沉井施工法应用于襄樊清河口泵站施工实践的认
[12-11 16:59:52] 来源：http://www.tmgc8.com 市政工程 阅读：3845次
摘要 结合实际工程对沉井施工法应用于河漫滩、流砂和软土层地段的施工，进行了探讨、分析与研究。提出了从沉井制作场地的选址和准备、沉井井筒的制作，沉井下沉、沉井纠偏、下沉观测和记录、沉井封底等每一阶段的施工构思和技术方案，并在实践中予以验证，取得了良好的效益。
关键词 沉井 砂石泵 地下连续墙 纠偏 封底
沉井施工法是修筑地下工程和深埋基础工程所采用的重要施工方法之一，在给水排水工程中常用于取水构筑物、排水泵站、大型集水井、盾构和顶管工作井等工程。平面布置多为圆形、矩形、椭圆形、棱形或不规则形状。其井内可以是单孔的，也可以是多孔的（即有隔墙），视使用需要而定。
沉井法施工包括沉井制作、沉井下沉和沉井封底等几个主要部分。根据不同的情况和条件，可以采取一次制作一次下沉，也可以采用制作与下沉交替进行。沉井的井筒一般在地面上制作，在井筒内挖土，使井筒靠自重以克服其外壁与土间的摩阻力，而逐渐下沉至设计标高。然后平整筒内土层，浇筑混凝土垫层和混凝土底板，完成沉井的封底工作。因此在地下水位高、渗水量较大或有地下承压水、流砂、软土层、现场狭窄地段及附近已建成地下管线或地上建筑物等情况下，更显其施工优点。下面，笔者结合襄樊市清河口泵站沉井的施工实践，浅叙沉井施工法的应用性能和认识体会。
一、工程简述
襄樊市清河口泵站位于樊城小清河与汉江交汇处的河漫滩上。它东临汉江，西靠江汉防洪大堤，距汉江20m，距汉江大堤18m，其主体结构由泵房水泵间、吸水间、配电间、结合井、阀门井及其它附属设施等钢筋混凝土构筑物组成，泵站的设计提升能力为每日抽排污水54万m3。
泵房沉井是一座直径35.4m，高20m，壁厚1.2～1.4m的圆形钢筋混凝土筒体结构。采用现浇钢筋混凝土二节制作，排水法一次沉入到位的施工工艺。第一节筒体高16米，分四个混凝土浇筑层完成，第一浇筑层的层高为5.5m，其后三个浇筑层均为3.5m。第二节筒体高4m，每层混凝土须一次浇筑完成，待浇筑混凝土达到设计强度后，再进行沉井下沉施工。沉井沉入到位后，封底混凝土层厚3.4mwww.tmgc8.com，底板钢筋混凝土层厚1.6m。沉井混凝土总量6752m3，混凝土的强度等级C25，抗渗等级S8。
沉井在结构上设置了5道底梁，将沉井分割为12个井孔，底梁垂直相交，并伸入到刃脚处的井壁中，形成了一个圆形多孔的水平框架的稳定刚体结构，受力合理，下沉时所受摩阻力小，对沉井周围土体扰动小。它主要由井筒、刃脚、底梁、隔墙和底板组成。
1.井筒：井筒是沉井的主要组成部分。它是沉井的地下围护结构和基础，其内部空间可充分利用，靠自重而下沉。
2.刃脚：刃脚形状为内刃环刀，其作用是使井筒下沉时减少井壁下端切土的阻力，下端有一个水平的60cm宽的支撑踏面。
3.底梁、隔墙：为满足沉井的使用要求，将泵房的水泵间和吸水间分隔开；为增加井筒的刚度，防止井筒在施工过程中突然下沉导致结构破坏，本沉井设置了5道底梁及4条隔墙，底梁的底标高高出刃脚踏面80cm。
4.底板：为增强刃脚与底板的连接，在刃脚上部留有连接底板的企口缝及拉筋。
二、场区地质、水文条件及评估
1.场区地质条件
沉井所在地貌单元属汉江一级冲积阶地前缘，为冲积沉积地层，有三套地层。地表下0～4m左右为第四系冲积耕土和粉质粘土，属场区主要持力层。深度在4～8m左右为第四系全新统冲积粉土类粉砂、细砂层，属场区主要下卧层。深度在8～24m之间为砂砾卵石层。
2.场区水文状况
沉井施工场区分上层滞水和下部潜水。上层滞水由大气降水及生活废水补给，主要埋藏于上部粉质粘土及淤泥质粉质粘土的孔隙之中，受季节影响水位时有升降。下部潜水主要埋藏于砂及砂砾卵石的孔隙中，由临近的汉江补给和排泄，且严格受汉江水位的控制，具有微承压性能。www.tmgc8.com
根据襄樊市航道局提供的水文资料，历年来最高水位为68.83m（1983年），最低水位60.93m（1979年），多年平均水位为62.44m。施工期为防止地下微承压水的浮力对沉井结构的损坏，设计提出了各阶段允许施工的最高水位（吴淞高程）要求。
封底混凝土达到设计强度，施工底板时的水位≤61.80m；
底板混凝土达到设计强度，施工隔墙时的水位≤63.50m；
隔墙混凝土达到设计强度，施工上部结构时的水位≤66.00m。
3.场区地质、水文条件的评估
3.1预制沉井坐落在第①层粉质粘土上，该层地基承载力标准值为110kPa，不能作为天然地基利用。且由于沉井体积大，自重7722t，且刃脚处周边单位容重为719.06kg/m3，为防止地基不均匀沉降而导致沉井结构性开裂破坏，故天然地基须加固处理。
3.2根据钻探资料及静探资料分析，沉井施工场地地层属第四系全新统沉积粘性土层，层位不甚稳定，二元结构明显，韵律清楚，其②层埋深变化大，这给沉井下沉施工纠偏带来较大难度。
3.3场区无论是上部滞水或下部潜水的土层，渗透系数较大，水源丰富，故在施工过程中须搞好抽排水工作，作到先排水后开挖。
3.4由于第②-1层、第②层为淤泥质粉土及粉细砂，土层的渗透系数及涌水量较大，且周边又有汉江大堤及民舍，降水将会导致地面沉降，须先在沉井外围采用深层水泥搅拌桩形成地下连续墙止水帷幕，将施工区域地下水与外来水阻隔，且同步进行沉井底部封水，然后再进行沉井下沉施工。
3.5据历年水位资料：沉井施工注视汉江水位变化，避开洪峰高水位期，将施工时的水位控制在设计要求的允许水位之下。
www.tmgc8.com三、沉井的施工方法及技术措施
1.沉井的施工顺序
按设计要求，采用二节制作一次沉入到位的方法进行。施工顺序为：
施工准备→平整场地→深层水泥搅拌桩连续墙→深井降水→施工测量放线→基坑开挖→置换砂垫层→砖混结构刃脚支架→刃脚钢筋模板→浇筑刃脚混凝土→养护→沉井井壁制作与养护→拆除井壁和刃脚模板→对称拆除刃脚支架→沉井内挖土下沉→浇筑沉井封底混凝土→养生→绑扎底板钢筋→浇筑沉井底板混凝土→养护→沉井内隔墙及上部结构施工
2.沉井的制作场地
2.1基坑土方开挖：为减少沉井下沉深度，在沉井筒体制作前先开挖基坑，基坑开挖采用大开口方式进行，边坡坡比为1∶0.5，基坑底的平面尺寸比刃脚的外壁每侧各大2m，在基底四周挖设50cm×50cmwww.tmgc8.com的排水沟，并接入基坑内的集水井中。集水井尺寸为80cm×80cm×100cm，用排水泵将集水井内的水抽排到远离基坑以外处。在原地面基坑开挖边缘1m处，设置深30cm、底宽30cm的截水沟截留雨水，在沟东侧预埋Φ200mm雨水管伸入施工区域外的土垅中，使水自流入汉江（见图1）。www.tmgc8.com
2.2沉井基坑地基处理
式中： G——沉井自重（kN）；
Pfw——沉井承受的水的浮托力（kN）；
Ti——沉井外壁承受的土的总摩阻力（kN）；
Ko——下沉系数
沉井下沉系数的选取，当沉井在第①土层、第②土层的软土层中下沉时，取系数1.05，在第③土层、第④土层即砂砾卵石层、卵石层中下沉时，取系数1.15，计算结果见表1。
据表1计算结果推论，本沉井结构设计的底梁体积和比表面大，且相应的反力也大，故在沉井起沉至终沉的下沉施工全过程中，均要减少底梁的反力，即对称掏空底梁下的土层。在第③土层、第④土层下沉时，在掏空底梁下土体后，还需对称掏空刃脚踏面下的土层，把井格内土层掏成锅底形土状，沉井才能平稳下沉。
4.2沉井内涌水量计算及降水措施
