鋼沉井在頂管操作井施工中的應用

【摘要】：東新五路排水管網改造工程頂管操作井采用不排水下沉鋼沉井的施工方法。由于本工程出水口緊鄰沙溪河，且地層土質均為細粉砂土，地下水豐富，頂管的操作井經認證采用鋼沉井工藝施工。本文主要闡述了鋼沉井下沉系數和穩定性的計算、水下混凝土封底施工及防止偏差的方法。

關鍵詞：鋼沉井；不排水下沉；水下混凝土封底；防止偏差方法

引言

沉井是給水排水和橋梁工程以及工業與民用建筑工程中作為深基礎的一種構筑物。它是在地面上用鋼殼、鋼筋、混凝土等諸多材料制成的帶有刃腳的箱形或筒形結構物作為基坑坑壁的支撐，在井壁的保護下，用機械和人工在井內挖土，使其在自重作用下沉入土中的一種地下構筑物，它具有結構剛性好、施工簡便、安全可靠、節約投資以及加快施工進度等優點，在基礎工程中得到了廣泛的應用。沉井施工的工藝不復雜，施工時對鄰近建筑物的影響較小，內部空間可以利用，因此，城市配套管網中的應用日益增多。采用不排水下沉法，避免在城市基礎設施建設中因降水施工沉井而導致周邊建（構）筑物和道路的不均勻下沉。沉井雖然具有這些優點，一旦在施工過程中稍有不慎或質量控制不好，都將會出現一系列質量問題，糾偏起來難度相當大，給工程的正常使用帶來很大的影響。

1 工程概況

東新五路排水管網改造工程采用內徑DN2000，壁厚24mm的鋼管，長約508.3m，由下游向上游頂進，坡降i=0.43%。管線所經地段土層斷面基本上為細粉砂層，且在地下水位較高，易產生流砂現象。管道穿越濱江路段，頂管施工的操作井位于沙溪河岸，沙溪河常水位125.5m，管底標高123.1m，地面標高127m，且又緊鄰東新五路大橋，地下管線多，因此采用鋼沉井施工。鋼沉井采用鋼結構雙壁板，中間澆筑C25素混凝土，下沉采用不排水下沉，水下混凝土封底。鋼沉井設置二個穿墻管、二個悶板，分二節制作，二次下沉，總高8.5m，上沉井高3.5m，下沉井高5m，鋼沉井壁厚1m，在工廠分段制作，運到施工現場進行拼裝成型。鋼沉井內尺寸8m×5m，外尺寸10m×7m。鋼沉井下節自重3475KN，浮力750KN；鋼沉井總自重6087KN，總浮力1632KN。鋼沉井結構如圖所示：

鋼沉井封底后圖片

2 鋼沉井的制作

2.1 鋼沉井的施工工藝流程：測量放樣——基坑開挖——砂墊層施工——澆筑混凝土墊層——鋼結構雙壁板工廠制作——第一節鋼沉井現場拼裝——澆筑混凝土——下沉到位——鋼沉井上半部現場拼裝——澆筑混凝土——下沉到位——水下混凝土封底——澆底板

2.2 鋼沉井的地基處理；在鋼沉井下沉處進行基坑開挖、找平，墊層用粗、中砂50mm分兩層夯壓密實做地基的傳力層，為防止由于地基不均勻下沉引起井身開裂，并在上鋪設C10砼30cm厚墊層一道，使鋼沉井第一次制作時的重量通過混凝土墊層擴散后的荷載值小于下臥層地基土的承載力特征值。

3 鋼沉井的下沉

3.1 下沉系數的計算

鋼沉井下沉前，為了保證沉井施工時能順利下沉到設計標高，需要驗算鋼沉井自重是否能克服下沉時土的摩阻力滿足下沉的要求，應當計算下沉階段鋼沉井的下沉系數。

鋼沉井下沉系數計算如下：

K0=（G-B）/Tf=（G-B）/L（H-2.5）fc

式中K0——下沉系數，一般取值范圍宜在1.05～1.25

G——井體自重（KN）；

B——下沉過程中地下水的浮力（KN）；

Tf——井壁總摩擦力

L——井壁外周長

H——井壁高度

fc——單位面積的摩阻力，粉砂土經驗值取20kpa。

第一節鋼沉井下沉系數：

K0=(3475-750)/（10+7）*2*（5-2.5）*20=2725/1700=1.6>1.05

第二節鋼沉井下沉系數：

K0=（6087-1632）/（10+7）*2*（8.5-2.5）*20=4455/4080=1.09>1.05

由計算可知，二次下沉的鋼沉井自重均能夠滿足下沉的要求。

3.2 鋼沉井穩定性系數：

分節制作、分次下沉的沉井，前次下沉后進行后續接高施工應驗算接高后下沉穩定系數，以防止突沉或下沉標高難以控制。

K0’=（G-B）/(Tf+R)

