泵站沉井刃腳結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)的探討

程文婕

摘要：沉井需在在刃腳切開土壤的幫助下才能持續(xù)下沉，是許多工程建設(shè)中不可或缺的關(guān)鍵一環(huán)，因此在泵站設(shè)計(jì)建設(shè)時(shí)如何對(duì)刃腳結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行設(shè)計(jì)是工程人員必須考慮到的因素。本文以市政泵站相關(guān)建設(shè)工程為例，針對(duì)泵站工程中的沉井作用，刃腳結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì)對(duì)沉井內(nèi)壁的作用力做了研究，為今后與需要使用到沉井的工程提供重要參考。

關(guān)鍵詞：刃腳結(jié)構(gòu);泵站;沉井;設(shè)計(jì)

沉井作為一種廣泛應(yīng)用的成熟技術(shù)，經(jīng)常在涉及地底建設(shè)的工程大展手腳，但缺點(diǎn)在于沉井的施工比較困難，建設(shè)周期長(zhǎng)，經(jīng)費(fèi)使用高，在施工方案投標(biāo)和決策時(shí)，更傾斜于采取現(xiàn)澆鋼筋混凝土開槽的方案。

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，城市建設(shè)施工變得越來(lái)越頻繁，這導(dǎo)致在城市中的建筑密集區(qū)、人員密集區(qū)進(jìn)行工地施工的情形越來(lái)越多，引發(fā)了一系列諸如：施工安全隱患增加、工地面積不足、基坑開挖滲漏、工地施工擾民等突出問(wèn)題。沉井方案的使用，則可避免上述一系列問(wèn)題，因此在城區(qū)的地下建設(shè)工地上，沉井方案變得更受施工單位的青睞。對(duì)于沉井方案的研究也就愈發(fā)顯得重要起來(lái)。

一.方案對(duì)比

傳統(tǒng)泵站的施工方案有以下三種：

現(xiàn)澆鋼筋混凝土明開槽

沉井結(jié)構(gòu)

地底連續(xù)墻結(jié)構(gòu)

泵站的施工一般來(lái)說(shuō)都會(huì)采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土的方法，它的施工過(guò)程較為簡(jiǎn)單，并且材料費(fèi)用低，效費(fèi)比高，施工不受場(chǎng)地限制。但受制于近些年來(lái)泵站建設(shè)深度的增加、施工環(huán)境的影響、安全指標(biāo)的不斷提高以及國(guó)家政策的改變等原因。各施工單位依據(jù)施工對(duì)象的具體情況，認(rèn)定一些較深的基坑為深基坑，需要組織具體的方案論證，對(duì)施工方案的可行性和安全性的都提出了新的挑戰(zhàn)。許多地區(qū)的土質(zhì)較軟，導(dǎo)致安全要求更高，方案論證以及相關(guān)審查更嚴(yán)苛。

沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是最近新發(fā)展的泵站建設(shè)的工程處理方案，適用于各類深基坑的挖掘，其施工場(chǎng)地要求低、土方作業(yè)優(yōu)勢(shì)大;但其確缺點(diǎn)也明顯，主要體現(xiàn)在比現(xiàn)澆鋼筋混凝土更高的成本、更高的施工難度、更長(zhǎng)的施工周期等問(wèn)題。但由于沉井本身可以擋土，因此在實(shí)際過(guò)程中可以節(jié)省基坑開挖后的維護(hù)費(fèi)，此外，沉井結(jié)構(gòu)施工對(duì)地下土質(zhì)無(wú)破壞，適合在地下土質(zhì)復(fù)雜的城區(qū)進(jìn)行作業(yè)。統(tǒng)籌來(lái)看，帶沉井結(jié)構(gòu)的方案在安全指標(biāo)和效費(fèi)比上都超過(guò)了現(xiàn)澆鋼筋混凝土開槽方案。

