分为两个工作区域，即中间的30个格仓为1#工作区、周边的26个格仓为2#工作区。除土时按照“先1#区后2#区，先中间后四边，深度适当，对称取土”的原则，在沉井内部慢慢形成一个锅底，通过不断调节锅底的深度让沉井平稳下沉。

2.2 穿过吹填砂层与黏土层结合阶段

风险分析：在沉井穿过吹填中粗砂层，下沉至开始接触粉质黏土时，由于两土层间的接触面不是一个平面，因此沉井四周刃脚受到的承载力不一样，此时沉井也容易发生偏斜、扭转或位移。

对策：为了保证沉井此阶段下沉姿态稳定，需要根据地勘资料提前分析出沉井刃脚位置的黏土层高程，然后优先抽除刃脚接触部位黏土，如果抽除后沉井仍不下沉，再依次抽除刃脚处砂，直至沉井周边刃脚全部进入黏土层。

2.3 黏土层下沉阶段

沉井采用不排水下沉法，顺利穿过了吹填中粗砂层。沉井周围地质条件复杂，当下沉7.63m时，沉井进入粉质黏土层，黏土黏性很大，沉井下沉几乎停滞，原来的不排水下沉法已不适应现在的地质条件。为满足沉井进度要求，经过研究决定改变施工方案，采用排水下沉施工。

风险分析：若采用排水下沉，由于沉井临海，地下水位主要随海水潮汐而变化。据2014年该区域潮汐表，海水高潮位在3.84～5.32m、低潮位在3.22～2.32m。若取海水高潮位平均值4.5m，沉井下沉至标高-9.2m时，沉井内外水头差将达到13.7m。另外，根据沉井周边地层的渗透性，沉井位置处的地层可主要分为三层：第一层为中粗砂及块石层，属于强透水层；第二层为粉质黏土层，该层渗透系数为2.8×10-8cm/s，可视为不透水层；第三层则为粉砂层，局部有中粗砂，沉井设计标高正位于该层，为透水层。沉井采用排水下沉施工工艺后，在下沉过程中将经过第二层、第三层，其中第三层相对透水，具有一定的承压性，需要考虑在沉井下沉过程中的第二层、第三层地质的渗透稳定性，防止发生管涌、流砂等风险。

对策：结合现场地质条件，经研究拟采用在沉井周围做灌浆帷幕的措施来止水[2-3]。止水帷幕底端进入-9.2m以下④粉质黏土及黏土Q2层1.0m；上端自下而上进入上部②粉质黏土及黏土Q3层1.0m。

根据沉井场地的水文特点和地质资料，采用区域多层水平面渗流有限元方法（即平面渗流计算方法）[4-5]对止水方案进行渗流分析。该计算程序基于单层水平二维有限元程序开发，针对复杂地形特性，通过越流补给建立各透水层及地表间联系。其解算方法是简化法，它忽略了次要的强透水层垂向渗流及弱透水层的水平渗流，抓住了强透水层层内流动及越流补给的主要特性，很适合区域范围大、地形多变的情况。

沉井渗流计算区域以沉井为中心，上端和左端边界取防波堤堤外坡脚处，下端和右端边界取距沉井中心100m处，由于第一层埋深较浅，且沉井预制高度为17.25m，完全截断了该层，因此该层对沉井渗透稳定性没有影响。故在计算中将其和第二层合并为一层，并将沉井四周视为不透水连续墙。各层渗透系数和旋喷区域渗透系数如表1所示。

表1 各地质层和旋喷区域渗透系数

区域上端和左侧为海侧，取最高潮均值4.5m为边界水头。根据地质勘探，由于填海造陆区域地下水位在1.8m左右，因此下端和右侧边界取1.8m为边界水头。在实际施工中采用帷幕灌浆止水后，沉井内水头从2.7m降至-3.25m，有效提高了沉井的渗透稳定性。由此可见，止水方案选用帷幕灌浆能够满足要求。

2.4 终沉阶段

风险分析：终沉是沉井下沉过程中最关键的阶段，灌浆帷幕的作用导致井壁受到的摩擦力减小，沉井易下沉，此阶段最重要的是要防止超沉。

对策：在施工过程中，为了防止沉井发生超沉，减缓沉井下沉速度，采用不排水下沉施工方法。一方面加强观测频次，减少除土量，将沉井下沉速度控制在10cm/d以下；另一方面如果沉井下沉速度过快，应立即向沉井内注水，增加沉井受到浮力，使其下沉速度收敛，防止超沉。

2.5 其他风险分析

（1）突沉。沉井在下沉过程中，如果沉井锅底太深且周围土质太软，容易发生突沉，从而引起倾斜、扭转、偏移等次生质量问题。

对策：为防止沉井发生突沉，需要在沉井下沉过程中对每个仓格加强测量，绘制沉井挖深图表，严格控制锅底深度。

（2）孤石。在人工岛陆域形成时抛填大量的块石，而沉井位于人工岛的西北角，距离抛石区域很近，如在沉井下沉过程中遇到大量的孤石，会阻碍沉井下沉施工，而清理孤石又会增加工人遭遇意外伤害的风险。

对策：在清理孤石的过程中，首先用高压水枪冲击孤石底部，让其自然滚入沉井格仓中部，然后由工人将其放入吊箱中取出。在工人施工时需要在井上安排专人负责指挥、监护，另外要在格仓内布置防坠器、逃生绳等设施，以防发生意外。

（3）周围地面或周边建筑物发生沉降。沉井下沉施工危险性较高，对周围建筑物影响较大，本工程在距沉井中心50m处有一座储罐，距70m处有防浪墙，在沉井两侧15m处各有一座塔吊。一旦发生塌陷，就容易引起沉井周边建筑物破坏，威胁人身安全。

对策：在沉井下沉过程中制订专门的监测方案，在沉井周围地表均匀布置8个测点，在沉井两侧塔吊周边各布置4个测点，在距沉井70m的储罐基础周围布置5个测点，在防浪墙上布置1个测点。每隔4h对各测点做一次测量，详细记录观测数据，认真分析是否有沉降，发现异常及时处理。

3 结束语

文章经过对沉井下沉各阶段可能发生的偏斜、扭转、位移、超沉、突沉等风险进行分析，并对沉井黏土层及承压层的渗透稳定性进行计算，针对问题提出了分区域对称除土、制订详细的观测方案、加强测量观测并控制锅底深度等措施，旨在有效保证沉井下沉的质量与安全。