式中K0’——下沉穩定系數

R——沉井刃腳踏面支承力（KN）

R=0.1*(10+7)*2*300=1020kN（粉砂土的極限承載力300KN/m2）

K0’=（6087-1632）/（4080+1020）=0.87<1.0

由計算可知，說明鋼沉井能夠穩定而不會發生突沉。

3.3 鋼沉井下沉

該鋼沉井是屬于小型沉井的，采用二次制作，二次下沉的方案；下沉的時候，采用50T履帶雙索抓斗起重機進行水下抓土下沉，抓斗挖掘井底最中央部分的土，使鋼沉井底形成鍋底。由于該場地的土質較軟弱，一般當鍋底比刃腳低1～1.5m的時候，鋼沉井就可以依靠自重下沉。而將刃腳下的土擠向中央，再從井孔中繼續挖土，鋼沉井就可以接著繼續下沉了。鋼沉井在下沉過程中隨時進行測量，保證下沉速度和垂直度，挖土時對稱進行，刃腳處不得挖土，發生傾斜達到5cm時立即停止取土下沉，進行糾偏。當第一節鋼沉井頂距地面0.5m時，再在其上按照設計制作第二節鋼沉井，達到設計強度后繼續按第一節方法下沉。

3.4 鋼沉井糾偏

在剛開始下沉施工程中，由于無施工經驗，出土速度過快，未能均勻控制除土，鋼沉井發生扭轉偏移。

平面扭轉糾偏示意圖

為了保證鋼沉井位置準確，在鋼沉井的A、C兩對角偏除土，另外兩對角填土，借助刃腳下不相符的土壓力所形成的扭矩使鋼沉井在下沉進程中逐步糾正到位。所在偏差在下沉到刃腳接近第一節設計標高50cm時，基本糾正好。在第二節時謹慎下沉，緩慢除土保證下沉中不再偏移。

4 水下混凝土封底施工

在鋼沉井下沉到位后，應進行8小時的連續觀察，如下沉量小于10mm時可進行封底，封底采用水下混凝土封底。封底施工應結合封底要求控制基底土層高度，確保混凝土封底厚度，并用抽砂泵清除井內鍋底浮泥，并派潛水員將鋼沉井四周沖洗干凈，選擇質地優良毛石進行基底拋石處理（需一人搬動為宜）拋填至鋼沉井棱角處由潛水員潛入平整。

水下封底施工時，導管底距基底面30～40cm，在導管頂端接好3m3儲料漏斗。漏斗滿盛坍落度較大的混凝土，用砍球法灌注，球塞安放在漏斗頸部，并用繩索或粗鐵絲系牢。球塞中心在水面以上，在球塞上部先鋪一層稠水泥砂漿。割斷繩索，同時迅速不斷地向漏斗內灌注混凝土，此時導管內球塞，空氣和水受混凝土擠壓由管底排出，瞬間混凝土在管底周圍堆筑成一圓錐體，將導管下端埋入混凝土堆內至少1m，使水不能流入管內，將以后再灌注的混凝土在無水的導管內源源不斷的灌入混凝土堆內，隨灌隨向周圍擠動，攤開升高。為了達到要求的擴散半徑，混凝土坍落度一般為20～22cm。導管上部用3節長度1m左右的短管組成，提升后便于拆卸，其余部分用長導管組成，其最下部一節不帶法蘭盤，以免破壞水下混凝土和管端部的防水效果。導管內壁力求光滑，誤差小于±2mm。導管有足夠的抗拉強度，能夠承受導管自重和盛滿混凝土后的總重量。拼接后的試驗拉力不小于上述重量的2倍。導管提升時做到慢提快落，當漏斗已達最大高度不能再提升時，可拆卸上部短節。此時，快速降低導管，使其下部插入混凝土中，拆除時間控制在20～30min。在混凝土表面已達到設計標高時，多澆筑10～20cm，然后將導管拔出，沖洗干凈。若封底抽水后仍有滲漏現象，先進行修補或設置反濾層，然后再澆筑混凝土底板。