地下連續(xù)墻方案具有安全性高的有點(diǎn)，但其需要具有專業(yè)資質(zhì)的施工單位進(jìn)行施工，在實(shí)用性上不如帶沉井結(jié)構(gòu)的方案，所以這個(gè)方案在常規(guī)的工程項(xiàng)目中比較少見(jiàn)，主要用于地鐵、鐵路、隧道等有特殊需求的工程。

二.工程實(shí)例

污水處理泵站的工作職能沒(méi)有改變，但由于近些年全球的氣候變化，它的設(shè)計(jì)容量必須增加，這一部分是由于最近的全球變暖，局部超過(guò)50mm/h的暴雨頻繁發(fā)生。有些地方有超過(guò)100mm/h的局部特大暴雨，從而引發(fā)洪澇災(zāi)害。為了應(yīng)對(duì)這種情況，廈門市政府正在迅速加固污水干管和泵站，使它們能夠應(yīng)對(duì)50mm/h的降雨量，以應(yīng)對(duì)城市化帶來(lái)的雨水流入的增加。廈門市集美區(qū)后溪雨水泵站的建設(shè)便是為了增加足夠的站內(nèi)容量來(lái)應(yīng)對(duì)突發(fā)極端天氣概率的增加。

后溪泵站是為應(yīng)對(duì)現(xiàn)有泵站流域降雨徑流增加而設(shè)計(jì)的雨水泵站。此外，它還設(shè)有雨水蓄水池，以減少合流排污系統(tǒng)的污染負(fù)荷。該泵站設(shè)計(jì)為排水面積為292.85公頃，設(shè)計(jì)排水量為37.3m3/s，泵站總?cè)萘繛?7600m3。建筑結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土，分為地上兩層和地下五層。

施工采用了“氣動(dòng)沉井法”，將地下部分分成兩個(gè)沉井結(jié)構(gòu)。該工程為實(shí)現(xiàn)施工目的，采用技術(shù)要求高的方法，同時(shí)動(dòng)工兩個(gè)沉井，泵站平面如下圖所示。

在二維視圖中，泵站分為兩個(gè)區(qū)塊：一個(gè)是干管進(jìn)水通道和沉砂池，另一個(gè)是抽水井和雨水蓄水池。左側(cè)為“西側(cè)沉井”（挖掘面積2614平方米，深度53.8米），右側(cè)為“東側(cè)沉井”（挖掘面積2289平方米，深度50.1米）。施工規(guī)模：

西側(cè)沉箱53.9m′48.5m（深度：53.8m），最終氣壓：0.450 MPa

東側(cè)沉箱39.8m′57.5m（深度：50.1m），最終氣壓：0.417 MPa

開挖面積：4983m3，土方量：265.555 m3

混凝土：14.018 m3，鋼筋：19.913t

如果對(duì)該泵站進(jìn)行單井開挖，則開挖面積4983 m2，在這之前沒(méi)有類似規(guī)模項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)。在開挖面積較大的情況下，由于橋面板強(qiáng)度不足，施工高度較小，使得平面結(jié)構(gòu)在下沉初期失穩(wěn)，因此存在較高的開裂和屈曲風(fēng)險(xiǎn)。該泵站不僅需要增加橋面板的剛度，還需要臨時(shí)構(gòu)件（提升梁）進(jìn)行加固。這是一個(gè)臨時(shí)構(gòu)件，用于建造一堵墻來(lái)連接上層樓板，完工后將被拆除。如果采用單井開挖，吊梁的尺寸和數(shù)量都會(huì)很大，拆除吊梁會(huì)降低成本效益，延長(zhǎng)工期。該泵站采用矩形沉井而不是異形沉井。矩形沉井相比異形沉井而言不會(huì)造成扭曲現(xiàn)象，但由于沒(méi)有可借鑒的工程例子，因此這仍不是最安全和最穩(wěn)定的方案。另外，由于進(jìn)水干管比泵井淺，沉井分為兩個(gè)部分，會(huì)產(chǎn)生深度差，這樣的設(shè)計(jì)效費(fèi)比更高。

