淺談沉井泥漿護(hù)壁施工機(jī)理

仇黨見(jiàn) 蔡成煥 范力元

中國(guó)建筑第四工程局有限公司土木公司市政分公司清遠(yuǎn)市政路項(xiàng)目部 廣東清遠(yuǎn) 511500

1 工程概況

沉井在市政工程中應(yīng)用廣泛，常用于取水構(gòu)筑物、排水泵站、大型集水井、盾構(gòu)和頂管工作井等工程。技術(shù)上比較穩(wěn)妥可靠，挖土量少，對(duì)鄰近建筑物的影響比較小，沉井基礎(chǔ)埋置較深，穩(wěn)定性好，能支承較大的荷載。

清遠(yuǎn)市職教一路道路工程，頂管施工包括7個(gè)沉井（3個(gè)工作井，4個(gè)接收井）；現(xiàn)場(chǎng)施工地質(zhì)和地勘報(bào)告基本符合，及開(kāi)挖下沉2米左右即為卵石層；在正常除土下沉3-4米左右時(shí)出現(xiàn)井外塌方，無(wú)法正常下沉的情況；通過(guò)學(xué)習(xí)各方面知識(shí)，并綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，采用泥漿護(hù)壁施工方案實(shí)現(xiàn)順利下沉，可進(jìn)行下道工序[1]。

2 工程地質(zhì)

根據(jù)地勘報(bào)告與現(xiàn)場(chǎng)已施工部位實(shí)際情況得知，沉井施工深度范圍內(nèi)，地面標(biāo)高1-2米范圍內(nèi)為由根植土或雜填土組成，其余主要由卵石、礫砂組成，部分夾雜粘性土或碎石。卵石含量70%-80%左右，粒徑2-35cm不等。地下水位深度為地面下2米左右。根據(jù)地質(zhì)情況可得知在土體受到擾動(dòng)后，流動(dòng)性大易出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象。

3 泥漿護(hù)壁施工工藝原理

3.1 沉井下沉系驗(yàn)算

（1）沉井下沉計(jì)算包括沉降系數(shù)計(jì)算，刃腳踏面及斜面下肢反力檢算，隔墻支反力計(jì)算（有中隔墻沉井），沉井井壁摩阻力計(jì)算，沉井穩(wěn)定計(jì)算（浮運(yùn)沉井），下沉穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算等。

（2）沉井刃腳檢算，刃腳檢算根據(jù)刃腳在水平和豎直兩個(gè)方向的作用力進(jìn)行荷載分配和計(jì)算。

（3）依據(jù)不排水下沉系數(shù)k=1．05-1．25對(duì)沉井下沉系數(shù)進(jìn)行驗(yàn)算，驗(yàn)證護(hù)壁泥漿減少的摩擦阻力是否滿(mǎn)足沉井下沉的條件。以W216圓形工作為例，已施工4節(jié)，下沉3節(jié)，每節(jié)1．5米高，內(nèi)徑7米，壁厚0．45米，計(jì)算沉井自重下沉系數(shù)k的公式及受力簡(jiǎn)圖如下：

K=（Q-B）/（T+R）=（Q-B）/[πD（H-1．5）f+R]

式中：Q沉井自重及附加荷載（KN），Q=3．14×（7+0．45+0．45）×6×0．45×9．8=656KN；

B：被井壁排開(kāi)的水重（KN），取值為0；

T：沉井與地基土間的摩擦力（KN）；

R：刃腳反力（KN），刃腳取土?xí)r取值為0；

R=7．9×0．45×3．14×5；

D：沉井外徑（m），D=7+0．45+0．45=7．9m；

H：沉井高度（m），H=4×1．5=4．5m；

F：側(cè)壁與泥漿摩阻力，取值f=5KN；

代 入 式 中， 可 得 K=（16409-0）/[3．14×7．9×（6-1．5）×5）]=1．175

依據(jù)《頂管施工技術(shù)規(guī)范》（中鐵大橋局出版）下沉系數(shù)K取值范圍為1．05-1．25，可得采用泥漿護(hù)壁后沉井可以順利下沉。

