水中沉井下沉过程中井壁坍塌原因分析及处理措施

水中沉井下沉过程中井壁坍塌原因分析及处理措施在桥梁、港口等大型水利交通工程中，沉井基础因具备承载力强、稳定性好、适应复杂地质条件等优势，被广泛应用于深水基础施工。然而，水中沉井施工环境复杂，尤其是在深度超过100m的超深沉井下沉过程中，受地质条件、施工工艺、水文环境等多重因素影响，极易发生井壁坍塌等重大安全事故，不仅会造成巨额经济损失，还可能引发人员伤亡。本文以某大桥超深矩形沉井坍塌事故为工程背景，系统分析事故发生的深层原因，结合现行《公路桥涵施工技术规范》（JTG/T3650-2020）及最新施工工艺要求，提出科学合理的处理措施及预防机制，为类似工程提供技术参考与安全保障。一、事故概况1.1工程基本信息某跨江特大桥主墩采用倒圆角矩形沉井基础，该沉井为多井孔连体结构，井身顶面平面尺寸为86.9m×58.7m，底面平面尺寸为83.7m×55.5m，井壁厚度为1.6m-2.0m，整个沉井由24个12.8m×12.8m的独立井孔组成，井孔间采用1.2m厚的隔墙分隔，沉井总高度达115m，属于超大型超深沉井基础。沉井混凝土设计强度等级为C35，抗渗等级为P8，以抵御深水环境下的渗透压力。沉井施工采用"吸泥下沉与接高交替"的施工方案，即先完成一定高度井身浇筑，待混凝土强度达到设计强度的80%后进行吸泥下沉，下沉至预定标高后再进行下一节井身接高，依次循环直至达到终沉标高。下沉作业选用φ420mm空气吸泥机，配合高压射水装置辅助破土，单个井孔吸泥效率约为80m³/h。沉井设计终沉底标高为-107.0m，对应下沉深度115m，事发时沉井已完成10节井身接高，实际下沉至-102.5m标高，距离终沉标高仅剩4.5m，此时沉井累计下沉深度达109.5m。1.2事故发生过程事发当日为晴天，江面风速3-4级，水温18℃，水文条件稳定，符合沉井施工气象要求。18时整，项目部按照既定交接班制度，组织白班与夜班施工人员进行交接，技术部根据当日16时实测的各井孔泥面标高（J3-2井孔泥面-101.8m、J4-1井孔泥面-102.0m、J4-2井孔泥面-100.5m、J4-3井孔泥面-100.2m、J4-4井孔泥面-101.5m）及沉井姿态监测数据（南北向倾斜0.12%、东西向倾斜0.08%，均在规范允许范围内），下达夜班施工指令：对J3-2、J4-1、J4-2、J4-3、J4-4五个井孔进行针对性吸泥，以控制沉井均匀下沉。20时30分，现场技术员对五个井孔吸泥情况进行巡查，各井孔吸泥机运行正常，泥面下降均匀，沉井姿态无明显变化。23时左右，J3-2、J4-1、J4-4三个井孔泥面已降至-103.0m，达到预定下沉深度，夜班班长按指令停止这三个井孔的吸泥作业，仅保留J4-2、J4-3两个井孔继续吸泥，此时沉井南北向倾斜度增至0.15%，仍在可控范围内。次日凌晨1时50分，现场值班人员发现J4-2井孔吸泥管出泥量突然减少，伴随轻微"咕噜"声，立即通知技术员到场检查。1时58分，技术员到达现场时，J4-2、J4-3井孔水面突然开始快速上涌，上升速度达0.8m/s，仅用15秒就上涨至距离沉井顶面2.6m处，此时测得井内水位标高为+2.4m，而江面水位标高为-8.1m，井内外水头差瞬间达到10.5m。2时01分，沉井北侧井壁（对应J4-1至J4-4井孔区域）发出剧烈异响，随即出现长达28m、高15m的坍塌缺口，附着在北侧井壁内侧的三台QTZ80塔式起重机（编号分别为T03、T04、T05）随坍塌土体一同坠入江中，起重机钢缆断裂时产生的冲击波导致周边5个井孔的临时作业平台损毁。