經(jīng)與當(dāng)?shù)鼐用駞f(xié)商，該泵站的整體建設(shè)周期控制在3年以內(nèi)，建設(shè)工期緊，因此，即使資金投入不高，也采用了同步建設(shè)。此外，將噪音控制大樓壓縮成兩層，以容納空氣凈化設(shè)施，并利用鄰近的道路、公園和河流場(chǎng)地作為工作場(chǎng)地，從而預(yù)留了必要的空間。

當(dāng)相鄰兩個(gè)沉井同時(shí)落下時(shí)，有可能出現(xiàn)一個(gè)沉井拖拽另一個(gè)沉井的現(xiàn)象，即所謂的“聯(lián)降現(xiàn)象”。當(dāng)一個(gè)井體的工作腔漏氣時(shí)，通過(guò)缺氧層的貧氧空氣有流入另一個(gè)井體工作腔的危險(xiǎn)。為了防止出現(xiàn)這種情況，施工隊(duì)在兩個(gè)沉井之間放置了鋼板樁，這被稱為應(yīng)力屏蔽墻。此外，施工人員調(diào)整了施工的開始時(shí)間，保證不出現(xiàn)“聯(lián)降現(xiàn)象”。

該項(xiàng)目計(jì)劃在兩個(gè)沉井之間留出2米的間隙。在確定間隙時(shí)，研究了井體之間傾斜的相互影響以及井體和應(yīng)力屏蔽墻的影響。根據(jù)沉井結(jié)構(gòu)施工進(jìn)度控制標(biāo)準(zhǔn)，每井位移距離小于300mm，傾角小于1/100°。如果兩井相互傾斜，總位移距離為600mm，水平位移為1米（以該泵站的深度計(jì)算）。因此，兩個(gè)沉井之間的間隙必須超過(guò)1米，屏蔽箱和墻壁之間的間隙必須超過(guò)1米。因此，兩個(gè)箱子的凈空確定為2米，有了這個(gè)凈空，就認(rèn)為沒(méi)有障礙物可以搭設(shè)一般腳手架。

由于該泵站的沉井分為兩個(gè)，每個(gè)沉井相距2米，因此每個(gè)沉井是一個(gè)獨(dú)立的設(shè)施。兩個(gè)沉井安裝完成后，必須拆除與其相連的墻壁，并將墻壁和板連接起來(lái)。按計(jì)劃，下圖中兩個(gè)用黑色圈起的地方將被挖掘，并在其上建造連接沉箱的地下墻。

這項(xiàng)工程正等待著著主體工程的開工。作為雙井同時(shí)施工的首例，在施工管理方面的知識(shí)積累，如降溫、漏風(fēng)等，以及設(shè)計(jì)階段新問(wèn)題的提出，都值得期待。兩個(gè)沉井的安裝現(xiàn)已完成，連接兩個(gè)沉井的施工工作即將啟動(dòng)。在這個(gè)地底深度的對(duì)接工作是較為罕見(jiàn)的，因此，在設(shè)計(jì)階段必須制定周密的計(jì)劃，兼顧施工管理，才能保證施工安全。

三.結(jié)語(yǔ)

如果泵站采取沉井進(jìn)行設(shè)計(jì)施工，鑒于優(yōu)化了施工方法，泵站施工所需的實(shí)際費(fèi)用相較于現(xiàn)澆鋼筋混凝土明開槽的施工方案，其中的工程費(fèi)用下降很多，不僅如此，沉井設(shè)計(jì)還能降低基坑開挖后的支護(hù)成本，從而在根本上解決了沉井結(jié)構(gòu)效費(fèi)比不高的問(wèn)題，在泵站周圍增設(shè)噴水帷幕，可以有效防止施工時(shí)產(chǎn)生的塵埃飛揚(yáng)，適合在人口密集的區(qū)域進(jìn)行施工作業(yè)。

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