淺談水利工程沉井施工技術(shù)及質(zhì)量控制

王霜　汪洋　韓碩

【摘要】沉井施工技術(shù)是水利工程中常見的深基礎(chǔ)構(gòu)筑物施工方法之一，具有整體性強(qiáng)、穩(wěn)定性好、土方開挖量少、對臨近建筑物影響性較小等特點。既是基礎(chǔ)又是施工時的擋土擋水結(jié)構(gòu)物，本文結(jié)合實際工程案例，對水利工程沉井施工技術(shù)措施進(jìn)行分析， 為類似工程提供借鑒。

【關(guān)鍵詞】沉井；施工技術(shù)

1、工程概況

某水利頂管工程兩端設(shè)有2座沉井，其中下游頂管工作井平面尺寸為13m*18m，刃腳底高程為▽-19.1m，沉井頂標(biāo)高▽7.0m，沉井壁厚為1000mm～1500mm，底板厚1500mm；上游頂管接收井平面尺寸為8.9*17.2m，刃腳底高程為▽-19.1m，沉井頂標(biāo)高▽7.0m，沉井壁厚為1000mm～1200mm，底板厚1500mm。

1.1 地質(zhì)，建筑物地基土體工程地質(zhì)特征及巖土層分布特征自上而下分別描述如下：

1層：填土（Q4ml）。以灰黃色粘性土為主，夾植物根莖，局部含少量的碎石和螺殼。層厚1.00～6.00m，層底標(biāo)高為-1.66～2.66m。

2層：粉質(zhì)粘土（Q3al）。灰黃色，暗黃色，可塑～硬塑狀，含氧化鐵，混鐵錳結(jié)核和礓結(jié)石（含量10-20%），有光澤，無搖震反應(yīng)，干強(qiáng)度及韌性高。層厚1.50～4.60m，層底標(biāo)高為-3.76～-1.98m。

3層：重粉質(zhì)壤土（Q3al）。暗黃色，黃色，可塑狀，局部稍軟，含氧化鐵，混鐵錳結(jié)核和礓結(jié)石（含量5-15%），稍有光澤，無搖震反應(yīng)，干強(qiáng)度及韌性高。層厚2.40～6.10m，層底標(biāo)高為-9.65～-5.05m。

4層：粉質(zhì)粘土（Q3al）。灰黃色，暗黃色，可塑～硬塑狀，含氧化鐵，混鐵錳結(jié)核和礓結(jié)石（含量10-30%），有光澤，無搖震反應(yīng)，干強(qiáng)度及韌性高。層厚7.20～11.40m，層底標(biāo)高為-18.65～-16.03m。

5層：重粉質(zhì)壤土夾砂壤土薄層（Q3al）。暗黃色，黃色，可塑狀，含氧化鐵，混鐵錳結(jié)核和礓結(jié)石（含量5-10%），稍有光澤，無搖震反應(yīng)，干強(qiáng)度及韌性高。層厚2.20～5.30m，層底標(biāo)高為-21.33～-19.36m。

6層：重粘土或粘土（Q3al）。暗黃色，黃色，硬塑狀，含氧化鐵，混鐵錳結(jié)核和礓結(jié)石（含量20-40%），有光澤，無搖震反應(yīng)，干強(qiáng)度及韌性高。最大孔深40.5m未揭穿該層。

沉井基礎(chǔ)位于5層重粉質(zhì)壤土，壓縮性較低，無軟弱下臥層，為本工程良好的天然地基持力層。

1.2 地下水

本工程勘察深度內(nèi)，沉井處的地下水主要類型為潛水和微承壓水，鉆探期間的潛水水位為1.5m。潛水主要接受大氣降水、農(nóng)田灌溉及附近河流側(cè)滲補(bǔ)給，主要排泄于自然蒸發(fā)，微承壓水主要賦存于5層重粉質(zhì)壤土中，承壓水位一般不超過潛水位。

