談三洋港樞紐工程中閘室基礎(chǔ)沉井施工技術(shù)

孫　威

(江蘇鹽城水利建設(shè)有限公司，江蘇 鹽城　224000)

1　工程概況

三洋港水利樞紐，位于江蘇省連云港市連云區(qū)，其主要建筑物包含擋潮設(shè)施、排水閘設(shè)施、上游及下游河道增容擴(kuò)挖工程等，本文主要針對其工程中的閘室基礎(chǔ)沉井施工技術(shù)原理及要點(diǎn)進(jìn)行闡述。

擋潮閘閘室每孔凈寬15 m，共33孔，總凈寬495 m，總寬576.92 m，閘底板頂高程-2.0 m。閘室采用鋼筋混凝土開敞式結(jié)構(gòu)，沉井基礎(chǔ)，二孔一聯(lián)整體式底板，閘墩分縫，底板厚1.10 m；排水閘布置在擋潮閘與現(xiàn)狀泓道之間，共3孔，單孔凈寬6.00 m，閘底板頂高程-2.0 m，采用鋼筋混凝土涵洞式結(jié)構(gòu)。

2　沉井基礎(chǔ)施工

三洋港樞紐擋潮閘、排水閘閘室基礎(chǔ)均為沉井基礎(chǔ)，擋潮閘共17只沉井，其中16只沉井順?biāo)鏖L為17.9 m，垂直水流向長為34 m，位于沉井群中間1只沉井順?biāo)鏖L為17.9 m，垂直水流向長為16.9 m，井壁刃腳底高程▽-10.6 m，沉井頂高程▽-3.1 m，沉井間間距為1.1 m；排水閘僅1只沉井，順?biāo)鏖L為16 m，垂直水流向為22.6 m；井壁刃腳底高程▽-10.8 m，沉井頂高程▽-2.0 m。沉井均采用一次制作，一次下沉的施工方案。擋潮閘沉井施工分別由左右岸向中間推進(jìn)，排水閘沉井制作、下沉擬先于擋潮閘沉井施工。沉井基礎(chǔ)施工流程如下：基坑開挖→砂墊層→混凝土條形基礎(chǔ)→磚砌刃腳胎?！钤O(shè)腳手架→立內(nèi)?！壴摻睢仓妙A(yù)埋件→立外?！炷翝仓?zhǔn)備及澆筑前檢查→澆筑混凝土→養(yǎng)護(hù)等強(qiáng)、拆除模板、腳手架→拆除磚胎模、混凝土墊層→拆除砂墊層→井內(nèi)挖土下沉→井內(nèi)回填砂→沉井封底、底板→沉井內(nèi)、間回填→沉井防滲處理。

2.1　沉井制作基礎(chǔ)處理

通過勘察報告的分析以及設(shè)計單位的指導(dǎo)，結(jié)合現(xiàn)場的實際狀況，我們確定了沉井的表面的高程為-3.5 m，分析資料我們發(fā)現(xiàn)沉井制作面的原狀土的承載力僅僅為4 t/m2～6 t/m2，無法保障沉井制作的穩(wěn)定性，所以我們在制作之前對原狀土進(jìn)行換填，經(jīng)過處理后原狀土承載力大大提高，能夠滿足沉井的制作標(biāo)準(zhǔn)。原狀土處理的詳細(xì)方法：基坑內(nèi)部的軟弱土壤進(jìn)行清除，同時將表面的浮土全部換填為1.8 m的砂墊層。對于隱藏的暗溝等要害部位，不僅僅要進(jìn)行原土剔除和砂墊層換填兩步，同時還需要對C20混凝土進(jìn)行封底，厚度大于10 cm的標(biāo)準(zhǔn)，M10砂漿磚砌刃腳胎模。

地基承載力驗算：我們假設(shè)沉井結(jié)構(gòu)的全部重量由砂墊層所承擔(dān)，運(yùn)用所有井壁之中規(guī)格最大，重量最重的井壁作為計算目標(biāo)，以沉井的井邊墻為例進(jìn)行承載力達(dá)標(biāo)程度檢測，得出下列計算過程：

地基所承受壓力Rt=(G+P)/(B+2Htgφ);

地基土基本承載力R=4.5 t/m2,砂墊層厚度H=1.8 m;

井體自重(井壁每延米重)G=γV=2.45×6.4=15.7 t,混凝土比重γ=2.45 t/m3;

