倒虹吸沉井的質(zhì)量控制措施探析

孫若紅，劉中偉，吳菲菲

（1.臨沂市河?xùn)|區(qū)葛溝灌區(qū)管理處，山東臨沂 276000；2.臨沂市河?xùn)|區(qū)水務(wù)局，山東臨沂 276000）

1 工程概況

為緩解鞍山市供水緊張局面，解決地下水源水質(zhì)惡化問題，讓城鄉(xiāng)居民喝上安全可靠的放心水源，鞍山市自2013年起實施湯河水庫二期城鄉(xiāng)供水管網(wǎng)建設(shè)，在過某河流時，采用雙排D1000 mm鋼筋混凝土管管道倒虹吸橫穿，長140 m。并于兩端采用沉井施工，分別設(shè)倒虹進水井和倒虹出水井。根據(jù)地質(zhì)勘查結(jié)果得知：倒虹管位置及沉井底部土質(zhì)為褐色亞粘土，較硬塑，韌性中等。

2 沉井的制作

2.1 基坑開挖尺寸

開工前，先依據(jù)設(shè)計施工圖將沉井縱橫中心線和輪廓線標識出來?？紤]首節(jié)沉井的澆筑高度，開挖深度應(yīng)達到3 m，由于基坑采用明溝排水，為了便于墊木的支撐，基坑寬度適當放寬。具體尺寸計算：

式中：L——為基坑開挖長度，m；A——沉井外徑，m，長度為7.5 m，寬度為6.8 m；H——支模操作面，m，取1.5 m。

由式（1）計算可得，基坑長度為10.5 m，寬度為9.8 m。

2.2 施工方法的選擇

1）無承墊木施工。優(yōu)點：不需要大量墊木，節(jié)省可觀的材料費用，且工作面較小，減少開挖時間；且刃腳地基比較均勻，有利改善沉井井壁的受力情況。缺點：在刃腳下的混凝土墊層開始下沉時，容易造成下沉過快和下沉量過大的情況，從而產(chǎn)生傾斜和沉井軸線移位等不良后果。

2）有墊木施工。優(yōu)點：由于采用墊木支承制作沉井，可加大與地基的受力面積，在沉井制作過程中不產(chǎn)生較大的下沉和不均勻沉降。缺點：浪費木材，工序較麻煩，施工進度較為緩慢，沉井下沉前抽出承墊木時雖然有組織有計劃，容易造成沉井傾斜、下沉不均勻，從而造成沉井開裂。

通過對上述兩方案的比選，并根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)較硬的情況，此次施工選擇無承墊木方案，沉井刃腳下鋪設(shè)1層C15混凝土墊層代替墊木來支承每一節(jié)沉井的重量。

2.3 混凝土墊層厚度

混凝土厚度計算簡圖如圖1所示，計算公式：

式中：h——混凝土墊層厚度，m；G0——第一節(jié)沉井單位長度重量，kN/m；c——刃腳踏面寬度，取0.30 m；R——砂墊層允許承載力，一般取100 kN/m2。

由于第一節(jié)沉井高度為3.7 m，厚度t=500 mm，則G0=46.25 kN/m。經(jīng)計算，混凝土厚度h=(46.25/100-0.30)/2=0.08 m，取混凝土厚度為10 cm，以保證沉井的穩(wěn)定性。

2.4 下砂墊層的厚度

由于基坑內(nèi)部分區(qū)域土質(zhì)較軟，無法承擔首節(jié)混凝土的重量，做成首節(jié)混凝土澆筑完成后容易發(fā)生地基沉降，破壞沉井混凝土的質(zhì)量，因此需要在鋪設(shè)一層砂墊層，增加地基的承載力，其計算簡圖如圖1所示。

砂墊層厚度H的推導(dǎo)過程：

式中：f——地基的承載力，根據(jù)地勘報告，取70 kN/m2；φ ——砂的內(nèi)摩擦角，取22.5°。

2.5 井壁混凝土的制作

井壁混凝土制作過程中，應(yīng)注意相同截面內(nèi)鋼筋接頭不宜過多，不得超過總體接頭數(shù)的25%，焊接接頭不超過50%，且接頭要相互錯開。模板拉桿過程中，盡量選用止水型的。為防止沉井在混凝土澆筑時發(fā)生傾斜，應(yīng)沿著沉井壁對稱分層平鋪均勻澆筑，每層厚度控制在30 cm左右，待下節(jié)混凝土達到70%的設(shè)計強度后，方可進行上節(jié)混凝土的澆筑。接縫處要設(shè)置凸型施工縫，2節(jié)混凝土澆筑完成后將接縫鑿毛沖洗干凈，再灌注石子含量減半的混凝土，厚度控制在10 cm左右。

