已建厂房室内沉井施工对周边环境影响的分析_新闻_

台山沉井堵漏公司

茅锦麒　赵之波

[摘要]拟建天津忠旺2#熔铸车间铸造机基础采用沉井法施工，铸造机基础南北侧分别紧邻保温炉设备基础及厂房柱基。本文针对设备基础沉井进行分析，考虑其均匀下沉、绕X轴倾斜、绕Z轴倾斜、平面内旋转等几种工况，以全面了解沉井施工对已建厂房等周边环境的影响，从而为沉井的施工提供决策依据。

[关键词]沉井，施工，周边环境，影响，数值分析

中图分类号：TU753.64 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）13-0257-03

§1 前言

沉井，是一种在地面制作、井内取土下沉至预定标高的构筑物。沉井在深基础施工中具有独特的优点：占地面积小，不需要基坑围护，技术上比较稳妥可靠；与大开挖相比挖土量少，能节省投资；无需特殊的专业设备，而且操作简便。近年来，随着施工技术和施工机械的不断更新，沉井在国内外都得到了广泛的应用和发展。

由于人类生产建设活动的越来越密集，沉井应用的场景逐渐由开阔场地的位置向建（构）筑物密集的区域增加。但是，沉井施工也会给周边环境带来负面影响。其负面影响包括：邻近建（构）筑物的开裂、倾斜，道路开裂；地下管线的变形、开裂等。

目前，对沉井施工的研究主要集中在沉井下沉阻力的控制和沉井纠偏等方面，而关于沉井施工对于周边环境影响的分析仍较为鲜见。随着岩土力学理论的不断发展，岩上的本构关系日益完善，使得岩土数值模拟方法成为解决工程问题的有效途径，非常适合于具有复杂性质的上体材料（如非线性应力一应变关系，各项异性，非均质等），复杂的边界条件及任意形状的求解域等，并可获得与实际近似的解。由于土体本构关系及其边界条件的复杂性，有限元法被广泛用于分析上部结构、各类基础、基坑、挡土墙、隧道、边坡等岩土工程问题。本文结合天津忠旺2#熔铸车间设备基础沉井施工，采用有限元数值模拟方法，分析已建厂房室内沉井施工对周边环境的影响，从而为沉井的施工提供决策依据。

§2 工程概况

拟建天津忠旺2#熔铸车间设备基础工程共7条生产线含7个铸造机基础，所有铸造机基础采用沉井法施工，铸造机设备基础分布在厂房DE跨（靠D列）。拟建铸造井中心线距D列9500mm，南北侧分别紧邻保温炉设备基础及厂房柱基。本文针对其中的L5号铸造机设备基础沉井进行分析。

L5号铸造机结构外框尺寸为8500×7100mm，左右边壁厚650mm，上下边壁厚为850mm，铸造井内部设置部分钢筋混凝土隔墙，隔墙厚度为300mm。铸造机沉井底板底标高为-16.760m，沉井刃脚标高为-17.620m（大沽高程，±0.00=4.8m，本文标高如无特别说明均为相对标高）。

D列厂房柱基础承台底标高为-6.2m，顶标高为-1.5m，下方设有Φ600钻孔灌注桩，桩顶标高为-6.15m，桩长25m，桩底标高为-31.15m。保温炉设备基础底标高为-5.25m，顶标高为为-4.31m，下方设有PHC-A500（100）管桩，桩顶标高为-5.20m，桩长17m，桩底标高为-22.2m。

§3 地质条件概况

§3.1 工程地质条件

根据勘察报告，场地地处华北平原，属冲积、海积低平原，场地埋深65.00m深度范围内，地基土自上而下描述如下：

①1杂填土，呈杂色，松散状态，由砖渣、石子、废土等组成。

①2素填土及耕土，呈褐色，软塑状态，粉质粘土、粘土质，夹石子、植物根等，属高压缩性土。

④1粉质粘土及粘土，呈灰黄色，软塑～可塑状态，无层理，含铁质，属中（偏高）压缩性土。

⑤1粘土，呈青灰色，流塑～软塑状态，无层理，含有机质、腐植物，属高压缩性土。

⑥1粉质粘土，呈灰色，软塑状态，有层理，含贝壳，属中压缩性土。

⑥3粉土，呈灰色，中密状态为主，无层理，含贝壳，属中（偏低）压缩性土。

⑦粉质粘土，呈黑灰～浅灰色，软塑～可塑状态，无层理，含有机质、腐植物，属中压缩性土。

⑧1粉质粘土，呈灰黄色，可塑状态，无层理，含铁质，属中压缩性土。

⑧1-1粉土（夹层），灰黄色，呈密实状态，无层理，含铁质，属中（偏低）压缩性土。

⑧2粉土，呈灰黄色，密实状态，无层理，含铁质，属中（偏低）压缩性土。

⑨2粉砂，呈褐黄色，密实状态，无层理，含铁质，属低压缩性土。

1粉质粘土，呈褐黄色，可塑状态，无层理，含铁质，属中压缩性土。

2粉砂，呈灰黄色，密实状态，无层理，含铁质，属中（偏低）压缩性土。

3粉质粘土，呈灰黄色，可塑状态，无层理，含铁质，属中压缩性土。

§3.2 水文地质条件

根据勘察报告，本场地埋深40.00m以上可分为三个含水层：

（1）潜水含水层

位于埋深约11.00m（标高-7.00m）以上，主要含水层为全新统中组海相沉积层粉土（⑥3）为潜水含水层。埋深约11.00～14.00m（标高约-7.00～-10.00m）段全新统下组沼泽相沉积层粉质粘土（⑦1）属不透水层，为潜水含水层的相对隔水底板。

（2）第一微承压含水层

埋深约21.00～31.00m（标高约-17.00～-27.00m）段的全新统下组陆相冲积层粉土（⑧2）及上更新统第五组陆相冲积层粉砂（⑨2）属弱透水层，可视为微承压含水层。

该层上覆的全新统下组沼泽相沉积层粉质粘土（⑦1）、全新统下组陆相冲积层粉质粘土（⑧1）为该微承压含水层相对隔水顶板；埋深约31.00～35.00m（标高约-27.00～-31.00m）段上更新统第三组陆相冲积层粉质粘土（？1）可视为该微承压含水层的相对隔水底板。

（3）第二微承压含水层

埋深约35.00～37.00m（标高约-31.00～-33.00m）段的上更新统第三组陆相冲积层粉砂（？2）为第二微承压含水层。

该微承压含水层以埋深约31.00～35.00m（标高约-27.00～-31.00m）段上更新统第三组陆相冲积层粉质粘土（？1）为相对隔水顶板，以埋深37.00～40.00m（标高约-33.00～-36.00m）段上更新统第三组陆相冲积层粉质粘土（？3）为相对隔水底板。

勘察期间测得场地地下潜水水位如下：

初见水位埋深1.50～3.20m，相当于标高2.76～1.99m。

静止水位埋深0.70～2.40m，相当于标高3.11～2.84m。

表层地下水属潜水类型，主要由大气降水补给，以蒸发形式排泄，水位随季节有所变化。一般年变幅在0.50～1.00m左右。

§3.3 土层参数

根据勘察报告，主要土层参数及描述如下表所示：（见表1）

§4 分析过程与结果

§4.1 主要思路

在沉井下沉过程中，由于施工过程的不确定性，沉井可能出现如下几种工况：均匀下沉、绕X轴倾斜、绕Z轴倾斜、平面内旋转。因此本文对上述几种可能的工况进行模拟，以全面分析沉井施工对周边环境的影响。

§4.2 周边荷载

为了能够较准确的分析出沉井施工对周边环境的影响，需要准确的施加周边的荷载。本沉井周边的主要荷载有：厂房上部结构产生的荷载，保温炉设备产生的荷载。

厂房上部结构产生的荷载采用PKPM2010网络版进行计算，保温炉设备按照极限状态，根据单桩竖向承载力特征值来考虑该区域的荷载。

§4.3 本构模型的选择及其参数的确定

本文采用PLAXIS 3D有限元数值模拟软件进行分析。PLAXIS 2D/3D程序是由荷兰PLAXIS B.V.公司推出的一系列功能强大的通用岩土有限元计算软件，现在已广泛应用于各种复杂岩土工程项目的有限元分析中，如：大型基坑与周边环境相互影响、盾构隧道施工与周边既有建筑物相互作用、大型桩筏基础（桥桩基础）与邻近基坑的相互影响、板桩码头应力变形分析、库水位骤升骤降对坝体稳定性的影响、软土地基固结排水分析、基坑降水渗流分析及完全流固耦合分析、建筑物自由振动及地震荷载作用下的动力分析、边坡开挖及加固后稳定性分析等等。PLAXIS系列程序以其专业、高效、强大、稳定等特点得到世界各地岩土工程专业人员的广泛认可，日渐成为其日常工作中不可或缺的数值分析工具。尤其在欧洲、新加坡、马来西亚、香港等地应用广泛。截至2012年初，世界范围内PLAXIS用户多达16000多家；其中中国用户已有百余家，涵盖了铁路、电力、石化、建筑、航务、冶金等行业设计院、高校、科研院所及少量施工单位。

数值分析中的关键问题之一是要采用合适的土体本构模型和计算参数。根据《上海市基坑工程技术规范》（DG/TJ08-61-2010）第335页：线弹性模型由于对拉应力没有限制而无法较好的模拟主动土压力和被动土压力，一般不适合用于基坑开挖的数值分析；弹-理想塑性的Mohr-Coulomb模型或Drucker-Prager模型不能区分加荷和卸荷，且其刚度不依赖于应力历史和应力路径，应用于基坑开挖数值分析时往往会得到不合理的很大的坑底回弹，虽然这两个模型在有些情况下能获得一定满意度的墙体变形结果。而土体硬化（Hardeding Soil，HS）本构模型能考虑黏土的硬化特征、能区分加荷和卸荷的区别，且其刚度依赖于应力历史和应力路径，计算结果能同时给出较为合理的墙体变形及墙后土体变形，适合于敏感环境下的基坑开挖数值分析。因此，土体硬化模型已成为基坑工程数值分析中用的最多的模型之一。