每延米長井壁的混凝土體積V=0.8×7.5+0.5×0.25+0.4×0.6=6.4 m3;

每延米長井壁的施工荷載P=1.0 t/m;

承載寬度B=0.10+0.8+0.24+0.10=1.24 m,砂墊層的應(yīng)力擴(kuò)散角φ=45°;

地基所承受壓力Rt=(15.7+1.0)/(1.24+1.8×2tg45°)=3.5 t/m2

表明換填1.8 m厚砂墊層即能滿足沉井制作的要求。

2.2　沉井制作

2.2.1模板及腳手架

沉井的澆筑采用組合模板，材質(zhì)為鋼鐵，內(nèi)部細(xì)節(jié)部分用木質(zhì)模板，同時模板施工結(jié)束后及時粉刷脫模劑。

模板安裝時先進(jìn)行內(nèi)模安裝，鋼筋綁扎完成后，再封外模，底部刃腳側(cè)面模板縱橫圍囹采用φ16對銷螺栓穿過刃腳胎模固定，上部結(jié)構(gòu)側(cè)面模板采用φ16對銷螺栓固定，沉井混凝土澆筑完畢后，待混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計要求后進(jìn)行拆模的施工中，要保證構(gòu)筑物的棱角不被拆模工具和機(jī)械破壞。

2.2.2鋼筋工程

鋼筋加工先放樣，再配料。鋼筋接頭按要求采用閃光對焊和電弧焊兩種方式，所有的焊工按要求進(jìn)行見證取樣并檢測合格后上崗。

綁扎鋼筋應(yīng)先搭設(shè)鋼架，按照標(biāo)記進(jìn)行綁扎。鋼筋的搭接中，搭接部分應(yīng)采用搭接焊，搭接長度由施工規(guī)范確定。豎向鋼筋的保護(hù)層必須使用混凝土墊塊，在墊塊中增加鉛絲，起到加筋的作用。

2.2.3混凝土施工

沉井混凝土總量約為31 600 m3，施工期為1個月，混凝土自拌的材料必須進(jìn)行自檢及復(fù)檢合格后方可使用。在沉井混凝土澆筑的時候，應(yīng)當(dāng)采取措施保障澆筑的混凝土對稱、分層，同時上升速度進(jìn)行合理的控制，既不能過快，也不能太慢，每層厚度宜控制在30 cm左右進(jìn)行。澆筑后應(yīng)當(dāng)及時進(jìn)行振搗，振搗采用插入式振搗器。

2.2.4沉井下沉

1)沉前準(zhǔn)備工作。

在沉井的下沉施工中，在沉井底部各個角處刻畫高程指示線，并以此進(jìn)行高程觀測，下沉中分別對四個角進(jìn)行及時的觀測，對于下沉中所發(fā)現(xiàn)的高程差異過大，應(yīng)當(dāng)及時進(jìn)行調(diào)整。對于模板拆除后的對銷螺栓應(yīng)當(dāng)進(jìn)行封堵，防止?jié)B漏。

對于預(yù)制完成的沉井，應(yīng)當(dāng)檢查其混凝土的質(zhì)量，當(dāng)強(qiáng)度達(dá)標(biāo)時方可下沉。

2)磚模及混凝土墊層拆除。

對于施工所用的磚?；炷翂|層，應(yīng)當(dāng)破除，破除應(yīng)當(dāng)按照先中間隔墻后外壁的順序進(jìn)行，施工前應(yīng)當(dāng)繪制拆除示意圖，嚴(yán)格按照順序進(jìn)行拆除，拆除后將所產(chǎn)生的垃圾運(yùn)輸出施工場地。

3)砂墊層拆除。

對于砂墊層，宜采用人工拆除進(jìn)行，拆除時按照分層拆除的原則，每層控制在0.5 m之內(nèi)確保安全。首先對稱拆除井格中間部分；再對稱拆除中間隔墻部分；沉井四周的部分應(yīng)當(dāng)最后進(jìn)行拆除。