2.6 沉井接高

沉井下沉過程中，每節(jié)沉井應(yīng)單獨制造，分節(jié)下沉，接高時注意以下事項：

1）當一節(jié)沉井下沉后，先觀察一段時間，確保沉井不再發(fā)生沉降后，再進行沉井的接高?？紤]隨著沉井下沉節(jié)數(shù)的增加，可能會因地基承載力不足而發(fā)生突沉現(xiàn)象，可采取在井內(nèi)填充一部分黃砂的方法，將沉井的下沉系數(shù)控制在1.0以內(nèi)。

2）當沉井過程中，如發(fā)現(xiàn)底節(jié)沉井發(fā)生偏移或傾斜，應(yīng)停止繼續(xù)豎直向上接高，立即將其正位糾偏后，再進行上節(jié)沉井的接高，否則會加大后續(xù)沉井的下沉困難。

3）沉井接高作業(yè)前，應(yīng)先將底節(jié)沉井壁頂結(jié)合面清理干凈，并將混凝土浮漿和松動的混凝土鑿除，用清水沖洗干凈后，再進行下節(jié)沉井的接高。

4）為防止沉井發(fā)生輕微沉降致使新澆筑的混凝土井壁因拉力產(chǎn)生裂縫，在接高沉井模板時，支撐盡量不要直接支撐在地面上。

3 沉井下沉

3.1 初次下降

下沉之前先鑿除刃腳下的素混凝土墊層，應(yīng)先內(nèi)后外，并分區(qū)域?qū)ΨQ地按順序鑿除素混凝土墊層，鑿斷線應(yīng)與刃腳底邊平齊，鑿斷的混凝土板應(yīng)立即清除，及時運出井外堆放。鑿除素混凝土的刃腳空穴處應(yīng)立即用砂或砂夾石回填，對素混凝土的定位支點應(yīng)最后鑿除，但不得漏鑿。

3.2 下沉方案的選擇

考慮地基土層的透水性差，可使用井外降水，挖掘機挖土人工配合的方式下沉，下沉過程中注意以下事項：

1）沉過程中，應(yīng)通過設(shè)置臨時集水井、排水溝，盡可能地將井內(nèi)的積水抽干。

2）由于沉井施工范圍是在軟土層上，挖土時應(yīng)先用抓鏟挖土機清除沉井鍋底中間部分，沿沉井四周保留一定寬度的土堤且不小于50 cm，然后再用人工對稱分層逐步削平井壁四周的土堤。一般是在挖除土堤過程中，邊挖邊沉，直到沉井下沉到位為止。

3）沉井下沉過程中，若出現(xiàn)沉井偏斜、突沉，底部產(chǎn)生嚴重的翻漿、冒泥和流砂等現(xiàn)象，應(yīng)立即停工找出原因，提出處理方案，處理后方可繼續(xù)施工。

3.3 下沉控制

3.3.1 初沉階段

下沉時需要邊掏挖刃腳下方的沙土邊下沉沉井，由于沉井重量大，重心較高，如果掏挖不均勻，極易造成沉井突沉，發(fā)生傾斜，造成返工，危及作業(yè)人員安全。因此，初沉階段，應(yīng)先將中間土挖成鍋底狀，促使沉井積壓下沉。

首先前后左右對稱向外抽出枕木，同時利用砂石將枕木的空隙填塞，為避免沉井下沉過程發(fā)生傾斜，對刃腳下的沙堤盡量不要擾動，采用人工每次掏挖30 cm左右厚度砂土的寬堤，用淺挖方式將井底挖成鍋底狀，直到刃腳完全插入土層。當刃腳下堤寬被挖到500～800 mm時，為防沉井偏斜下沉，此時應(yīng)終止擠土下沉法，采用繼續(xù)挖掘鍋底，輔以人工掏挖刃腳土堤，使沉井逐層下沉。

