大型沉井施工技術(shù)

曾小亮

摘要：以上海臨港重裝備產(chǎn)業(yè)區(qū)Y6雨水泵房為實例，介紹大型沉井施工技術(shù)及下沉的控制措施。計算下沉過程中的接高穩(wěn)定性，各地層中下沉系數(shù)及終沉下沉系數(shù)。確保下沉過程中的安全，為同類工程提供施工借鑒意義。

關(guān)鍵詞：大型沉井；施工技術(shù)；接高穩(wěn)定；下沉穩(wěn)定

1 工程概況

Y6雨水泵站位于上海臨港重裝備產(chǎn)業(yè)區(qū)，施工場地現(xiàn)狀為農(nóng)田、綠化、河道、池塘等。雨水泵站規(guī)模34m?/s，污水截流設(shè)施規(guī)模2200 m?/d，進(jìn)水口為2個3m×3m 箱涵。雨水泵房設(shè)上部建筑，建筑面積642 ㎡，另設(shè)管理用房，建筑面積295 ㎡。泵房埋深約13 m，進(jìn)水箱涵、進(jìn)水閘門井埋深約10 m。其中沉井平面尺寸35.6m×37m，壁厚為0.70m，凈深12m，埋深約12.0m，底板厚0.70m，現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；抗?jié)B等級為S8，主體混凝土C35，填充混凝土C20，墊層混凝土為C15。

2 施工重難點(diǎn)

①沉井規(guī)模大，地質(zhì)條件差，下沉精度控制難度大。本工程泵房沉井結(jié)構(gòu)平面尺寸達(dá)到37.0×35.6m，下沉深度13m，下沉重量11750t，所處地質(zhì)土以粉質(zhì)土、淤質(zhì)粘土為主，且②層土質(zhì)不均勻，在動水作用下易產(chǎn)生流砂、管涌現(xiàn)象，極易造成沉井不對稱受力而傾斜。

②預(yù)埋件預(yù)埋精度高，結(jié)構(gòu)間的接口密閉要求高。設(shè)備安裝預(yù)埋件在砼結(jié)構(gòu)中，錯綜復(fù)雜，埋設(shè)精度要求高，難度大，埋設(shè)如偏差將直接影響后續(xù)安裝質(zhì)量。進(jìn)水區(qū)、排水區(qū)為封閉結(jié)構(gòu)，其不同結(jié)構(gòu)區(qū)間的接口密閉至關(guān)重要，施工難度大。

3 施工方案

3.1 總體施工方案

沉井采用4段法預(yù)制，第一段高3.85m（包括刃腳），第二段4.2m，第三段4.1m，第四段2.2m；進(jìn)行一次性下沉，下沉到位后再進(jìn)行封底及內(nèi)部結(jié)構(gòu)施工，相關(guān)需先安裝設(shè)備安裝后再進(jìn)行泵房封頂。沉井在經(jīng)處理的地基上進(jìn)行預(yù)制，外操作平臺采用雙排盤扣式腳手架。沉井周邊設(shè)置深井降水，下沉前確保降水到位。沉井采用不排水下沉法下沉，水力機(jī)械吸泥，水源供給可從西側(cè)馬泐港，抽取的泥漿排放至北側(cè)泥漿池。下沉到位后進(jìn)行干封底。

3.2 施工流程

①沉井制作工藝流程：平整場地→測量放線→止沉樁施工→開挖基坑→夯實基底→鋪砂墊層→澆筑混凝土墊層→砌刃腳磚座→安設(shè)刃腳和第一節(jié)井身鋼筋→支刃腳和第一節(jié)井身模板→刃腳和第一節(jié)井身混凝土澆筑→混凝土養(yǎng)護(hù)、拆模→循環(huán)安裝鋼筋模板和澆筑第二至第四節(jié)沉井井身和養(yǎng)護(hù)→外圍圍槽灌砂準(zhǔn)備下沉。

②沉井下沉工藝流程：下沉準(zhǔn)備工作→設(shè)置供水、排泥系統(tǒng)→破除磚座、混凝土墊層→水力取土下沉→觀測和糾偏→下沉接近設(shè)計標(biāo)高、核對標(biāo)高→封底→綁底板鋼筋→澆筑底板砼→后續(xù)施工。