4)下沉土方開挖。

a.下沉設(shè)備配置。沉井一次下沉2.1 m(排水閘7.3 m)，沉井群下沉持續(xù)時間為20 d，因為沉井下沉有嚴(yán)格的順序要求，所以在計劃每個沉井下沉的時間為7 d時間。沉井下沉的涌土量經(jīng)過計算，按照10%進(jìn)行計算。

b.除土。沉井下沉井土方內(nèi)采用水力開挖，四周利用已成型的一期圍堰及二期圍堰備土構(gòu)成高約1.0 m的圍堤。在中泓的左大堤上配備12寸柴油機(jī)離心泵約20臺，確保蓄水池的儲水量不少于80 000 m3。挖出來的土經(jīng)高壓泵進(jìn)行抽吸后將進(jìn)行外運(yùn)，排泥效果不佳的時候可以采用增加中間接力泵，增加泵抽的壓力；沉井內(nèi)土方按照：井格內(nèi)→隔墻下→井周邊的順序?qū)ΨQ開挖，每層開挖深度按照規(guī)范嚴(yán)格控制在50 cm之內(nèi)，控制在1 m之內(nèi)，內(nèi)存土壤中含有的石塊等固體堅硬物體應(yīng)采取外運(yùn)，如卷揚(yáng)機(jī)卷揚(yáng)，起重設(shè)備吊裝等運(yùn)出沉井。

5)利用公式驗算下沉系數(shù)是否符合要求。

a.初沉階段的下沉系數(shù)驗算:

磚模及墊層拆除前的下沉系數(shù)：K=G/PA;

其中，井體自重G=γV=2.45×1 295=3 173 t。

沉井每個刃腳和墊層下擴(kuò)散面積：

A=(0.4+1.8×2)×(34×4+1.3×6)+(1.3×15)×(2×1.8+0.6)=657 m2。

如果按照現(xiàn)條件狀況下沉井發(fā)生了下沉，下部砂墊層將會受到破壞，同時對下部土體進(jìn)行擠壓和剪切，從而沉井發(fā)生失穩(wěn)的現(xiàn)象，此狀態(tài)下土體承載力達(dá)到極限承載力。

計算刃腳下方土體的最大承載力fv=Mbrb+Mdrod+McCk《建筑施工手冊(第二版)》P845。

根據(jù)地質(zhì)資料查表或計算得Mb=0.18;r=1.13 t/m3;b=3;Md=1.73;ro=1.5 t/m3;d=1.8 m;Mc=4.17;Ck=2 t/m2。計算得fv=11.5 t/m2，K=3 173÷(657×11.5)=0.4<1。

通過對計算結(jié)果的資料進(jìn)行分析，我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)下沉系數(shù)低于1時，沉井不會進(jìn)行下沉，穩(wěn)定性較好。這時就可以對隔墻下的條形基礎(chǔ)進(jìn)行拆除了。

四周圍刃腳砂墊層及其下面砂墊層下擴(kuò)散面積之和：

A=(0.4+1.8×2)×(1.3×6+34×2)=303.2 m2。

此時沉井下沉系數(shù)：K=3 173÷(303.2×11.5)=0.9，接近1。

當(dāng)計算結(jié)果低于1的時候，表明此狀態(tài)下沉井不會發(fā)生下沉的可能性，可以分批對稱的將四周的墊層進(jìn)行拆除即可，從此沉井進(jìn)行緩慢而穩(wěn)定的下沉。

沉井自重G=3 173 t。

沉井井壁在砂墊層中的摩擦力R1=(34+17.9)×2×1.8×4=747.5 t。

設(shè)井壁與砂墊層的摩擦力系數(shù)取為4 t/m2。

井壁在土中的摩擦力R2=(34×4+17.9×2)×0.5×2.5=215.0 t。

井壁下沉外部土壤內(nèi)部含有部分砂，則井壁與土的摩擦力系數(shù)取為2.5 t/m2。

當(dāng)刃腳下的土體發(fā)生剪切破壞時的極限承載力fv=Mbrb+Mdrod+McCk，《建筑施工手冊(第二版)》P845。

查表或者計算得Mb=0.18;r=1.13 t/m3;b=3;Md=1.73;ro=1.13 t/m3;d=0.5 m;Mc=4.17;Ck=2 t/m2。計算得fv=9.9 t/m2。