事故发生后，项目部立即启动一级应急响应，组织人员撤离并封锁现场，经清点无人员伤亡，但直接经济损失初步估算达1200万元，工程停工达45天。1.3事故现场勘察情况事故发生后24小时内，项目组联合地质勘察单位、设计单位及第三方检测机构组成事故调查组，采用水下机器人（ROV）、声呐探测仪及地质雷达等设备对事故现场进行全方位勘察，勘察结果如下：坍塌区域集中在沉井北侧J4-1至J4-4井孔对应的井壁，坍塌范围为水平长度28m、竖向高度15m，坍塌处井壁混凝土完全破碎，露出的钢筋严重扭曲变形，部分钢筋与混凝土剥离，混凝土强度回弹检测结果显示，坍塌区域混凝土实际强度为C32，略低于设计C35要求。水下勘察发现，沉井北侧外侧土体出现直径约12m的漏斗形塌坑，塌坑深度达8m，塌坑周围土层存在明显的液化现象，取样分析显示该区域土层中细颗粒含量高达82%，属于典型的流砂层。J4-2、J4-3井孔底部形成直径约3m的贯通性孔洞，孔洞下方连接一条走向与北侧江堤平行的砂层通道，通道宽度约1.5m，延伸长度超过20m，直接与江水连通，这是导致井内水位快速上升的主要通道。沉井姿态监测数据显示，事故发生后沉井北侧下沉量达1.2m，南北向倾斜度增至1.8%，远超规范允许的0.5%限值，沉井出现明显的失稳趋势。二、事故原因深度分析通过对事故现场勘察数据、施工记录、地质勘察报告及设计文件的综合分析，本次沉井坍塌事故是地质条件复杂、施工工艺不当、监测预警缺失及安全管理不到位等多重因素共同作用的结果，具体原因可分为地质因素、施工因素、设计因素及管理因素四个方面。2.1地质因素：复杂地质条件为事故埋下先天隐患2.1.1流砂层发育，抗渗透稳定性差根据工程地质勘察报告（编号：GC2023-012），沉井在-100m至-105m标高范围内穿越④4粗砂层、⑤3细砂层和⑤2粉砂层三层砂土，其中⑤3细砂层厚度约2.8m，⑤2粉砂层厚度约3.5m，这两层砂土的颗粒级配分析结果显示，粒径小于0.25mm的细颗粒成分比例分别为83%和81%，不均匀系数Cu分别为3.2和2.8，均小于5，属于级配不良砂层，具备形成流砂的典型地质条件。同时，地勘报告中的地震波勘探数据（波速值1800-2200m/s）揭示，墩位处存在明显的物探异常区，推测为砂层中夹有厚度0.3-0.8m的薄层粘土层，这种"砂-粘"交互层理结构，在水压力作用下极易发生渗透破坏。现场取样的渗透试验结果显示，⑤3细砂层渗透系数k=3.2×10⁻³cm/s，属于中等透水层，当井内外水头差超过5m时，就可能产生管涌现象，而事故发生时井内外水头差达10.5m，远超临界值，直接诱发了流砂涌入。2.1.2地质勘察精度不足，存在勘察盲区本次地质勘察采用钻孔勘探结合地震波勘探的方式，钻孔间距为30m，虽然符合《公路工程地质勘察规范》（JTGC20-2011）的要求，但对于超深沉井施工而言，钻孔间距过大导致存在勘察盲区。事故后补充勘察发现，在J4-2井孔下方存在一条宽度约1.2m的古河道遗迹，该遗迹内填充的是松散粉砂，渗透系数达5.8×10⁻³cm/s，远高于周边砂层，而原勘察报告中未标注该古河道的存在，导致施工前未制定针对性的防范措施。此外，原勘察报告中对砂层的动态稳定性分析不足，仅提供了静态渗透系数和颗粒级配数据，未结合沉井下沉过程中产生的附加应力和水力梯度变化，对砂层的抗液化能力进行评估，无法为施工过程中的风险控制提供准确依据。