3.3 沉井制作

①沉井四周加寬約2m范圍內(nèi)開挖基坑，基坑尺寸為41.0 m×39.6m，深度3.0m，1：1.5坡度放坡，開挖土方堆于遠(yuǎn)處的空地上作沉井回填用。刃角、底梁3m范圍內(nèi)開挖1.5m深溝槽且立即分層回填中粗砂，分層厚度30cm，利用平板振動機(jī)夯實，中粗砂填頂標(biāo)高。底板及底梁3.65m，刃腳及外圍3.0m范圍內(nèi)現(xiàn)澆30cm厚C25砼墊層。

②在距離基坑頂邊1m，沿基坑四周布置12口深為25m的降水深井。降水井采用φ300多孔混凝土管。沿基坑底邊四周布置2%坡度30×30cm明溝排水，四周設(shè)置集水井，保證基坑排水通暢。

③沉井外施工腳手架采用盤扣式雙排腳手架，立桿縱距為1.8m，橫距為1.2m，步高為2.0m。

分四節(jié)段制作沉井，腳手架隨沉井接高搭設(shè)。沉井接高過程中應(yīng)對井體進(jìn)行沉降觀測。

3.3 沉井下沉

①根據(jù)坐標(biāo)控制點(diǎn)、高程基準(zhǔn)點(diǎn)，對沉井外圍尺寸進(jìn)行復(fù)核，復(fù)核的主要內(nèi)容有：沉井高度、軸線位置等尺寸偏差情況。在沉井四周用紅油漆標(biāo)出控制高度，軸線位置，按平面布置要求設(shè)置沉井中心控制點(diǎn)，同時建立平面測量控制系統(tǒng)。根據(jù)高程測量基準(zhǔn)點(diǎn)，建立高程測量控制系統(tǒng)，將高程測引至沉井附近，并在沉井四周設(shè)置4個臨時水準(zhǔn)點(diǎn)，對沉井下沉的整個過程實施高程控制。

②待沉井制作結(jié)束，最后澆筑的一節(jié)混凝土強(qiáng)度達(dá)到100%后，拆除內(nèi)外腳手架，上下通道爬梯、操作平臺制作、搭設(shè)完畢，洞口封堵等所有準(zhǔn)備工作就緒后進(jìn)行墊層鑿拆。拆除方法是先將砼墊層底部砂挖去，使墊層下空，利用空壓泵汽錘破碎，刃腳下隨即用砂或砂礫回填夯實，在刃腳內(nèi)外側(cè)夯筑成小土堤以承擔(dān)部分井筒重量，接著破碎另一段，如此逐點(diǎn)進(jìn)行，破除墊層時加強(qiáng)觀測，注意下沉均勻，發(fā)現(xiàn)傾斜及時處理

③沉井下沉施工采用水力機(jī)械施工。本工程采用4臺（套）由高壓水泵、強(qiáng)力泥漿泵組成的沖水取土設(shè)備，按區(qū)分塊施工，確保沉井平穩(wěn)順利下沉。對②1粉質(zhì)粘土等松軟土質(zhì)，先水沖中部土層（每層約深40～50㎝）沿沉井刃腳周圍保留土堤使沉井?dāng)D土下沉，土堤一般留設(shè)50㎝寬）如受地下水影響沉井傾斜時，先沖背水方向的土，后沖迎水方向的土。

④沉井下沉過程中需全過程監(jiān)測。沉井現(xiàn)場施工監(jiān)測系統(tǒng)包括沉井自身狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，及施工對周邊影響的監(jiān)測系統(tǒng)兩部分；沉井自身狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)包括：井身自身位置（深度、中心偏離）監(jiān)測系統(tǒng)、姿態(tài)（傾斜）監(jiān)測系統(tǒng)及井身受力狀況的監(jiān)測系統(tǒng)；對周圍環(huán)境影響的監(jiān)測系統(tǒng)包括：地層沉降的監(jiān)測系統(tǒng)，對道路的監(jiān)測，對現(xiàn)狀河岸的監(jiān)測。