3.2 泥漿護(hù)壁機(jī)理

（1）泥漿機(jī)理分析。護(hù)壁泥漿應(yīng)具有一定的穩(wěn)定性、流動(dòng)性和一定的密度。護(hù)壁泥漿種類(lèi)通常有膨潤(rùn)土泥漿、聚合物泥漿、CMC泥漿和鹽水泥漿等。目前，工程中大量使用的是膨潤(rùn)土泥漿，遇水顯著膨脹，粘聚性和可塑性都很大的材料。

（2）泥漿形成機(jī)理。膨潤(rùn)土泥漿的主要成分是蒙脫石，具有觸變性、濕脹性和膠體性；膨潤(rùn)土和水混合后，由于膨潤(rùn)土的膨脹而粘度增大，在靜置狀態(tài)下，膨潤(rùn)土懸浮液流動(dòng)性變小，但重新攪動(dòng)后，又會(huì)恢復(fù)原來(lái)的觸變性。膨潤(rùn)土加清水混合后，產(chǎn)生顯著的濕脹。膨潤(rùn)土顆粒在水中就變成一種帶負(fù)電荷的膠體，從而使膨潤(rùn)土顆粒處于懸浮狀態(tài)，即形成護(hù)壁泥漿[2]。

（3）泥漿護(hù)壁機(jī)理。由于泥漿具有一定的比重，當(dāng)槽內(nèi)泥漿液面高程大于地下水位高程，泥漿就會(huì)對(duì)沉井壁產(chǎn)生一定靜水壓力，該壓力可抵抗作用在槽壁上的側(cè)向土壓力和水壓力，相當(dāng)于一種液體支撐，可以防止井外土坍塌和剝離；由于泥漿會(huì)向土層中滲透，地下水也會(huì)向槽壁內(nèi)滲透，雙方相互滲透，在槽壁上會(huì)形成一層透水性很低的泥皮，從而使泥漿的靜水壓力直接作用在槽壁上，起到防止槽壁剝落的作用。另外，泥漿還從井壁表面向土層內(nèi)滲透，待滲透到一定范圍，泥漿就粘附在土顆粒上。這種粘附作用減少槽壁的透水性，也可防止槽壁坍塌。

（4）泥漿作用。在泥漿有效護(hù)壁的作用下，可以減小地質(zhì)對(duì)沉井壁的摩阻力。泥漿在槽壁上形成的泥皮可以有效地防止槽壁坍塌。

4 操作要點(diǎn)

4.1 泥漿制備

（1）選用的泥漿原料及配合比，應(yīng)保證泥漿具有良好的穩(wěn)定性、流動(dòng)性、固壁性和觸變性。泥漿配合比和泥漿性能各項(xiàng)指標(biāo)應(yīng)符合施工規(guī)范要求。

（2）壓漿管路應(yīng)暢通無(wú)阻。壓漿管的射口處應(yīng)設(shè)置防護(hù)，射出的泥漿不得直接沖刷土壁。

（3）井底置于土層的泥漿套沉井，應(yīng)根據(jù)泥漿套實(shí)際效果及地層情況，提前減緩壓入泥漿的速度。

4.2 壓漿：孔道的設(shè)置可分為內(nèi)管法和外管法

（1）內(nèi)管法（a）：厚壁沉井可使用內(nèi)管法，即壓漿管設(shè)置在井壁內(nèi)，也可提前在井壁預(yù)留管孔。預(yù)留管孔可以用纏有鉛絲的舊膠管，內(nèi)穿圓鋼芯在井壁預(yù)制孔道，灌澆混凝土終凝前，將膠管提起50cm左右，待1-2d后，拔出膠管即形成了壓漿管道。

（2）外管法（b）：薄壁沉井可采用外管法，外管法分為井外管和井內(nèi)外管，即壓漿管可置于井壁內(nèi)側(cè)或外側(cè)。井外管法是將壓漿管順井壁外側(cè)直插入泥漿套內(nèi)進(jìn)行壓漿。井內(nèi)外管法是將壓漿管從井孔內(nèi)插在接近沉井臺(tái)階高度處，穿過(guò)井壁將壓漿管出口引至泥漿套內(nèi)。壓漿管的直徑為50mm左右，間距3～4m左右，方向與井壁成45°為宜。