支撐于土體刃腳面積A1=0.8×(34×2+17.9×2+32.4×2)=135.0 m2。

刃腳下受到土體作用力P1=fvA1=9.9×135.0=1 335 t。

刃腳要比隔墻低位置高程低50 cm，墻下部的土方承載力取4 t/m2。

隔墻受到土體作用力P2=fvA2=4×44.1=117.6 t。

沉井確定以此指標(biāo)進(jìn)行下沉，下沉?xí)r的下沉系數(shù)為：

K=G/(R1+R2+P1+R)=3 173/(747.5+215+1 335+117.6)=1.3。

以此指標(biāo)進(jìn)行施工，沉井下沉，下沉狀態(tài)比較穩(wěn)定，不會產(chǎn)生突沉現(xiàn)象。沉井不斷下沉，到達(dá)隔墻下部土方的剪切破壞極限值的時候，隔墻因此而承受的土方作用力為P2=fvA2=9.9×44.1=1 335 t。

沉井確定以此指標(biāo)進(jìn)行下沉，下沉?xí)r的下沉系數(shù)為：

K=G/(R1+R2+P1+R)=3 173/(747.5+215+1 335+1 335)=1.16。

現(xiàn)在下沉的程度達(dá)到臨界狀態(tài)，沉井繼續(xù)下沉?xí)S著土方摩擦力的增大從而形成一種新的下沉的平衡狀態(tài)。

b.沉井全部入土?xí)r的下沉系數(shù)驗算。

沉井底部相對下沉增至5 m后，井壁的摩擦力達(dá)到峰值。

K=G/Rf1由于沉井下沉的時候，所施工的砂墊層易被擠壓摩擦至井體與土壤交接之處，所以我們將摩阻力作用力設(shè)為f=3 t/m2。

Rf1=(17.9+34)×2×3×(2.1-5)+(17.9+34)×2×3×5÷2=1 791 t。

K=3 173/1 791=1.77>1.5。

表明沉井能夠順利下沉到位。

c.當(dāng)進(jìn)行終沉?xí)r沉井的各系數(shù)計算。

當(dāng)沉井下沉目標(biāo)達(dá)到設(shè)計標(biāo)高的時候，此時的刃腳進(jìn)入了④層土，土壤的正常承載力是19.0 t/m2，沉井的摩阻力以及各部位對于土壤和外界壓力的支撐力能否達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)非常關(guān)鍵。驗算此狀態(tài)下沉井的下沉系數(shù)。

考慮井外壁摩阻力作用力取f=2 t/m2，計算偏安全，井外壁摩阻力：

Rf2=(17.9+34)×2×3×(2.1-5)+(17.9+34)×2×3×5÷2=1 194 t。

刃腳受至④層土的支撐力：P3=f3A1=19×135.0=2 565 t。

則沉井克服摩阻力時下沉系數(shù)：K=(G-Rf2)÷P3=(3 173-1 194)÷2 565=0.77<1。

計算結(jié)果表明：沉井終沉后將處于穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2.5沉井糾偏

在沉井下沉的時候，周圍土壤的擠壓會造成周圍沉井的擾動而產(chǎn)生位移的現(xiàn)象，從四周向中間進(jìn)行位移，如果不采取措施，容易使沉井的平面位置發(fā)生改變。在控制的時候，不能僅僅依靠偏拉來糾正，如果進(jìn)行偏拉容易使土壤壓力差變大，所以在下沉的時候我們必須將沉井向外方向進(jìn)行糾正。我們主要采取了以下措施：

1)沉井在進(jìn)行下沉的初期，當(dāng)要拆除刃腳以及砂墊層的時候必須有序的、對稱的進(jìn)行拆除，嚴(yán)格控制拆除速度，不能過快。

2)每個沉井在下沉的時候應(yīng)同時進(jìn)行，避免相鄰沉井之間的高差大于1 m，這樣能減少沉井相互之間的影響。

3)沉井共同下沉的時候，下沉順序為從兩邊開始，中間接力下沉，沉井群應(yīng)當(dāng)是三角狀下沉，中間高兩邊低，這樣能夠消減沉井群向中間位移的趨勢。

4)沉井下沉是一個不斷的觀測不斷的進(jìn)行糾偏措施的過程。如果在下沉的時候出現(xiàn)偏位，我們應(yīng)當(dāng)采取如下措施：

a.偏沉，此項為下沉的主要糾偏措施。

b.井外射水。

c.增加土體壓力、控制下壓重量，采取偏心的下壓方法。

在除土的時候，應(yīng)當(dāng)采取對稱進(jìn)行除土，每層除土的厚度低于50 cm。

2.3　終沉、封底、回填

當(dāng)沉井底部下沉至距設(shè)計標(biāo)高相差2 m的時候，增加對下沉的觀測頻率，按照要求控制好下沉的速度，調(diào)整各個井內(nèi)的土面高度保證井土面高度相差不能過大，盡量使其的高程在一個平面上，使其能夠平穩(wěn)就位。