据工程地质勘察报告中提供的各土层的渗透系数、降水影响曲线半径，且依据公式对沉井下沉各施工区和各土层的涌水量进行计算（结果汇总见表2）。
计算公式：Q=K·H·U·q
式中：Q——沉井内涌水量（m3/d）；
K——土的渗透系数（m/d）；
H——地下水至沉井底深度（m）；
U——沉井刃脚的周长（m）；
q——单位长度涌水量
降水方案拟采用沉井外深井降水与井内抽排水相结合的降水措施。即在布置深井坑降水措施前，在现场进行降水试验，确定降水曲线后，在沉井外选取6处布置深井坑，截止地下潜水（深井降水见构造图，图3）。
在6处深井内，各设置一台扬程为30m，流量450m3/h的10LP-30型深井潜水泵抽排地下水。且还在沉井井格内布置集水坑，集水坑比井内土层低1.5m，布抽水机进行抽排，集水坑随沉井挖土而不断加深。
4.3形成地下连续墙止水帷幕www.tmgc8.com
沉井井壁距汉江大堤仅18m，且周边还有民舍、厂房。据降水曲线计算，在降低地下水位和沉井下沉施工时，将会引起地面沉降，对周边构筑物造成安全隐患。沉井下沉至第②土层的细砂层时，细砂层也会随水流动而形成流砂涌入，加大施工难度。为此，在沉井外侧设置一道封闭的地下连续墙止水帷幕，以阻隔沉井内、外地下水的贯通和相互流动，避免流砂的形成。
在计算土压力后，拟定了止水和支护双重性能的止水帷幕。即在距沉井中心24m处布置一道环形组合式水泥搅拌群桩，形成一道封闭式的具有抗剪性、抗渗性双重作用的地下连续墙止水帷幕（见图4）。
4.4孔洞的封堵及刃脚支架拆除
4.4.1孔洞的封堵
沉井下沉前，用水泥砂浆砌砖封堵沉井连接渠上的2×2m2预留孔洞，并用水泥砂浆抹面，以抵挡沉井下沉时地下水的浸入。对二个预留的Φ2080mm钢套环孔洞，则用钢板焊满焊封堵，内侧焊剪刀撑支撑。
4.4.2刃脚支架拆除
将54块刃脚砖混支架按顺序对称编号，以依次对称同步拆除。先拆除一般砖混支架，后拆除定位砖混支架，用砂、石料填充密实。
刃脚砖混支架的拆除，由专人统一指挥，互相协调，各组进度一致，连续作业直到拆完，中途不中断，且设专人观测沉井下沉是否均匀。
4.5淤泥质土层、细砂层的挖土方法
采用两台履带式抓斗配合皮带机、抛洒机和人工掏挖，先底梁后刃脚，先井格中心后四周的作业方式进行施工。
4.5.1沉井起沉施工时，井壁顶面比原地面高13m，设计的抓斗机臂长25mwww.tmgc8.com，抓斗机的水平伸距为12.5m，可伸进筒体内约6m，只能沿筒壁周边取土，中心井格土层则用人工取土，通过皮带机、抛洒机输送到壁体周围，再由抓斗机取出。
4.5.2分层挖掘，每层厚约为30cm，每次下沉量控制在20cm左右。对称挖除刃脚附近和刃脚下土层，挖土速度相同，土层面高程保持一致。
4.6砂砾石层、卵石层的挖土方法
采用二台履带式抓斗机，三台ZN30型砂石泵及高压水射枪配合挖土施工。
4.6.1沉井下沉进入砂砾层、卵石层施工时，沉井已经下沉了8.5m，井壁顶面距地面高差仅4.5m。此层施工，挖掘机的抓斗可伸入到沉井井格任何部位作业。但砂砾石层、卵石层的地下潜水与临近的汉江贯通，地下潜水抽排及底梁下土层挖掘难度大。故施工时，拟采用沉井内保持一定（1.5m左右高的）水位，井格中土层用抓斗采挖，同步在底梁附近安置三台砂石泵，配置高压水射枪松动底梁底部的砂砾、卵石，由砂石泵直接吸取底梁下的砂砾、卵石至沉井外堆放。
4.6.2底梁下土层掏空后，再按4.5.2条方法挖掘刃脚内壁土层。在抓斗机采挖沉井中央格土层时，使之形成锅底型，一般锅底比刃脚低1.0-1.5m。当挖至刃脚若不下沉，则分段对称挖空刃脚，并挖至刃脚外10cm，每段挖完后用小卵石填充密实，待全部掏空填实后，再分层削掉回填的小卵石，使沉井均匀减少承压面的阻力而平衡下沉。
4.7终沉阶段的施工方法
