淺談高地下水位沉井施工關鍵技術與質量控制

黃 從 鋼

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都　610081)

?

淺談高地下水位沉井施工關鍵技術與質量控制

黃 從 鋼

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都610081)

摘要：以南水北調中線工程潮河二標項目17#泵站為實例，闡述了在軟土、高地下水情況下進行井筒式沉井施工的工藝過程及質量控制要點，通過該施工技術的運用，達到了減小地下水位和渠堤交叉施工干擾、加快施工進度、降低施工成本、確保工程質量的目的，對其他類似工程施工具有一定的參考意義。

關鍵詞：高地下水位；沉井；監測；預防；處理；南水北調

1工程概述

南水北調中線一期工程總干渠潮河段第二施工標段長度為4.4 km，地域上屬于河南省鄭州市的新鄭市。標段內共有各種建筑物9座。施工渠段共布置了16#、17#、18#三座排水泵站，其中17#泵站為井筒式鋼筋混凝土結構，井筒內為1井4泵，用于渠道運行和檢修時排水。井筒為C25鋼筋混凝土，井筒平面呈圓形，內徑6.2 m，壁厚0.6 m，沉井施工高度為9.855 m。

2工程地質特點及施工難點

沉井所在位置的地層主要由黃土狀輕壤土、粉細砂、砂壤土構成，以黃土狀輕壤土為主，孔隙發育，具備地下水賦存的良好條件，總體上屬中強透水性，地下水位埋深為1.5～2.3 m。

在沉井施工時，有可能發生沉井傾斜、偏移、下沉過快、過慢或停沉、流砂或補給水量很大而排水困難等情況。在施工過程中，如何采取有效措施預防類似情況發生是施工過程控制中的重中之重。

3沉井結構及施工特點

沉井是一種在地面上制作、通過取除井內土體使之沉到地下某一深度的井體結構，不但可以作為地下結構的外殼部分，而且在挖土下沉的過程中作開挖支護。與設置支護的大開挖方法相比，省去了開挖支護的費用。在地下水豐富的地區，大開挖方法的降水措施需花費大量的人力和物力，而沉井施工方法則因可以采用水下挖土及水下封底等技術而節省降排水費用。

該工程沉井施工分6節澆筑，3次下沉，每節澆筑高度均為1.5 m，下沉9.855 m后封底。井口高程以下盡量采用長臂反鏟除土，如長臂反鏟無法滿足施工要求，則采用16 t汽車吊配合人工除土。

4沉井施工工藝及流程

施工過程主要包括施工準備、沉井制作、沉井下沉、監測控制、沉井封底等工藝。

4.1施工準備

施工前的準備包括場地平整、臨時設施搭建、風水電供應、施工方案編制、地質勘探、測量控制網布設等。其中重點在于地質勘探和施工方案的編制與審批。該工程在開工前，對潮河段現場進行了補充水文地質抽水試驗，通過對水文地質試驗成果進行分析后認為：潮河段砂性土的滲透系數K值范圍為1.12×10-4～1.77×10-2cm/s，絕大部分屬中等透水，其量級以10-3cm/s為主，該補充水文地質試驗通過了河南省南水北調中線建設管理局組織召開的專家咨詢會，成果報告提交至河南省南水北調中線建設管理局及設計公司。施工方案按程序嚴格審批。

施工前的井點降水：根據該工程現場實際情況，在沉井上下游位置各布置兩口口徑為0.4 m、深25 m的降水井，降水井距沉井中心15 m，沉井右側兩口井距二級邊坡2 m左右，左側兩口井距二級邊坡14 m左右。

4.2沉井制作

沉井制作的施工流程為：場地平整→測量放線→井點降水→開挖基坑→刃腳墊架搭設→沉井澆筑→拆除刃腳墊架→沉井下沉封底→澆筑底板混凝土→井內梁、板、頂板及輔助設施施工。

刃腳墊架搭設：人工清理基面，沉井范圍內建基面平整灑水并壓實。以沉井外圓弧為邊界向內澆筑厚10 cm，寬70 cm素混凝土墊層，墊層呈圓環形，素混凝土墊層上面整平。在素混凝土墊層上砌磚支座，用做沉井刃腳的斜面模板。磚支座采用青磚砌筑，斜面用砂漿找平。綁扎第一節井筒鋼筋，立模板。井筒內外搭設腳手架。注意在對拉拉桿中間設止水鋼板。澆筑第一節沉井混凝土。注意沉井應對稱均勻上升，每層澆筑厚度為30 cm，不可上升過快，避免模板脹模。待第一節井筒混凝土終凝后，綁扎第二節井筒鋼筋，立模板，搭腳手架。待第一節井筒混凝土強度達到設計強度的100%后方可開始下沉施工。

