沉井排水下沉技術在寶應縣小涵洞工程中的應用

黃曉慶陳壽明

沉井排水下沉技術在寶應縣小涵洞工程中的應用

黃曉慶1陳壽明2

一、工程概況

寶應縣小涵洞新建工程是南水北調東線第一期工程沿運閘洞漏水處理工程之一，該工程位于寶應縣涇河鎮運河大堤上，保留原小涵洞，新建小涵洞在原址向南移址新建，主體部分全長96.6m（不含上下游護砌段），洞身段全長69m，其中穿堤段50m采用φ150cm圓管涵進行頂管施工，其余19m采用圓涵埋管型式與大運河連接。圓管涵壁厚0.15m，底板高程3.2m，堤頂高程12.6m，堤頂寬14.6m。

頂管進口工作井布置于堤防道路西側坡腳的灘面上，采用沉井結構型式，工作井內凈尺寸長6.5m、寬5.0m，井壁厚90cm，井壁頂高程8.5m，井底板高程2.0m，底板厚0.7m。頂管出口接收井布置于道路東側坡腳處，接收井采用開挖土坑型式。頂管結束后，在進口工作井的上游側布置連接埋管和上游引河，在頂管出口接收土坑內進行消力池的布置。

工作井上游的連接埋管采用φ150cm圓管涵壁厚0.15m，底板高程3.2m，進口處設置鋼筋混凝土結構斜降式U形墻與上游引河銜接。

二、工程水文地質情況

小涵洞工程地質如下：

工程地質、水文地質：勘區土在鉆深范圍內，上部填土（大運河堤身堆、填土），下部土是地域穩定土層，屬河湖相沉積，從工程地質角度看，勘區土自上而下分別描述如下：

第1層：自12.71～3.86m，素填土，貫入擊數N=5.5擊，比貫入阻力Ps= 1.036MPa，承載力標準值fk=70kPa，垂直滲透系數Kv=2.0E-04cm/s。

第2-1層：自6.12～3.09m，淤泥，Ps=0.49MPa，fk=55kPa，垂直滲透系數Kv=3.0E-07cm/s。此層土僅分布在西坡角處。

第2-2層：自3.09～0.28m，粉土夾粉質粘土，Ps=1.149MPa，fk=70kPa，垂直滲透系數Kv=4.0E-05cm/s。此層土僅分布在西坡角處。

第3-1層：自6.62～4.5m，土質為粉質粘土夾粉土，N=6擊，Ps=0.515MPa，fk=80kPa，垂 直 滲 透 系 數 Kv= 4.0E-06cm/s。此層土僅分布在西側灘面斜坡處。

第3-2層：自4.5～2.9m，粉土，N =9擊，Ps=2.578MPa，fk=90kPa，垂直滲透系數Kv=5.0E-05cm/s。此層土僅分布在西側灘面斜坡處。

第4層：自3.86～1.71m，粉質粘土，N=5擊，Ps=1.781MPa，fk=180kPa，垂直滲透系數Kv=3.0E-06cm/s。

第5層：自1.71～-0.22m，粉質粘土，N=14擊，Ps=3.443MPa，fk=230kPa，垂直滲透系數Kv=5.0E-06cm/s。

第6層：自-0.22～-4.36m，粉土夾粉質粘土，N=26.7擊，Ps=9.058MPa，fk=180kPa，垂直滲透系數為 Kv= 6.0E-05cm/s。

第7層：自-4.36～-8.11m，粉質粘土，N=21.4擊，Ps=4.009MPa，fk=260kPa，垂直滲透系數Kv=4.0E-06cm/s。

第8層：自-8.11m～-11.79m，粉土夾粉質粘土，N=21.5擊，Ps=9.231MPa，fk=200kPa， 垂 直 滲 透 系 數 Kv= 1.0E-05cm/s。

第9層：自-11.79m以下，該層土未揭穿，為粉質粘土，N=10.2擊，fk=160kPa，垂直滲透系數Kv=3.0E-06cm/s。

場地地震效應：本勘區抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度值為0.10g，設計地震分組為第一組。地面以下20m深度范圍內均為粘性土，按抗震設計規范判別，無液化土層。場地土類型為中軟場地土，根據區域工程地質資料，場地覆蓋層厚度大于50m，建筑場地類別為Ⅲ類，為建筑抗震有利地段。

沉井底部高程為－0.7m，底板頂高程為2.0m，基本位于第5層，該層土為粉質粘土，地基承載力為230kPa，以下各層土為良好的地基下臥層，滿足設計要求。

三、沉井施工

1.總體情況

本工程施工期大運河最高水位為6.5～7.5m，沉井位置處水位為 5.5～6.5m。沉井擬采用深水管井降水，人為創造旱地沉井施工，采用排水下沉施工方案。為降低沉井下沉深度，先將基坑開挖2～3m，待砂墊層和素混凝土墊層完成后，制作沉井。沉井制作完成后，待沉井井壁混凝土強度達到90%后方可進行下沉施工，沉井擬分兩次性制作，一次性下沉，沉井采用C30混凝土澆筑。

2.放樣定位

根據設計施工圖沉井坐標放樣，定出沉井中心樁位和縱橫軸線控制樁，放出沉井基坑位置;基坑開挖至現有地在灘地高程，深度約為2～3m，基坑邊坡按1∶0.8放坡，基坑土方采用機械挖土，人工配合修坡和坑底平整；基坑如有松軟土應全部予以清除，并回填實土、夯實。

