沉井施工全過程質量控制的關鍵要素及對策

沙俊強

摘 要：近年來，沉井施工技術發(fā)展迅速，應用也越來越廣泛。但沉井施工存在施工技術要求高、風險大、不確定因素多等問題。設計不科學、施工方案不合理、采取應急措施不可靠等，均可能導致重大質量及安全事故。為了避免出現(xiàn)上述情況，對沉井實施過程的質量控制必須實行“全過程控制”。該文將針對沉井工程的特點，從勘察、設計、施工、運行等方面對影響沉井施工質量的關鍵要素逐一進行分析并制定對策，以保證沉井施工過程及使用過程的安全可靠。

關鍵詞：沉井 全過程質量控制 下沉方案 風險

中圖分類號：TU753 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）10（a）-0189-03

工程實施的全過程包括項目建議書（初可研）、可研、勘察、設計、施工及使用等階段。由于項目建議書階段、可研階段涉及面很廣且以經(jīng)濟指標為主，這里不做分析。該文主要就全過程質量控制中的勘察、設計、施工及使用等四個階段進行論述。按我國的基建習慣做法：勘察、設計一般由勘察設計單位實施，施工階段由施工單位實施，最后移交給建設單位（業(yè)主）使用。由于各個階段由不同的責任主體實施，作為建設單位或其委托的監(jiān)理（咨詢）公司應該從勘察、設計階段就對影響沉井工程質量的各種要素進行控制，并做好各個階段的銜接工作。施工單位雖然介入較晚，但仍要對地質勘察資料和設計圖紙進行必要的核對和核算，找出不合理或錯漏的地方，避免留下隱患。

1 勘察階段的質量控制

1.1 勘察階段主要控制兩個問題：選址的合理性和地質資料的可靠性

選址應遵循以下兩個原則：（1）選擇有利于沉井施工的地址。（2）在地址已經(jīng)固定的情況下，結合該處的地質情況，初步明確是否適宜采用沉井及采用哪種沉井施工方案。

如沉井是一個單體或相對獨立，它受到地點的限制較少或不受限制，如：岸邊取水泵房、城市排污泵房等，可以在較大范圍內選址，這時應按上述第（1）種原則處理。

如沉井是一個系統(tǒng)工程的一部分，如：火電廠的循環(huán)水泵房、翻車機室等。由于整個系統(tǒng)的廠址已經(jīng)確定，沉井地點只能在有限的范圍內進行選擇，這時應執(zhí)行第（2）個原則。

勘察階段涉及到第二個問題是為設計、施工提供可靠的地質資料。沉井對地質資料要求很高，要求勘察單位出具的地質報告必須準確、可靠，數(shù)據(jù)翔實，否則就可能因基礎數(shù)據(jù)導致計算和設計錯誤。

1.2 勘察階段質量控制內容及要點

（1）對勘察人和勘察設備的質量控制，由于勘察是通過點、線來推測地質斷面和空間布置，因此要求勘察人員要有豐富的專業(yè)知識和經(jīng)驗；同樣，要配備精確度高、性能可靠的勘察設備。

（2）勘探方案（大綱）的質量控制，主要檢查勘探方案是否針對該項目的特點編制，勘測點的布設是否合理，勘探方法是否適宜，勘探網(wǎng)是否覆蓋所有沉井施工區(qū)域及附近影響區(qū)域；勘探深度也應滿足沉井下沉及降水計算的需要。

（3）勘察成果的控制，對勘察成果除了按規(guī)范標準進行驗收外，還應組織專家評審，評審專家應來自勘察、設計、施工等方面。來自不同崗位的專家將會從各個角度對勘察成果進行評審，如果勘察成果不能滿足要求或存在問題，應要求勘察單位進行補勘或完善，直到滿足要求。

2 設計階段的質量控制要點

（1）設計階段要根據(jù)工程地址的水文、地質勘測資料及勘察報告的建議進行計算，確定是否適宜采用沉井方案。這是設計的基礎環(huán)節(jié)，應進行方案比選。