沉井回填應(yīng)當(dāng)先把積水排除，回填的厚度根據(jù)刃腳入土情況以及地基開挖情況確定。最后采用鋼筋混凝土進(jìn)行封底。封底結(jié)束作業(yè)后，相鄰的沉井之間的空隙，采用膨脹混凝土填實，同時在沉井上下游位置各進(jìn)行旋噴加固樁施工。

2.4　沉井施工質(zhì)量控制及保證措施

2.4.1沉井的制作

沉井基坑鋪砂墊層前，將清淤及機(jī)械行走后擾動土層，并對局部柔弱層進(jìn)行換填，以確保土面承載力不小于0.1 MPa。回填砂中無粘性土等其他雜物。

2.4.2沉井的下沉

下沉?xí)r，必須按照順序，對稱同步的拆除刃腳區(qū)域填筑的砂礫石。在下沉挖土?xí)r，必須分層開挖，同時均勻?qū)ΨQ的進(jìn)行除土保證沉井平穩(wěn)下沉。

當(dāng)沉井底部下沉至距離設(shè)計標(biāo)高約2 m的時候，必須增加沉井的觀測頻率，應(yīng)當(dāng)定期檢查沉井的平面位置偏移量，一般是以沉井每下沉1 m為一期進(jìn)行觀測，確保其平面偏移量小于25 cm。在井內(nèi)土方清除的過程中，及時做好相鄰井的土體高度觀測，保證其土體高度相差不大于1 m，保證下沉的穩(wěn)定性。

2.4.3沉井的封底

沉井底部下沉至設(shè)計標(biāo)高的時候，此時應(yīng)當(dāng)繼續(xù)進(jìn)行觀測，觀測沉井的沉降狀況，待連續(xù)8 h內(nèi)沉降不超過10 mm的時候進(jìn)行沉井封底工作。封底前要做到：沉井的底部土面標(biāo)高達(dá)到設(shè)計要求；井內(nèi)積水應(yīng)盡量排干；混凝土解除的區(qū)域進(jìn)行鑿毛，同時沖刷干凈；澆筑的時候應(yīng)當(dāng)分層澆筑，對稱進(jìn)行。

3　結(jié)語

隨著沉井在當(dāng)今工程建設(shè)領(lǐng)域中廣泛的應(yīng)用，其沉井施工技術(shù)將被大力推廣和提倡，文章對三洋港現(xiàn)場施工的實例闡述以及其中詳細(xì)工序和節(jié)點(diǎn)的分析，總結(jié)了沉井施工的技術(shù)要點(diǎn)，通過對技術(shù)要點(diǎn)的闡述，加深對廣大工程技術(shù)人員對沉井施工技術(shù)的了解，最后針對沉井施工研究并歸納出在沉井施工過程中要重視的主要技術(shù)因素如下：

1)沉井下沉的時候進(jìn)行的施工觀測是沉井施工成敗的重要一步，只有通過觀測，才能發(fā)現(xiàn)沉井施工時的各種不利因素，同時進(jìn)行調(diào)整，從而完成沉井的施工工作。

2)在沉井施工之前，為了確保工程的質(zhì)量，應(yīng)當(dāng)提前制定質(zhì)量控制計劃，計劃中要擁有充分的質(zhì)量事故的預(yù)防措施，當(dāng)發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問題的時候及時進(jìn)行糾偏，把各種質(zhì)量隱患消滅在萌芽狀態(tài)。

3)沉井設(shè)計的時候，應(yīng)當(dāng)做足各項系數(shù)的驗算，其中上文介紹到的刃腳的計算以及下沉?xí)r的各項指標(biāo)驗算是非常重要的，這些指標(biāo)是完成沉井下沉工作的重中之重。

4)沉井下沉的時候需要降低地下水，在降低地下水的時候應(yīng)當(dāng)根據(jù)勘測報告，確定沉井下方的土壤情況，如果不根據(jù)土壤情況選擇相應(yīng)的排水方案，可能會造成沉井底部土壤失穩(wěn)產(chǎn)生安全事故。