⑤沉井終沉階段（沉至離設(shè)計標(biāo)高150～200cm時），必須放慢沖水取土下沉速度，并對相應(yīng)位置多余的止沉樁進(jìn)行處理。最后階段沖土順序做適當(dāng)調(diào)整，先沖刃腳和框架梁斜面下的土體，保持支撐面的均勻，使格倉內(nèi)土體變成“凸”形反鍋底，在沉井標(biāo)高到達(dá)設(shè)計標(biāo)高前50cm時，停止沖水取土，讓沉井在重力作用下自沉，根據(jù)自沉狀況適當(dāng)整理格倉內(nèi)土體。在沉井標(biāo)高到達(dá)設(shè)計標(biāo)高前10cm，用枕木塞填刃腳及框架梁斜面，并用粗砂灌實。跟蹤測量沉井的自然沉降，連續(xù)8h沉降量小于10mm時方可進(jìn)行封底施工。

3.4 沉井封底

封底應(yīng)根據(jù)終沉階段的觀測數(shù)據(jù)分倉進(jìn)行，沉井下沉均勻時先封近井壁格倉，再封中間格倉。后封格倉封底需要挖土?xí)r，必須等到已封各倉混凝土強(qiáng)度達(dá)到70%以上時方可進(jìn)行。封底時在每個格倉內(nèi)設(shè)置1～2個Φ500mm泄水孔，泄水孔的封堵在沉井結(jié)構(gòu)施工完畢后實施。沉井采用干封底，要求將井底浮泥除凈，拋入30cm碎石層后鋪墊黃砂（粗砂），澆水以填充塊石間隙。砼墊層及底板灌注時不能讓混凝土從高空墜落，須設(shè)導(dǎo)管，管口與澆注面高差50cm內(nèi)。封底砼達(dá)到所需要的強(qiáng)度后，即養(yǎng)護(hù)7～14d；方可進(jìn)入下道工序。

4 沉井下沉控制措施

4.1 沉井下沉常見問題

沉井下沉過程中常見問題有傾斜、超沉、下沉過程中遇到障礙物、下沉阻力過大、下沉速度過快、出現(xiàn)流砂等。

4.2 沉井下沉控制措施

①沉井下沉過程中產(chǎn)生傾斜的原因。沉井刃腳下面的基土硬度不均勻；井筒受到地下局部障礙物的阻礙，被擱住，不能順利下沉，使得沉井下沉出現(xiàn)傾斜現(xiàn)象。

沉井制作完成后，可進(jìn)行刃腳墊架拆除和下沉的準(zhǔn)備工作。同時井內(nèi)沖水取土應(yīng)根據(jù)沉井中心劃分工作面，取土應(yīng)分層、均勻、對稱的進(jìn)行。沖水取土的要點(diǎn)是：先從沉井中間開始逐漸向四周進(jìn)行，每層取土厚度在0.4～0.5m，沿刃腳保留0.5～1.5m的土堤，然后再沿沉井井壁每2～3m一段向刃腳方向逐層全面、對稱、均勻的削薄土層，當(dāng)土層經(jīng)不住刃腳的擠壓而破裂時，沉井便在自重的作用下擠土下沉。

如果沉井下沉的非常快，可對射水量和射水壓力進(jìn)行嚴(yán)格的控制，同時控制坑底實際大小和深度，防止太過掏空刃腳下的土方。

當(dāng)刃腳一側(cè)被擱住的時候，應(yīng)及時將障礙物清除，然后繼續(xù)下沉。如果障礙物是小孤石，可把邊上土體掏空再取出；如果障礙物是比較大的大孤石，可以采用風(fēng)鎬將其破碎，再取出。

沉井下沉過程中應(yīng)安排專人進(jìn)行觀測，沉降觀測每4小時1次，刃腳標(biāo)高和位移觀測每臺班至少1次。每次觀測數(shù)據(jù)均需如實記錄，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和資料管理。

沉井下沉較深中應(yīng)嚴(yán)格控制下沉速度，防止過程。在距離刃腳標(biāo)高1.5～2m時，放慢沖水速度。考慮上部荷載，預(yù)留5cm不下沉。

