新沭河治理工程臨洪東站自排閘工程沉井技術(shù)應(yīng)用

史 瑋 秦小橋 許文濤

新沭河治理工程臨洪東站自排閘工程沉井技術(shù)應(yīng)用

史 瑋 秦小橋 許文濤

一、工程概況

臨洪東站自排閘工程位于連云港市境內(nèi)的新沭河右堤上，該閘為1級水工建筑物，共6孔，每孔凈寬10m，兩孔一聯(lián)，設(shè)計流量650m3/s。該閘為沉井結(jié)構(gòu)，單座沉井尺寸為22.5m×12.2m（長×寬），共3座。沉井外井壁厚80cm，隔墻厚50cm，井壁刃腳底高程 =-12.5m，沉井頂高程 =-2.9m，下沉深度為9.6m。3座沉井呈直線型連續(xù)布置，沉井間間距為0.82m。

二、氣候條件、水文地質(zhì)情況

連云港市地處北半球的中緯度地區(qū)，屬暖溫帶與北亞熱帶的過渡地區(qū)，氣候濕潤，四季分明。年平均氣溫在14℃左右，多年平均降雨量為936.9mm，最大年降雨量為1328.9mm。

該閘地面高程為 =-2.0m，沉井底部高程為 =-12.5m，場地土層自上而下分別為：①粘土，層底標高為-0.13～2.5m；②-1淤泥質(zhì)壤土，層底標高為-0.95～0.65m；②-2壤土，層底標高為-7.42～-0.65m；②-3淤泥質(zhì)粘土，層底標高為-11.05～-10.25m；③細砂夾壤土，層底標高為-12.58～-11.83m；④粘土，層底標高為-14.55～-13.65m。場地地下水類型有：賦存于①粘土、②-1淤泥質(zhì)壤土、②-2壤土等上部地層中的潛水；賦存于③細砂夾壤土中的承壓水。

三、沉井施工方案

沉井根據(jù)井壁設(shè)計形式，采取一次制作、一次下沉的施工方案，施工順序為：測量放線→基坑開挖→砂島填筑、混凝土條形基礎(chǔ)澆筑→磚砌刃腳胎?！辆谱鳌B(yǎng)護等強、拆除模板、腳手→拆除磚胎模、混凝土墊層、砂墊層→井內(nèi)下沉→井內(nèi)砂、土回填→沉井間微膨脹混凝土回填→沉井防滲處理。

四、沉井施工過程

1.沉井制作基礎(chǔ)處理

根據(jù)施工圖紙，結(jié)合基礎(chǔ)工程和上下游連接段基礎(chǔ)工程施工，自排閘沉井制作基坑面高程定為 =-2.0m。因沉井制作面的原狀土承載力約為4～6t/m2，不能滿足沉井制作時的穩(wěn)定要求，為防止地基不均勻下沉產(chǎn)生井身裂縫，沉井制作時將進行基礎(chǔ)換填處理，提高承載能力，滿足沉井的制作要求。具體做法：在基坑開挖面以下開挖1.5m厚的土方并換填相同厚度的砂墊層，砂墊層采用水力挖土機械輸送至基坑，漫水插入式振動器振搗密實，分兩層填筑，砂墊層填筑時將預設(shè)排水井，沿沉井外均勻布置，間距15m，以便抽排砂墊層密實后的余水。已密實的砂墊層干容重控制在1.60～1.65g/cm3。待砂墊層施工完成后，在其上澆筑10cm厚的C20混凝土條形基礎(chǔ)，磚砌刃腳胎模，與混凝土接觸側(cè)面涂刷熟石灰膏。

2.沉井下沉

（1）組織準備

①觀測系統(tǒng)建立。觀測系統(tǒng)建立分有儀器觀測和無儀器觀測兩部分。儀器觀測部分：下沉前在每座沉井的四角繪制高程指示刻度線，下沉過程中用水準儀定時觀測下沉情況。觀測頻率：初沉階段，每2h觀測1次；正常下沉階段，每班組觀測1次；終沉階段，每2h觀測1次；糾偏階段，每下沉一層觀測1次，并做好相應(yīng)的記錄，用于指導糾偏。無儀器觀測部分：在每座沉井內(nèi)外側(cè)的兩個方向懸掛垂球，頂口為固定高度，外側(cè)底部指揮人員和內(nèi)側(cè)施工人員可直接觀測下沉過程中四個角點不均勻下沉帶來的沉井傾斜情況。

②完成對所有銷螺絲洞的防滲修補工作。

③檢查維護降水井點并確保其運轉(zhuǎn)正常，下沉前將地下水降至刃腳1m以下。

④準備若干水泵，在井內(nèi)出現(xiàn)大量流砂、沉井突沉等非常情況時，對井內(nèi)進行灌水處理。

（2）磚胎模、混凝土墊層及砂墊層的拆除

風鎬拆除磚胎模及混凝土墊層時，應(yīng)按照先隔墻再井壁的順序?qū)ΨQ拆除。砂墊層采用水力挖塘機械按50cm分層進行，按照先對稱拆除井格中間部分、再對稱拆除中間隔墻部分、最后對稱拆除井周部分，即由里向外、從中間往兩端對稱拆除。控制拆除分層厚度和拆除順序可減小初始下沉階段發(fā)生的偏沉。

（3）下沉土方開挖

沉井下沉采用干沉法，3只沉井同時下沉。

①下沉設(shè)備配置

自排閘一次下沉9.6m，沉井下沉持續(xù)時間為20d。沉井下沉過程中按10%的涌土量附加計算沉井的下沉工作量。單個沉井下沉除土12.2m×22.5m×（12.5-2）m×1.1=3170m3，沉井下沉持續(xù)時間安排20d，對于淤泥質(zhì)土水力挖塘機械的正常臺班產(chǎn)量按每天120m3計，每天作業(yè)4個臺班，機械完好率按70%計，效率按正常的50%計。則每座井內(nèi)需配置的水力挖塘機組為3170÷（120×20×4×70%×50%）=0.9臺套，即每座沉井內(nèi)布置1套泥漿泵，實際施工時考慮對稱除土、均衡下沉，在井格內(nèi)需布置2套泥漿泵。3座沉井同時下沉，則理論配置6套。

②除土

沉井內(nèi)土方采用水力開挖，按照：井格內(nèi)→隔墻下→井周邊的順序?qū)ΨQ開挖，每層挖深控制在0.5m以內(nèi)，相鄰井格內(nèi)的土面高差不超過0.5m。

自排閘沉井共3座，每座沉井間間距僅0.82m，距離較小，屬于群井下沉，施工中先將中間沉井下沉50cm后暫停，再同時下沉邊沉井，其下沉深度也是50cm，邊沉井下沉后暫停，再下沉中沉井，依次循環(huán)下沉。在中沉井每次下沉完成后，人工及時回填黃砂至三座沉井之間的空檔，增加相鄰兩座沉井間的密實性，以減緩邊沉井往中間滑動的趨勢。必要時可適當增加沉井之間砂的填筑高度和密實度。

（4）沉井下沉系數(shù)驗算

①沉井刃腳磚模拆除完成，砂墊層未拆除時下沉系數(shù)：K=G/PA

式中：井體自重G=2.45×744+66（鋼筋重量）=1888t；

沉井外墻刃腳踏面及其下面砂墊層下擴散面積之和：

刃腳下土體極限承載力fv取10t（《鋼筋混凝土沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計施工手冊》P26表5-4-2：地基土的極限承載力表——淤泥質(zhì)土極限承載力為100～200kPa，這里按100kPa取值）；

初沉下沉系數(shù)小于1，表明刃腳下磚胎模拆除后沉井不會下沉。砂墊層拆除時要分批對稱拆除，促使沉井開始緩慢下沉。拆除時要加強沉降觀測，防止突沉和不均勻沉降。

②沉井初沉時當外圍井壁刃腳進入土體內(nèi)0.2～0.3m，砂墊層厚度為0時，對沉井的穩(wěn)定最不利，求該工況條件下沉井下沉系數(shù)K。

沉井自重G=1888t；

沉井井壁在砂墊中的摩擦力R1=（22.5+12.2）×2×1.8×4=500t；

井壁與砂墊的摩擦力系數(shù)取為4t/m2；

井壁在土中的摩擦力R2=（22.5×4+10.6×4）×0.25×2.5=82.8t；

因與井壁接觸的土中帶有砂，井壁與土的摩擦力系數(shù)取為2.5t/m2；

當刃腳下的土體發(fā)生剪切破壞時的極限承載力fv=10t；

實際沉井下沉過程中刃腳踏面是不會在淤泥質(zhì)粘土中露出的，沉井支撐于土體的面積為沉井墻的截面投影面積A1=0.8×（22.5×2+10.6×2）=52.96m2。

刃腳下受到土體作用力P1=fv×A1=10×52.96=529.6t；

此狀態(tài)下沉井初沉時下沉系數(shù):

表明在此工況下，沉井下沉系數(shù)較大，沉井此時下沉較快，不太穩(wěn)定，要注意沉井內(nèi)對稱挖土，防止沉井傾斜、旋轉(zhuǎn)，造成偏移過大，以后難以糾正。此階段沉井內(nèi)會涌土較多，先用水力沖挖井格中心的土方，沉井也隨之下沉，隨著沉井下沉深度的增加，土體對內(nèi)外井壁的摩阻力會增加，沉井下沉會由快到慢，接近臨界狀態(tài)，沉井即使下沉也會隨著摩擦力的增加，建立新的平衡狀態(tài)，逐步趨于穩(wěn)定。

③沉井終沉時穩(wěn)定性驗算

沉井下沉至設(shè)計標高時，刃腳及隔墻底部進入④土層，沉井座落在④土層上，沉井制作基面 =-2.0m，沉井設(shè)計頂高程 =-2.9m，設(shè)計底高程 =-12.5m，沉井在下沉過程中，井口外側(cè)的土方會隨沉井的下沉而塌陷形成類似漏斗狀斜坡，井口和土面基本相平，④土層土體容許承載力f3為19.0t/m2，沉井在摩阻力、刃腳、隔墻下土體支撐力的作用下能否處于平穩(wěn)狀態(tài)至關(guān)重要，驗算此狀態(tài)下沉井的下沉系數(shù)K。

考慮井外壁摩阻力的作用力平均取f=2t/m2，井外壁摩阻力：

刃腳受至④土層的支撐力：

則沉井克服摩阻力時下沉系數(shù)：

計算結(jié)果表明：沉井終沉后將處于穩(wěn)定狀態(tài)。

（5）沉井糾偏

沉井下沉的過程即是一個不斷糾偏的過程，針對下沉過程中出現(xiàn)偏位的糾偏措施有：偏除土（偏沉），這是本工程使用的主要糾偏措施；井外射水；增加土壓、偏心壓重或井外減載。

采取對稱除土，控制每層除土的厚度不大于50cm，盡量使沉井均勻下沉，以達到減小下沉偏差的目的，降低糾偏工作量。

群井下沉，相互間的影響較為明顯，且沉井群有向中間靠攏的趨勢，兩個邊沉井由于兩側(cè)承受土壓力，下沉過程中極易向中間偏移。下沉過程中沉井群始終保持中間沉井和兩個邊沉井分兩組階梯、循環(huán)下沉，將邊沉井有意識向兩側(cè)糾正。沉井間用限位木方和填砂控制相互間的間距，以抵消下沉過程中向中間的偏移。

沉井下沉過程中不斷進行糾偏，以減小累計偏差，降低糾偏的難度，本工程以偏沉的方法做為主要糾偏措施，在偏差稍大時輔以井外射水及井外挖土減載，減小土壓力的差別，利于沉井的糾偏。

（6）終沉、擴大刃腳、回填及防滲圍封

當沉井下沉至距設(shè)計高程2m時，進入終沉狀態(tài)，此時盡可能調(diào)平井體，加強對下沉的觀察，控制下沉速度，調(diào)整井格內(nèi)的土面高度，使其盡量保持在同一平面內(nèi)，保證沉井平穩(wěn)就位。預留10～15cm的自沉量，使其慢慢穩(wěn)定。加強觀測，并作好記錄，特別是沉降觀測，在連續(xù)8小時內(nèi)沉降量不大于10mm，即可對刃腳進行擴大，擴大刃腳混凝土達到一定強度后方可進行井內(nèi)回填。

回填前盡量排干積水，自排閘沉井先回填1m厚細砂，再回填土至沉井頂。砂回填采用和沉井砂墊層同樣的方法振搗密實，井內(nèi)土方回填由挖掘機按層將土方挖甩到沉井內(nèi)，人工整平，震動夯壓實。井間微膨脹混凝土回填前需將井間積水和淤泥清除干凈后方可進行澆筑，相鄰沉井間土體挖除換填微膨脹混凝土后，在每座沉井間套打旋噴樁加固封閉

中水淮河規(guī)劃設(shè)計研究有限公司 233000）