2.2施工因素：违规操作与工艺缺陷直接诱发事故2.2.1沉井超深下沉，井内外压力平衡破坏事发时沉井已下沉至-102.5m标高，而沉井外侧江底标高为-18.3m，井内泥面标高最低达-103.0m，沉井内外土层标高差达84.7m，形成了巨大的土压力差和水压力差。根据土压力计算结果，沉井北侧井壁承受的主动土压力达320kPa，水压力达105kPa，合计超过425kPa，而沉井井壁设计承载力为450kPa，已接近极限承载力。与基坑工程不同，沉井刃脚高度仅为1.8m，且施工过程中刃脚埋深较浅（事发时刃脚标高为-102.5m，埋入砂层深度仅2.5m），无法像基坑排桩那样通过足够的插入深度来控制压力平衡和水力梯度。当J4-2、J4-3井孔持续吸泥导致局部泥面过度下降时，刃脚处的应力集中现象加剧，打破了原有的压力平衡，导致底部砂层失稳涌入井内。2.2.2吸泥工艺不合理，局部超挖现象严重根据施工日志记录，夜班施工人员为加快下沉速度，在J4-2、J4-3井孔吸泥过程中，未严格按照"分层吸泥、均匀下沉"的原则操作，而是将吸泥管直接放置在井孔底部持续吸泥，导致这两个井孔的泥面下降速度达0.3m/h，远超过周边井孔的0.1m/h，形成了明显的"锅底形"泥面。现场实测数据显示，事故发生前J4-2、J4-3井孔与相邻J4-1井孔的泥面高差达2.5m，这种不均衡的泥面形态导致沉井北侧受力集中，井壁产生较大的附加弯矩。同时，吸泥机选用的φ420mm吸泥管直径过大，在细砂层中吸泥时容易形成负压区，加速砂层的渗透破坏。高压射水装置的压力设置过高（达0.8MPa），射水流冲击破坏了刃脚处砂层的天然结构，进一步降低了砂层的抗剪强度，为流砂涌入创造了条件。2.2.3水位控制措施缺失，应急处置不及时沉井施工规范要求，在穿越砂层等透水地层时，应保持井内水位高于井外水位1-2m，以平衡水压力，防止流砂涌入。但该项目在施工过程中，仅依靠自然降水维持井内水位，未设置专门的水位调控系统。事发前2小时，江面因涨潮水位上升0.5m，而井内水位未及时调整，导致井内外水位差缩小，为砂层渗透破坏提供了有利条件。当发现J4-2井孔吸泥量减少时，现场技术员未意识到是砂层堵塞吸泥管的前兆，仅安排工人对吸泥管进行疏通，未立即停止吸泥作业并启动水位应急提升措施。从发现异常到事故发生仅间隔8分钟，应急处置时间严重不足，错过了最佳的风险控制时机。2.3设计因素：结构设计与风险防控考虑不足2.3.1井壁结构设计存在薄弱环节沉井井壁采用等厚度设计，全高范围内井壁厚度均为1.6m-2.0m，未根据不同深度的受力特点进行差异化设计。在-100m以下的超深区域，井壁承受的土压力和水压力较上部增加了30%，而井壁配筋率仍保持上部的0.8%，未进行加强处理，导致井壁在超深区域的抗弯承载力不足。此外，沉井北侧井壁的转角处未设置加强构造，钢筋锚固长度仅为35d，未达到规范要求的40d，混凝土浇筑过程中存在蜂窝、麻面等缺陷，这些结构薄弱环节在巨大的压力作用下率先破坏，引发连锁反应导致大面积坍塌。2.3.2未制定针对性的地质风险应对方案原设计文件中仅针对常规地质条件制定了施工方案，未结合地勘报告中提到的"砂层中夹薄层粘土层"这一特殊地质条件，制定专项的防流砂、防坍塌措施。对于超深沉井下沉过程中可能出现的压力失衡、水位突变等风险，未进行专项风险评估，也未设计相应的应急处置结构，如应急注浆孔、减压井等，导致事故发生时无有效的工程措施进行控制。