淺談高地下水位沉井施工關(guān)鍵技術(shù)與質(zhì)量控制

黃 從 鋼

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都　610081)

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淺談高地下水位沉井施工關(guān)鍵技術(shù)與質(zhì)量控制

黃 從 鋼

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都610081)

摘要：以南水北調(diào)中線工程潮河二標(biāo)項目17#泵站為實例，闡述了在軟土、高地下水情況下進(jìn)行井筒式沉井施工的工藝過程及質(zhì)量控制要點，通過該施工技術(shù)的運(yùn)用，達(dá)到了減小地下水位和渠堤交叉施工干擾、加快施工進(jìn)度、降低施工成本、確保工程質(zhì)量的目的，對其他類似工程施工具有一定的參考意義。

關(guān)鍵詞：高地下水位；沉井；監(jiān)測；預(yù)防；處理；南水北調(diào)

1工程概述

南水北調(diào)中線一期工程總干渠潮河段第二施工標(biāo)段長度為4.4 km，地域上屬于河南省鄭州市的新鄭市。標(biāo)段內(nèi)共有各種建筑物9座。施工渠段共布置了16#、17#、18#三座排水泵站，其中17#泵站為井筒式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，井筒內(nèi)為1井4泵，用于渠道運(yùn)行和檢修時排水。井筒為C25鋼筋混凝土，井筒平面呈圓形，內(nèi)徑6.2 m，壁厚0.6 m，沉井施工高度為9.855 m。

2工程地質(zhì)特點及施工難點

沉井所在位置的地層主要由黃土狀輕壤土、粉細(xì)砂、砂壤土構(gòu)成，以黃土狀輕壤土為主，孔隙發(fā)育，具備地下水賦存的良好條件，總體上屬中強(qiáng)透水性，地下水位埋深為1.5～2.3 m。

在沉井施工時，有可能發(fā)生沉井傾斜、偏移、下沉過快、過慢或停沉、流砂或補(bǔ)給水量很大而排水困難等情況。在施工過程中，如何采取有效措施預(yù)防類似情況發(fā)生是施工過程控制中的重中之重。

3沉井結(jié)構(gòu)及施工特點

沉井是一種在地面上制作、通過取除井內(nèi)土體使之沉到地下某一深度的井體結(jié)構(gòu)，不但可以作為地下結(jié)構(gòu)的外殼部分，而且在挖土下沉的過程中作開挖支護(hù)。與設(shè)置支護(hù)的大開挖方法相比，省去了開挖支護(hù)的費(fèi)用。在地下水豐富的地區(qū)，大開挖方法的降水措施需花費(fèi)大量的人力和物力，而沉井施工方法則因可以采用水下挖土及水下封底等技術(shù)而節(jié)省降排水費(fèi)用。

該工程沉井施工分6節(jié)澆筑，3次下沉，每節(jié)澆筑高度均為1.5 m，下沉9.855 m后封底。井口高程以下盡量采用長臂反鏟除土，如長臂反鏟無法滿足施工要求，則采用16 t汽車吊配合人工除土。

4沉井施工工藝及流程

施工過程主要包括施工準(zhǔn)備、沉井制作、沉井下沉、監(jiān)測控制、沉井封底等工藝。

4.1施工準(zhǔn)備

施工前的準(zhǔn)備包括場地平整、臨時設(shè)施搭建、風(fēng)水電供應(yīng)、施工方案編制、地質(zhì)勘探、測量控制網(wǎng)布設(shè)等。其中重點在于地質(zhì)勘探和施工方案的編制與審批。該工程在開工前，對潮河段現(xiàn)場進(jìn)行了補(bǔ)充水文地質(zhì)抽水試驗，通過對水文地質(zhì)試驗成果進(jìn)行分析后認(rèn)為：潮河段砂性土的滲透系數(shù)K值范圍為1.12×10-4～1.77×10-2cm/s，絕大部分屬中等透水，其量級以10-3cm/s為主，該補(bǔ)充水文地質(zhì)試驗通過了河南省南水北調(diào)中線建設(shè)管理局組織召開的專家咨詢會，成果報告提交至河南省南水北調(diào)中線建設(shè)管理局及設(shè)計公司。施工方案按程序嚴(yán)格審批。

