廣州白云區(qū)粵溪排澇站改建工程沉井設(shè)計與施工

朱潤聯(lián)

（廣州市宏濤水利水電勘測設(shè)計有限公司，廣東 廣州 510405）

0 引言

沉井是先在地面上用鋼筋混凝土制成井筒形狀的結(jié)構(gòu)，然后，在井壁的保護(hù)下，用機(jī)械或人工在井內(nèi)挖土，使其在自重作用下沉入土中，達(dá)到設(shè)計標(biāo)高后，再進(jìn)行封底，構(gòu)筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)的地下結(jié)構(gòu)物。沉井因無需大開挖、無需打圍護(hù)樁（如鋼板樁）、對周圍建（構(gòu)）筑物影響小等優(yōu)點，特別適用于城市市區(qū)和其他場地狹窄的地方進(jìn)行的市政工程、水利工程，大型設(shè)備基礎(chǔ)、地下倉庫、人防掩蔽所、盾構(gòu)拼裝井等［1］。

廣州市白云區(qū)同德街粵溪排澇站改建工程因施工場地狹窄，選擇采用了沉井技術(shù)。目前，該工程已竣工，運(yùn)行良好。筆者根據(jù)工作實踐，對該工程的沉井設(shè)計與施工進(jìn)行了探討。

1 工程概況

1．1 排澇站概況

廣州市白云區(qū)粵溪排澇站集雨面積0．46 km2，原有水閘1座，泵站1座，總裝機(jī)容量為155 kW。隨著區(qū)域內(nèi)城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，原有的強(qiáng)排設(shè)備已滿足不了排澇要求，需要對其進(jìn)行改建。該排澇站改建工程是根據(jù)區(qū)域內(nèi)的治澇設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，在保留原有的水閘及強(qiáng)排設(shè)備的基礎(chǔ)上，新建泵房1座及其配套建筑物，新增進(jìn)口直徑為900 mm的軸流泵1臺。擴(kuò)建后，該排澇站總裝機(jī)容量增容至310 kW，設(shè)計排澇流量達(dá)到 5．2 m3／s。

粵溪排澇站位于同德街村，周圍人口密集，建筑物眾多。根據(jù)同德街道辦事處的意見和實際地形條件，又從使用要求、方便施工、減少拆遷、降低造價等方面比較，將新建泵站建位原泵站南。

新建泵房北靠舊泵站，南距一磚混結(jié)構(gòu)房屋5 m，東距新市涌堤防5 m，西距一磚混結(jié)構(gòu)房屋3 m，施工場地非常狹窄。而根據(jù)調(diào)洪演算的結(jié)果和水泵廠家提供的數(shù)據(jù)，新建泵房底板高程約為－1．16 m（珠基高程，下同），底板厚度初定為0．6 m，原地面高程約為3．3 m，則基坑深度約為5．1 m，施工難度很大。

1．2 工程區(qū)地質(zhì)概況

根據(jù)鉆探揭露，在鉆孔所達(dá)深度范圍內(nèi)，場地地層主要由人工填土層 （層厚 2．80～3．00 m）、 細(xì)沙層（層厚 0．00～3．70 m）、中沙層（層厚 10．50～12.80 m）、全風(fēng)化石灰?guī)r層、弱風(fēng)化石灰?guī)r層構(gòu)成。

細(xì)沙層層位、厚度都不穩(wěn)定，工程力學(xué)差異較大，不宜作基礎(chǔ)持力層。中沙層層位穩(wěn)定，厚度大，工程力學(xué)性質(zhì)較好，但受下臥層全風(fēng)化石灰?guī)r的溶洞影響較大，連地表裂開，不宜作為持力層。全風(fēng)化石灰?guī)r層溶蝕孔洞均在全風(fēng)化石灰?guī)r內(nèi)發(fā)育，此層不考慮做樁基礎(chǔ)持力層。在鉆孔控制深度內(nèi)的弱風(fēng)化石灰?guī)r層，未發(fā)現(xiàn)溶洞，因此，其層位穩(wěn)定，有較高承載力，是理想的樁基礎(chǔ)持力層。