2、沉井施工流程

沉井的施工主要包括沉井結(jié)構(gòu)制作與井體沉放兩部分。本工程工作井及接收井均采用二次制作、一次下沉、一次接高（蓋板頂梁）的施工工藝。

2.1 沉井制作分層

第一節(jié)從-19.1m到-8.1m，制作高度為11m；

第二節(jié)從-8.1m到2.8m，制作高度為10.9m；

第三節(jié)從2.8m到7.0m，接高為4.2m；

一次下沉至設(shè)計刃腳標(biāo)高，下沉深度為22m。

2.2 沉井刃腳制作高程確定：

根據(jù)地質(zhì)鉆探成果，工作井部位土層為填土、粉質(zhì)粘土和粘土，該土質(zhì)工程力學(xué)強(qiáng)度高，滿足地基承載力要求，綜合考慮各層土的埋深和地基允許承載力，計劃在土方挖至▽0.0m處，回填2m厚砂墊層后，再澆筑20cm厚C20混凝土墊層后開始制作，其中刃腳踏面高程▽2.2m。

本工程作為沉井制作的下臥層的②層土，夯實后工程力學(xué)強(qiáng)度較高，經(jīng)計算，能夠滿足工作井沉井制作穩(wěn)定的要求。

3、主要施工技術(shù)

3.1 沉井砂墊層及磚胎模

3.1.1 沉井砂墊層厚度確定

沉井計劃分兩節(jié)制作，一次下沉，一次接高。

根據(jù)計算，沉井第一節(jié)重2560噸，第二節(jié)重1736噸，兩節(jié)總重4296噸。

刃腳踏面為滿足擴(kuò)散應(yīng)力要求采用混凝土墊層擴(kuò)大刃腳踏面。沉井井壁、隔墻下刃腳下設(shè)20cm厚C20混凝土墊層，其中外井壁刃腳下混凝土墊層寬2.6m，中隔墻下混凝土墊層寬2.8m。

3.1.2 砂墊層厚度驗算如下：

根據(jù)地質(zhì)報告，砂墊層底部土質(zhì)為②層粘土，按經(jīng)驗允許承載力不小于18t/m2，砂墊層厚度鋪設(shè)2m。為保證安全，扣除砂墊層和基底土體交界面軟弱層10cm，砂墊層按190cm厚計算校核為宜。本工程采用考慮砂墊層本身附加力的重力的公式計算。

計算公式：P=G/（L+2h*tgθ）+γh；校核條件：P≤f

P—沉井井壁單位長度自重和砂墊層對下臥層的壓力（t）

G—工作井高度為21.9m，每延米重量G=72.6t/m（考慮安全系數(shù)1.15）

L—素混凝土墊層的寬度

h—砂墊層厚度，厚度按2m計算。

θ—砂墊層擴(kuò)散角，一般在40°（偏安全）。

f-下臥層承載力。在制作沉井時，采用極限承載力值。根據(jù)地質(zhì)報告，砂墊層底部土質(zhì)為②層，f=18t/m2。

γ—砂重度取2t/m3。

P=72.6÷（2.6+2×1.9×tg40°）+2×2.0≈16.54t/m2<18t/m2

根據(jù)計算：砂墊層取2m厚滿足第一節(jié)及第二節(jié)沉井制作要求。

3.1.3 沉井砂墊層寬度計算

采用下式進(jìn)行砂墊層寬度的計算

B≥L+2hstanα

式中：b—沉井刃腳踏面的寬度（m），

B—砂墊層底面的寬度（m），

L—混凝土墊的寬度（m）。

B≥2.6+2*2*tan40°=5.96m

故砂墊層的寬度為6m。

3.1.4 沉井砂墊層及胎模施工

砂墊層施工采用中粗砂、分段分層振實，待墊層槽內(nèi)水基本抽干后馬上回填黃砂，每回填30cm厚黃砂振實一次，用振搗器拖振，振搗時要求重疊區(qū)域為1/3，并可適當(dāng)灑水，已密實的砂墊層干容重控制在1.65g/cm3以上。現(xiàn)場砂墊層密實度用釬探法普查，即用長196cm、ф16mm圓鋼，在距砂面約50cm的垂直高度上自由下落，鋼釬頭部沉入砂面層深度≤7cm者為合格。