施工前的井點降水：根據(jù)該工程現(xiàn)場實際情況，在沉井上下游位置各布置兩口口徑為0.4 m、深25 m的降水井，降水井距沉井中心15 m，沉井右側(cè)兩口井距二級邊坡2 m左右，左側(cè)兩口井距二級邊坡14 m左右。

4.2沉井制作

沉井制作的施工流程為：場地平整→測量放線→井點降水→開挖基坑→刃腳墊架搭設(shè)→沉井澆筑→拆除刃腳墊架→沉井下沉封底→澆筑底板混凝土→井內(nèi)梁、板、頂板及輔助設(shè)施施工。

刃腳墊架搭設(shè)：人工清理基面，沉井范圍內(nèi)建基面平整灑水并壓實。以沉井外圓弧為邊界向內(nèi)澆筑厚10 cm，寬70 cm素混凝土墊層，墊層呈圓環(huán)形，素混凝土墊層上面整平。在素混凝土墊層上砌磚支座，用做沉井刃腳的斜面模板。磚支座采用青磚砌筑，斜面用砂漿找平。綁扎第一節(jié)井筒鋼筋，立模板。井筒內(nèi)外搭設(shè)腳手架。注意在對拉拉桿中間設(shè)止水鋼板。澆筑第一節(jié)沉井混凝土。注意沉井應(yīng)對稱均勻上升，每層澆筑厚度為30 cm，不可上升過快，避免模板脹模。待第一節(jié)井筒混凝土終凝后，綁扎第二節(jié)井筒鋼筋，立模板，搭腳手架。待第一節(jié)井筒混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度的100%后方可開始下沉施工。

4.3沉井下沉

該工程沉井分3次下沉，第一次下沉1.5 m，第二次下沉4.5 m，第三次將剩余部分下沉。采用16 t汽車吊配合人工除土。沉井下沉前要求混凝土達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度，下沉前，在沉井四周的地面上設(shè)置縱橫十字中心控制線、水準(zhǔn)點進(jìn)行沉井平面位置、標(biāo)高的控制。

沉井下沉必須分層、對稱、均勻地進(jìn)行。一般從沉井中間開始逐漸挖向四周，每層高40～50 cm，沿刃腳周圍保留1 m左右寬的土埂，最后挖除刃腳周圍的土埂，采用16 t汽車吊配合人工除土。刃腳周圍土埂挖除時，沿沉井井壁每2 m一段向刃腳方向逐層、對稱、均勻地削薄土層，每次削10 cm左右，當(dāng)土層經(jīng)不住刃腳的擠壓而破碎，沉井在自重作用下垂直擠土下沉。

下沉過程中的刃腳高差控制。刃腳高差鍋底的形成和移動均比較直觀，根據(jù)高差的大小可以有效改變鍋底大小、深淺和平面位置，以此來達(dá)到對刃腳高差的控制。通過控制刃腳高差也可以控制沉降平面的位移。

沉井下沉速度控制。一般來說，刃腳高差不大時(在水平間距的0.5%以內(nèi))，沉井的下沉速度越快越好；下沉速度以均勻為宜；在宜引起涌沙土層中下沉?xí)r越快越好。

4.4監(jiān)測控制

沉井位置標(biāo)高的控制是在沉井外部地面及井壁頂部四周設(shè)置縱橫十字中心控制線、 水準(zhǔn)基點，以控制平面位置及標(biāo)高。垂直度控制使用經(jīng)緯儀及吊掛線墜進(jìn)行。下沉的控制是沿沉井四周設(shè)置水平線，用水準(zhǔn)儀觀測下沉。要求在沉井下沉過程中加強(qiáng)平面位置、垂直度和標(biāo)高的觀測，每班至少兩次，接近設(shè)計標(biāo)高時，應(yīng)增加觀測次數(shù)，以防超過并由專人記錄，如發(fā)現(xiàn)傾斜、位移和扭轉(zhuǎn)，應(yīng)及時采取措施進(jìn)行糾偏。