方案比選一般包括技術和經(jīng)濟兩個方面，基本要求是“技術可靠、經(jīng)濟合理”，經(jīng)濟往往根據(jù)具體的技術方案確定，所以該文主要從技術方面描述。設計時，從技術方面應該考慮以下幾個問題。

①工程地點是否存在不良（利）地質現(xiàn)象，如：江（河、海）岸邊存在軟弱土層，土層中含有夾礓石或成片的堅硬巖石等。

②工程周變是否存在大型或重要的建筑物、構筑物。由于沉井存在一定的不可預見性，下沉過程中如果突發(fā)管涌、流砂等問題，就可能會影響周圍建筑物、構筑物的安全。

③施工場地是否受到限制。由于大開挖施工方案存在占地面積大、出土量多等弊端。如果施工場地有限或土方運輸、存放存在問題，則應考慮可以采用沉井施工方案。

（2）在確定適宜采用沉井施工方案后，應進一步明確采用哪種制作方案。

沉井制作方案主要有：一次制作、一次下沉，多次制作、一次下沉，多次制作、多次下沉等。具體選用哪種方案也應該進行方案比較。

“一次制作、一次下沉”一般適用于?。ㄎⅲ┬统辆捎谕采聿辉O施工縫，結構的整體性好，抗?jié)B性也較好。

“多次制作、一次下沉”主要適用于大型沉井工程，這種方案對基底土層的承載力要求高、制作模板使用量大，但有能連續(xù)下沉且下沉周期相對較短等優(yōu)點，風險相對較小。

“多次制作、多次下沉”也就是：制作一段、下沉一段，這種方案下沉周期長（混凝土強度提升周期長），如果汛期、非汛期地下水位變化較大時，風險較大。但這種方案可以有效減少模板用量，且筒身高度不大，施工過程中便于控制。這種方案也適用于地基承載力滿足不了一次制作要求的沉井。

確定制作方案時，必須初步計算沉井終沉時的下沉系數(shù)（終沉系數(shù)）。計算終沉系數(shù)主要是校核井筒下沉到設計標高后是否能穩(wěn)的住，這時按最有利的不排水下沉考慮，如果計算得到的下沉數(shù)大于1.1，這表明井筒刃腳反力、井壁與土間摩擦力及井筒浮力三者的和小于井筒自重，這時井筒沉到設計標高后仍然會繼續(xù)下沉，沉井是不安全的。相反的情況是沉不下去，這種情況可以在施工中采取附加荷載、振動或采用泥漿套、氣套等方法使井筒下沉，設計時一般不作校核。

對于穩(wěn)不住的情況，可以采取增大刃腳、減少混凝土壁厚的方法；還可以采取預留頂部一部分筒身，等沉井封底、底板施工結束后，再施工頂部筒身。

長江沿岸某電廠的循環(huán)水泵房就采用這種“預留一部分筒身”的施工方法：該泵房刃腳底到±0.000高度為17.8 m，井筒平面尺寸為34.8×40.25 m。由于廠址處各土層地基承載力普遍較差，根據(jù)各種參數(shù)及地下水位計算出下沉到設計標高時，該井筒的下沉系數(shù)遠大于1.1，所以該工程最終確定的設計方案為：先制作13.8 m，下沉到設計標高后進行封底和底板施工，最后再施工-4.000～±0.000 m段筒身。從實際施工及設備運行效果來看，這個方案是成功的。

（3）沉井方案確定后，應校核基底土是否滿足要求，如不滿足要求，應明確加固方案。

對于后期需要安裝大型運行設備的沉井（設備運行有動荷載及振動）或基底土質較差的土層應采取加固措施。加固方案有：注漿、高壓旋噴，灌注樁、預制樁等。結合多年來的實踐，建議同等條件下采用注漿、高壓旋噴、灌注樁等加固方案。對預制樁（方樁或管樁），由于其抗水平推力差且存在接縫薄弱點，在沉井中很容易傾斜或折斷，不建議采用。

