沉井在不良地質條件基礎開挖中的應用探討

【摘要】沉井應用在水稻田、河床內淤泥砂卵層中，完美地解決了墩基礎開挖施工中遇到軟弱不良地質中的淤泥、高含水率、強流砂，邊坡坍塌問題。不但保證了工期和安全，又降低了施工成本。本文以工程實例主要介紹開挖方案的選比、施工方法，以供類似工程施工參考。

【關鍵詞】沉井；不良地質；淤泥；應用

引言：

1、工程概況

大廣壩水利水電二期工程昌江干渠I標段1#渡槽PJ17～PJ23、2#渡槽PJ4～ PJ13墩基礎為擴大基礎，平均埋深5.0m左右，最小平面尺寸為5.0m×9.0m，基礎建基面要求入中風化花崗巖1.0m。上述基礎均位于水稻田和河床內。

2、施工中遇到的主要困難

經試挖揭露出的土層為灰黑色淤泥和淺灰色流砂層3.5-4.0m厚，地下水極為豐富，基坑坡面穩定性差，所挖基坑邊坡迅速坍塌、閉合，安全性極低，無法確保挖機在停機面的安全，稍有不慎挖機就會滑塌陷進基坑里面。在本文所述的技術使用之前，1、2#渡槽水稻田和跨河段的所有擴大基礎一直處于停工狀態。

3、解決問題的思路

根據淤泥流砂、涌水之大的實際情況，保證邊坡穩定給基礎施工提供安全成為解決問題的關鍵。

第一種采用設置低坡比大開挖。若降低地下水位，然后采取設置低坡比進行大開挖時，開挖和后期回填工程量很大，且受普通挖機工作臂長限制還需要使用特種長臂挖機，工程耗資較大，同時需征用農戶基本水田，可行性較差。

第二種采用鋼板樁支護后開挖施工。雖然鋼板樁適用于均勻、連續的粘土或砂土地質，軟弱地基和含水量高的地質，具有強度高、阻水、施工簡便、快捷等特點，但針對本工程的地質情況，設計要求基礎基底置入中風化巖層1.0米以下。鋼板樁無法進入巖石介質很難自穩，無法保證基底建基面較高于鋼板樁根部。

第三種采用高壓注漿防滲法固結后進行基礎開挖。由于不良地質影響不能單獨對一個基礎固結，需對所有基礎縱軸貫通施工。若對基坑采用全封閉式高壓注漿防滲固結，經計算僅1#渡槽PJ17～PJ23基坑防滲長度共366米（縱軸線方向24*7*2=336米，橫軸線方向15*2=30米）。高壓注漿采用單管法旋噴樁、樁徑0.5m，樁間距0.35m，樁長平均按7.0m計算，總樁長共6720m（366/0.35*7=6720米）。可見工程量之大、費用較高，且整體防滲封閉后對地面滲流排水造成一定的影響。

第四種采用沉井法施工，此方法技術上比較穩妥可靠，挖土量少，對場地要求和對附近其他附著物影響小，沉井基礎埋置較深，可以承受較大荷載。

結合水文資料和工程地質情況，經過對多種方案的技術、安全和經濟對比分析，計劃優先采取沉井護壁結構后進行開挖。

4、沉井施工方法

4.1沉井結構型式

為保證結構的安全穩定，采用受力條件較好的橢圓型井筒，混凝土等級C30，厚0.3m、高5.0m，分兩節，每節2.5m高。井筒刃腳及配筋見1-1沉井施工圖。

4. 2施工方案

采用現場制作井筒、然后下沉的方法施工，先抽除井內滲水，由吊渣機械和挖機配合出渣，若土層與試挖的土層一樣是淤泥和砂層，可采取水力開挖，下沉過程中及時糾偏。

4. 3主要施工機具及材料

主要機具： 挖機1臺，1m3吊渣斗1套，水槍及配套高壓水泵（揚程60m，流量100m3/h，功率15kw），離心式抽泥泵（揚程10m，額定流量80～100m3/h）。

主要材料：組合鋼模板、鋼管、鋼筋、混凝土等。

場地處理：提前對水田和溝床場地進行填土、平整、適度壓實，墊土及平整范圍應在井壁外圍4m左右，以保證開挖和井筒制作施工。另需在施工場地內挖一處集水坑，用于沉淀泥砂和提供水源，并及時修通排水通道。

