沉井法在輸水管道施工中的應(yīng)用分析

王闖

(福建省工業(yè)設(shè)備安裝有限公司，福建 福州 350000)

現(xiàn)階段，沉井法施工技術(shù)應(yīng)用廣泛，在輸水管道施工中有明顯優(yōu)勢(shì)。沉井法的作用顯著，沉井基礎(chǔ)是深基坑施工中最具安全性的結(jié)構(gòu)，這種井筒狀結(jié)構(gòu)物可憑借自身的重量下沉到指定的深度，方便管道施工中的后續(xù)操作。輸水管道工程中，保障作業(yè)安全以及防止水泄漏是關(guān)鍵，為降低施工中的風(fēng)險(xiǎn)，需要將沉井法合理應(yīng)用到頂管施工中，借此保障輸水管道的建設(shè)品質(zhì)。

1 沉井施工簡(jiǎn)介

輸水管道施工中，沉井作業(yè)是常見方法，該作業(yè)形式屬于深基礎(chǔ)工程中的質(zhì)量保障。其施工原理較為簡(jiǎn)單，實(shí)操中需要在施工現(xiàn)場(chǎng)形成一個(gè)筒狀結(jié)構(gòu)，借此為基礎(chǔ)施工提供便利。現(xiàn)場(chǎng)需要從筒內(nèi)不斷挖土，借助結(jié)構(gòu)自重實(shí)現(xiàn)沉井筒狀結(jié)構(gòu)的下沉，進(jìn)而達(dá)到技術(shù)要求。現(xiàn)場(chǎng)沉井作業(yè)期間，待沉井的深度滿足設(shè)計(jì)要求后便可以組織封底。輸水管道施工中，沉井的優(yōu)勢(shì)顯著，沉井內(nèi)進(jìn)行頂管操作，可保障整體結(jié)構(gòu)的隔水性，提升結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的耐久性。消除施工風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)，合理防止作業(yè)坑內(nèi)滲水，為輸水管道施工提供保障。通過沉井結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，可降低輸水管道的施工難度，在技術(shù)保障下營造可靠的作業(yè)空間，夯實(shí)輸水管道的施工基礎(chǔ)。沉井施工較為方便，整個(gè)過程不需要支護(hù)結(jié)構(gòu)，可減少人力和設(shè)備投入。與大開挖技術(shù)相比，應(yīng)用沉井法施工的經(jīng)濟(jì)效益更佳，可科學(xué)控制施工成本和挖土量。此外，該技術(shù)的大量作業(yè)都是在地下進(jìn)行，對(duì)井上的環(huán)境不產(chǎn)生破壞作用，對(duì)附近建筑物影響基本上可以忽略不計(jì)。

2 工程概況

一期淡水供水工程涉及內(nèi)容比較多，除了提供主要的生活用水、生產(chǎn)用水外，還要保障施工用水、消防用水和相關(guān)綠地用水的充足。施工設(shè)計(jì)階段，根據(jù)淡水工程范圍以及管道建設(shè)條件的不同，將一期淡水供水工程劃分為了三大部分，分別是取水工程、輸水工程以及重要的凈水廠工程。其中輸水工程囊括了永久輸水管線施工、臨時(shí)泵站及高位水池建設(shè)等內(nèi)容。管線從備用水源地區(qū)敷設(shè)至黃坑交水點(diǎn)，途徑的地域較為廣闊，最終至廠區(qū)淡水處理廠，整個(gè)設(shè)計(jì)中管線全長約21.2km，施工難點(diǎn)在于有0.9km為跨海地段。本次施工中，輸水管道施工難度大，為保障整體施工效果，在進(jìn)行了有效的地質(zhì)勘察后，決定使用沉井法輔助施工作業(yè)，確保整體施工的合理性。施工路段基礎(chǔ)參數(shù)，見表1。

表1 施工路段基礎(chǔ)參數(shù)

該路段位置相對(duì)特殊，開挖一定深度后，便遇到了巖石層。所以本次施工項(xiàng)目中，會(huì)有較長距離的輸水管道要穿越巖石層施工?，F(xiàn)實(shí)施工中要結(jié)合頂管深度，科學(xué)設(shè)置沉井(分別在管道的首尾端)，借助這樣的方式，保障管道安裝安全性。施工階段需要注意的是，沉井自動(dòng)下沉期間，由于受到外力的作用，土壤會(huì)被擠壓，從而產(chǎn)生破裂現(xiàn)象。施工中，擠土過程作用原理如下圖1所示。