3.砂墊層、素混凝土墊層施工

為保證沉井制作時的沉井穩定及增加土體的容許承載力，因此需鋪設砂墊層和素混凝土墊層。砂墊層采用中粗砂，并搗實，保證密實度。

砂墊層厚度計算經驗公式：

N為沉井單位長度重量。

沉井上部總重N=［（6.5+1.8）× （5+1.8）-6.5×5］×8+（0.4+0.9）/2×0.7× （7.4+5.9）×2×2.5/（7.4+5.9）/2=19.3T/m

δ為土體極限承載力，取δ=8t/m2。

b為混凝土墊層寬度，取b=2.3m；

φ為砂墊層應力擴散角，取φ=26° 34'。

砂墊層厚度取0.15m，素混凝土的寬度根據經驗度取2.3m，厚度取0.1m。

4.沉井制作

沉井為兩次制作，一次下沉。第一次澆筑至底板上方，第二次澆筑至頂層8.5m處。

5.沉井下沉方式

沉井制作下沉時，根據工程地質條件擬采用干沉干封底，但施工現場同時配備濕沉封底設備和人員，以備特殊情況時采用濕沉、濕封底的方法。

（1）深水管井降水，深水管井降水可以明顯降低井附近區域的地下水位，使沉井下沉區域無水，達到沉井干沉的目的。

（2）根據工程場地的工程地質和水文條件進行水力計算，工作井降水采用深水管井，每座工作井布置四口深水管井，能夠達到疏干滲水目的。

（3）沉井下沉時，下沉系數較大，刃腳下土體可不必挖除。下沉到位后，盡快井內回填封底混凝土，保證沉井不繼續下沉。沉井下沉過程中，采用井外壁灌砂的辦法，以減少井周邊摩阻力，以利沉井穩定下沉。

6.沉井下沉施工

（1）沉井下沉系數計算：

其中：G為沉井自重，經計算G=203.6×2.5＝509T

Rf為井壁摩阻力，取井壁摩阻力系數F為2.5T/m2，Rf＝1/2×AF=1/2× （7.5+0.7）×（6.5+1.8+5+1.8）×2×2.5=309T

Rt為刃腳端面反力，取ft平均值為 15T/m2，則 Rt＝ft×Ft=15×0.4× （8.3+6.8）×2=181T。

則K=509/（309+181）=1.04。

當1＜K＜1.33時沉井能正常下沉。

（2）沉井下沉施工

a.沉井下沉前，應先在四角用油漆做好高程標尺，以便沉井下沉時，進行觀測。

b.沉井下沉觀測，必須每天定時觀察，如發現下沉有異常情況，應加強觀測，每次觀測結果要求做好記錄，報項目部技術負責人。

c.沉井刃腳混凝土強度達到90%后，沉井可進行下沉施工。

d.沉井下沉時，應對稱破除素混凝土墊層，并把墊層混凝土塊清理干凈，防止沉井開始下沉時發生傾斜。

e.沉井井內挖土，采用長臂挖掘機挖土施工，人工配合挖土，挖運至現場指定地點集中堆放，要求施工采用連續施工的方式進行不間斷施工。

f.沉井下沉挖土要有專人負責，指揮井內挖土施工。

g.沉井下沉糾偏，要求現場施工人員根據測量觀察到的數據及時調整井內挖土方式，并報項目負責人。

h.沉井下沉的速度由挖土的速度來控制，當沉井離設計要求0.5～1m時，要求嚴格控制挖土速度，控制沉井下沉，防止發生超沉。

7.沉井封底

（1）當沉井下沉至設計標高時，應密切觀察，在8h內下沉量小于1cm時進行封底施工，如發生沉井下沉較大時，應采取阻沉措施。

（2）封底施工時，嚴禁向井內回填土方，超挖部分應采用碎石或石塊回填。井內淤泥需清除干凈，清除雜物，封底混凝土接觸端面應鑿毛，并清洗干凈。

（3）在封底過程中深水管井保持抽水，防止封底后地下水壓的作用造成底板損壞，待混凝土強度達到要求后一次性封堵。

（4）澆筑C20混凝土封底，終凝后即可進行底板鋼筋綁扎。

（5）鋼筋驗收合格后，進行底板混凝土澆筑，并留混凝土試塊。

（6）當混凝土強度達到設計要求后，對集水井進行封堵，并停止深水管井降水。

8.沉井下沉的偏差和處理措施

在沉井下沉過程中，盡量避免過大傾斜、突沉，但如果因土質變化等原因發生較大傾斜、突沉時，采取以下糾偏技術措施：

（1）挖出沉井較高一側的刃腳下土體，而另一側的刃腳下土體不挖。

（2）沉井下沉到離設計標高還有1m時，應放慢下沉速度。加強井頂標高監測。刃腳下的土體不能挖空。當沉井下沉到離設計標高還有20cm時，應停止機械挖土，改用人工挖土修正。由其自然下沉到設計標高后進行封底，防止沉井在下沉過程中突沉。

四、結語

沉井是一種利用人工或機械方法清除井內土石，并借助自重或添加壓重等措施克服井壁摩阻力逐節下沉至設計標高，再澆筑混凝土封底并填塞井孔，成為建筑物基礎的井筒狀構造物。

沉井的特點是埋深較大，整體性強，穩定性好，具有較大的承載面積，能承受較大的垂直和水平荷載，在地下結構中應用較為廣泛。在本工程中，一是利用沉井承受水平荷載，作頂管水平力作用支撐；二是在頂管施工結束后，作為上部結構的基礎使用，承載上部閘房和啟閉設備的荷載。本工程施工結束后，進行沉降變形觀測，未有明顯變形，總體效果良好■

（作者單位：1.江蘇省寶應縣水務局225800 2.江蘇省寶應縣安宜水務站225800）