（4）設計計算時采用的原始資料、數(shù)據(jù)必須詳細、可靠，對關鍵參數(shù)如地基承載力等，必要時進行施工勘測進一步予以確認。

3 施工階段質量控制

3.1 設計交底、圖紙會檢的控制

（1）設計交底、圖紙會檢的目的有兩個，一是使施工單位及其它參建單位了解工程設計人員的設計意圖；二是找出圖紙中的設計差錯，避免在施工中留下質量隱患。所以，施工單位應在會檢前做好準備工作，充分熟悉圖紙。

（2）設計交底時應要求設計人員明確：主要設計意圖、有無特殊要求、施工中的難點及注意事項等。

3.2 施工方案的控制

進行施工方案編制前，必須準確確定三個重要的參數(shù)。

滲透系數(shù)：一般由勘測單位在勘測報告中提供。但具體使用時，應考慮該參數(shù)的測定時間，并根據(jù)季節(jié)的變化進行適當?shù)恼{整。如枯水季節(jié)測定的滲透系數(shù)一般偏小，如果降水時間為訊期，則應進行修正，必要時可以在現(xiàn)場打幾口試驗井進行實測。

地基承載力：包括筒身制作底標高處的地基承載力、下沉過程中各土層的承載力及終沉時刃腳處土層的承載力。

下沉范圍內各土層的土層厚度和摩擦系數(shù)：可從地質勘測報告或加密勘測報告中獲得。

方案設計主要內容如以下幾點。

（1）下沉時機的選擇，下沉應盡可能安排在地下水位較低或枯水季節(jié)進行。如果地下水位過高，一是增加了降水井的數(shù)量及費用；二是在沉井過程中也易出現(xiàn)管涌、流砂等現(xiàn)象，導致井筒傾斜、突沉。如果限于工程工期要求，必須在汛期下沉，則必須采取可靠預防措施，具體措施，將在后面詳細說明。

（2）確定井筒制作方案，井筒制作的原則一般在設計圖紙中已明確，在確定施工方案時關鍵是要進行砂墊層（如果需要）、混凝土墊層及刃腳胎模的設計計算。砂墊層厚度及混凝土墊層厚度分別采用下面公式計算：

hs=G0/fk-L （1）

hc=（G0/R-L）/2 （2）

其中：hs為砂墊層厚度；G0為沉井單位長度重量（kN/m）；fk為地基承載力（kPa）；L為刃腳擴大后踏面寬度（m）；hc為混凝土墊層厚度（m）；R為砂墊層承載力（kPa）。

計算刃腳底混凝土墊層時，建議在墊層內部垂直于墻壁方向設置分布鋼筋。因混凝土為脆性材料，如局部受壓破壞，承載力不均，會引起筒身傾斜。

（3）降水方案，如果沉井采用排水下沉的方案，就需要設計降水方案。由于沉井的高度都較大，一般降水方案采用管井降水。進行涌水量計算時應采用前文所述的修正滲透系數(shù)。

管井布置時應注意以下幾點：一是由于沉井會下沉區(qū)域內形成破壞棱體，如果管井布置離沉井外壁過近，雖然能減少管井深度，但管井容易被破壞；但如果太遠又會增加降水成本；二是降水管井布置時，在來水方向（如：江、河、海）應多設管井，這對江、河中滲過來的水可以起到攔截作用，提高降水效果。

（4）下沉方案選擇，下沉方案的確定是沉井施工的關鍵內容。下沉方案有三種，即：排水下沉、不排水下降、部分排水下沉。排水下沉的優(yōu)點有：挖泥深度便于控制、下沉糾偏容易、遇到大塊雜物容易清理、封底混凝土質量有保證等，這種方案在工程中被廣泛采用。在排水困難、有嚴重流砂等特殊地質情況的區(qū)域，則采用不排水下沉或部分排水下沉。

