淺談水利工程沉井施工技術及質量控制

王霜　汪洋　韓碩

【摘要】沉井施工技術是水利工程中常見的深基礎構筑物施工方法之一，具有整體性強、穩定性好、土方開挖量少、對臨近建筑物影響性較小等特點。既是基礎又是施工時的擋土擋水結構物，本文結合實際工程案例，對水利工程沉井施工技術措施進行分析， 為類似工程提供借鑒。

【關鍵詞】沉井；施工技術

1、工程概況

某水利頂管工程兩端設有2座沉井，其中下游頂管工作井平面尺寸為13m*18m，刃腳底高程為▽-19.1m，沉井頂標高▽7.0m，沉井壁厚為1000mm～1500mm，底板厚1500mm；上游頂管接收井平面尺寸為8.9*17.2m，刃腳底高程為▽-19.1m，沉井頂標高▽7.0m，沉井壁厚為1000mm～1200mm，底板厚1500mm。

1.1 地質，建筑物地基土體工程地質特征及巖土層分布特征自上而下分別描述如下：

1層：填土（Q4ml）。以灰黃色粘性土為主，夾植物根莖，局部含少量的碎石和螺殼。層厚1.00～6.00m，層底標高為-1.66～2.66m。

2層：粉質粘土（Q3al）。灰黃色，暗黃色，可塑～硬塑狀，含氧化鐵，混鐵錳結核和礓結石（含量10-20%），有光澤，無搖震反應，干強度及韌性高。層厚1.50～4.60m，層底標高為-3.76～-1.98m。

3層：重粉質壤土（Q3al）。暗黃色，黃色，可塑狀，局部稍軟，含氧化鐵，混鐵錳結核和礓結石（含量5-15%），稍有光澤，無搖震反應，干強度及韌性高。層厚2.40～6.10m，層底標高為-9.65～-5.05m。

4層：粉質粘土（Q3al）。灰黃色，暗黃色，可塑～硬塑狀，含氧化鐵，混鐵錳結核和礓結石（含量10-30%），有光澤，無搖震反應，干強度及韌性高。層厚7.20～11.40m，層底標高為-18.65～-16.03m。

5層：重粉質壤土夾砂壤土薄層（Q3al）。暗黃色，黃色，可塑狀，含氧化鐵，混鐵錳結核和礓結石（含量5-10%），稍有光澤，無搖震反應，干強度及韌性高。層厚2.20～5.30m，層底標高為-21.33～-19.36m。

6層：重粘土或粘土（Q3al）。暗黃色，黃色，硬塑狀，含氧化鐵，混鐵錳結核和礓結石（含量20-40%），有光澤，無搖震反應，干強度及韌性高。最大孔深40.5m未揭穿該層。

沉井基礎位于5層重粉質壤土，壓縮性較低，無軟弱下臥層，為本工程良好的天然地基持力層。

1.2 地下水

本工程勘察深度內，沉井處的地下水主要類型為潛水和微承壓水，鉆探期間的潛水水位為1.5m。潛水主要接受大氣降水、農田灌溉及附近河流側滲補給，主要排泄于自然蒸發，微承壓水主要賦存于5層重粉質壤土中，承壓水位一般不超過潛水位。

2、沉井施工流程

沉井的施工主要包括沉井結構制作與井體沉放兩部分。本工程工作井及接收井均采用二次制作、一次下沉、一次接高（蓋板頂梁）的施工工藝。

2.1 沉井制作分層

第一節從-19.1m到-8.1m，制作高度為11m；

第二節從-8.1m到2.8m，制作高度為10.9m；

第三節從2.8m到7.0m，接高為4.2m；

一次下沉至設計刃腳標高，下沉深度為22m。

2.2 沉井刃腳制作高程確定：

根據地質鉆探成果，工作井部位土層為填土、粉質粘土和粘土，該土質工程力學強度高，滿足地基承載力要求，綜合考慮各層土的埋深和地基允許承載力，計劃在土方挖至▽0.0m處，回填2m厚砂墊層后，再澆筑20cm厚C20混凝土墊層后開始制作，其中刃腳踏面高程▽2.2m。

本工程作為沉井制作的下臥層的②層土，夯實后工程力學強度較高，經計算，能夠滿足工作井沉井制作穩定的要求。

3、主要施工技術

3.1 沉井砂墊層及磚胎模

3.1.1 沉井砂墊層厚度確定

沉井計劃分兩節制作，一次下沉，一次接高。

根據計算，沉井第一節重2560噸，第二節重1736噸，兩節總重4296噸。

刃腳踏面為滿足擴散應力要求采用混凝土墊層擴大刃腳踏面。沉井井壁、隔墻下刃腳下設20cm厚C20混凝土墊層，其中外井壁刃腳下混凝土墊層寬2.6m，中隔墻下混凝土墊層寬2.8m。