HS 模型为 Plaxis 软件中的一种本构模型，由Schanz 等提出。该模型为等向硬化弹塑性模型，其在主应力空间中的整个屈服面如图所示。土体硬化模型可以同时考虑剪切硬化和压缩硬化，并采用 Mohr-Coulomb 破坏准则。

综上，本次分析土体的本构模型采用HS模型，其中使用的参数是根据工程勘察报告，并结合《基坑开挖数值分析中土体硬化模型参数的试验研究》（王卫东，王浩然等，岩土力学，2012.08）一文进行确定：土体硬化模型能适合于多种土类的破坏和变形行为的描述，并且适合于岩土工程中的多种应用，如堤坝填筑、地基承载力、边坡稳定分析及基坑开挖等。土体硬化模型共有 11 个参数，包括：有效黏聚力 c′、有效内摩擦角、剪胀角、三轴固结排水剪切试验的参考割线模量、固结试验的参考切线模量、与模量应力水平相关的幂指数m、三轴固结排水卸载-再加载试验的参考卸载再加载模量、卸载再加载泊松比、参考应力、破坏比、正常固结条件下的侧压力系数 K0。模型参数中的静止侧压力系数 K0 的确定可由 K0 =1-sin计算得出。根据 Janbu的研究，对于砂土和粉土，与模量应力水平相关的幂指数 m 一般可取为 0.5；对于黏性土，m 的取值范围为 0.5～1 。卸载再加载泊松比可采用 Plaxis 软件模型手册中的建议值，一般取为 0.2；参考应力一般取为 100 kPa；根据Bolton 的研究，对于砂土，剪胀角可取为（-30°）；对于黏性土，一般取为 0。

此外，模型中涉及的结构单元，如沉井、灌注桩、承台、设备基础和PHC管桩等，均采用线弹性模型进行模拟，其参数根据实际的混凝土等级结合《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）进行确定。

§4.4 模型的建立

计算模型包括了土体和沉井等结构构件。模型的左右向为X轴，上下为Z轴，竖向为Y轴。以沉井中铸造机的中心点为模型的原点，X轴方向的坐标为-50～50m，共100m；Z轴方向的坐标为-40～30m，共70m；竖向Y轴方向的坐标为-1.5m～-42.95m，共41.45m。竖向土层建立至？3粉质粘土层底。模型顶面自由，四周施加法向约束，底面施加X、Z、Y三向约束。

§4.5 计算工况及计算过程

由于沉井的施工过程是一个动态的逐步下沉的过程，动态下沉的过程难以模拟，故采取一种近似的方法进行模拟：将沉井沿竖向分为几节，逐节激活沉井并挖除井内土体，以此来实现模拟沉井施工的过程。在沉井下沉过程中，由于施工过程的不确定性，沉井可能出现如下几种工况：均匀下沉、绕X轴倾斜、绕Z轴倾斜、平面内旋转，为全面分析沉井施工过程可能产生的最不利影响，共分为以下五个工况进行分析：

工况一：沉井正常均匀下沉；工况二：沉井绕X轴倾斜；工况三：沉井绕Z轴倾斜；工况四：沉井逆时针旋转；工况五：沉井顺时针旋转。

其中二～五这四个非正常工况，考虑倾斜或旋转的极限状态，通过施加主被动压力差来实现。

计算步骤如下表所示：（见表2）

§4.6 计算结果

以下计算结果中的正负号是根据以下坐标轴确定的：原点位于铸造井沉井中心点，X轴平行于D柱列，Z轴垂直于D柱列并指向D柱列。

各个工况的计算结果汇总如下表所示：（见表3）

各个工况桩基的内力情况汇总如下表：（见表4）

§5 结论

由数值分析计算结果表明，桩基水平位移的最大值均小于20mm（报警值），基本可以认为沉井施工对厂房和周边环境的影响在安全的可允许范围之内。但是沉井的下沉过程是动态的，施工过程中可能会产生各种不可控因素，导致沉井的施工产生不良后果，因此建议如下：

1.工程周边环境较复杂，为保证沉井施工对周边环境的影响在可控范围以内，沉井施工前应编制详细可行的施工组织设计方案，其中应包括切实可行的应急预案。

2.沉井施工前可在沉井周围施工一圈封闭的止水帷幕。

3.施工过程中应加强监测，主要的监测项目应包含但不限于以下几个方面：周边地表沉降、承台和设备基础水平及竖向位移、厂房柱测斜、地下水位变化等。