2.4管理因素：安全管理体系失效与责任落实不到位2.4.1现场监测体系不完善，预警滞后该项目虽然设置了沉井姿态监测和泥面标高监测，但监测频率过低，姿态监测每4小时一次，泥面标高监测每8小时一次，无法实时反映沉井下沉过程中的动态变化。监测数据仅采用人工记录方式，未建立自动化监测预警系统，当沉井北侧倾斜度超过0.15%的预警值时，未及时发出预警信息。同时，监测项目不全，未设置井壁应力监测、土层孔隙水压力监测等关键监测项目，无法提前感知井壁结构和周边土层的稳定性变化，导致事故发生前未获得任何有效的预警信号。2.4.2施工管理不规范，违规操作普遍项目部未严格执行"三检制"，夜班施工过程中未安排专职质检员和技术员全程旁站监督，导致吸泥机压力调整、水位控制等关键工序的违规操作无人制止。施工人员岗前培训不足，夜班作业人员中60%未接受过沉井防坍塌专项培训，对施工规范和应急处置流程不熟悉，无法及时识别和处理施工风险。此外，项目部为赶工期，压缩了沉井下沉的间隔时间，上一节井身混凝土强度未完全达到设计要求就开始下一节下沉作业，降低了沉井的整体稳定性。2.4.3监理监督不到位，风险管控失效监理单位未严格履行监理职责，对施工方案中存在的工艺缺陷未提出整改意见，对夜间施工的关键工序未实行24小时旁站监理。在沉井下沉至-100m超深区域后，未要求施工单位增加监测频率和安全措施，对施工单位的违规吸泥、水位控制不到位等问题未及时下达停工整改通知，监理监督流于形式，未能发挥风险防控的作用。三、事故处理措施事故发生后，为确保后续施工安全，结合现场实际情况，遵循"先稳定、后修复、再续建"的原则，制定了一系列针对性的处理措施，整个处理过程分为应急稳定、修复加固、续建施工三个阶段，总工期为120天。3.1第一阶段：应急稳定措施（1-15天）3.1.1沉井姿态纠偏与稳定首先采用"压重纠偏法"控制沉井继续倾斜，在沉井南侧（非坍塌侧）加载800t的临时压重块（采用预制混凝土块），加载过程分三次进行，每次加载后静置24小时，监测沉井姿态变化，确保沉井南北向倾斜度从1.8%逐步降至0.5%以内。同时，在沉井四周设置8个临时锚定桩，锚定桩采用φ800mm钻孔灌注桩，桩长30m，嵌入基岩深度不小于5m，通过钢绞线与沉井井壁连接，施加预拉力固定沉井位置，防止沉井因外侧土体塌落而继续失稳。3.1.2坍塌区域封堵与水位控制采用"水下抛填+注浆封堵"的方式封闭坍塌缺口，首先通过船舶向沉井北侧坍塌区域抛填块石和袋装混凝土，形成临时挡水帷幕，抛填高度至-80.0m标高，阻止江水继续涌入。然后在沉井内侧坍塌区域设置钢套筒，钢套筒采用δ20mm钢板制作，直径5m，插入井底砂层深度2m，通过钢套筒形成封闭作业空间。在钢套筒内采用高压旋喷注浆工艺对坍塌区域进行加固，注浆材料选用水泥-水玻璃双液浆，水泥采用P.O42.5级普通硅酸盐水泥，水玻璃浓度为38°Be′，注浆压力控制在1.2-1.5MPa，注浆范围包括坍塌缺口周边5m范围内的土层，确保注浆体抗压强度不低于5MPa，形成稳固的挡土挡水结构。建立完善的水位调控系统，在沉井内设置4台大功率抽水泵（流量500m³/h）和6台补水泵，实时监测井内外水位，保持井内水位高于井外水位1.5m，平衡水压力，防止再次发生流砂涌入。3.1.3水下清障与安全防护采用水下机器人（ROV）配合抓斗式起重机清理坠入江中的塔式起重机残骸，清理过程中通过声呐定位确保残骸完全移除，避免影响后续加固施工。在沉井周边设置安全防护区，采用浮筒围栏划定施工水域，配备2艘应急救援船和1套潜水救援设备，确保施工人员安全。