該新建泵站地基承載力設(shè)計值為110 kPa，基礎(chǔ)位于細(xì)沙層，不滿足承載力要求，需進(jìn)行地基處理。因為泵站基坑開挖極易出現(xiàn)流沙，而且周邊房屋距離太近，因此采用大開挖和鋼板樁支護(hù)都是行不通的。經(jīng)綜合分析，本工程泵站基礎(chǔ)采用現(xiàn)澆沉井方案。沉井下沉后，作為泵站的泵墩使用。

2 沉井設(shè)計計算

新建泵站需安裝一臺進(jìn)口直徑為900 mm的軸流泵。根據(jù)水泵的使用要求，初定泵站外形尺寸［2］。根據(jù)泵站尺寸，確定了單孔矩形沉井尺寸為：長9．4 m、寬 5．4 m、高 7．9 m（從沉井頂?shù)饺心_踏面高程），底板高層約為－1．16 m，井壁厚初定0．7 m。沉井采用強(qiáng)度等級為C25的混凝土，鋼筋采用HRB335鋼筋。

2．1 水、土壓力的計算［3］

沉井下沉階段，井壁承受的主要荷載為井壁外的水、土壓力。土壓力采用主動土壓力理論進(jìn)行計算。

2．2 沉井井壁厚度的計算

井壁厚度根據(jù)沉井能在足夠的自重作用下順利下沉為條件確定。此外，還要考慮沉井的剛度要求，而且不能使井壁的配筋率太大。

2．3 沉井下沉計算［3］

需分別計算下沉系數(shù)和下沉穩(wěn)定系數(shù)。下沉系數(shù)的計算式為

式中：Gk為沉井自重標(biāo)準(zhǔn)值；Fk為沉井下沉過程中地下水的浮力標(biāo)準(zhǔn)值，排水下沉?xí)r為0；Tf為沉井井壁總摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值。

下沉系數(shù)在 1．05～1．25 之間取， 位于淤泥質(zhì)土中取小值，位于其他土層中取大值。

下沉穩(wěn)定系數(shù)的計算式為

式中：Gk為沉井自重標(biāo)準(zhǔn)值；Fk為沉井下沉過程中地下水的浮力標(biāo)準(zhǔn)值，排水下沉?xí)r為0；R1為刃腳踏面及斜面下土的支承力；R2為隔墻或底梁下土的支承反力。

下沉穩(wěn)定系數(shù)取值在 0．8～0．9 之間。

經(jīng)計算，本工程下沉系數(shù)為1．18，下沉穩(wěn)定系數(shù)為 0．89，滿足要求。

2．4 抗浮、抗傾、抗滑驗算

抗浮穩(wěn)定性應(yīng)從下沉封底和使用兩個階段，分別根據(jù)實際可能出現(xiàn)的最高水位來進(jìn)行驗算。

2．5 沉井刃腳受力計算

沉井下沉過程中，刃腳受力較為復(fù)雜。刃腳切入土中時，受到向外彎曲應(yīng)力；挖空刃腳下土?xí)r，又受到外部土、水壓力作用而向內(nèi)彎曲。因此，配筋計算時，需考慮這兩種情況的受力。

2．6 沉井井壁內(nèi)力計算

沉井中壁內(nèi)力計算時，可假定在同一標(biāo)高上，作用在沉井井壁外的土、水壓力是均勻分布的。根據(jù)井壁承受的彎矩，進(jìn)行配筋計算。

2．7 沉井封底及底板計算

沉井下沉到位后，進(jìn)行混凝土封底。本工程采用C20素混凝土進(jìn)行干封底 （施工時保持井內(nèi)無水），封底厚度為1 m。如果封底厚度不足，就有可能被底層含水沙層的地下水壓力所頂破。封底上地板可按簡支板進(jìn)行計算。

經(jīng)以上計算，確定沉井原初定的尺寸是合理的，并根據(jù)計算結(jié)果進(jìn)行配筋。

3 沉井施工

3．1 地基處理

泵站地基承載力設(shè)計值為110 kPa，而細(xì)沙層承載力特征值為80 kPa，不滿足要求，需進(jìn)行地基處理。本工程采用水泥攪拌樁樁進(jìn)行地基處理，樁徑為600 mm，樁長為6 m，間距為1 m×1 m，復(fù)合地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值達(dá)到120 kPa，滿足設(shè)計要求［4］。水泥攪拌樁施工在沉井施工前完成，樁頂高程為設(shè)計封底混凝土底高程，樁體以上約6．5 m為空樁。