为防止沉井超沉，在刃脚踏面距设计高程+20cm时，停止挖土施工，沉井井格内的土层也不形成锅底，且大致保持在一个平面位置上，并用卵石充实刃脚底部的孔隙。跟班观测自沉状况，在验证了沉井自沉系数后，再缓慢切削刃脚处的土体，使沉井自沉到设计要求的高程
5.沉井纠偏及其它施工措施
沉井在下沉过程中，特别在起沉阶段，容易出现井筒倾斜，沉井位置偏移，和沉井下沉过快等现象，须立即分析原因，进行纠偏。
www.tmgc8.com防止流砂涌入措施
沉井下沉到第②土层时，在CK8-2K3、CK10-2K5二处有1-2.5m厚细砂层，在降低地下水时，将会造成井内外水头差过大，致使流砂涌入井筒内，在施工时采取有效措施加以避免。
6.下沉观测和记录
沉井的下沉观测和记录是一个动态过程，是将沉井下沉施工过程中的测量结果，通过观测、分析、准确无误地记录下来，提供下沉施工情况、地下土层和地下水的变化信息，以此来控制沉井下沉的施工质量。
7.沉井封底
当沉井下沉到设计标高，经观测8小时下沉量不大于10mm时，立即进入沉井封底施工。据水文地质及工地现场状况，拟采用排水干封底和法兰盘钢管封底法进行沉井封底施工。
沉井施工法的实体内容复盖了上述从安排沉井的施工顺序、沉井制作场地的选址和准备、沉井井筒的制作、沉井下沉、沉井纠偏及其它措施、下沉观测和下沉记录、一直到沉井封底完成这一全部的施工过程。
四、结语
沉井施工法在工程实践每一阶段、每一部位的应用，通常会有许多种方案和方法来完成。我们在拟选方案和采用技术措施时，主要考虑到如下因素：施工操作的难易程度和安全保障、工程质量的可靠性、冬雨季施工和汉江汛期给工程施工带来困难的多少、施工机械和设备的使用情况、技术协作、材料、技术资源的供应、施工组织管理水平、施工物耗量及工程成本费用等方面。并经过实地调查取得确切的资料，定性定量分析和比选择优后，才最后确定最适宜的施工实施方案。
沉井施工法在襄樊清河口泵站大型沉井施工中的探讨、研究和应用，使工程取得了良好的施工效果，泵站混凝土主体结构一次性验收合格，工程一次性验收合格，被襄樊市建设工程质量监督站评定为优良工程。
沉井施工法在工程实践中的应用，不仅解决了在汉江河漫滩上施工时，地下涌水量大、水位高差大、流砂涌入量大的大型沉井施工难题，且在施工中结合工程实际情况，有针对性地运用了大体积混凝土施工连续浇筑技术、地下连续墙止水帷幕施工技术、大型沉井排水法下沉施工技术、大型现浇钢筋混凝土防裂抗渗施工技术、法兰盘钢管法沉井封底施工技术等一系列施工技术。这不仅是扩充和完善了沉井施工法的技术内涵，更开创了在复杂的地质、水文条件下，在江河河漫滩上进行市政工程大型沉井施工的先例。www.tmgc8.com
2.2.1为减少基础沉降，提高地基承载力，使沉井地基持力层为一个均匀的载体，地基加固处理采用换填法，即采用砂垫层的方法，以保证沉井沉降为柔性均匀沉降。
2.2.2根据地勘结果，以土的力学性质分层，沉井坐落在第①层粉质粘土层上制作，该层土呈灰黄色，湿润，软塑状态，其承载力为110kPa，不宜作地基持力层，故须挖掉该层的适当厚度，用密实的、承载力较高的中粗砂置换。
2.2.3由于制作沉井的地基承载力不能满足沉井荷载要求，故置换砂垫层的计算厚度由下式确定：
Pz：垫层底面的附加压力（kPa）
b：条形基础底面宽度（m）
P：基层底面压力（kPa）
Pc：基底底面处土的自重压力（kPa）
Z：基底底面下垫层厚度（mm）
α：垫层的压力扩散角（N°）
2.2.4砂垫层采用级配良好的中粗砂，放入沉井刃脚周边的基础槽中，分层回填，洒水湿润，振捣密实，经贯入度仪检验合格后，再进入下一层砂垫层的回填施工。
2.2.5砂垫层的干密度经试验检测，其平均值为1.75×103kg/m3，大于设计要求的1.60×103kg/m3量值。
