新沭河治理工程臨洪東站自排閘工程沉井技術(shù)應(yīng)用

史 瑋 秦小橋 許文濤

新沭河治理工程臨洪東站自排閘工程沉井技術(shù)應(yīng)用

史 瑋 秦小橋 許文濤

一、工程概況

臨洪東站自排閘工程位于連云港市境內(nèi)的新沭河右堤上，該閘為1級(jí)水工建筑物，共6孔，每孔凈寬10m，兩孔一聯(lián)，設(shè)計(jì)流量650m3/s。該閘為沉井結(jié)構(gòu)，單座沉井尺寸為22.5m×12.2m（長(zhǎng)×寬），共3座。沉井外井壁厚80cm，隔墻厚50cm，井壁刃腳底高程 =-12.5m，沉井頂高程 =-2.9m，下沉深度為9.6m。3座沉井呈直線型連續(xù)布置，沉井間間距為0.82m。

二、氣候條件、水文地質(zhì)情況

連云港市地處北半球的中緯度地區(qū)，屬暖溫帶與北亞熱帶的過(guò)渡地區(qū)，氣候濕潤(rùn)，四季分明。年平均氣溫在14℃左右，多年平均降雨量為936.9mm，最大年降雨量為1328.9mm。

該閘地面高程為 =-2.0m，沉井底部高程為 =-12.5m，場(chǎng)地土層自上而下分別為：①粘土，層底標(biāo)高為-0.13～2.5m；②-1淤泥質(zhì)壤土，層底標(biāo)高為-0.95～0.65m；②-2壤土，層底標(biāo)高為-7.42～-0.65m；②-3淤泥質(zhì)粘土，層底標(biāo)高為-11.05～-10.25m；③細(xì)砂夾壤土，層底標(biāo)高為-12.58～-11.83m；④粘土，層底標(biāo)高為-14.55～-13.65m。場(chǎng)地地下水類(lèi)型有：賦存于①粘土、②-1淤泥質(zhì)壤土、②-2壤土等上部地層中的潛水；賦存于③細(xì)砂夾壤土中的承壓水。

三、沉井施工方案

沉井根據(jù)井壁設(shè)計(jì)形式，采取一次制作、一次下沉的施工方案，施工順序?yàn)椋簻y(cè)量放線→基坑開(kāi)挖→砂島填筑、混凝土條形基礎(chǔ)澆筑→磚砌刃腳胎模→沉井制作→養(yǎng)護(hù)等強(qiáng)、拆除模板、腳手→拆除磚胎模、混凝土墊層、砂墊層→井內(nèi)下沉→井內(nèi)砂、土回填→沉井間微膨脹混凝土回填→沉井防滲處理。

四、沉井施工過(guò)程

1.沉井制作基礎(chǔ)處理

根據(jù)施工圖紙，結(jié)合基礎(chǔ)工程和上下游連接段基礎(chǔ)工程施工，自排閘沉井制作基坑面高程定為 =-2.0m。因沉井制作面的原狀土承載力約為4～6t/m2，不能滿足沉井制作時(shí)的穩(wěn)定要求，為防止地基不均勻下沉產(chǎn)生井身裂縫，沉井制作時(shí)將進(jìn)行基礎(chǔ)換填處理，提高承載能力，滿足沉井的制作要求。具體做法：在基坑開(kāi)挖面以下開(kāi)挖1.5m厚的土方并換填相同厚度的砂墊層，砂墊層采用水力挖土機(jī)械輸送至基坑，漫水插入式振動(dòng)器振搗密實(shí)，分兩層填筑，砂墊層填筑時(shí)將預(yù)設(shè)排水井，沿沉井外均勻布置，間距15m，以便抽排砂墊層密實(shí)后的余水。已密實(shí)的砂墊層干容重控制在1.60～1.65g/cm3。待砂墊層施工完成后，在其上澆筑10cm厚的C20混凝土條形基礎(chǔ)，磚砌刃腳胎模，與混凝土接觸側(cè)面涂刷熟石灰膏。

2.沉井下沉

（1）組織準(zhǔn)備

①觀測(cè)系統(tǒng)建立。觀測(cè)系統(tǒng)建立分有儀器觀測(cè)和無(wú)儀器觀測(cè)兩部分。儀器觀測(cè)部分：下沉前在每座沉井的四角繪制高程指示刻度線，下沉過(guò)程中用水準(zhǔn)儀定時(shí)觀測(cè)下沉情況。觀測(cè)頻率：初沉階段，每2h觀測(cè)1次；正常下沉階段，每班組觀測(cè)1次；終沉階段，每2h觀測(cè)1次；糾偏階段，每下沉一層觀測(cè)1次，并做好相應(yīng)的記錄，用于指導(dǎo)糾偏。無(wú)儀器觀測(cè)部分：在每座沉井內(nèi)外側(cè)的兩個(gè)方向懸掛垂球，頂口為固定高度，外側(cè)底部指揮人員和內(nèi)側(cè)施工人員可直接觀測(cè)下沉過(guò)程中四個(gè)角點(diǎn)不均勻下沉帶來(lái)的沉井傾斜情況。

