取水泵房沉井施工技術(shù)及質(zhì)量控制措施

韓寶祥 徐紅兵

（江蘇省水利建設(shè)工程有限公司，江蘇 揚州 225002）

1 工程概況

揚州市廖家溝水源地達標建設(shè)取水口遷建工程位于揚州市灣頭鎮(zhèn)萬福村境內(nèi)。取水泵房采用鋼筋混凝土沉井，平面尺寸為45 m×29.6 m，底板面高程為▽-6.7 m，刃腳底面高程均為▽-11.1 m，頂部高程為▽7.8 m。本沉井緊鄰中溝河，距離廖家溝河也很近，地下水補給豐富。

取水泵房四周防滲止水帷幕采用雙排Φ800 高壓旋噴樁876 根，間距500 mm，搭接300 mm，樁長23.8 m（頂高程▽7.5 m，底高程▽-16.3 m）。

在止水帷幕封閉圈內(nèi)設(shè)置了16口降水井，降水井距離止水帷幕1.5 m，井深30 m。在取水泵房北側(cè)止水帷幕外側(cè)設(shè)置了2 口回灌井，回灌井距離止水帷幕8 m，井深15 m。在取水泵房中心設(shè)置了一口觀測井，井底高程為▽-13.0 m。

沉井施工主要包括沉井鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)制作與井體沉放兩部分。沉井制作前，應(yīng)確定分節(jié)制作的次數(shù)及相應(yīng)的結(jié)構(gòu)高度。根據(jù)地質(zhì)資料，本工程所處位置地基下③層的允許承載力為150 kPa。沉井的設(shè)計制作高度為18.9 m，平面尺寸為45 m×29.6 m，體量較大，為二次制作、一次下沉、一次接高（蓋板頂梁）；沉井底板、頂板、水泵基礎(chǔ)、管道鎮(zhèn)墩、柱壁、傳力支墩均在后期澆筑。

沉井制作分層：

第一節(jié)從▽-11.1 m 到▽-6.7 m，制作高度為4.4 m（其中外井壁澆筑至▽-6.5 m）；第二節(jié)從▽-6.7 m 到▽3.8 m，制作高度為10.5 m；一次下沉至設(shè)計刃腳標高；第三節(jié)接高從▽3.8 m 到▽7.8 m，制作高度4 m。

井刃腳制作高程確定：

根據(jù)揚州市廖家溝水源地達標建設(shè)取水口遷建工程巖土工程勘察報告，取水泵房部位②層粉土土層較穩(wěn)定，③、④層粉土工程力學(xué)強度為一般～較高，是沉井基礎(chǔ)較好的持力層。其中，②層土地基允許承載力為120 kPa，③層土地基允許承載力為150 kPa，④層土地基允許承載力為200 kPa。綜合考慮各層土的埋深和地基允許承載力，計劃在外井壁處挖至▽2.3 m（挖深約4.8 m），回填60 cm 厚砂墊層，再澆筑20 cm 厚C20 混凝土墊層后開始制作刃腳。其中，刃腳踏面高程▽3.1 m，下沉至▽-11.1 m，深度為14.2 m。

本工程作為沉井制作的下臥層③層土地基允許承載力為150 kPa，工程力學(xué)強度較高。經(jīng)計算，外井壁設(shè)置60 cm 厚，在KJ-1/2 下設(shè)置110 cm 厚砂墊層的情況下，能夠滿足取水泵房沉井制作穩(wěn)定的要求。取水泵房平面布置見圖1。

圖1 取水泵房平面布置圖

2 沉井下沉施工技術(shù)及控制措施

2.1 沉井下沉施工技術(shù)

首先布置坐標控制點和水準控制點，控制點需布置在施工影響范圍之外。在施工過程中應(yīng)對控制點加以保護，并定期檢查和復(fù)測。在沉井中心軸線位置設(shè)置混凝土觀測樁，用于控制沉井制作和下沉定位。

本工程沉井采取的是排水下沉。先在沉井區(qū)域做好降水試驗，分析該位置的降水情況，并設(shè)置觀測井，以確保地下水位降到底板以下，做到排水下沉到設(shè)計標高時，具備干封底條件。

排水下沉是在泵房井體結(jié)構(gòu)下沉過程中不斷將井體內(nèi)的土體通過水力機械沖排或挖掘機挖掘到井外，井底的土體穩(wěn)定主要靠其自身穩(wěn)定性實現(xiàn)。

