談沉井施工技術(shù)在工程中的應(yīng)用

張 川 楊 建 張娟娟,2

(1.華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450045； 2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所/河南省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 新鄉(xiāng) 453002)

談沉井施工技術(shù)在工程中的應(yīng)用

張 川1楊 建1張娟娟1,2

(1.華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450045； 2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所/河南省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 新鄉(xiāng) 453002)

結(jié)合南水北調(diào)沉井施工實(shí)例,從沉井制作、沉井下沉、沉井封底及下沉糾偏等方面闡述了沉井施工過程的控制措施，并針對施工中的常見問題,提出了相應(yīng)的處理方法，為類似工程的施工提供了參考依據(jù)。

沉井，下沉糾偏，沉井封底

0 引言

隨著城市建設(shè)的發(fā)展以及工程施工技術(shù)水平的提高，沉井施工已廣泛應(yīng)用于工業(yè)建筑的深坑、地下室、設(shè)備深基礎(chǔ)、橋墩、碼頭、鑿井等工程；施工場地復(fù)雜,鄰近有鐵路、房屋、地下構(gòu)筑物等障礙物，加固、拆遷有困難或大開口施工會影響周圍鄰近建(構(gòu))筑物安全時(shí),應(yīng)用沉井施工方法最為合理、經(jīng)濟(jì)[1]。沉井施工法有以下優(yōu)點(diǎn)：1)用沉井井壁作為深埋構(gòu)筑物的墻壁擋土、擋水，節(jié)省了深基坑支護(hù)費(fèi)用；2)沉井施工占地較大，開挖的基坑要小得多，土方挖填量小，且能減少對周圍鄰近建筑、管線、路面的不利影響[2]。

1 工程概況

鄭州市供水配套工程是河南省南水北調(diào)受水區(qū)供水配套工程的一部分，其中23號配套工程起始于北環(huán)路南陽立交橋東南側(cè)，終點(diǎn)至白廟水廠。此段輸水管線拐點(diǎn)處均需布置工作井或接收井，共計(jì)14處基坑，其中特以11號沉井為例。

11號沉井下沉穿越土層分別為重粉質(zhì)壤土、輕中粉質(zhì)壤土、粉細(xì)砂、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，基坑沉井底板底高程為77.257 m，位于淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層中，且進(jìn)入淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層約0.7 m。沉井平面為圓形，剖面為矩形，沉井頂標(biāo)高為90.257 m，刃腳底標(biāo)高為78.407 m。沉井高度為11.85 m，施工時(shí)采用分兩次制作，第一次制作高度為6.0 m，第二次制作高度為5.85 m。井壁上部厚度為70 cm，下部厚度為80 cm，鋼筋凈保護(hù)層厚度為50 mm。

2 沉井施工穩(wěn)定計(jì)算方法

2.1 沉井抗浮穩(wěn)定計(jì)算

沉井抗浮應(yīng)按沉井封底和使用兩個(gè)階段，分別根據(jù)實(shí)際可能出現(xiàn)的最高水位進(jìn)行驗(yàn)算，并符合下式的要求：抗浮計(jì)算Kf=G/B≥1.05[3]，其中,Kf為抗浮安全系數(shù);G為相應(yīng)階段沉井總重量，kN;B為浮力，kN。經(jīng)計(jì)算，沉井未封底時(shí)抗浮穩(wěn)定系數(shù)為2.66，沉井封底后抗浮穩(wěn)定系數(shù)為1.125，都滿足抗浮的要求。

2.2 下沉計(jì)算

2.2.1 下沉系數(shù)

下沉系數(shù)：

式中：Gk——沉井自重標(biāo)準(zhǔn)值；Ffw,k——下沉過程中水的浮托力標(biāo)準(zhǔn)值；Ffk——井壁總摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值。

要求下沉系數(shù)Kst≥1.05。經(jīng)計(jì)算,下沉系數(shù)為1.22，滿足要求。

2.2.2 下沉穩(wěn)定系數(shù)