3.2第二阶段：修复加固措施（16-60天）3.2.1井壁坍塌区域修复井壁修复采用"植筋加固+模板浇筑"的工艺，具体流程为：坍塌区域混凝土清理→钢筋除锈与植筋→模板安装→混凝土浇筑→养护。首先采用高压水枪和人工配合的方式，彻底清理坍塌区域的破碎混凝土和松散土体，露出新鲜混凝土面和完整钢筋。对扭曲变形的钢筋进行校正，无法校正的予以更换，同时在修复区域增设加强钢筋，钢筋型号为φ25，间距150mm×150mm，采用植筋方式与原有井壁连接，植筋深度不小于50d，植筋胶选用A级环氧基植筋胶，确保粘结强度。模板采用定制钢模板，模板安装后采用对拉螺栓固定，确保模板刚度和稳定性。混凝土选用C40自密实补偿收缩混凝土，掺入10%的超细矿粉和5%的硅灰，提高混凝土的密实度和抗渗性，混凝土浇筑采用输送泵从底部向上分层浇筑，每层厚度50cm，浇筑完成后覆盖土工布并洒水养护，养护时间不少于28天，确保混凝土强度达到设计要求。3.2.2沉井基础加固处理为提高沉井基础的整体稳定性，在原沉井24个井孔内均设置管柱基础进行加固，管柱采用φ1200mm的钻孔灌注桩，桩长25m，嵌入下部中风化岩层深度不小于8m，管柱混凝土强度等级为C40，纵向钢筋配筋率为1.2%。管柱施工采用"水下钻孔+导管浇筑"工艺，钻孔过程中采用泥浆护壁，防止孔壁坍塌，钢筋笼安装后立即浇筑混凝土，确保混凝土密实。管柱顶部与沉井井身采用预埋钢板连接，钢板厚度20mm，通过焊缝与管柱钢筋和井壁钢筋固定，形成整体受力结构。在沉井底部进行全面注浆加固，注浆孔按梅花形布置，间距2m，注浆深度至沉井刃脚以下5m，注浆材料选用水泥-粉煤灰浆液，水灰比0.8，粉煤灰掺量30%，注浆压力0.5-0.8MPa，注浆结束标准为注浆量达到设计值且压力稳定30分钟，通过注浆提高底部砂层的承载力和抗渗性。3.2.3井壁结构加强对沉井-100m以下的超深区域井壁进行全面加强，采用"外包混凝土+增设扶壁柱"的方式，外包混凝土厚度为50cm，混凝土强度等级C40，在沉井四周每10m设置一道扶壁柱，扶壁柱截面尺寸为1.5m×2.0m，与井壁整体浇筑，提高井壁的抗弯和抗剪承载力。同时，在井壁内侧设置预应力锚索，锚索间距3m×3m，锚固深度至沉井外侧5m的稳定土层中，预应力张拉值为150kN，通过预应力锚索抵消部分土压力，降低井壁受力。3.3第三阶段：续建施工措施（61-120天）3.3.1优化沉井下沉工艺续建下沉作业采用"分层均匀吸泥+动态监测"的工艺，将原有的φ420mm吸泥管更换为φ250mm吸泥管，降低吸泥过程中产生的负压，吸泥顺序采用"对称交替吸泥"，即先吸沉井南侧井孔，再吸北侧井孔，确保沉井均匀下沉，避免出现倾斜。高压射水压力调整为0.3-0.5MPa，射水管与吸泥管保持30°夹角，避免直接冲击刃脚处砂层。下沉过程中严格控制泥面下降速度，每层吸泥深度不超过0.5m，吸泥完成后静置1小时，监测沉井姿态无变化后再进行下一层吸泥。3.3.2加强地质勘察与超前支护在续建下沉前，采用加密钻孔（间距10m）和地质雷达探测相结合的方式，对沉井下方剩余4.5m深度范围内的地质情况进行补充勘察，明确土层分布和不良地质体位置，根据勘察结果制定专项下沉方案。在穿越剩余砂层时，采用"超前注浆加固"措施，在沉井刃脚前方设置注浆孔，注浆深度超前刃脚2m，注浆材料选用水泥-水玻璃双液浆，通过注浆将松散砂层胶结形成整体，提高砂层的抗剪强度和稳定性，防止流砂再次发生。