②完成對(duì)所有銷(xiāo)螺絲洞的防滲修補(bǔ)工作。

③檢查維護(hù)降水井點(diǎn)并確保其運(yùn)轉(zhuǎn)正常，下沉前將地下水降至刃腳1m以下。

④準(zhǔn)備若干水泵，在井內(nèi)出現(xiàn)大量流砂、沉井突沉等非常情況時(shí)，對(duì)井內(nèi)進(jìn)行灌水處理。

（2）磚胎模、混凝土墊層及砂墊層的拆除

風(fēng)鎬拆除磚胎模及混凝土墊層時(shí)，應(yīng)按照先隔墻再井壁的順序?qū)ΨQ(chēng)拆除。砂墊層采用水力挖塘機(jī)械按50cm分層進(jìn)行，按照先對(duì)稱(chēng)拆除井格中間部分、再對(duì)稱(chēng)拆除中間隔墻部分、最后對(duì)稱(chēng)拆除井周部分，即由里向外、從中間往兩端對(duì)稱(chēng)拆除。控制拆除分層厚度和拆除順序可減小初始下沉階段發(fā)生的偏沉。

（3）下沉土方開(kāi)挖

沉井下沉采用干沉法，3只沉井同時(shí)下沉。

①下沉設(shè)備配置

自排閘一次下沉9.6m，沉井下沉持續(xù)時(shí)間為20d。沉井下沉過(guò)程中按10%的涌土量附加計(jì)算沉井的下沉工作量。單個(gè)沉井下沉除土12.2m×22.5m×（12.5-2）m×1.1=3170m3，沉井下沉持續(xù)時(shí)間安排20d，對(duì)于淤泥質(zhì)土水力挖塘機(jī)械的正常臺(tái)班產(chǎn)量按每天120m3計(jì)，每天作業(yè)4個(gè)臺(tái)班，機(jī)械完好率按70%計(jì)，效率按正常的50%計(jì)。則每座井內(nèi)需配置的水力挖塘機(jī)組為3170÷（120×20×4×70%×50%）=0.9臺(tái)套，即每座沉井內(nèi)布置1套泥漿泵，實(shí)際施工時(shí)考慮對(duì)稱(chēng)除土、均衡下沉，在井格內(nèi)需布置2套泥漿泵。3座沉井同時(shí)下沉，則理論配置6套。

②除土

沉井內(nèi)土方采用水力開(kāi)挖，按照：井格內(nèi)→隔墻下→井周邊的順序?qū)ΨQ(chēng)開(kāi)挖，每層挖深控制在0.5m以內(nèi)，相鄰井格內(nèi)的土面高差不超過(guò)0.5m。

自排閘沉井共3座，每座沉井間間距僅0.82m，距離較小，屬于群井下沉，施工中先將中間沉井下沉50cm后暫停，再同時(shí)下沉邊沉井，其下沉深度也是50cm，邊沉井下沉后暫停，再下沉中沉井，依次循環(huán)下沉。在中沉井每次下沉完成后，人工及時(shí)回填黃砂至三座沉井之間的空檔，增加相鄰兩座沉井間的密實(shí)性，以減緩邊沉井往中間滑動(dòng)的趨勢(shì)。必要時(shí)可適當(dāng)增加沉井之間砂的填筑高度和密實(shí)度。

（4）沉井下沉系數(shù)驗(yàn)算

①沉井刃腳磚模拆除完成，砂墊層未拆除時(shí)下沉系數(shù)：K=G/PA

式中：井體自重G=2.45×744+66（鋼筋重量）=1888t；

沉井外墻刃腳踏面及其下面砂墊層下擴(kuò)散面積之和：

刃腳下土體極限承載力fv取10t（《鋼筋混凝土沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)施工手冊(cè)》P26表5-4-2：地基土的極限承載力表——淤泥質(zhì)土極限承載力為100～200kPa，這里按100kPa取值）；

初沉下沉系數(shù)小于1，表明刃腳下磚胎模拆除后沉井不會(huì)下沉。砂墊層拆除時(shí)要分批對(duì)稱(chēng)拆除，促使沉井開(kāi)始緩慢下沉。拆除時(shí)要加強(qiáng)沉降觀測(cè)，防止突沉和不均勻沉降。

②沉井初沉?xí)r當(dāng)外圍井壁刃腳進(jìn)入土體內(nèi)0.2～0.3m，砂墊層厚度為0時(shí)，對(duì)沉井的穩(wěn)定最不利，求該工況條件下沉井下沉系數(shù)K。

沉井自重G=1888t；

沉井井壁在砂墊中的摩擦力R1=（22.5+12.2）×2×1.8×4=500t；

井壁與砂墊的摩擦力系數(shù)取為4t/m2；

井壁在土中的摩擦力R2=（22.5×4+10.6×4）×0.25×2.5=82.8t；

因與井壁接觸的土中帶有砂，井壁與土的摩擦力系數(shù)取為2.5t/m2；

當(dāng)刃腳下的土體發(fā)生剪切破壞時(shí)的極限承載力fv=10t；

實(shí)際沉井下沉過(guò)程中刃腳踏面是不會(huì)在淤泥質(zhì)粘土中露出的，沉井支撐于土體的面積為沉井墻的截面投影面積A1=0.8×（22.5×2+10.6×2）=52.96m2。

刃腳下受到土體作用力P1=fv×A1=10×52.96=529.6t；

此狀態(tài)下沉井初沉?xí)r下沉系數(shù):

表明在此工況下，沉井下沉系數(shù)較大，沉井此時(shí)下沉較快，不太穩(wěn)定，要注意沉井內(nèi)對(duì)稱(chēng)挖土，防止沉井傾斜、旋轉(zhuǎn)，造成偏移過(guò)大，以后難以糾正。此階段沉井內(nèi)會(huì)涌土較多，先用水力沖挖井格中心的土方，沉井也隨之下沉，隨著沉井下沉深度的增加，土體對(duì)內(nèi)外井壁的摩阻力會(huì)增加，沉井下沉?xí)煽斓铰?，接近臨界狀態(tài)，沉井即使下沉也會(huì)隨著摩擦力的增加，建立新的平衡狀態(tài)，逐步趨于穩(wěn)定。

③沉井終沉?xí)r穩(wěn)定性驗(yàn)算

沉井下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)，刃腳及隔墻底部進(jìn)入④土層，沉井座落在④土層上，沉井制作基面 =-2.0m，沉井設(shè)計(jì)頂高程 =-2.9m，設(shè)計(jì)底高程 =-12.5m，沉井在下沉過(guò)程中，井口外側(cè)的土方會(huì)隨沉井的下沉而塌陷形成類(lèi)似漏斗狀斜坡，井口和土面基本相平，④土層土體容許承載力f3為19.0t/m2，沉井在摩阻力、刃腳、隔墻下土體支撐力的作用下能否處于平穩(wěn)狀態(tài)至關(guān)重要，驗(yàn)算此狀態(tài)下沉井的下沉系數(shù)K。

考慮井外壁摩阻力的作用力平均取f=2t/m2，井外壁摩阻力：

刃腳受至④土層的支撐力：

則沉井克服摩阻力時(shí)下沉系數(shù)：

計(jì)算結(jié)果表明：沉井終沉后將處于穩(wěn)定狀態(tài)。

（5）沉井糾偏

沉井下沉的過(guò)程即是一個(gè)不斷糾偏的過(guò)程，針對(duì)下沉過(guò)程中出現(xiàn)偏位的糾偏措施有：偏除土（偏沉），這是本工程使用的主要糾偏措施；井外射水；增加土壓、偏心壓重或井外減載。

采取對(duì)稱(chēng)除土，控制每層除土的厚度不大于50cm，盡量使沉井均勻下沉，以達(dá)到減小下沉偏差的目的，降低糾偏工作量。

群井下沉，相互間的影響較為明顯，且沉井群有向中間靠攏的趨勢(shì)，兩個(gè)邊沉井由于兩側(cè)承受土壓力，下沉過(guò)程中極易向中間偏移。下沉過(guò)程中沉井群始終保持中間沉井和兩個(gè)邊沉井分兩組階梯、循環(huán)下沉，將邊沉井有意識(shí)向兩側(cè)糾正。沉井間用限位木方和填砂控制相互間的間距，以抵消下沉過(guò)程中向中間的偏移。

沉井下沉過(guò)程中不斷進(jìn)行糾偏，以減小累計(jì)偏差，降低糾偏的難度，本工程以偏沉的方法做為主要糾偏措施，在偏差稍大時(shí)輔以井外射水及井外挖土減載，減小土壓力的差別，利于沉井的糾偏。

（6）終沉、擴(kuò)大刃腳、回填及防滲圍封

當(dāng)沉井下沉至距設(shè)計(jì)高程2m時(shí)，進(jìn)入終沉狀態(tài)，此時(shí)盡可能調(diào)平井體，加強(qiáng)對(duì)下沉的觀察，控制下沉速度，調(diào)整井格內(nèi)的土面高度，使其盡量保持在同一平面內(nèi)，保證沉井平穩(wěn)就位。預(yù)留10～15cm的自沉量，使其慢慢穩(wěn)定。加強(qiáng)觀測(cè)，并作好記錄，特別是沉降觀測(cè)，在連續(xù)8小時(shí)內(nèi)沉降量不大于10mm，即可對(duì)刃腳進(jìn)行擴(kuò)大，擴(kuò)大刃腳混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度后方可進(jìn)行井內(nèi)回填。

回填前盡量排干積水，自排閘沉井先回填1m厚細(xì)砂，再回填土至沉井頂。砂回填采用和沉井砂墊層同樣的方法振搗密實(shí)，井內(nèi)土方回填由挖掘機(jī)按層將土方挖甩到沉井內(nèi)，人工整平，震動(dòng)夯壓實(shí)。井間微膨脹混凝土回填前需將井間積水和淤泥清除干凈后方可進(jìn)行澆筑，相鄰沉井間土體挖除換填微膨脹混凝土后，在每座沉井間套打旋噴樁加固封閉

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