4.4施工方法

1）底節井筒施工

水田內的始沉平臺場地經墊土、平整碾壓密實后，在墊木鋪設范圍內鋪墊最大粒徑不超過40cm的砂礫石，其厚度不小于25cm整平與壓實，局部不平整處，人工進行找平。

墊木是在地基滿足承載力的前提下，為防止沉井澆筑混凝土過程中發生不均勻沉陷和減少對地面的壓強而設置的。墊木一長2m，一長1.5m依次擺平，均應徑向鋪設。墊木數量應依據首次沉井重量和附加荷重均勻分布到地基。先用24根作為定位支點墊木，分成6組，均勻分布。墊木間用粒徑5～20mm砂卵石填塞密實，填塞時先四角后中間，防止墊木位移。

2）刃腳制作與安裝

刃腳是沉井下沉全過程中的關鍵部件，應分段加工成型，現場拼裝、調整、焊接成整體，要求外形尺寸正確，與鋼筋之間焊接可靠，能承受沉井下沉全過程產生的擠壓振動和沖擊。

3）鋼筋安裝

刃腳處鋼筋較密，可預先將刃腳縱向鋼筋焊接至定長，然后放入刃腳內連接。主筋要預留焊接長度，以便和上一節沉井的鋼筋連接。

4）井壁外側模板施工

沉井井筒外壁要求平整、光滑、垂直，嚴禁外傾（上口大于下口）。采用組合鋼模進行拼裝，模板支撐采對接方式。內外側模板和鋼筋之間要保證有足夠的保護層厚度。

5）底節井筒混凝土澆筑

澆筑前先搭設澆筑平臺，并每隔5m設一套下料溜筒，混凝土通過溜筒均勻鋪料。為避免不均勻沉陷和模板變形，四周混凝土面的高差不得一層鋪筑厚度（30～40cm），為防止刃腳處混凝土產生蜂窩現象，刃腳處的混凝土配比使用1級配或2級配。

每節混凝土施工做到一次連續澆完，若出現不能及時一次完成的現象，需對水平施工縫進行可靠處理。混凝土澆筑完畢后，采取塑料膜覆蓋并適當灑水進行保濕養護，養護時應注意少而適量灑水，防止井筒下部臨時基土發生水土流失、塌陷，致使沉井混凝土開裂。

6）井筒內外模板及承重架拆除

拆模時間：井筒內外模板拆除時間控制在井壁混凝土強度不小于5Mp時便可拆除。

拆模順序：拆模應按照井壁內外側模板、刃腳下支撐、刃腳斜面模板的先后順序進行。

7）井內開挖及井筒下沉

底節井筒模板及支撐排架拆除后，井筒混凝土經養護達到C20強度標準后，可進行抽墊，開始挖渣下沉作業。

8）底部墊木抽除

在墊木抽除時，應分區、依次、對稱、同步地進行，先短邊，后長邊，每次抽除墊木后，刃腳下立即用卵石填塞搗實，使沉井自重逐漸由卵石承重。在整個作業過程中加強儀器觀測，發現沉井傾斜時應及時采取措施調整。

9）挖渣下沉

因本沉井內未設隔墻，空間較大，井筒中間部位的土方以挖機開挖為主，周邊部位的土方以人工和水力開挖為輔。人工開挖時，先抽除井內的集水，由起吊機械及1m3左右的渣斗裝運土車卸至渣場。

對覆蓋層每層挖渣作業要點：周邊先預留1m以上寬度，從中心向四周先短邊，后長邊開挖。依次挖渣厚度為0.3～0.5m，再間隔挖預留部分，沉井在自重作用下逐漸下沉，下沉過程中隨時注意糾偏。

若遇到孤石，采用手風鉆鉆孔爆破，風鎬及人工撬挖相結合的方法。爆破布孔時根據巖層、巖性、節理、裂隙等具體情況，分別選用斜孔和直孔，炮眼盡量選用自由面較大的地方，最小抵抗線不超過1m，以免一次開挖過深，引起井身偏斜。炮孔呈梅花形布置，排間距60cm左右。刃腳下每孔裝藥量不大于0.25kg，其他部位每孔不大于0.4kg，采用分區延發起爆。刃腳下開挖用挑槽法，先短邊后長邊沿刃腳周長分成若干段，每段長約1.0～1.5m，間隔挖除。嚴禁一次爆破，確保沉井均勻下沉，最后留下必要的支撐點，進行二次爆破，沉井逐步下沉。