沉井在軟弱土層中下沉，當(dāng)下沉系數(shù)較大時(shí)(一般大于1.5)，或在下沉過程中遇有特別軟弱土層時(shí)，需進(jìn)行下沉穩(wěn)定驗(yàn)算，以防止突沉或下沉標(biāo)高難以控制。

下沉穩(wěn)定系數(shù)：

式中：kst,s——下沉穩(wěn)定系數(shù)，取值為0.8～0.9;Ffw,k——下沉過程中水的浮托力標(biāo)準(zhǔn)值；Ffk——井壁總摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值;Rb——沉井刃腳、隔墻和底梁下地基土的極限承載力之和。

經(jīng)計(jì)算,下沉穩(wěn)定系數(shù)為0.79<1.0，滿足要求。

3 沉井工程

3.1 施工準(zhǔn)備

施工前，應(yīng)對施工區(qū)域進(jìn)行清理，拆遷各種障礙物。接著采用74 kW推土機(jī)配合74 kW履帶式拖拉機(jī)對井區(qū)場地進(jìn)行平整碾壓，平整范圍按沉井平面尺寸周邊擴(kuò)大2 m～4 m，碾壓后的地面承載能力應(yīng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3.2 施工方法及施工要求

3.2.1 鋪墊砂礫石及墊木

鋪墊砂礫石層和鋪設(shè)墊木。場地經(jīng)平整碾壓密實(shí)后，在墊木鋪設(shè)范圍內(nèi)鋪墊最大粒徑不超過40 mm的砂礫石，其厚度不小于25 cm，用機(jī)械或人工進(jìn)行找平夯實(shí)。墊木采用質(zhì)量良好的普通枕木及短方木，一長一短(3 m，1.5 m，部分長2 m)依次擺平，在刃腳的直線部位應(yīng)垂直鋪設(shè)，四角(或圓弧)部位應(yīng)徑向鋪設(shè)。墊木間用粒徑5 mm～20 mm砂卵石填塞密實(shí)，填塞時(shí)先四角后中間，防止墊木位移。

3.2.2 刃腳制作與安裝

刃腳是沉井下沉全過程的關(guān)鍵部件，應(yīng)按照鋼結(jié)構(gòu)施工規(guī)范的要求保證刃腳的制作和安裝質(zhì)量。通常先在廠內(nèi)分段加工成型，然后運(yùn)至現(xiàn)場拼裝、調(diào)整、焊接成整體，要求外形尺寸正確，鋼靴和鋼筋之間焊接可靠，能承受沉井下沉全過程中產(chǎn)生的擠壓振動和沖擊。

3.2.3 刃腳下的承重桁架及井筒內(nèi)模施工

根據(jù)首節(jié)沉井結(jié)構(gòu)尺寸和承重荷載的要求，對井筒內(nèi)模周邊、轉(zhuǎn)角和隔墻可采用木制承重桁架，該桁架支承在已做好的基礎(chǔ)墊木上。刃腳下和井內(nèi)隔墻下墊木應(yīng)力應(yīng)基本相等，以免不均勻沉陷使井壁連接處混凝土出現(xiàn)裂縫。內(nèi)側(cè)模板可采用在加工廠加工成型的標(biāo)準(zhǔn)模板在現(xiàn)場拼裝，局部接頭使用散裝模板拼接。先安裝斜面和隔墻承重模板，后安裝側(cè)面模板，并用內(nèi)撐固定。

3.2.4 井壁外側(cè)模板施工

沉井井筒外壁要求平整、光滑、垂直，嚴(yán)禁外傾(上口大于下口)。為了施工快捷和有利模板平整，外模宜采用大模板。模板支撐采用對拉方式。

3.2.5 井筒混凝土澆筑

澆筑前先搭設(shè)澆筑平臺，并按規(guī)定距離布設(shè)下料溜筒，一般5 m～6 m布置一套溜筒，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大于一層鋪筑厚度(約40 cm)。一節(jié)井筒應(yīng)一次連續(xù)澆完，如因故不能澆完時(shí)，水平施工縫要進(jìn)行可靠處理。施工縫不允許使用砂漿摻合料?；炷翝仓戤吅螅磻?yīng)遮蓋養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)時(shí)間按《水工混凝土施工規(guī)范》[4]要求執(zhí)行。