4.3沉井下沉

該工程沉井分3次下沉，第一次下沉1.5 m，第二次下沉4.5 m，第三次將剩余部分下沉。采用16 t汽車吊配合人工除土。沉井下沉前要求混凝土達到設計強度，下沉前，在沉井四周的地面上設置縱橫十字中心控制線、水準點進行沉井平面位置、標高的控制。

沉井下沉必須分層、對稱、均勻地進行。一般從沉井中間開始逐漸挖向四周，每層高40～50 cm，沿刃腳周圍保留1 m左右寬的土埂，最后挖除刃腳周圍的土埂，采用16 t汽車吊配合人工除土。刃腳周圍土埂挖除時，沿沉井井壁每2 m一段向刃腳方向逐層、對稱、均勻地削薄土層，每次削10 cm左右，當土層經不住刃腳的擠壓而破碎，沉井在自重作用下垂直擠土下沉。

下沉過程中的刃腳高差控制。刃腳高差鍋底的形成和移動均比較直觀，根據高差的大小可以有效改變鍋底大小、深淺和平面位置，以此來達到對刃腳高差的控制。通過控制刃腳高差也可以控制沉降平面的位移。

沉井下沉速度控制。一般來說，刃腳高差不大時(在水平間距的0.5%以內)，沉井的下沉速度越快越好；下沉速度以均勻為宜；在宜引起涌沙土層中下沉時越快越好。

4.4監測控制

沉井位置標高的控制是在沉井外部地面及井壁頂部四周設置縱橫十字中心控制線、 水準基點，以控制平面位置及標高。垂直度控制使用經緯儀及吊掛線墜進行。下沉的控制是沿沉井四周設置水平線，用水準儀觀測下沉。要求在沉井下沉過程中加強平面位置、垂直度和標高的觀測，每班至少兩次，接近設計標高時，應增加觀測次數，以防超過并由專人記錄，如發現傾斜、位移和扭轉，應及時采取措施進行糾偏。

監測記錄注意事項：在沉井下沉前，將沉井各角點處的高程及沉井軸線放樣并做好標記，記錄原始數據，繪制測量監控平面圖，計算下沉的具體高度；首沉階段，每30 min觀測一次并記錄數據，匯總到監控小組，及時計算偏差情況，確定沖沉部位及沖沉速度等；中沉階段，進入正常下沉，每2 h 測量一次；最后下沉階段，增加觀測頻率，每30 min觀測一次；終沉階段最后2 m范圍要減少鍋底的開挖深度，防止突沉或超沉事故的發生，以下沉為輔，糾偏為主；沉井的對角高差不超過15 cm，沉速8 h不超過1 cm時認為其已趨穩定。

4.5沉井封底

封底前，先將刃腳處新舊混凝土接觸面沖洗干凈和打毛，對井底進行修整。封底時，在沉井井底基面上澆筑一層10 cm厚的素混凝土，最后澆筑底板鋼筋混凝土。混凝土澆筑須分層、不間斷進行，由四周向中央推進，振搗密實。

5沉井施工常見問題的預防及處理

5.1沉井傾斜

原因分析：沉井刃腳下的土軟硬不均勻；沒有對稱地抽除承墊木或沒有及時回填夯實，井外四周的回填土夯實不均勻；沒有均勻挖土使井內土面高差懸殊；刃腳下掏空過多，沉井突然下沉，易產生傾斜；刃腳一側被障礙物擱住，未及時發現和處理；排水開挖時，井內涌砂；井外棄土或堆物，井上附加荷重分布不均勻，造成對井壁的偏壓。

預防措施及處理方法：加強下沉過程中的觀測和資料分析，發現傾斜及時糾正；對稱、均勻抽出承墊木，及時用砂或砂礫回填夯實；在刃腳高的一側加強取土，低的一側少挖或不挖土，待正位后再均勻分層取土；在刃腳較低的一側適當回填砂石或石塊，延緩下沉速度。

5.2沉井偏移

原因分析：大多是由于傾斜引起，當發生傾斜和糾正傾斜時，井身常向傾斜一側下部產生一個較大壓力，因而伴隨產生一定的位移，位移的大小隨土質情況及向一邊傾斜的次數而定；測量定位發生差錯。