結(jié)合圖1可以看出，在忽略注漿壓力的前提下，擠土過程中挖掘機(jī)的頂進(jìn)力度是不容小覷的，這也是形成擠土效應(yīng)最直接的要素。研究發(fā)現(xiàn)，土壤在力的作用下會(huì)形成高密度的后背墻，起到有效支撐的作用。待沉井下沉到設(shè)計(jì)標(biāo)高后，可以開展兩端封底作用，通過這樣的方式，為頂管施工創(chuàng)造條件。此外，為強(qiáng)化施工效果，還需要額外清理一定標(biāo)高的混凝土，夯實(shí)管道安裝施工基礎(chǔ)。

圖1 擠土過程作用原理

3 輸水管道施工項(xiàng)目中沉井法的具體應(yīng)用

3.1 明確沉井設(shè)計(jì)參數(shù)

現(xiàn)實(shí)施工中，想要發(fā)揮沉井技術(shù)優(yōu)勢(shì)，首先要結(jié)合實(shí)際工況，明確沉井設(shè)計(jì)參數(shù)，為后續(xù)施工提供保障。沉井設(shè)計(jì)參數(shù)，通常包括以下方面的內(nèi)容。

3.1.1 沉井高度

結(jié)合施工經(jīng)驗(yàn)可知，輸水管道的管涵深度影響深遠(yuǎn)，是重要的施工參數(shù)，往往決定了兩端沉井的實(shí)際效果。施工階段，為發(fā)揮沉井技術(shù)優(yōu)勢(shì)，可依據(jù)施工地段情況，對(duì)沉井技術(shù)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，確保沉井施工質(zhì)量。借助科學(xué)的計(jì)算公式，得出沉井高度，相關(guān)的計(jì)算公式如下：

上述公式中：Q——實(shí)際的沉井高度；δ——深度總和(套管直徑深度+管涵的實(shí)際深度)；η——沉井刃腳高度；β——套管頂端到地面距離。

結(jié)合公式的計(jì)算結(jié)果，可進(jìn)一步明確沉井高度。現(xiàn)實(shí)施工中，為規(guī)避施工階段的返工，可在沉井高度計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上多預(yù)留出0.4m左右的空間。除此之外要注意的是，當(dāng)?shù)叵滤惠^高時(shí)(輸水管道地下水位)，要同步調(diào)整沉井高度，借此保障沉井作業(yè)質(zhì)量。

3.1.2 井壁厚度

研究發(fā)現(xiàn)，受巖體力學(xué)的影響，輸水管道的安裝施工中，沉井的井壁厚度難以精準(zhǔn)的計(jì)算出來，一般情況下要進(jìn)行合理的估算。井壁厚度估算方法是，先選取一個(gè)擬定值，將其作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，然后通過驗(yàn)證其數(shù)值的可靠性，獲得井壁厚度。

3.1.3 平面尺寸

確定沉井平面尺寸前，需綜合考慮多種因素，確保沉井設(shè)計(jì)參數(shù)的合理性。為保障實(shí)際的效果，發(fā)揮沉井施工的優(yōu)勢(shì)，需考察施工地質(zhì)情況，最重要的是掌握周邊光纜和電纜的具體信息，夯實(shí)后續(xù)施工基礎(chǔ)。從現(xiàn)實(shí)了解到，輸水管道穿越深度有嚴(yán)格的要求，沉井的長度和寬度(技術(shù)參數(shù))必須在合理范圍內(nèi)。此外根據(jù)施工標(biāo)準(zhǔn)，將頂進(jìn)管道的工作坑長度科學(xué)控制在5.3～6.3m 之間，通過有效的施工參數(shù)調(diào)節(jié)，提升管道施工有效性。

3.2 測(cè)量放線

結(jié)合沉井法的相關(guān)技術(shù)要點(diǎn)可知，在施工中測(cè)量放線是重要的技術(shù)保障，不容忽視。測(cè)放沉井中心線非常關(guān)鍵，需嚴(yán)格依照管涵的實(shí)際穿越距離來確定?，F(xiàn)實(shí)中，工作井的類型可分為頂進(jìn)井和接收井，工程項(xiàng)目中應(yīng)用土壓平衡頂管施工期間，為保障施工效果，需要對(duì)沉井的中心線等精準(zhǔn)測(cè)量，減少測(cè)量誤差[1]。另外，輸水管道施工中，沉井放線的質(zhì)量還會(huì)受管道外徑擴(kuò)大的影響。為此，在測(cè)量放線期間需綜合考慮多種因素，進(jìn)一步明確沉井中心線及界線，為后續(xù)管道安裝夯實(shí)基礎(chǔ)。

3.3 開挖工作井與接收井

開挖工作井與接收井是至關(guān)重要的工序，需安裝施工要求進(jìn)行。在開挖前先進(jìn)行地質(zhì)勘察，全面掌握地形與土質(zhì)條件情況。在幾何形狀層面上，工作井有圓形和矩形兩種，具體要結(jié)合適用條件進(jìn)行選擇，兩種形狀的工作井各有各的優(yōu)勢(shì)，施工中要靈活使用。相比較而言，圓形工作坑的占地是比較少的，矩形工作坑的面積則要大一些。此外，如果采用矩形工作坑，還要控制好短邊和長邊的比值[2]。為有效控制沉井混凝土澆筑高度，現(xiàn)實(shí)中在沉井位置開挖基坑需控制好基坑開挖范圍，一般情況下為井體外尺寸加1.2m。與此同時(shí)，四周用鋼板樁密打，借助這樣的方式，在沉井下沉過程中對(duì)既有構(gòu)筑物和管線實(shí)施保護(hù)。

3.4 沉井分節(jié)澆筑下沉

在沉井分節(jié)澆筑下沉施工中，為達(dá)到理想施工效果，要結(jié)合實(shí)際工況和相關(guān)的圖紙內(nèi)容，將沉井分四節(jié)澆筑并下沉，夯實(shí)輸水管道的安裝基礎(chǔ)。結(jié)合現(xiàn)實(shí)經(jīng)驗(yàn)可知，第一節(jié)沉井混凝土澆將關(guān)系整體施工效果，其質(zhì)量把控至關(guān)重要?，F(xiàn)實(shí)操作中，待其強(qiáng)度達(dá)到要求，方可按照計(jì)劃開展第二節(jié)沉井混凝土的澆筑。只有待澆筑的整體強(qiáng)度達(dá)到100%后，挖土下沉才能順利實(shí)施。在沉井的過程中，除了要保證下沉到設(shè)計(jì)標(biāo)高外，同時(shí)還要保障基礎(chǔ)的穩(wěn)定，然后才能封底養(yǎng)護(hù)，科學(xué)強(qiáng)化施工效果[3]。

3.5 立模扎筋

現(xiàn)實(shí)施工中，立模扎筋是重要的工序，決定著管道安裝質(zhì)量，需要高度重視。立模順序最為關(guān)鍵，即：立內(nèi)?！壴摻睢⑼饽?。需要強(qiáng)調(diào)的是，一節(jié)沉井內(nèi)模通常情況下要一次立好，待其完成扎筋后，才能立外模。本次項(xiàng)目施工中，采用的是組合鋼模的模板形式，局部采用木模板(木模板的厚度可以達(dá)到3cm)，除此之外支撐采用Φ6cm鋼管，借助這樣的設(shè)計(jì)，可提升整體結(jié)構(gòu)耐久性。并在縱橫向設(shè)加強(qiáng)肋，以保證模板支撐牢固。水平筋采用分段綁扎的技術(shù)手段，選用可靠的焊接連接方法，保障鋼筋的搭接長度。

3.6 混凝土澆筑養(yǎng)護(hù)

混凝土澆筑的影響較大，是沉井施工的關(guān)鍵步驟。實(shí)踐環(huán)節(jié)中，為保證施工質(zhì)量，提高沉井施工的有效性，保證混凝土質(zhì)量的前提下，要嚴(yán)格遵循科學(xué)的澆筑程序，與此同時(shí)較為精準(zhǔn)控制混凝土的澆筑時(shí)間，以確保澆筑品質(zhì)?；炷敛捎蒙唐坊炷?，嚴(yán)格控制好每次澆筑高度。振搗期間如果間歇時(shí)間超過2h會(huì)影響澆筑質(zhì)量，為此應(yīng)按照技術(shù)要求，在間歇位置要做水平施工縫[4]。值得注意的是，混凝土澆筑養(yǎng)護(hù)期間要控制好水泥砂漿的制備比例(確保與混凝土相同配合比)。

3.7 沉井下沉

完成上述工藝流程后，便可進(jìn)行沉井下沉的工作。從施工現(xiàn)場(chǎng)了解到，由于沉井較深，沉井下沉作業(yè)期間無法使用普通機(jī)械。再加上地下水流動(dòng)性強(qiáng)，受海水潮汐影響較大，所以案例項(xiàng)目無法開展人工開挖作業(yè)。為此，沉井下沉的施工環(huán)節(jié)中，要借助長臂抓斗從井內(nèi)取土，最終達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高。挖土過程中不排水，保障開挖階段的質(zhì)量控制，嚴(yán)格遵循開挖的技術(shù)要求，從沉井中間開始逐漸蔓延。開挖階段，需控制好每層挖土厚度，將挖土厚度控制在0. 4～0.5m。除此之外，刃腳處留1.0～1.5m臺(tái)階，為后續(xù)施工提供便利。施工階段，倘若出現(xiàn)沉井下沉很少的問題，要檢查施工現(xiàn)場(chǎng)狀況，并再次挖土，重復(fù)以上的操作，直至下沉現(xiàn)象恢復(fù)，確保沉井平穩(wěn)下沉。為減少施工中的下沉阻力，需將土層中的障礙物提前清理干凈，如石頭或樹根等，借此保障沉井下沉的效率和質(zhì)量。本次施工項(xiàng)目位于高壓縮性淤泥質(zhì)粘土區(qū)域，施工情況較為復(fù)雜，當(dāng)墊層混凝土基礎(chǔ)挖除后，有可能存在井體突沉的問題，甚至發(fā)生傾斜?；诖耍S沉隨墊，當(dāng)沉至離設(shè)計(jì)標(biāo)高約1m時(shí)，為消除施工中隱患，要進(jìn)行觀察與測(cè)定，無異常狀況時(shí)再選擇挖土下沉。本工程中的沉井采用的是排水下沉的方式，因?yàn)榈叵滤惠^高，需在沉井的過程中加強(qiáng)排水處理，借助設(shè)置集水坑等方式，合理規(guī)避地下水位的影響。

3.8 沉井封底

封底是沉井施工中最為關(guān)鍵的質(zhì)量保障，同時(shí)也是一道較為困難的工序。結(jié)合實(shí)操經(jīng)驗(yàn)可知，由于地質(zhì)較差，將會(huì)顯著增加沉井封底的難度。當(dāng)井體沉至離設(shè)計(jì)標(biāo)高1m左右，這時(shí)應(yīng)進(jìn)一步觀察，如果沉井施工現(xiàn)場(chǎng)情況良好，那么原則上可繼續(xù)挖土下沉，以保障施工質(zhì)量和效率[5]。距離設(shè)計(jì)標(biāo)高10cm左右時(shí)，需要用毛塊石拋鋪墊層，停止取土，采用科學(xué)的砌筑方法。主要方法是：先中間后兩邊，在確保施工對(duì)稱性的同時(shí)科學(xué)觀測(cè)沉井下沉量，當(dāng)累積下沉量小于1cm時(shí)，意味著質(zhì)量合格，可進(jìn)行砼封底。為保障封底施工效果，在封底前需要排除沉井內(nèi)存水，確保封底砼滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。

3.9 頂管及輸水管道安裝

現(xiàn)實(shí)施工中，混凝土澆筑封底施工結(jié)束后，要對(duì)作業(yè)環(huán)境進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，保持管道周邊環(huán)境干燥，待到施工條件成熟后，方可實(shí)施頂管作業(yè)方案?，F(xiàn)實(shí)中，要確定沉井井身等參數(shù)，抽干沉井內(nèi)的積水，完成混凝土澆筑作業(yè)。管道安裝操作涉及內(nèi)容多，存在大量的工程細(xì)節(jié)，為了避免干擾，需要將供電電纜等安裝在管道兩側(cè)。與此同時(shí)，在完成頂管施工以及相應(yīng)的管道安裝后，要結(jié)合施工要求采取回填措施，落實(shí)好生態(tài)修復(fù)工作，降低對(duì)環(huán)境的干擾。在地貌恢復(fù)作業(yè)中，要依據(jù)土質(zhì)條件依次回填中砂和固砂，同時(shí)完成夯實(shí)作業(yè)。如果施工場(chǎng)地周圍地勢(shì)不平，或者已經(jīng)出現(xiàn)了虛坑，為保障后續(xù)施工安全，需要額外搬運(yùn)碎石對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的虛坑進(jìn)行填補(bǔ)，借助這樣的方式，保證路面密實(shí)度理想。

4 結(jié)語

綜上所述，隨著輸水管道施工項(xiàng)目的增多，最近幾年沉井法得到普遍應(yīng)用。該方法具有一定的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，可提升管道施工安全性，營造可靠的施工環(huán)境，合理消除施工風(fēng)險(xiǎn)。因?yàn)榇蠖嗍┕げ襟E都是需要在井下展開的，所以對(duì)井上的生態(tài)環(huán)境十分友好?，F(xiàn)實(shí)中，通過沉井法的科學(xué)應(yīng)用，可有效推動(dòng)輸水管道工程建設(shè)的順利實(shí)施，保障輸水管道施工的整體效益。