3.2.6 井內(nèi)開挖及首節(jié)井筒下沉

底節(jié)井筒模板及支撐排架拆除后，井筒混凝土經(jīng)養(yǎng)護(hù)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度70%以后，才能進(jìn)行抽除墊木，開始挖渣下沉作業(yè)。

1)底部墊木抽除。

為了保證沉井的垂直度，抽除墊木是關(guān)鍵之一。在抽墊過程中，應(yīng)分區(qū)、依次、對稱、同步地進(jìn)行，先隔墻，后井筒；先短邊，后長邊；最后保留設(shè)計(jì)支撐點(diǎn)。每次抽去墊木后刃腳下立即用卵礫石填塞搗實(shí)，使沉井自重逐漸由卵石承受。在整個(gè)作業(yè)過程中加強(qiáng)儀器觀測，發(fā)現(xiàn)沉井傾斜時(shí)應(yīng)及時(shí)采取措施調(diào)整。

2)挖土下沉。

沉井土方開挖采用0.5 m3履帶式抓斗配合人工開挖，可利用土料就近堆存在臨時(shí)占地范圍內(nèi)，開挖多余土料采用1 m3挖掘機(jī)配合8 t～10 t自卸汽車運(yùn)輸至棄渣場。每層挖土作業(yè)的要點(diǎn)是，周邊先預(yù)留1 m以上寬度，從中心向四周開挖。依次挖土厚度為0.3 m～0.5 m，再間隔挖除預(yù)留部分，留下設(shè)計(jì)支撐點(diǎn)。在挖除支撐點(diǎn)時(shí)，沉井在自重作用下逐漸下沉，下沉過程中測量人員用水準(zhǔn)儀保持觀察,隨時(shí)指導(dǎo)沉井下沉,及時(shí)糾偏,保證均勻下沉。

3.2.7 后續(xù)井筒施工

在底節(jié)沉井下沉到一定深度后就應(yīng)停止下沉，準(zhǔn)備進(jìn)行上面一節(jié)沉井的施工。沉井的接高應(yīng)符合以下要求：1)接高前應(yīng)調(diào)平沉井，井頂露出地面應(yīng)有1 m左右高度；2)第二節(jié)沉井高度可與底節(jié)相同(5 m～7 m)。為減少外井壁與周邊土石的摩擦力，第二節(jié)井筒周邊尺寸應(yīng)縮小5 cm～10 cm；3)上節(jié)模板不應(yīng)支撐在地面上，防止因地面沉陷而使模板變形；4)為防止在接高過程中突然下沉或傾斜。必要時(shí)應(yīng)在刃腳處回填或支墊；5)接高后的各節(jié)井筒中心軸線應(yīng)為一直線；6)第二節(jié)井筒混凝土達(dá)到強(qiáng)度要求后，繼續(xù)開挖下沉。

3.2.8 沉井封底

當(dāng)沉井下沉至距設(shè)計(jì)標(biāo)高300 mm時(shí)，應(yīng)停止抽出墊木和挖土，依靠沉井自重下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高及接近設(shè)計(jì)標(biāo)高。經(jīng)過觀測，在8 h內(nèi)，累計(jì)沉降量不大于10 mm或沉降率在可控制范圍內(nèi)時(shí)，表明沉井下沉已經(jīng)穩(wěn)定，可進(jìn)行沉井封底[5]。作為一般基礎(chǔ)沉井，可用C15混凝土封底，高度為2 m～5 m。若滲水量不大，填心、封底可采用分期施工方法。第一期可采用預(yù)留泵坑，一邊排水一邊從一端向另一端封堵填心，最后撤出水泵封堵水泵坑。若滲水量較大，無法采用排水法封堵，也可采用導(dǎo)管法水下澆筑混凝土封堵。水下混凝土澆筑厚度可為3 m～5 m，以上部分將積水排出后仍采用普通混凝土方法澆筑填心混凝土。