預防措施及處理方法：控制沉井不再向偏移方向偏移；有意使沉井向偏位的相反方向傾斜，當幾次傾斜糾正后，即可恢復到正確位置或有意使沉井向偏位的一方傾斜，然后沿傾斜方向下沉，直至刃腳處中心線與設計中線位置相吻合或接近時再將傾斜糾正；加強測量的檢查復核工作。

5.3沉井下沉過快

原因分析：遇軟弱土層時土的耐壓強度小，使下沉速度超過挖土速度；長期抽水或因砂的流動，使井壁與土之間的摩阻力減少；沉井外部土體液化。

預防措施及處理方法：重新調整挖土；在刃腳下不挖或部分不挖土；將排水法下沉改為不排水法下沉，以增加浮力；在沉井外壁與土壁間填粗糙材料，或將井筒外的土夯實，以增加摩阻力；如沉井外部的土液化發生虛坑時，可填碎石進行處理。

5.4沉井下沉極慢或停沉

原因分析：井壁與土壁間的摩阻力過大；沉井自重不夠，下沉系數過小；遇有障礙物。

預防措施及處理方法：繼續澆灌混凝土以增加自重或在井頂均勻加荷重；挖除刃腳下的土或在井內繼續進行第二層“鍋底”狀破土；用小型藥包爆破震動，但刃腳下挖空宜小，藥量不宜大于0.1 kg，刃腳應用草墊等防護；清除障礙物。

5.5發生流砂

原因分析：井內“鍋底”開挖過深，井外松散土涌入井內；井內表面排水后，井外地下水動力將土壓入井內。

預防措施及處理方法：采用排水法下沉，水頭宜控制在1.5～2 m；挖土避免在刃腳下掏挖，以防流砂大量涌入，中間挖土不宜挖成“鍋底”形；穿過流砂層應快速，最好加荷，使沉井刃腳切入土層；采用井點降低地下水位，防止井內流淤，井點可設置在井外或井內。采用不排水法下沉沉井，保證井內水位高于井外水位，以避免涌入流砂。

5.6沉井下沉遇障礙物

原因分析：沉井下沉局部遇孤石、大塊卵石、地下暗道、溝槽、管線、鋼筋、木樁、樹根等造成沉井擱置、懸掛。

預防措施及處理方法：遇較小孤石時，可將四周土掏空后取出；遇較大孤石或大塊石、地下暗道、溝槽等時，可用風動工具或用松動爆破方法將其破碎成小塊取出，炮孔距刃腳不少于500 mm，其方向須與刃腳斜面平行；藥量不得超過0.2 kg并設鋼板防護,不得裸露爆破；鋼管、鋼筋、型鋼等可用氧氣燒斷后取出；木樁、樹根等可拔出。

5.7沉井下沉到設計深度遇傾斜巖面而造成封底困難

原因分析：地質構造不均，沉井刃腳部分落在巖層上，部分落在較軟土層上，封底后造成沉井下沉不均，產生傾斜。

預防措施及處理方法：應使沉井大部分落在巖層上，其余未落到巖層部分，若土層穩定不向內崩塌，可進行封底；若井外土易向內坍塌，則可不排水，由潛水工一面挖土，一面用裝有水泥砂漿或混凝土的麻袋堵塞缺口，堵完后，再清除浮渣，進行封底，井底巖層的傾斜面應適當做成臺階。

5.8沉井下沉時遇到硬質土層

原因分析：遇厚薄不等的黃砂膠結層，質地堅硬，開挖困難。

預防措施及處理方法：排水下沉時，可用人力將鐵釬打入土中向上撬動、取出，或用鐵稿、鋤開挖，必要時可爆破成碎塊取出。

5.9沉井超沉與欠沉

原因分析：沉井封底時下沉尚未穩定；測量有差錯。

預防措施及處理方法：當沉井下沉至距設計標高以上1.5～2 m的終沉階段時,應加強下沉觀測,待8 h的累計下沉量不大于8 mm時,沉井趨于穩定,方可進行封底工作；加強測量工作，對測量標志應加固校核，測量數據須準確無誤。

6結語

通過該工程的實施，為高地下水位沉井施工積累了經驗，通過對沉井施工過程的監控，有效地預防了高地下水位沉井施工容易發生的傾斜、偏移、流砂等問題，沉井施工質量得到了較好的控制，可為類似工程提供參考。

黃從鋼(1982-)，男，四川成都人，工程師，水利部造價工程師，從事水利水電、鐵路、市政工程技術與管理工作.

(責任編輯：李燕輝)

收稿日期:2015-10-20

文章編號:1001-2184(2015)06-0040-03

文獻標識碼:B

中圖分類號:TV52;TV523

作者簡介: