沉井在不良地質條件基礎開挖中的應用探討

【摘要】沉井應用在水稻田、河床內(nèi)淤泥砂卵層中，完美地解決了墩基礎開挖施工中遇到軟弱不良地質中的淤泥、高含水率、強流砂，邊坡坍塌問題。不但保證了工期和安全，又降低了施工成本。本文以工程實例主要介紹開挖方案的選比、施工方法，以供類似工程施工參考。

【關鍵詞】沉井；不良地質；淤泥；應用

引言：

1、工程概況

大廣壩水利水電二期工程昌江干渠I標段1#渡槽PJ17～PJ23、2#渡槽PJ4～ PJ13墩基礎為擴大基礎，平均埋深5.0m左右，最小平面尺寸為5.0m×9.0m，基礎建基面要求入中風化花崗巖1.0m。上述基礎均位于水稻田和河床內(nèi)。

2、施工中遇到的主要困難

經(jīng)試挖揭露出的土層為灰黑色淤泥和淺灰色流砂層3.5-4.0m厚，地下水極為豐富，基坑坡面穩(wěn)定性差，所挖基坑邊坡迅速坍塌、閉合，安全性極低，無法確保挖機在停機面的安全，稍有不慎挖機就會滑塌陷進基坑里面。在本文所述的技術使用之前，1、2#渡槽水稻田和跨河段的所有擴大基礎一直處于停工狀態(tài)。

3、解決問題的思路

根據(jù)淤泥流砂、涌水之大的實際情況，保證邊坡穩(wěn)定給基礎施工提供安全成為解決問題的關鍵。

第一種采用設置低坡比大開挖。若降低地下水位，然后采取設置低坡比進行大開挖時，開挖和后期回填工程量很大，且受普通挖機工作臂長限制還需要使用特種長臂挖機，工程耗資較大，同時需征用農(nóng)戶基本水田，可行性較差。

第二種采用鋼板樁支護后開挖施工。雖然鋼板樁適用于均勻、連續(xù)的粘土或砂土地質，軟弱地基和含水量高的地質，具有強度高、阻水、施工簡便、快捷等特點，但針對本工程的地質情況，設計要求基礎基底置入中風化巖層1.0米以下。鋼板樁無法進入巖石介質很難自穩(wěn)，無法保證基底建基面較高于鋼板樁根部。

第三種采用高壓注漿防滲法固結后進行基礎開挖。由于不良地質影響不能單獨對一個基礎固結，需對所有基礎縱軸貫通施工。若對基坑采用全封閉式高壓注漿防滲固結，經(jīng)計算僅1#渡槽PJ17～PJ23基坑防滲長度共366米（縱軸線方向24*7*2=336米，橫軸線方向15*2=30米）。高壓注漿采用單管法旋噴樁、樁徑0.5m，樁間距0.35m，樁長平均按7.0m計算，總樁長共6720m（366/0.35*7=6720米）。可見工程量之大、費用較高，且整體防滲封閉后對地面滲流排水造成一定的影響。

第四種采用沉井法施工，此方法技術上比較穩(wěn)妥可靠，挖土量少，對場地要求和對附近其他附著物影響小，沉井基礎埋置較深，可以承受較大荷載。

結合水文資料和工程地質情況，經(jīng)過對多種方案的技術、安全和經(jīng)濟對比分析，計劃優(yōu)先采取沉井護壁結構后進行開挖。

4、沉井施工方法

4.1沉井結構型式

為保證結構的安全穩(wěn)定，采用受力條件較好的橢圓型井筒，混凝土等級C30，厚0.3m、高5.0m，分兩節(jié)，每節(jié)2.5m高。井筒刃腳及配筋見1-1沉井施工圖。

4. 2施工方案

采用現(xiàn)場制作井筒、然后下沉的方法施工，先抽除井內(nèi)滲水，由吊渣機械和挖機配合出渣，若土層與試挖的土層一樣是淤泥和砂層，可采取水力開挖，下沉過程中及時糾偏。

4. 3主要施工機具及材料

主要機具： 挖機1臺，1m3吊渣斗1套，水槍及配套高壓水泵（揚程60m，流量100m3/h，功率15kw），離心式抽泥泵（揚程10m，額定流量80～100m3/h）。

主要材料：組合鋼模板、鋼管、鋼筋、混凝土等。

場地處理：提前對水田和溝床場地進行填土、平整、適度壓實，墊土及平整范圍應在井壁外圍4m左右，以保證開挖和井筒制作施工。另需在施工場地內(nèi)挖一處集水坑，用于沉淀泥砂和提供水源，并及時修通排水通道。

4.4施工方法

1）底節(jié)井筒施工

水田內(nèi)的始沉平臺場地經(jīng)墊土、平整碾壓密實后，在墊木鋪設范圍內(nèi)鋪墊最大粒徑不超過40cm的砂礫石，其厚度不小于25cm整平與壓實，局部不平整處，人工進行找平。

墊木是在地基滿足承載力的前提下，為防止沉井澆筑混凝土過程中發(fā)生不均勻沉陷和減少對地面的壓強而設置的。墊木一長2m，一長1.5m依次擺平，均應徑向鋪設。墊木數(shù)量應依據(jù)首次沉井重量和附加荷重均勻分布到地基。先用24根作為定位支點墊木，分成6組，均勻分布。墊木間用粒徑5～20mm砂卵石填塞密實，填塞時先四角后中間，防止墊木位移。

2）刃腳制作與安裝

刃腳是沉井下沉全過程中的關鍵部件，應分段加工成型，現(xiàn)場拼裝、調(diào)整、焊接成整體，要求外形尺寸正確，與鋼筋之間焊接可靠，能承受沉井下沉全過程產(chǎn)生的擠壓振動和沖擊。

3）鋼筋安裝

刃腳處鋼筋較密，可預先將刃腳縱向鋼筋焊接至定長，然后放入刃腳內(nèi)連接。主筋要預留焊接長度，以便和上一節(jié)沉井的鋼筋連接。

4）井壁外側模板施工

沉井井筒外壁要求平整、光滑、垂直，嚴禁外傾（上口大于下口）。采用組合鋼模進行拼裝，模板支撐采對接方式。內(nèi)外側模板和鋼筋之間要保證有足夠的保護層厚度。

5）底節(jié)井筒混凝土澆筑

澆筑前先搭設澆筑平臺，并每隔5m設一套下料溜筒，混凝土通過溜筒均勻鋪料。為避免不均勻沉陷和模板變形，四周混凝土面的高差不得一層鋪筑厚度（30～40cm），為防止刃腳處混凝土產(chǎn)生蜂窩現(xiàn)象，刃腳處的混凝土配比使用1級配或2級配。

每節(jié)混凝土施工做到一次連續(xù)澆完，若出現(xiàn)不能及時一次完成的現(xiàn)象，需對水平施工縫進行可靠處理?；炷翝仓戤吅?，采取塑料膜覆蓋并適當灑水進行保濕養(yǎng)護，養(yǎng)護時應注意少而適量灑水，防止井筒下部臨時基土發(fā)生水土流失、塌陷，致使沉井混凝土開裂。

6）井筒內(nèi)外模板及承重架拆除

拆模時間：井筒內(nèi)外模板拆除時間控制在井壁混凝土強度不小于5Mp時便可拆除。

拆模順序：拆模應按照井壁內(nèi)外側模板、刃腳下支撐、刃腳斜面模板的先后順序進行。

7）井內(nèi)開挖及井筒下沉

底節(jié)井筒模板及支撐排架拆除后，井筒混凝土經(jīng)養(yǎng)護達到C20強度標準后，可進行抽墊，開始挖渣下沉作業(yè)。

8）底部墊木抽除

在墊木抽除時，應分區(qū)、依次、對稱、同步地進行，先短邊，后長邊，每次抽除墊木后，刃腳下立即用卵石填塞搗實，使沉井自重逐漸由卵石承重。在整個作業(yè)過程中加強儀器觀測，發(fā)現(xiàn)沉井傾斜時應及時采取措施調(diào)整。

9）挖渣下沉

因本沉井內(nèi)未設隔墻，空間較大，井筒中間部位的土方以挖機開挖為主，周邊部位的土方以人工和水力開挖為輔。人工開挖時，先抽除井內(nèi)的集水，由起吊機械及1m3左右的渣斗裝運土車卸至渣場。

對覆蓋層每層挖渣作業(yè)要點：周邊先預留1m以上寬度，從中心向四周先短邊，后長邊開挖。依次挖渣厚度為0.3～0.5m，再間隔挖預留部分，沉井在自重作用下逐漸下沉，下沉過程中隨時注意糾偏。

若遇到孤石，采用手風鉆鉆孔爆破，風鎬及人工撬挖相結合的方法。爆破布孔時根據(jù)巖層、巖性、節(jié)理、裂隙等具體情況，分別選用斜孔和直孔，炮眼盡量選用自由面較大的地方，最小抵抗線不超過1m，以免一次開挖過深，引起井身偏斜。炮孔呈梅花形布置，排間距60cm左右。刃腳下每孔裝藥量不大于0.25kg，其他部位每孔不大于0.4kg，采用分區(qū)延發(fā)起爆。刃腳下開挖用挑槽法，先短邊后長邊沿刃腳周長分成若干段，每段長約1.0～1.5m，間隔挖除。嚴禁一次爆破，確保沉井均勻下沉，最后留下必要的支撐點，進行二次爆破，沉井逐步下沉。