如前文所述，圖紙設計時，設計人員已初步計算了終沉系數(shù)，在最有利的情況下，沉井到位后是能穩(wěn)住的。但在確定具體方案時，還必須對初沉系數(shù)及終沉系數(shù)進行詳細的計算。

初沉時，由于井壁還沒有產(chǎn)生摩阻力，下沉公式為：

K=G/fk*L （3）

式中：G為沉井重量（kN）；fk為地基承載力（kPa）；L為踏面面積（m2）。

終沉時的下沉系數(shù)按以下公式計算：

K=（G-F）/（fk×L+Rfs） （4）

其中：F為井筒在水中的浮力；Rffs為摩阻力，其余符號意義同式（3）。

由于摩阻力是由各土層的摩擦系數(shù)、土層厚度加權平均值計算所得，因此，這些參數(shù)的準確性是至關重要的，否則可能導致沉井穩(wěn)不住或沉不下去的情況，后果是很嚴重的。這一點在前面勘察階段的質量控制中已經(jīng)作了闡述。

井筒所受的浮力F是選定下沉方案的重要參數(shù)。計算時分別進行驗算：排水下沉，浮力F為0；不排水下沉，F(xiàn)為地下水位（自然）以下筒身排開水的重量，此時所受浮力最大；部分排水下沉則介于上述兩者之間。計算結果應能滿足終沉穩(wěn)定的要求。

（5）異常及緊急情況的應對措施，由于沉井施工中的存在很多不確定性，施工前必須對可能會產(chǎn)生的各種風險進行辨識，并對主要風險制訂應對措施（如表1）。

3.3 下沉過程控制要點

（1）在井壁對稱的四個方向彈上垂直軸線及高程標尺。下沉過程即時觀測垂直度及高程偏差，發(fā)現(xiàn)偏差應及進行糾偏，糾偏應緩糾、慢糾。在接近終沉的一定距離或下沉異常時，應適當加大觀測密度。

（2）應對稱拆除刃腳下的墊層、砂堤或墊木，矩形井壁應先拆除中間部分，再拆除四角。

（3）隨時監(jiān)測地下水位，如果采用部分排水下沉或排水下沉，應嚴格控制地下水位。

（4）排水下沉時，井格內挖土應對稱進行，先挖隔墻下及底梁的土，再掏挖刃腳下的土；各井格內土面高差控制在1 m以內。

3.4 封底及底板施工質量的控制

（1）沉井下沉到設計標高后，應盡快進行封底。封底前必須保證井底土體開挖形成設計要求的鍋底尺寸；驗收時，不排水下沉或部分排水下沉的沉井用測繩或由潛水員進行鍋底尺寸的測量。

（2）封底施工也要對稱進行，一般順序是先四周井格、后中間井格，這樣可以避免沉井發(fā)生不均勻下沉。

（3）如果是水下封底，一般要在鍋底上鋪設一層土工布，這樣在進行水下混凝土澆筑時，可以減少混凝土和基底泥漿、塊石的混合，減少混凝土的強度損失。

（4）水下封底時，還應控制沉井內水位略高于外側地下水位，避免外側地下水倒灌帶走封底混凝土中的水泥漿。

（5）在封底混凝土達到一定強度后，才能進行底板施工。底板施工過程仍要對井筒進行抗浮計算，并據(jù)計算結果采取抗浮措施，抗浮措施主要有：分格內對稱注水、附加荷載、繼續(xù)降水等。

4 使用過程中的質量控制

沉井中一般都要安裝翻車機、水泵等大型動力設備，設備自重及運行時產(chǎn)生振動都會影響沉井結構的穩(wěn)定性；另外，地下水位的隨季節(jié)的變化也會對沉井結構的穩(wěn)定性產(chǎn)生一定影響。因此，在沉井使用過程仍然要進行沉降及位移觀測，但觀測周期一般為3～6個月為宜。如果發(fā)現(xiàn)沉井繼續(xù)下沉、上浮或傾斜等變化，應分析原因，采取可靠的加固措施，確保設備運行安全。

參考文獻

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