3.1.2 砂墊層厚度驗算如下：

根據地質報告，砂墊層底部土質為②層粘土，按經驗允許承載力不小于18t/m2，砂墊層厚度鋪設2m。為保證安全，扣除砂墊層和基底土體交界面軟弱層10cm，砂墊層按190cm厚計算校核為宜。本工程采用考慮砂墊層本身附加力的重力的公式計算。

計算公式：P=G/（L+2h*tgθ）+γh；校核條件：P≤f

P—沉井井壁單位長度自重和砂墊層對下臥層的壓力（t）

G—工作井高度為21.9m，每延米重量G=72.6t/m（考慮安全系數1.15）

L—素混凝土墊層的寬度

h—砂墊層厚度，厚度按2m計算。

θ—砂墊層擴散角，一般在40°（偏安全）。

f-下臥層承載力。在制作沉井時，采用極限承載力值。根據地質報告，砂墊層底部土質為②層，f=18t/m2。

γ—砂重度取2t/m3。

P=72.6÷（2.6+2×1.9×tg40°）+2×2.0≈16.54t/m2<18t/m2

根據計算：砂墊層取2m厚滿足第一節及第二節沉井制作要求。

3.1.3 沉井砂墊層寬度計算

采用下式進行砂墊層寬度的計算

B≥L+2hstanα

式中：b—沉井刃腳踏面的寬度（m），

B—砂墊層底面的寬度（m），

L—混凝土墊的寬度（m）。

B≥2.6+2*2*tan40°=5.96m

故砂墊層的寬度為6m。

3.1.4 沉井砂墊層及胎模施工

砂墊層施工采用中粗砂、分段分層振實，待墊層槽內水基本抽干后馬上回填黃砂，每回填30cm厚黃砂振實一次，用振搗器拖振，振搗時要求重疊區域為1/3，并可適當灑水，已密實的砂墊層干容重控制在1.65g/cm3以上。現場砂墊層密實度用釬探法普查，即用長196cm、ф16mm圓鋼，在距砂面約50cm的垂直高度上自由下落，鋼釬頭部沉入砂面層深度≤7cm者為合格。

井下部為刃腳，其支設方式取決于沉井重量、施工荷載和地基承載力。本工程土質較好，采用M5.0水泥砂漿砌MU10預制混凝土砌塊。

C20素混凝土墊層總寬度2.6m，厚20cm，混凝土砌塊胎模頂面寬10cm。根據有關規范要求立模、振搗、養護，素混凝土地坪標高必須準確，由測量找平、復測，相對高差值不大于±5mm。

4、沉井鋼筋混凝土施工

沉井的鋼筋混凝土施工和一般建筑物施工相類似， 本文不再贅述。

5、沉井下沉

5.1 沉井方案

根據沉井方式的不同，沉井下沉有排水沉井和不排水沉井兩種。本工程根據設計要求及實際情況，采取排水下沉措施。采用排水下沉，土方挖掘容易，封底時亦在干燥狀態下實現，能夠有效地直觀地保證工期及混凝土的澆搗質量。

排水下沉是指在沉井井體結構下沉過程中，不斷將井體內的土體通過水力機械或土方挖掘機挖掘至井外，坑底的土體穩定靠自身的強度實現。在沉井下沉施工時，實現水力機械化，即用高壓射水沖碎土層后，用水力吸泥機將泥漿及土的碎塊排到井外，使沉井下沉。該施工方法的設備簡單，效果顯著，并且已經積累了不少施工經驗。工作井及接收井均采用該方法進行沉井下沉，以達到加快施工進度的目的。

5.2 沉井下沉設備配備

沉井下沉時所需的水力機械的套數由沉井的大小及土方量來定，通常一臺15KW的高壓泵配1臺22KW泥漿泵24小時出土量按100～200立方米計算。泥漿泵的配備可按沉井內的井格布置安排，本工程每座沉井內可配3臺套泥漿泵沖吸土。

5.3 水力沖吸泥施工方法

沖泥時，可先在沉井中，沖挖出一個直徑約為2.0～2.5米的集泥坑。然后用高壓水槍開拓各個方向通向集泥坑的水溝2～4條。此后，即可向四周開挖鍋底，為了防止沉井突然下沉，引起很大的偏差，以及減少井外土的擾動坍塌等情況，可在沉井四周刃腳旁保留寬0.5～1.0米的土堤。待鍋底開挖完畢后，再逐步均勻地沖挖土堤，第一步先沖洗四角處的土堤，第二步再沖除四周土堤，最后沖除定位點處土堤，使沉井下沉。