2.1.1 沉井下沉前準備

（1）沉井下沉?xí)r，第一節(jié)井體混凝土須滿足設(shè)計強度要求，第二節(jié)井體混凝土須達到設(shè)計強度的70%以上。根據(jù)計算和實際效果，沉井下沉前7 d 開始降水，下沉前檢查所有降水井，保證降水井抽排水正常。

（2）檢查沉井下沉施工的棄土場，以做好各項準備。清理沉井內(nèi)各類雜物。主要用水直接從中溝河或廖家溝河道中抽取，可確保水量充足。

（3）選用9 臺TSW50-7 級水泵，八用一備。每小時提供壓力為10～14 kg/cm2的水源約500 m3，以滿足井下最多8 個區(qū)域的高壓泵用水。

（4）沉井之前，應(yīng)對各個井格內(nèi)已安裝好的井水管路、泥漿泵管路、高壓泵及水槍進行運行檢查。清理沉井結(jié)構(gòu)上的物件，嵌補好對拉螺栓留下的凹口。

（5）沉井內(nèi)外應(yīng)留置通道，保證施工人員進出安全。同時，在井壁上口應(yīng)設(shè)置欄桿，保證技術(shù)人員進行施工監(jiān)測的安全。根據(jù)高程控制點，在沉井井壁外側(cè)四角用油漆涂刷水準尺，在井體上設(shè)置位移觀測點。

（6）對沉井外井壁上的迎土面孔洞進行封堵，沉井頂管進洞穿墻套管內(nèi)要用鋼板加設(shè)支撐封堵，并在管內(nèi)中心處設(shè)一水平支撐，以防止工字鋼彎曲變形拔不出來，沉井下沉到位后，在頂管出洞時依次拔除工字鋼。

（7）沉井下沉前需對施工人員進行施工技術(shù)和安全技術(shù)交底，排好施工值班表，施工、技術(shù)環(huán)節(jié)均需專人值班。

（8）沉井下沉需要連續(xù)作業(yè)，不能中斷，夜間作業(yè)時必須保證供電正常。如遇到特殊原因需要停電，一定要提前通知，以便做好穩(wěn)定沉井的相關(guān)安全、質(zhì)量措施，并應(yīng)在井下作業(yè)人員撤離作業(yè)面后才能斷電，斷電期間需加強觀測。突然停電不僅可能導(dǎo)致沉井失穩(wěn)，而且更可能危及井下作業(yè)人員的生命安全。

2.1.2 沉井排水下沉

在沉井下沉施工時，采用高壓水泵供給高壓水，通過高壓射水沖刷土層并攪動形成泥漿，再用泥漿泵將泥漿排到井外，使沉井下沉。這種施工方法，設(shè)備簡單，效果顯著，且已經(jīng)積累了不少施工經(jīng)驗。

（1）水力機械出土的基本原理。沉井水力機械出土就是利用高壓射水對土層進行切割、沖刷、攪動，再將所形成的泥漿排除的全部過程。其中，高壓泵供給高壓射水，泥漿泵抽排泥漿。

（2）水力機械設(shè)備。沉井下沉所使用的水力機械設(shè)備主要為高壓水槍、進水管路、高壓水泵、泥漿泵、排泥管等。沉井下沉?xí)r所需的水力機械的套數(shù)根據(jù)沉井的大小及土方量而定，通常一臺17 kW 的高壓泵配1 臺15 kW 泥漿泵24 h 出土量可按100～200 m3計算。

（3）水力沖吸取土施工技術(shù)。沖土?xí)r，先在沉井中央沖挖出一個直徑約為2 m、深度大于1 m 的圓形集水坑，再用高壓水槍以集水坑為中心向四周沖出4條左右的水溝，水溝的縱向坡度約5%，然后向四周開挖鍋底。為了防止沉井突沉、偏位、傾斜，以及減少對井外土層的擾動，應(yīng)在沉井刃腳旁保留寬1 m 左右的土埂。待鍋底開挖完成后，再逐步均勻地沖挖土埂，先超挖四角，再沖挖四周，最后沖挖定點處，使沉井平穩(wěn)下沉。

對于遠離集水坑的井格，當(dāng)沖挖四角和井壁土埂時，為了保證泥漿向集水坑流淌順暢，減少泥漿在水溝內(nèi)的泥砂沉淀，應(yīng)采用高壓水槍反復(fù)沖刷和攪動。這樣既可以保證水溝內(nèi)泥漿流淌順暢，又可使集水坑內(nèi)泥漿便于攪動和抽排，同時還能保證集水坑的深度和泥漿泵網(wǎng)罩的清潔。

上述方法有助于提高泥漿泵的排泥量，在沉井的初沉階段也有利于清除泥漿中混雜的建筑垃圾，如：混凝土塊、模板碎片等。

根據(jù)工程中的實際情況，當(dāng)水壓為20 kg/cm2左右時，高壓水槍沖刷半徑約為6 m，在此范圍內(nèi)的泥漿一般均可順暢地流到集水坑內(nèi)。泥漿泵源頭的網(wǎng)罩應(yīng)低于泥漿面約10 cm，這樣可以吸入更多的泥漿。

2.1.3 排水沉井的優(yōu)缺點

（1）優(yōu)點：不僅土方挖掘容易，而且封底時亦在干燥狀態(tài)下實現(xiàn)，能夠直觀有效地保證混凝土的澆搗質(zhì)量，確保工期。

（2）缺點：井底土體容易出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，特別是在底部遇有富水砂性地層時，極易引發(fā)管涌流砂事故，對周邊環(huán)境的影響亦較大。

2.2 沉井下沉的質(zhì)量控制

沉井分為初沉、正常下沉和終沉3 個階段，最后實施封底。沉井下沉過程中穿越了③層粉土，終沉座落于④層粉土層中。

2.2.1 初沉階段的質(zhì)量控制

（1）沉井下沉深度在0～3 m 范圍內(nèi)為初沉階段。下沉前需鑿除井壁素混凝土墊層，在鑿除混凝土?xí)r應(yīng)對稱施工，并由專人負責(zé)觀測，如發(fā)生傾斜，要及時調(diào)整，使沉井平穩(wěn)地切入土中。

（2）素混凝土墊層鑿除后，用水力機械挖土，應(yīng)從中間向四周對稱進行。開挖過程中在井外壁刃腳內(nèi)側(cè)保留1 m 寬的土埂，土埂高度一般為1.0 m，并隨沉井進尺量增加而適當(dāng)減少。

（3）沉井初沉階段下沉系數(shù)較大，應(yīng)以糾偏為主，下沉為輔，此時必須跟蹤監(jiān)測，控制各井格區(qū)域內(nèi)的出土量，及時分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，控制下沉速度，減少不均勻沉降。初沉階段，每天下沉量不宜超過0.5 m；沉井進入軌道后，在確保平穩(wěn)的前提下，每天的下沉量應(yīng)控制在1 m 左右。

（4）沉井下沉過程中如發(fā)現(xiàn)下沉系數(shù)增大而失控，應(yīng)立即在沉井外側(cè)回填碎石和粗砂增大側(cè)壁摩阻力。

為防止刃腳取土不平衡產(chǎn)生不均勻沉降，需加強下沉過程中的測量控制，及時調(diào)整各區(qū)域取土量，以保證沉井平穩(wěn)、均勻下沉。

2.2.2 正常下沉階段的質(zhì)量控制

（1）如初沉階段一直保持平穩(wěn)、均勻下沉，可增加沉井鍋底深度，將鍋底深度控制在2 m 以內(nèi)，并加快土層沖排速度，減少地基反力，從而降低下沉?xí)r的阻力，提高施工速度。

（2）沉井下沉?xí)r，應(yīng)均衡挖土，均勻下沉，先沖排中央部位的土體，再沖排刃腳下土層，井內(nèi)土面高差不得大于1.0 m。施工時跟蹤監(jiān)測，如發(fā)生異常，應(yīng)及時糾偏，嚴禁出現(xiàn)沉井局部被擱置的現(xiàn)象。做好施工記錄，畫出下沉?xí)r間、下沉深度曲線圖。沉井下沉?xí)r密切關(guān)注突沉和超沉情況，做好應(yīng)急預(yù)案。

2.2.3 終沉階段的質(zhì)量控制

（1）當(dāng)沉井下沉到最后2 m 時即進入終沉階段。沖挖土層時應(yīng)使“凹”形鍋底逐步過渡到“凸”形反鍋底，適當(dāng)放慢出土數(shù)量與速度，且必須均勻?qū)ΨQ布置挖土范圍。當(dāng)沉井四周控制點高差大于20 cm 時，要及時糾偏，可采取調(diào)整各井格挖土深度的糾偏措施。終沉階段是沉井的關(guān)鍵階段，故一定要加強監(jiān)測，應(yīng)每隔1 h 提供一份監(jiān)測分析報告，以此來控制沉井下沉。

（2）終沉確定刃腳踏面拋高10 cm左右，此時要求沉井底隔梁必須全部擱置在土面上并有適當(dāng)?shù)挠客粮叨?。一旦沉井刃腳踏面高程達到設(shè)計要求并上拋10 cm 后，應(yīng)立即停止挖土，向井格內(nèi)拋填石塊壓重、鎮(zhèn)腳，并密切注意觀測，24 h 內(nèi)沉井下沉不大于1 cm，應(yīng)立即組織進行混凝土封底。沉井下沉到位后，每隔4 h 觀測一次沉井四角的高程。

2.2.4 沉井下沉完畢后的允許偏差

刃腳平均高程偏差：+0～-20 cm（終沉拋高只能留0～10 cm）；刃腳中心線位移：小于1%H（下沉總深度）；四角中任何兩角的頂面高差：小于1%（兩角距離），且不大于30 cm。

2.3 沉井下沉偏移分析及糾偏措施

2.3.1 沉井下沉偏移分析

沉井下沉的過程就是不斷糾偏的過程，保證沉井下沉質(zhì)量的關(guān)鍵就是做好下沉階段的糾偏工作。沉井下沉產(chǎn)生高差、位移的原因主要有：①基土層軟硬不均，或有塊石等障礙；②沉井挖土不勻稱，井格間土層高差較大；③下沉系數(shù)偏小，底梁和刃腳被掏空時發(fā)生突沉；④沉井內(nèi)產(chǎn)生流砂管涌，破壞了沉井的穩(wěn)定狀態(tài)；⑤沉井四刃腳高差較大導(dǎo)致沉井產(chǎn)生軸線偏移或較大的扭轉(zhuǎn)；⑥沉井四周土體不對稱或土質(zhì)不均勻，使沉井四周井壁受力不一致。

2.3.2 糾偏措施

（1）下沉過程中，發(fā)現(xiàn)有障礙物，必須及時清除。

（2）各井格內(nèi)以及井格之間應(yīng)均衡出土。一般土層高差應(yīng)控制在1 m以內(nèi)，終沉階段土層高差不得超過0.5 m。

（3）發(fā)生流砂管涌的主要原因是地下水位高于取土深度，須及時壓住水頭，決不能在流砂的狀態(tài)下繼續(xù)進行下沉施工。

（4）及時回填沉井外側(cè)四周坍陷區(qū)域，保持沉井外四周土體穩(wěn)定。

（5）下沉過程中沉井發(fā)生傾斜、偏轉(zhuǎn)時，要及時分析原因，并通過以下方法進行糾偏，確保將沉井偏差控制在允許的范圍內(nèi)。

偏除土糾偏：沉井在初沉階段比較容易發(fā)生傾斜，也比較容易糾正。一般可在刃腳高的一側(cè)除土，使沉井高的一側(cè)刃腳下正面阻力降低，沉井低的一側(cè)刃腳下的正面阻力增加，下沉過程中逐漸糾正沉井偏差。

井外射水、井內(nèi)偏出土糾偏：正常下沉階段，因沉井四周土層對井外壁的摩阻力增大，故沉井糾偏工作比較困難。此時若需要糾正沉井的偏斜，就必須破壞土層的被動土壓力。即用高壓射水沖刷沉井高的一側(cè)井壁外的土層，破壞其土層結(jié)構(gòu)，降低土層的被動土壓力，以此逐步糾正沉井的傾斜。另外，采用在沉井頂部加偏壓重的方法，也可以使沉井的傾斜得到糾正。

重糾偏：對沉井高的一側(cè)加壓，即使用重物進行壓重，使沉井高的一側(cè)下沉量大于沉井低的一側(cè)，從而起到糾正沉井傾斜的作用。

沉井位置扭轉(zhuǎn)時的糾正：沉井位置如發(fā)生扭轉(zhuǎn)，可在沉井偏位的二角偏出土，另外二角偏填土，借助于刃腳下土壓力差所形成的扭矩，在下沉過程中使偏位沉井逐步得到糾正。

以上所述沉井的傾斜、位移、扭轉(zhuǎn)，應(yīng)在沉井下沉到距設(shè)計標高1 m以上時基本糾正好，糾偏一定要緩慢，糾正后應(yīng)勻速、穩(wěn)定下沉。在沉井刃腳接近設(shè)計標高0.3 m 以內(nèi)時，不得再有超出允許范圍的偏差，因為此時糾偏異常困難。