www.tmgc8.com3.沉井井筒的制作：
沉井井筒的制作分为二部分，即刃脚支架的制作和井壁的制作。
3.1刃脚支架的制作
沉井刃脚支架的制作方法视沉井自重、施工荷载和土层承载力等情况而设定，本沉井拟选用的支架方法为砖混结构支架类型。
3.1.1混凝土垫层
为扩大沉井刃脚的支承面积，减小对砂垫层的压力，在刃脚环形混凝土垫层浇筑区按每2m为单位，将混凝土垫层分为54块，中间用2cm厚的缝板将混凝土垫层断隔，采用跳档法浇筑施工。混凝土的强度等级为10MPa，厚度15cm，宽度4.2cm（见图2）。
在已浇筑的混凝土垫层上，采用跳档施工法用砖砌筑刃脚大放脚基础支架。每档之间留有2cm空隙，在靠近刃脚浇筑混凝土的砖模支架面，用水泥砂浆抹面，并铺油毡纸一层。
3.2井壁的制作
3.2.1沉井模板采用组合钢模竖向分节制作，底梁、刃脚内侧采用非标准木模。支模先内模，一次支到比浇筑混凝土施工缝高10cm以上处，待钢筋安装完毕后再进行外模支设和加固。
3.2.2模板纵横向间距60cm，用钢管紧固立楞，内、外模用钢管紧锁，并用水平撑加剪刀撑固位。
3.2.3www.tmgc8.com内外模直立后，用Φ18mm螺栓对拉固定，在每根螺栓距离内、外模20cm处设置钢板止水片。经理论计算，采用100mm×100mm×3mm型号钢板止水片，每块止水片与螺栓接触处均焊一圈满焊。
3.2.4木模间隙刮腻子找平，模板与已浇筑混凝土接触处，胶贴50mm宽泡沫塑料带防漏浆，预埋的插筋用夹板密封。
3.2.5用垂球法校正模板垂直度，且围绕沉井井壁内外模的外侧，搭设双排门式脚手架。
3.2.6混凝土浇筑采用泵送混凝土工艺进行。将沉井井壁分成八段，布置二个混凝土输送出口，同时对称分层进行。施工中避免高差悬殊，荷载不均衡，造成地基不均匀下沉或产生倾斜。
3.2.7为保证沉井现浇钢筋混凝土的抗渗性能，防止混凝土现浇后的自身渗漏，将混凝土的施工配制强度比设计要求的混凝土强度值提高一个等级（即C30），其抗渗等级也相应提高。
3.2.8由于大体积混凝土易出现收缩性裂缝，为提高混凝土的抗裂抗渗性能，在混凝土内加入适量的UEA微膨胀剂以补偿混凝土的硬化收缩，经过试配和优选，最终选用的混凝土施工配合比为：普硅水泥（425号）∶砂（中粗砂）∶卵石（5～40mm）∶微膨胀剂（UEA型）∶泵送剂（HJM6）∶水=380∶689∶1124∶38∶2.3∶167，即1∶1.813∶2.958∶0.1∶0.006∶0.44。
3.2.9沉井井壁现浇钢筋混凝土工作面大，其展开长度为259m，在混凝土浇筑前，合理布局浇筑面流程图，精确计算每层混凝土的浇筑厚度、每一层混凝土完成所需时间、确定浇筑层厚、单位泵送量与每层完成时间的对应关系，以控制新浇混凝土层的入模、振捣完成时间必须在已浇混凝土初凝之前完成，避免混凝土浇筑层间隙时间长而形成冷缝。
3.2.10上、下节井壁混凝土的接缝采用凹式水平施工缝，施工缝处凿毛并冲洗干净后，先浇一层减半石混凝土约7cm左右，然后再按正常混凝土施工配合比浇筑混凝土。www.tmgc8.com
4.沉井下沉
在沉井刃脚浇筑的混凝土达到设计强度，井壁最后一次浇筑混凝土强度达到设计强度的70%后，沉井开始下沉。沉井下沉前，进行下沉施工准备，根据沉井各节的下沉力，以及各阶
段的下沉摩阻力来验算沉井的下沉系数，计算沉井内的涌水量，根据现场试验和理论计算结果，拟定适宜的施工方案指导施工。
4.1沉井下沉计算
本沉井为筒柱形结构，依自重下沉施工，根据土体作用在井筒外壁上单位面积摩阻力沿土层深度的分布图，计算沉井外壁单位面积上的摩阻力F（kN/m2）及总摩阻力Ti（kN），然后算下沉系数：
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