3.3.2 下沉階段

當沉井下沉到土內(nèi)一定深度后，井壁會與井外土壤產(chǎn)生接觸，發(fā)生摩擦，造成一定的阻力，這時可以在保證沉井不發(fā)生傾斜的情況下，加大開挖深度，促使沉井加快下沉，

3.3.3 終沉階段

當沉井下沉至設(shè)計標高0.5 m時，應(yīng)控制下沉速度，將沉井調(diào)平找正，以免挖土過大或不均，造成沉井突沉過快引起偏差過大，無法準確下沉到設(shè)計標高。沉井下沉時，做到挖土均勻，把握好出土速度，并根據(jù)沉井的下沉深度和傾斜度及時調(diào)整，這樣才能使沉井準確、快速地下沉到位。

4 沉井封底

沉井下沉到設(shè)計標高后，觀察8 h后，對沉井進行沉降測量，若自沉累計在10 mm以內(nèi)，就可以進行素混凝土沉井封底。封底采用排水封底，由邊向中對稱進行，并一次澆筑完成。待混凝土強度達到40%后，便可綁扎底板鋼筋和澆底板混凝土，采用抗?jié)B等級為S8具有早強性能的C30商品混凝土?？紤]未經(jīng)長時間養(yǎng)護的封底素混凝土自身強度不足以承受地下水的壓力，所以澆筑和養(yǎng)護封底素混凝土和鋼筋混凝土底板期間，要增設(shè)潛水泵加強排水作業(yè)，確保沉井封底順利完成。

5 特殊情況的處理及預(yù)防

5.1 井壁摩阻力過大

沉井下沉時，通過井內(nèi)掏挖砂土減小底部承載，加上自身重量較重，一般情況均能比較順利地下沉到設(shè)計標高。但對于下沉深度過大的沉井，隨著下沉深度的增加，井壁與土層之間的摩擦力也隨之增加，造成沉井下沉不順利。遇到這種情況可以采用如：在沉井上面進行加壓來增加沉井下沉的重力；通過在沉井外壁進行涂油的方式減小摩擦力；水力機械施工用高壓水沖射刃腳下的土層；不排水下沉時，在井內(nèi)排水減小浮力等措施解決。

5.2 井壁摩擦力過小

沉井下沉過程，在接近設(shè)計標高時，如果遇到較軟土層，井壁與土層的摩擦力過小，會容易發(fā)生沉井超沉現(xiàn)象，這時就需要通過向井內(nèi)注水來增加沉井的浮力，避免上述情況的發(fā)生。

5.3 流砂問題的處理

由于地質(zhì)情況的特點，在粉、細砂層下沉沉井時，經(jīng)常會遇到流砂的現(xiàn)象，對施工影響很大。根據(jù)流砂產(chǎn)生的機理，可采用向井內(nèi)注水、水下挖土的施工方案；也可采噴射井點降水，降水深度可達20 m，降水后再挖土下沉的施工方案。

5.4 沉井突沉

沉井在淤泥質(zhì)軟土層下沉過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)突然下沉的情況，嚴重時一次下沉能超過3 m。為避免突沉情況的發(fā)生，可采?。?/p>

1）適當增加下沉系數(shù)，下沉過程中，保持沉井刃腳始終埋入砂土中一定深度。

2）沉井下沉過程中，避免將鍋底的砂土掏挖的過快、過多。

3）合理分格下框架，并設(shè)置一定數(shù)量的下框架梁，承受一部份土的反力。

5.5 沉井糾偏

在正常情況下挖土，沿刃腳死角四周均勻而對稱地進行，以保持沉井均勻下沉，若井體產(chǎn)生軸線傾斜，則采用下沉速度較慢側(cè)多挖，較快側(cè)少挖，并井外側(cè)用支撐法或壓重法進行糾正，以便使井體逐步恢復(fù)垂直。

6 結(jié)語

沉井由于其施工工藝較簡便，技術(shù)比較成熟可靠，已被較多地應(yīng)用于水利工程地基結(jié)構(gòu)的施工中。施工中嚴格按照上述介紹的施工方法和質(zhì)量保證措施進行施工，有效減少施工問題的出現(xiàn)，保證了工程質(zhì)量，確保了工程安全，節(jié)省了工程成本，取得了良好的工程效益和經(jīng)濟效益。