5 質(zhì)量控制措施

5.1 泥漿制備

按照規(guī)范要求制備符合要求的泥漿是確保順利下沉的關(guān)鍵工序

5.2 沉井下沉

下沉前混凝土強(qiáng)度必須達(dá)到圖紙要求強(qiáng)度，并清除井內(nèi)雜物；底節(jié)沉井下沉初期沉降系數(shù)大，應(yīng)從中間開(kāi)始向刃腳處均勻?qū)ΨQ(chēng)取土，防止沉井傾斜；沉井應(yīng)連續(xù)下沉，減少中間停頓時(shí)間，做好下沉記錄，隨時(shí)分析土層與沉井重量的關(guān)系。下沉?xí)r，應(yīng)隨時(shí)調(diào)整沉井的傾斜和位移，控制井內(nèi)取土深度和井孔間的土面高差。在透水性好的土層中，應(yīng)保持井內(nèi)水位高于井外水位，防止大量翻砂。

5.3 下沉觀測(cè)

井筒下沉過(guò)程中可能出現(xiàn)傾斜、位移等現(xiàn)象，為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并隨時(shí)加以糾正，必須在下沉過(guò)程中嚴(yán)密地進(jìn)行觀測(cè)檢查，以防偏斜過(guò)大而造成糾偏困難。對(duì)沉井觀測(cè)可分井內(nèi)觀測(cè)和井外觀測(cè)兩種[3]。

5.4 井外觀測(cè)

可以從設(shè)置在井壁四周的水平標(biāo)尺測(cè)定，為使水平標(biāo)尺讀數(shù)不受到井筒下沉引起的沉井四周土壤不均勻沉降的影響，應(yīng)將水平標(biāo)尺設(shè)置于距井33．5米的位置（如圖所示），各水平標(biāo)尺尺寸上線標(biāo)高值均應(yīng)相同，并在水平標(biāo)尺相對(duì)應(yīng)的的井筒外壁上劃定統(tǒng)一的豎直標(biāo)尺數(shù)字，這樣根據(jù)各處水平標(biāo)尺指的豎直標(biāo)尺讀數(shù)就可得出沉井軸線的傾斜角度，也可按兩次的讀數(shù)差，得知沉井下沉距離，水平標(biāo)尺應(yīng)用水平儀測(cè)放并經(jīng)常進(jìn)行復(fù)核，井外觀測(cè)可每隔1小時(shí)進(jìn)行一次并做好讀數(shù)記錄。

5.5 糾偏

（1）井取土糾偏，由于挖土速度不均勻，引起井筒軸線傾斜的多采用挖土法糾偏。 即下沉多的地點(diǎn)少挖土，下沉少的地點(diǎn)多挖土，其沉井傾斜從而得到糾正。

（2）井頂施加水平力糾偏頂部施加水平力的方法，在井頂設(shè)置斜撐固定于基坑內(nèi)枕木上，在沉井內(nèi)取土。

（3）位移糾正措施一般是有意使沉井向位移相反方向傾斜，再沿傾斜方向下沉，至刃腳中心與設(shè)計(jì)中心位置吻合時(shí)， 再糾正傾斜，因糾正傾斜重力作用[4]。

6 結(jié)語(yǔ)

清遠(yuǎn)市職教一路沉井施工中，本著設(shè)計(jì)圖紙要求，項(xiàng)目部綜合考慮了各種助沉措施和適用的條件：①直臂挖掘機(jī)挖土過(guò)程中會(huì)帶有少量水，可往井內(nèi)注水或者使用抓斗挖掘機(jī)進(jìn)行挖土，進(jìn)而滿(mǎn)足不排水下沉的施工工藝要求；②鋼板樁支護(hù)止水（卵石層鋼板樁施工難度大，不可采用）；③高壓射水出去刃角處阻礙卵石；④上部結(jié)構(gòu)允許的情況下增加配重或者接高沉井，可以達(dá)到增加自身重力的效果；⑤現(xiàn)場(chǎng)地址允許的情況下使用泥漿助沉；最終結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工條件，項(xiàng)目部選用了試用泥漿助沉的辦法，望給后期施工中遇到類(lèi)似地質(zhì)施工條件提供參考。