監(jiān)測記錄注意事項：在沉井下沉前，將沉井各角點處的高程及沉井軸線放樣并做好標(biāo)記，記錄原始數(shù)據(jù)，繪制測量監(jiān)控平面圖，計算下沉的具體高度；首沉階段，每30 min觀測一次并記錄數(shù)據(jù)，匯總到監(jiān)控小組，及時計算偏差情況，確定沖沉部位及沖沉速度等；中沉階段，進(jìn)入正常下沉，每2 h 測量一次；最后下沉階段，增加觀測頻率，每30 min觀測一次；終沉階段最后2 m范圍要減少鍋底的開挖深度，防止突沉或超沉事故的發(fā)生，以下沉為輔，糾偏為主；沉井的對角高差不超過15 cm，沉速8 h不超過1 cm時認(rèn)為其已趨穩(wěn)定。

4.5沉井封底

封底前，先將刃腳處新舊混凝土接觸面沖洗干凈和打毛，對井底進(jìn)行修整。封底時，在沉井井底基面上澆筑一層10 cm厚的素混凝土，最后澆筑底板鋼筋混凝土。混凝土澆筑須分層、不間斷進(jìn)行，由四周向中央推進(jìn)，振搗密實。

5沉井施工常見問題的預(yù)防及處理

5.1沉井傾斜

原因分析：沉井刃腳下的土軟硬不均勻；沒有對稱地抽除承墊木或沒有及時回填夯實，井外四周的回填土夯實不均勻；沒有均勻挖土使井內(nèi)土面高差懸殊；刃腳下掏空過多，沉井突然下沉，易產(chǎn)生傾斜；刃腳一側(cè)被障礙物擱住，未及時發(fā)現(xiàn)和處理；排水開挖時，井內(nèi)涌砂；井外棄土或堆物，井上附加荷重分布不均勻，造成對井壁的偏壓。

預(yù)防措施及處理方法：加強(qiáng)下沉過程中的觀測和資料分析，發(fā)現(xiàn)傾斜及時糾正；對稱、均勻抽出承墊木，及時用砂或砂礫回填夯實；在刃腳高的一側(cè)加強(qiáng)取土，低的一側(cè)少挖或不挖土，待正位后再均勻分層取土；在刃腳較低的一側(cè)適當(dāng)回填砂石或石塊，延緩下沉速度。

5.2沉井偏移

原因分析：大多是由于傾斜引起，當(dāng)發(fā)生傾斜和糾正傾斜時，井身常向傾斜一側(cè)下部產(chǎn)生一個較大壓力，因而伴隨產(chǎn)生一定的位移，位移的大小隨土質(zhì)情況及向一邊傾斜的次數(shù)而定；測量定位發(fā)生差錯。

預(yù)防措施及處理方法：控制沉井不再向偏移方向偏移；有意使沉井向偏位的相反方向傾斜，當(dāng)幾次傾斜糾正后，即可恢復(fù)到正確位置或有意使沉井向偏位的一方傾斜，然后沿傾斜方向下沉，直至刃腳處中心線與設(shè)計中線位置相吻合或接近時再將傾斜糾正；加強(qiáng)測量的檢查復(fù)核工作。

5.3沉井下沉過快

原因分析：遇軟弱土層時土的耐壓強(qiáng)度小，使下沉速度超過挖土速度；長期抽水或因砂的流動，使井壁與土之間的摩阻力減少；沉井外部土體液化。

預(yù)防措施及處理方法：重新調(diào)整挖土；在刃腳下不挖或部分不挖土；將排水法下沉改為不排水法下沉，以增加浮力；在沉井外壁與土壁間填粗糙材料，或?qū)⒕餐獾耐梁粚崳栽黾幽ψ枇Γ蝗绯辆獠康耐烈夯l(fā)生虛坑時，可填碎石進(jìn)行處理。

5.4沉井下沉極慢或停沉

原因分析：井壁與土壁間的摩阻力過大；沉井自重不夠，下沉系數(shù)過小；遇有障礙物。

預(yù)防措施及處理方法：繼續(xù)澆灌混凝土以增加自重或在井頂均勻加荷重；挖除刃腳下的土或在井內(nèi)繼續(xù)進(jìn)行第二層“鍋底”狀破土；用小型藥包爆破震動，但刃腳下挖空宜小，藥量不宜大于0.1 kg，刃腳應(yīng)用草墊等防護(hù)；清除障礙物。