在進行刃腳開挖時，只有當開挖深度達1.0m左右形成臨空面后，才能對刃腳踏面內側預留的1.0～1.5m進行開挖。

10）抽水吊渣

采用抽水吊渣下沉法，抽水是關鍵，挖渣時先挖好水泵龍頭坑，并配備專人負責集水坑的清渣挖深工作。根據滲水情況，應配備足夠的排水設備，挖渣和抽水必須緊密配合。

11）交通

施工中為解決沉井內上下交通，每節沉內設2處斜梯，以滿足安全疏散及其他作業需要。

12）后序井筒施工

在底節沉下沉到一定深度后就應停止下沉，準備進行上面一節沉井的施工，沉井接高時注意下述要求：

（1）接高前應調平沉井，井頂露出地面應有1m左右高度。

（2）為減少外井壁與周邊土石的摩擦力，第二節井筒周邊尺寸應縮小5～10cm。

（3）為防止在接高過程中突然下沉或傾斜。必要時應刃腳處回填或支墊。

13）糾偏措施

井身發生傾斜時，應及時分析原因糾偏，采取下述主要措施進行處理。

（1）井外單側挖土，將偏移部位壓向正確位置。此法在首節沉井下沉時使用效果較好。

（2）井外壁單側注水或泥漿以減少井壁與土層的摩擦力。

（3）在井壁高的一側施加偏壓，直至井壁端正。

14）井底地基處理

在下沉過程中直接到中風化巖面，巖面以上的砂層采取人工清除。因沉井僅為防止淤泥泥砂坍塌而采取的護壁措施，不需要進行井底全斷面混凝土封填，保持排水便可。基巖1m深度范圍內的進行爆破作業施工。

5、沉井的質量要求

因井身僅為支護體，施工精度低于基礎的要求，混凝土強度、外側垂直度等指標只要能滿足井體下沉到基底附近高程便可，在此暫不作過高的技術指標要求。

6、施工過程中的安全措施

6.1除應遵循土石方挖運、混凝土澆筑的安全操作規程外，還應采取下述措施：

（1）吊運機械設備應站立在堅實的基礎上。沉井下沉到一定深度后，井外臨近的地面可能出現下陷、開裂，應經常檢查基礎變形情況，及時調整加固起重機的基礎。

（2）井內吊出的石渣應及時運到渣場，以免對沉井產生偏壓，造成沉井下沉過程中的傾斜。

（3）若需進行石方爆破，起爆前應切斷照明及動力電源，并妥善保護水泵。

7、試驗結果

2009年3月8日，先對一個基礎采用沉井護壁的施工，經試驗橢圓型鋼筋混凝土結構，強度等級能滿足施工需要，僅在長軸方向側壁出現垂直方向的裂縫，其他部位沒有發現裂縫，井筒總體上是安全的，可以采取沉井方式進行水田內其他墩基礎施工。

產生裂縫的主要原因：①第一節井身下沉時間在澆筑后的第三天，混凝土強度不夠；②挖機土時，挖機離井身中間段墻身過近，附加應力過多。③施工時橢圓中間處的弧度設置不準確。

應對措施：在井中裂縫處增設鋼管支撐。

防止裂縫出現的措施：①在后續進行其他沉井施工時，，確保混凝土有一定的強度；②挖機在挖土時，應盡量立在橢圓的兩端附近；③一定做到弧度正確。必要時增加鋼管支撐或頂桿支撐。

8、結束語

本工程墩基礎采用沉井護壁技術后開挖施工，得到了業主、監理、設計單位的一致認可。在水稻田和河床內淤泥砂卵層中沉井作為支護體，成功解決了大開挖施工很難解決的淤泥、高水頭、強流砂問題。施工簡易、安全可靠、速度快且工程量小，施工相對費用較低；實施效果顯著、大大縮短了施工工期，節約成本40萬元左右，取得了較好的經濟效益，值得在類似工程中推廣。

參考文獻：

[1]《公路橋涵地基與基礎設計規范》（JTGD63-2007）

[2] 《建筑地基處理技術規范》（JGJ79-2012）

[3] 《混凝土結構工程施工質量驗收規范 》GB50204-2015

[4]《建筑地基基礎工程施工質量驗收規范》GB50202-2013

作者簡歷：陽曉紅（1983.12--），女，河南靈寶人，本科，畢業于河海大學，現任工程師職稱，主要從事工程施工管理。