3．2 沉井施工技術(shù)要求［5］

為方便施工，本工程采用排水挖土下沉，其施工技術(shù)要求如下：

1）由于沉井較高，采用兩次制作、兩次下沉的施工方案，其中底節(jié)高4．9 m，第二節(jié)高3 m。底節(jié)混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后，開始挖除箱內(nèi)土體使沉井下沉。沉井露出地面約50 cm左右時，停止下沉，準(zhǔn)備澆筑第二節(jié)混凝土。第二節(jié)混凝土強(qiáng)度只需達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度的70%，即可挖除箱內(nèi)土體，使其繼續(xù)下沉。為防止傾斜，挖土下沉應(yīng)先從中間開始，均勻?qū)ΨQ地、逐步地向四周刃腳處分層取土，使沉井均勻緩慢下沉。

2）沉井下沉?xí)r，應(yīng)經(jīng)常對附近建筑物進(jìn)行沉降觀測，必要時，應(yīng)采取相應(yīng)的安全措施。

3）沉井下沉過程中，每8 h至少測量兩次，當(dāng)下沉速度較快時，應(yīng)加強(qiáng)觀測。觀測過程中，若發(fā)現(xiàn)沉井偏斜或位移，應(yīng)及時糾正。當(dāng)沉井中土不深而向某側(cè)傾斜時，可利用糾偏除土的辦法，使沉井在下沉過程中逐漸糾正偏差，如果還不能糾正，可在沉井需要糾偏的一側(cè)（即高的一側(cè)）堆石或堆土，使高的一側(cè)的土壓力大于另一側(cè)的土壓力，達(dá)到糾偏的目的。

4）沉井接高時，應(yīng)注意以下幾點：（1）當(dāng)沉井底節(jié)在偏斜狀態(tài)時，為保證施工質(zhì)量和避免下沉困難，嚴(yán)禁豎直向上接高。應(yīng)將底節(jié)沉井糾偏正位后，再接高。（2）為了保證接縫間的混凝土緊密結(jié)合，澆筑第二節(jié)混凝土前，下層沉井井壁頂面應(yīng)鑿毛，清除浮渣，并沖洗干凈。（3）沉井接高模板不宜直接支承在地面上，以避免沉井因自重增加而有微量下沉，致使新澆筑的混凝土井壁產(chǎn)生拉力而發(fā)生裂縫。

5）沉井下沉接近設(shè)計標(biāo)高時，應(yīng)加強(qiáng)觀測。下沉穩(wěn)定（8 h內(nèi)自沉累計不大于10 mm）后，澆筑約1 m厚的C20封底混凝土，然后澆筑底板混凝土。澆筑底板前，應(yīng)先將井壁凹槽表面鑿毛，以便使新舊混凝土結(jié)合牢固。

6）底板混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計標(biāo)號后，把泵站上游面井壁混凝土拆除，使沉井在平面上形成一個U形，作為排澇站的泵墩。

4 結(jié)語

沉井技術(shù)因其無需大開挖、無需打圍護(hù)樁、對周圍建（構(gòu)）筑物影響小等優(yōu)點，在水利、建筑、市政、港航等工程均具有非常廣闊的應(yīng)用前景。但其施工的難度較大，要求較高，設(shè)計和施工人員均應(yīng)謹(jǐn)慎處理。

［1］段良策，殷奇．沉井設(shè)計與施工［M］．上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2006：1-3．

［2］ GB ／T50265－97，泵站設(shè)計規(guī)范［S］．

［3］ 汪坤．矩形排澇泵站沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計［J］．南北橋，2009（6）：163－164．

［4］ GB 50007－2002，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范［S］．

［5］劉曉峰，楊春玲．污水泵站沉井施工技術(shù)［J］．建筑技術(shù)開發(fā)，2010（11）：27-28.