5.5發(fā)生流砂

原因分析：井內(nèi)“鍋底”開挖過深，井外松散土涌入井內(nèi)；井內(nèi)表面排水后，井外地下水動力將土壓入井內(nèi)。

預(yù)防措施及處理方法：采用排水法下沉，水頭宜控制在1.5～2 m；挖土避免在刃腳下掏挖，以防流砂大量涌入，中間挖土不宜挖成“鍋底”形；穿過流砂層應(yīng)快速，最好加荷，使沉井刃腳切入土層；采用井點降低地下水位，防止井內(nèi)流淤，井點可設(shè)置在井外或井內(nèi)。采用不排水法下沉沉井，保證井內(nèi)水位高于井外水位，以避免涌入流砂。

5.6沉井下沉遇障礙物

原因分析：沉井下沉局部遇孤石、大塊卵石、地下暗道、溝槽、管線、鋼筋、木樁、樹根等造成沉井?dāng)R置、懸掛。

預(yù)防措施及處理方法：遇較小孤石時，可將四周土掏空后取出；遇較大孤石或大塊石、地下暗道、溝槽等時，可用風(fēng)動工具或用松動爆破方法將其破碎成小塊取出，炮孔距刃腳不少于500 mm，其方向須與刃腳斜面平行；藥量不得超過0.2 kg并設(shè)鋼板防護(hù),不得裸露爆破；鋼管、鋼筋、型鋼等可用氧氣燒斷后取出；木樁、樹根等可拔出。

5.7沉井下沉到設(shè)計深度遇傾斜巖面而造成封底困難

原因分析：地質(zhì)構(gòu)造不均，沉井刃腳部分落在巖層上，部分落在較軟土層上，封底后造成沉井下沉不均，產(chǎn)生傾斜。

預(yù)防措施及處理方法：應(yīng)使沉井大部分落在巖層上，其余未落到巖層部分，若土層穩(wěn)定不向內(nèi)崩塌，可進(jìn)行封底；若井外土易向內(nèi)坍塌，則可不排水，由潛水工一面挖土，一面用裝有水泥砂漿或混凝土的麻袋堵塞缺口，堵完后，再清除浮渣，進(jìn)行封底，井底巖層的傾斜面應(yīng)適當(dāng)做成臺階。

5.8沉井下沉?xí)r遇到硬質(zhì)土層

原因分析：遇厚薄不等的黃砂膠結(jié)層，質(zhì)地堅硬，開挖困難。

預(yù)防措施及處理方法：排水下沉?xí)r，可用人力將鐵釬打入土中向上撬動、取出，或用鐵稿、鋤開挖，必要時可爆破成碎塊取出。

5.9沉井超沉與欠沉

原因分析：沉井封底時下沉尚未穩(wěn)定；測量有差錯。

預(yù)防措施及處理方法：當(dāng)沉井下沉至距設(shè)計標(biāo)高以上1.5～2 m的終沉階段時,應(yīng)加強(qiáng)下沉觀測,待8 h的累計下沉量不大于8 mm時,沉井趨于穩(wěn)定,方可進(jìn)行封底工作；加強(qiáng)測量工作，對測量標(biāo)志應(yīng)加固校核，測量數(shù)據(jù)須準(zhǔn)確無誤。

6結(jié)語

通過該工程的實施，為高地下水位沉井施工積累了經(jīng)驗，通過對沉井施工過程的監(jiān)控，有效地預(yù)防了高地下水位沉井施工容易發(fā)生的傾斜、偏移、流砂等問題，沉井施工質(zhì)量得到了較好的控制，可為類似工程提供參考。

黃從鋼(1982-)，男，四川成都人，工程師，水利部造價工程師，從事水利水電、鐵路、市政工程技術(shù)與管理工作.

(責(zé)任編輯：李燕輝)

收稿日期:2015-10-20

文章編號:1001-2184(2015)06-0040-03

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B

中圖分類號:TV52;TV523

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