2.4 下沉過程的監(jiān)測

下沉過程中，要做好以下幾方面的監(jiān)測工作：沉井本體監(jiān)測、沉井四周土體監(jiān)測、深井降水監(jiān)測、周邊建筑物監(jiān)測。

2.4.1 沉井本體監(jiān)測

在沉井井壁四周布置位移觀測點、沉降觀測點及觀測軸線，每天觀測沉井軸線位移情況，并做好記錄，發(fā)現(xiàn)位移累計超過50 mm，要采取糾偏措施。

在沉井下沉過程中應(yīng)做到，刃腳高程每班至少觀測三次，軸線位移每天觀測一次，當(dāng)沉井每次下沉穩(wěn)定后測量四角高差和中心位移。

沉井初沉階段每小時至少觀測一次，必要時應(yīng)連續(xù)觀測，及時糾偏；終沉階段每小時至少觀測一次，當(dāng)沉井下沉接近設(shè)計標高時須增加觀測密度。

2.4.2 深井降水監(jiān)測

對降水井進行編號，定時觀測井內(nèi)水位、井體位移、破壞情況并做好記錄。

2.4.3 沉井四周土體監(jiān)測

對沉井四周土體應(yīng)定時觀察，發(fā)現(xiàn)裂縫、坍塌必須及時匯報，立即采取防護措施。施工過程中，每天觀測四周土體、路堤的沉降及位移情況，并做好記錄，特別要加強對沉井北側(cè)土體的監(jiān)測，可在臨近民居的開闊地帶設(shè)置觀測點，定時監(jiān)測，及時對測量數(shù)據(jù)進行分析。

2.4.4 排泥場監(jiān)測

沉井下沉過程中應(yīng)指定專人巡查排泥場，出現(xiàn)異常情況需及時處理，可采用加大圍堰斷面、加固圍堰、增加退水口等措施保證排泥場能安全使用。

2.5 沉井施工應(yīng)急措施

2.5.1 下沉困難

原因分析：井外壁與土層之間摩阻力過大；沉井自重較小，下沉系數(shù)較??；遇到障礙物。

預(yù)防措施及應(yīng)急處理方法：在井頂均勻增加負重；挖除刃腳下的土；在井外壁采用高壓水沖刷，減小摩阻力；在井外壁與土之間灌入觸變泥漿，降低摩阻力；清除障礙物。

2.5.2 突沉

原因分析：未控制挖土量，將鍋底挖得太大太深，沉井外壁與土體之間的摩阻力暫時處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)繼續(xù)挖土?xí)r，外壁摩阻力達到峰值，井壁摩阻力因土的觸變性而急劇下降，發(fā)生突沉；大量井外流砂涌入井內(nèi)。

預(yù)防措施及應(yīng)急處理方法：控制出土量，控制鍋底大小及深度，避免過多掏空刃腳下土方；采用降水方法控制流砂現(xiàn)象的發(fā)生。

2.5.3 遇障礙物

原因分析：沉井下沉過程中可能遇到砂礓盤、孤石，造成沉井?dāng)R置、懸掛，難以下沉。

預(yù)防措施及應(yīng)急處理方法：遇到較小孤石，可將四周土掏空后取出；遇到較大孤石或砂礓盤等，可用風(fēng)鎬將其破碎成小石塊后清理出來。

2.5.4 沉井周邊土體掏空，破壞止水帷幕及降水井

原因分析：沉井排水下沉沖土過程中，沉井周邊止水帷幕內(nèi)的粉質(zhì)土體可能會隨井底土方流出，掏空情況嚴重時會破壞止水帷幕及降水井。

預(yù)防措施及應(yīng)急處理方法：在排泥場東側(cè)準備一定數(shù)量的土方；2 節(jié)沉井制作完成后，在沖沉前回填沉井周邊土體，可回填至高程5.0 m 左右；沉井下沉期間，安排專人值班，并備好土方施工機械，發(fā)現(xiàn)止水帷幕內(nèi)的土體沉陷時，及時補土回填。

3 結(jié)語

沉井下沉前應(yīng)根據(jù)地質(zhì)勘察情況制定下沉方案，包括降水方案，設(shè)置防滲帷幕、降水井等。提前做好各類應(yīng)急預(yù)案，并跟蹤監(jiān)測，及時分析，及時糾偏。沉井下沉過程中要控制下沉速度，糾偏須緩慢進行。