3.3.3完善监测与应急保障体系建立自动化监测系统，监测项目包括沉井姿态（倾斜度、沉降量）、井壁应力、土层孔隙水压力、井内外水位等，监测频率提高至每15分钟一次，监测数据实时传输至监控中心，设置预警值和极限值，当监测数据达到预警值时自动发出警报。配备充足的应急物资，包括200t应急压重块、10台大功率水泵、500m注浆管、1000袋袋装混凝土等，组建应急抢险队伍，进行专项应急演练，确保在发生突发情况时能够快速有效处置。3.3.4终沉控制与封底施工沉井终沉采用"慢速下沉+精确找平"的方式，当沉井接近终沉标高（-107.0m）时，将吸泥速度降至0.05m/h，通过调整各井孔吸泥量控制沉井姿态，确保终沉后沉井倾斜度不超过0.3%，底面标高偏差控制在±5cm以内。终沉完成后立即进行封底施工，封底采用"水下混凝土封底"工艺，封底混凝土厚度为3m，混凝土强度等级为C35，抗渗等级P10，掺入膨胀剂和抗裂纤维，防止混凝土收缩开裂。封底混凝土采用导管法浇筑，导管间距3m，浇筑顺序从中心向四周推进，确保混凝土密实，封底完成后养护28天，待混凝土强度达到设计要求后进行后续井内填充施工。四、预防类似事故的关键措施为避免水中沉井下沉过程中再次发生井壁坍塌事故，结合本次事故教训及最新规范要求，从地质勘察、设计优化、施工控制、监测预警及安全管理五个方面提出预防措施，构建全流程的风险防控体系。4.1精细化地质勘察，明确地质风险对于超深沉井基础，应采用"钻孔勘探+地震波勘探+地质雷达探测"的综合勘察方法，钻孔间距应缩小至15-20m，确保勘察结果能够准确反映土层分布情况。在疑似不良地质区域，应增加钻孔数量，查明不良地质体的范围、厚度及物理力学性质。加强对砂层等透水地层的专项勘察，除常规的颗粒级配、渗透系数测试外，还应进行动三轴试验、渗透破坏试验等，评估砂层在施工扰动和水压力作用下的稳定性，确定流砂发生的临界水头差和临界水力梯度。勘察报告应增加施工风险评估章节，明确不同深度的地质风险等级，提出针对性的风险防控建议，为设计和施工提供准确依据。4.2优化设计方案，强化结构安全采用差异化的井壁结构设计，根据不同深度的土压力和水压力计算结果，调整井壁厚度和配筋率，在超深区域和地质复杂区域适当增加井壁厚度和配筋率，设置加强构造和扶壁柱，提高井壁的承载能力。针对砂层等易发生流砂的地层，设计专项的防流砂措施，如在沉井刃脚处设置钢板靴、在井壁外侧设置减压井、在井内设置应急注浆系统等，确保在发生渗透破坏时能够及时控制。进行沉井施工过程的数值模拟分析，预测沉井在不同下沉阶段的受力状态和变形情况，优化下沉顺序和工艺参数，避免出现应力集中和过度变形。4.3严格施工控制，规范作业流程制定专项的沉井下沉施工方案，明确吸泥设备选型、吸泥顺序、泥面下降速度、水位控制标准等关键参数，方案需经专家评审通过后方可实施。吸泥设备应根据土层性质选择合适的直径，在细砂层中优先选用小直径吸泥管，避免形成负压区。严格控制沉井均匀下沉，采用"对称吸泥、分层下沉"的方式，确保各井孔泥面高差不超过0.5m，沉井倾斜度控制在0.3%以内。在穿越砂层时，应降低吸泥速度，必要时采用"吸泥+注浆"交替进行的方式，边加固边下沉。建立完善的水位调控系统，采用自动水位监测和控制系统，实时调整井内水位，确保井内水位高于井外水位1-2m，平衡水压力。在涨潮、落潮等水文条件变化时，应提前调整井内水位，避免出现水位差突变。加强施工过程中的质量控制，严格执行"三检制"，对吸泥、注浆、