3.2.9 沉井下沉的糾偏措施

1)嚴(yán)格控制井筒施工的外形尺寸，要求井筒外壁垂直、光滑，免除由于結(jié)構(gòu)引起的阻力增加；

2)嚴(yán)格按照程序抽除墊木，并及時(shí)回填卵礫石，確保沉井正位下沉；

3)在井壁高的一側(cè)施加偏壓，直至井壁端正；

4)井外單側(cè)挖土，將偏移部位壓向正確位置；

5)井內(nèi)均勻開挖，每層開挖在0.3 m～0.5 m范圍內(nèi)，先中間，后四周；

6)井外壁單側(cè)注水或泥漿以減小井壁與土層的摩擦力；

7)及時(shí)堵住涌砂。

3.2.10 沉井的質(zhì)量要求

沉井外形和位置的允許偏差見表1。

表1 允許偏差表

3.3 沉井施工注意事項(xiàng)

沉井施工時(shí)應(yīng)注意以下事項(xiàng)：

1)當(dāng)沉井下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高以上1 m時(shí)，應(yīng)適當(dāng)減慢下沉速度，每天不大于0.3 m，鍋底開挖深度應(yīng)減小，刃腳下掏土應(yīng)慎重，防止突沉和超沉事故的發(fā)生；

2)沉井下沉階段預(yù)留孔封堵措施：預(yù)留孔外側(cè)采用C15混凝土臨時(shí)封堵，外粉30 mm厚1∶2防水水泥砂漿，預(yù)留孔內(nèi)側(cè)采用槽鋼封門，施工時(shí)應(yīng)保證沉井整體平衡；

3)封底混凝土按水下混凝土進(jìn)行施工，所有凸出設(shè)計(jì)標(biāo)高部分應(yīng)予以鑿除。當(dāng)封底混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，方可進(jìn)行井內(nèi)抽水。抽干后不得有滲水現(xiàn)象，否則應(yīng)予以修補(bǔ)[6]；

4)施工時(shí)應(yīng)作好安全防護(hù)措施，確保人員和設(shè)備安全及做好環(huán)境保護(hù)工作。

4 結(jié)語

沉井技術(shù)在城市建設(shè)中的作用日益凸顯，其日趨完善的施工技術(shù)將得到更為廣泛的應(yīng)用。本文通過對南水北調(diào)配套工程23號頂管沉井施工技術(shù)的整體論述，解決了沉井施工所存在的安全等系列問題，可為類似工程提供參考。

[1] 梁志美.淺析沉井施工技術(shù)[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),2011(7):24-25.

[2] 冀新紅.淺談沉井施工方法[J].陜西科技,2009(6):19-21.

[3] 孫連溪.實(shí)用給水排水工程施工手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,1998.

[4] DL/T 5144-2001，水工混凝土施工規(guī)范[S].

[5] 葛春輝.鋼筋混凝土沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)施工手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2004.

[6] 胡長明.沉井施工在實(shí)際工程中的應(yīng)用與問題分析[J].施工技術(shù),2008(9):37-39.

Theapplicationofopencaissonconstructiontechnologyinengineering

ZHANGChuan1YANGJian1ZHANGJuan-juan1,2

(1.NorthChinaUniversityofWaterResourcesElectricPower,Zhengzhou450045，China; 2.KeyLaboratoryofWater-savingAgriculturalofHenanProvince,FarmlandIrrigationResearchInstitute,ChineseAcademyofAgriculturalScience,Xinxiang453002,China)

Combining with the open caisson construction instance of south-to-north water transfer, this paper expounds the control measures from the open caisson production, open caisson sinking, bottom sealing and sinking deviation, etc. Contrapose the common problems existing in the construction, put forward the corresponding processing method. Provide reference for the similar engineering construction.

open caisson, sinking deviation, bottom sealing

1009-6825(2014)33-0077-03

2014-09-17

張 川(1990- )，男，在讀碩士

TU753.64

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