②沉井下沉過程中比較常見的一種問題是流砂。流砂在粉細(xì)砂層的沉井施工中最常出現(xiàn)。而在本工程所在地質(zhì)中第②3層情況：砂質(zhì)粉土粉砂，含云母及貝殼碎屑，夾粉土及少量細(xì)砂，呈稍密～中密狀態(tài)，層底標(biāo)高-8.11～-12.12m，極易出現(xiàn)流砂現(xiàn)象。土體出現(xiàn)流砂現(xiàn)象時，土就會失去承載力，嚴(yán)重會導(dǎo)致基坑邊坡塌方。引發(fā)流砂的的主要原因是土里面的動水壓力超過了臨界值，這時應(yīng)該及時壓住水頭，禁止在流砂中繼續(xù)下沉。

本工程采用的水力沖土下沉，井內(nèi)保持一定的水壓，利用不排水法下沉降低井外水力梯度，從而對流砂問題有效的控制。

5 沉井接高穩(wěn)定性驗算及下沉系數(shù)計算

5.1 沉井接高穩(wěn)定性驗算

沉井在基坑內(nèi)分四階段預(yù)制完成，再進(jìn)行一次下沉。因此只需驗算在預(yù)制第四節(jié)沉井時（沉井重量最大）的穩(wěn)定性即可。

第四節(jié)沉井完成，沉井總重： （kN）

砂墊層的極限承載能力： 則穩(wěn)定系數(shù)

。在沉井預(yù)制接高過程中，能夠確保沉井穩(wěn)定性。

5.2 各土層中下沉系數(shù)

各土層性質(zhì)：

式中，kst為下沉系數(shù)；Gk為沉井自重（kN）；Fw為地下水的托力（kN）；γw為水的重度（kN/m?）；V為沉井在地下水位體積（m?）；U為側(cè)壁外圍周長（m）；R1為刃角下地基極限承載力（kPa）；b為刃角踏面寬度（m）；n為刃角斜面與土壤接觸面的水平投影寬度（m）；A1為隔墻支撐面積（㎡）；A2為底梁支撐面積（㎡）。

根據(jù)計算在各土層中下沉系數(shù)為：在②1層下沉系數(shù)為1.58，②2層下沉系數(shù)為0.733，②3層下沉系數(shù)為0.89，終沉系數(shù)為0.854。

5.3 各土層中下沉控制措施

根據(jù)規(guī)范，沉井下沉系數(shù)宜為1.05～1.25，在軟弱層為0.8～0.9。

因此在施工中根據(jù)各土層下沉系數(shù)，采取相應(yīng)的措施，保證下沉平穩(wěn)。在②1層中下沉系數(shù)偏大，為防止突沉，傾斜等，采取向井筒內(nèi)注入清水以增加井體浮托力；在②2層下沉系數(shù)偏小，因此在下沉過程中采取刃角下均勻、對稱掏土，從而達(dá)到下沉的目的；在②3層中下沉系數(shù)較為適宜，在該層中下沉較為平穩(wěn)。終沉?xí)r通過控制預(yù)留量，以及嚴(yán)格控制止沉樁標(biāo)高控制下沉速度及終沉標(biāo)高。

6 結(jié)束語

①大型沉井在制作時尤其要注意地基承載力及不均勻沉降，防止在預(yù)制過程中發(fā)生井體偏位。同時應(yīng)充分調(diào)查地質(zhì)情況及周邊環(huán)境情況。特別是在沉井周邊有重要構(gòu)筑物時，在下沉過程中除對井體本身進(jìn)行監(jiān)測外，還需要對周邊構(gòu)筑物進(jìn)行監(jiān)測。

②沉井預(yù)制應(yīng)充分考慮后期大型設(shè)備的安裝。包括預(yù)留洞口問題，預(yù)埋件的準(zhǔn)確性，部分設(shè)備配件安裝與井體預(yù)制的穿插施工。

③沉井下沉，應(yīng)根據(jù)地質(zhì)情況，判斷下沉過程中可能發(fā)生的問題，制定相應(yīng)的措施。

參考文獻(xiàn)

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（作者單位：中鐵二十四局集團(tuán)路橋公司）