根據工程中實測情況，當水壓為6～8公斤/cm2時，高壓水槍沖刷半徑約為6～8米，在此范圍內的泥漿一般均可流至集泥坑內。

泥漿泵源頭的網罩應低于泥漿面約5～10厘米，這樣可以吸入較多的泥漿。

5.4 沉井下沉系數驗算（以工作井為例）

5.4.1 初沉時的下沉系數驗算：

沉井兩次制作后，初沉時，沉井制作重4296噸。

式中：K—下沉系數

G—沉井自重

W—水的浮托力，排水下沉初期W=0

R1—井壁下混凝土墊層正投影面積×砂墊層極限承載力極限承載力=138m2×40t/m2=5520t

R2—井壁隔墻下混凝土墊層正投影面積×砂墊層極限承載力極限承載力=41.4m2×40t/m2=1656t

F—井壁與土的磨阻力初期F=0

K=4296/（5520+1656）=0.599

初沉下沉系數較小，沉井穩定，根據以往施工經驗，為了確保沉井下沉速度，沉井下沉時正常下沉系數，一般應大于1.10-1.25為好，混凝土墊層及磚胎膜采用人工拆除，拆除時遵循平面對稱的原則。拆除時要加強沉降觀測，防止突沉和不均勻沉降。

5.4.2 拆除沉井刃腳下混凝土墊層及磚胎模時下沉系數驗算：

R1—井壁刃腳正投影面積×砂墊層極限承載力=84.5m2×40t/m2=3380t

R2—隔墻刃腳正投影面積×砂墊層極限承載力=10.5m2×40t/m2=420t

K=4296/（3380+420）=1.13>1

沉井可掏空砂墊層穩步下沉。

5.4.3 沉井下沉到位時穩定驗算

沉井下沉到位后，此時刃腳已進入第⑤層土，地基允許承載力30t/m2

K—下沉系數

G—第一、二節沉井自重4296T

W—水的浮托力 排水下沉W=0

R1—井壁刃腳正投影面積×土的容許承載力=84.5m2×30t/m2=2535t

R2—隔墻刃腳正投影面積×土的容許承載力=10.5m2×30t/m2=315t

F—井外壁磨擦阻力=（18*11*2+13*11*2）*1.8+（17*8.1*2+12*8.1*2）*1.0=1833.8t。

根據類似工程地質資料，下節沉井外壁與土體間的單位摩阻力取18Kpa，上節沉井因井壁內收，單位摩阻力取10Kpa，本沉井終沉時，

K=4296/（2535+315+1833.8）=0.91<1

K小于1.0，終沉可以穩定，注意沉井終沉階段，應逐漸減小鍋底深度，甚至采用反鍋底，確保沉井最終穩定。

5.4.4 糾偏

下沉過程就是一個不斷糾偏的過程，發生偏位后采用偏除土的方法進行糾偏。采取勤測量勤糾，控制不發生較大的偏位。

5.4.5 終沉

在距終沉50 cm時放慢下沉速度，調整沉井狀態使其基本水平，減少每層取土厚度，加強觀測，使沉井緩慢平衡逐步到位。8小時內累計沉降量不超過10mm時即可安排封底混凝土施工。

5.4.6 沉井下沉采取的助沉措施

在下沉過程中，若沉井下沉困難，可在沉井外側采用觸壁泥漿或空氣膜等方式助沉。觸壁泥漿材料主要采用鈉基彭潤土，純堿等。

5.4.7 下沉過程監測

下沉過程中，要進行以下方面的監測工作：沉井本體監測（下沉速度、下沉不均勻、整體位移）沉井四周土體監測（下沉、位移）

5.4.7.1 沉井本體監測

在沉井井壁四周布置下沉觀測點及觀測軸線，每天觀測井體軸線位移情況，并做好記錄，發現累計位移超過50mm，要立即采取糾偏措施。

在沉井下沉過程中要做到，刃腳標高每班至少測量三次，軸線位移每天測一次，當沉井每次下沉穩定后進行高差和中心位移測量。沉井初沉階段每小時至少測量一次，必要時連續觀測，及時糾偏，終沉階段每小時至少測量一次，當沉井接近設計標高時增加觀測密度。

5.4.7.2 沉井四周土體監測

對沉井四周土體定時觀測，發現裂縫、坍方要及時匯報，立即采取防護措施。每天觀測四周土體沉降、位移情況，并做好記錄，定時監測，及時對測量數據進行分析。

5.4.7.3 沉井終沉后檢查

a.刃腳平均高程偏差：+0～-20mm；

b.刃腳中心線位移，小于1%H（下沉總深度）

c.四角中任何兩角的頂面高差，小于1%L（兩角距離）且不大于30cm。

6、結語

沉井施工的核心是將沉井順利下沉到位，在這一過程中需充分考慮影響沉井下沉的各種因素，在下沉階段應做好控制、糾偏、監測、重視沉井封底施工，確保沉井施工質量，為后續頂管施工提供保障。

參考文獻：

[1] 邱擁軍.大型沉井施工技術[J].山西建筑， 2008， （8）：162-163.