在進行刃腳開挖時，只有當開挖深度達1.0m左右形成臨空面后，才能對刃腳踏面內(nèi)側預留的1.0～1.5m進行開挖。

10）抽水吊渣

采用抽水吊渣下沉法，抽水是關鍵，挖渣時先挖好水泵龍頭坑，并配備專人負責集水坑的清渣挖深工作。根據(jù)滲水情況，應配備足夠的排水設備，挖渣和抽水必須緊密配合。

11）交通

施工中為解決沉井內(nèi)上下交通，每節(jié)沉內(nèi)設2處斜梯，以滿足安全疏散及其他作業(yè)需要。

12）后序井筒施工

在底節(jié)沉下沉到一定深度后就應停止下沉，準備進行上面一節(jié)沉井的施工，沉井接高時注意下述要求：

（1）接高前應調(diào)平沉井，井頂露出地面應有1m左右高度。

（2）為減少外井壁與周邊土石的摩擦力，第二節(jié)井筒周邊尺寸應縮小5～10cm。

（3）為防止在接高過程中突然下沉或傾斜。必要時應刃腳處回填或支墊。

13）糾偏措施

井身發(fā)生傾斜時，應及時分析原因糾偏，采取下述主要措施進行處理。

（1）井外單側挖土，將偏移部位壓向正確位置。此法在首節(jié)沉井下沉時使用效果較好。

（2）井外壁單側注水或泥漿以減少井壁與土層的摩擦力。

（3）在井壁高的一側施加偏壓，直至井壁端正。

14）井底地基處理

在下沉過程中直接到中風化巖面，巖面以上的砂層采取人工清除。因沉井僅為防止淤泥泥砂坍塌而采取的護壁措施，不需要進行井底全斷面混凝土封填，保持排水便可?；鶐r1m深度范圍內(nèi)的進行爆破作業(yè)施工。

5、沉井的質量要求

因井身僅為支護體，施工精度低于基礎的要求，混凝土強度、外側垂直度等指標只要能滿足井體下沉到基底附近高程便可，在此暫不作過高的技術指標要求。

6、施工過程中的安全措施

6.1除應遵循土石方挖運、混凝土澆筑的安全操作規(guī)程外，還應采取下述措施：

（1）吊運機械設備應站立在堅實的基礎上。沉井下沉到一定深度后，井外臨近的地面可能出現(xiàn)下陷、開裂，應經(jīng)常檢查基礎變形情況，及時調(diào)整加固起重機的基礎。

（2）井內(nèi)吊出的石渣應及時運到渣場，以免對沉井產(chǎn)生偏壓，造成沉井下沉過程中的傾斜。

（3）若需進行石方爆破，起爆前應切斷照明及動力電源，并妥善保護水泵。

7、試驗結果

2009年3月8日，先對一個基礎采用沉井護壁的施工，經(jīng)試驗橢圓型鋼筋混凝土結構，強度等級能滿足施工需要，僅在長軸方向側壁出現(xiàn)垂直方向的裂縫，其他部位沒有發(fā)現(xiàn)裂縫，井筒總體上是安全的，可以采取沉井方式進行水田內(nèi)其他墩基礎施工。

產(chǎn)生裂縫的主要原因：①第一節(jié)井身下沉時間在澆筑后的第三天，混凝土強度不夠；②挖機土時，挖機離井身中間段墻身過近，附加應力過多。③施工時橢圓中間處的弧度設置不準確。

應對措施：在井中裂縫處增設鋼管支撐。

防止裂縫出現(xiàn)的措施：①在后續(xù)進行其他沉井施工時，，確?；炷劣幸欢ǖ膹姸?；②挖機在挖土時，應盡量立在橢圓的兩端附近；③一定做到弧度正確。必要時增加鋼管支撐或頂桿支撐。

8、結束語

本工程墩基礎采用沉井護壁技術后開挖施工，得到了業(yè)主、監(jiān)理、設計單位的一致認可。在水稻田和河床內(nèi)淤泥砂卵層中沉井作為支護體，成功解決了大開挖施工很難解決的淤泥、高水頭、強流砂問題。施工簡易、安全可靠、速度快且工程量小，施工相對費用較低；實施效果顯著、大大縮短了施工工期，節(jié)約成本40萬元左右，取得了較好的經(jīng)濟效益，值得在類似工程中推廣。

參考文獻：

[1]《公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范》（JTGD63-2007）

[2] 《建筑地基處理技術規(guī)范》（JGJ79-2012）

[3] 《混凝土結構工程施工質量驗收規(guī)范 》GB50204-2015

[4]《建筑地基基礎工程施工質量驗收規(guī)范》GB50202-2013

作者簡歷：陽曉紅（1983.12--），女，河南靈寶人，本科，畢業(yè)于河海大學，現(xiàn)任工程師職稱，主要從事工程施工管理。