5 澆注砼底板

在封底砼達到設計要求強度后，將鋼沉井內的積水用潛水泵抽干；底板混凝土澆筑前，落實混凝土的供應條件，保證底板連續澆筑。同時為了保證混凝土底板與鋼沉井內壁的密封，清除鋼沉井接口表面的垃圾并鑿毛，同時根據經過報批的配合比試驗，在混凝土中摻入一定數量的微膨脹添加劑。

6 鋼沉井施工防止沉井下沉產生偏差的方法

在施工過程中一開始就應從思想上高度重視，嚴格按操作規程和施工規范施工，把好各個關口，貫徹以“預防為主，糾偏為輔”的原則，防止方法如下：

6.1 鋼沉井在下沉過程中，實際上總是在搖擺中下沉的，而并非絕對平穩均勻，所謂防止偏差就是使其控制在最小范圍之內，做到基本均勻。因此在下沉中要根據測量資料隨偏隨糾。

6.2 為了隨時檢查鋼沉井是否鉛直下沉，用水準儀測量，把鋼沉井各點的高差數據，及時告訴挖土人員，以便及時糾正。

6.3 在井內除土，應先從中間開始，均勻對稱地、逐步地向四周刃腳處分層取土，以便鋼沉井均勻緩慢下沉，防止傾斜。特別是在鋼沉井下沉初期，因入土較淺，土層對沉井的平衡穩定作用差，容易產生傾斜，尤應注意。

6.4 近刃腳處，任何情況下，在下沉過程中，除土泥面不宜低于刃腳；中間井孔的除土泥面，應根據土質情況和沉井大小，入土深度不宜低于刃腳踏面1～2m。

6.5 下沉過程中，應常測量井內除土的泥面標高、下沉量、傾斜和位移的變化情況。下沉時標高、軸線位移每班至少測量一次，每次下沉穩定后應進行高差和中心位移量的計算。終沉時，每小時測一次，嚴格控制超沉，鋼沉井封底前自沉速率應小于10mm/8h。如發生異常情況應加密量測。

6.6 下沉中要隨時掌握土層變化的情況，分析和檢驗土壤阻力與鋼沉井重量的關系，選定適當的除土下沉方法，控制其除土部位和除土數量，使鋼沉井能均勻平穩地下沉。

6.7 應特別注意井內水位標高，使其不得低于井外水位；施工過程中應隨時監測和控制井內水位、井底開挖的幾何尺寸、下沉量和速度以穩定井底，防止突沉，控制終沉。

6.8 下沉過程中，應隨時注意觀測鋼沉井周圍地面沉降和開裂情況，以便采取措施，確保鋼沉井附近的施工設施及其他建（構）筑物的安全。

6.9 鋼沉井下沉挖出的土方，應盡量及時運走，如確實來不及外運時，應遠離鋼沉井基坑邊，四周均勻堆放，并防止將棄土堆放在井壁的一側，以免產生偏土壓力而使鋼沉井偏斜。

6.10 第一節下沉的鋼沉井，當鋼沉井快接近下沉預定標高時，應注意調平鋼沉井，準備以后接高。此時，鋼沉井下沉應特別注意除土部位和深度，防止鋼沉井下沉量過快、過大而產生較大的偏斜，增加接高工作的困難。

6.11 鋼沉井下沉至設計標高以上約2.0～2.5m時，應嚴格控制井內的除土量、下沉速率，同時還應調平鋼沉井，防止因除土量過大和除土不均勻，使鋼沉井產生突沉，而引起較大的偏斜，增加了準確下沉至設計標高的困難。如不產生突沉，即使有少量偏斜，因為尚有2.0～2.5m的下沉高度，可以進行糾偏處理，而不致于使鋼沉井超沉。

7 結束語

東新五路排水管網改造工程采用不排水下沉施工技術，安全可靠，施工速度快，下沉質量好，且在施工中采取的有效方法防止鋼沉井下沉產生偏差，最后終沉各項控制指標均符合設計和規范要求。水下混凝土封底施工完成后，經過一段時間的觀測未發生繼續沉降。施工過程中和工程竣工后，距鋼沉井僅2m的DN600給水管和相鄰東新五路大橋橋墩均保持正常狀態，施工取得良好效果，達到了預期的目的。為今后類似工程施工積累了一定的、可借鑒的經驗。

參考文獻

[1]《給排水工程施工手冊》（第二版），北京，中國建筑工業出版社，2003-12

[2]《沉井設計與施工》，上海，同濟大學出版社，2006-5-1

[3]GB50141—2008，《給水排水構筑物工程施工及驗收規范》

[4]CECS137——2002，《給水排水工程鋼筋混凝土沉井結構設計規程》