井下部為刃腳，其支設(shè)方式取決于沉井重量、施工荷載和地基承載力。本工程土質(zhì)較好，采用M5.0水泥砂漿砌MU10預(yù)制混凝土砌塊。

C20素混凝土墊層總寬度2.6m，厚20cm，混凝土砌塊胎模頂面寬10cm。根據(jù)有關(guān)規(guī)范要求立模、振搗、養(yǎng)護(hù)，素混凝土地坪標(biāo)高必須準(zhǔn)確，由測量找平、復(fù)測，相對高差值不大于±5mm。

4、沉井鋼筋混凝土施工

沉井的鋼筋混凝土施工和一般建筑物施工相類似， 本文不再贅述。

5、沉井下沉

5.1 沉井方案

根據(jù)沉井方式的不同，沉井下沉有排水沉井和不排水沉井兩種。本工程根據(jù)設(shè)計要求及實際情況，采取排水下沉措施。采用排水下沉，土方挖掘容易，封底時亦在干燥狀態(tài)下實現(xiàn)，能夠有效地直觀地保證工期及混凝土的澆搗質(zhì)量。

排水下沉是指在沉井井體結(jié)構(gòu)下沉過程中，不斷將井體內(nèi)的土體通過水力機(jī)械或土方挖掘機(jī)挖掘至井外，坑底的土體穩(wěn)定靠自身的強(qiáng)度實現(xiàn)。在沉井下沉施工時，實現(xiàn)水力機(jī)械化，即用高壓射水沖碎土層后，用水力吸泥機(jī)將泥漿及土的碎塊排到井外，使沉井下沉。該施工方法的設(shè)備簡單，效果顯著，并且已經(jīng)積累了不少施工經(jīng)驗。工作井及接收井均采用該方法進(jìn)行沉井下沉，以達(dá)到加快施工進(jìn)度的目的。

5.2 沉井下沉設(shè)備配備

沉井下沉?xí)r所需的水力機(jī)械的套數(shù)由沉井的大小及土方量來定，通常一臺15KW的高壓泵配1臺22KW泥漿泵24小時出土量按100～200立方米計算。泥漿泵的配備可按沉井內(nèi)的井格布置安排，本工程每座沉井內(nèi)可配3臺套泥漿泵沖吸土。

5.3 水力沖吸泥施工方法

沖泥時，可先在沉井中，沖挖出一個直徑約為2.0～2.5米的集泥坑。然后用高壓水槍開拓各個方向通向集泥坑的水溝2～4條。此后，即可向四周開挖鍋底，為了防止沉井突然下沉，引起很大的偏差，以及減少井外土的擾動坍塌等情況，可在沉井四周刃腳旁保留寬0.5～1.0米的土堤。待鍋底開挖完畢后，再逐步均勻地沖挖土堤，第一步先沖洗四角處的土堤，第二步再沖除四周土堤，最后沖除定位點處土堤，使沉井下沉。

根據(jù)工程中實測情況，當(dāng)水壓為6～8公斤/cm2時，高壓水槍沖刷半徑約為6～8米，在此范圍內(nèi)的泥漿一般均可流至集泥坑內(nèi)。

泥漿泵源頭的網(wǎng)罩應(yīng)低于泥漿面約5～10厘米，這樣可以吸入較多的泥漿。

5.4 沉井下沉系數(shù)驗算（以工作井為例）

5.4.1 初沉?xí)r的下沉系數(shù)驗算：

沉井兩次制作后，初沉?xí)r，沉井制作重4296噸。

式中：K—下沉系數(shù)

G—沉井自重

W—水的浮托力，排水下沉初期W=0

R1—井壁下混凝土墊層正投影面積×砂墊層極限承載力極限承載力=138m2×40t/m2=5520t

R2—井壁隔墻下混凝土墊層正投影面積×砂墊層極限承載力極限承載力=41.4m2×40t/m2=1656t

F—井壁與土的磨阻力初期F=0

K=4296/（5520+1656）=0.599

初沉下沉系數(shù)較小，沉井穩(wěn)定，根據(jù)以往施工經(jīng)驗，為了確保沉井下沉速度，沉井下沉?xí)r正常下沉系數(shù)，一般應(yīng)大于1.10-1.25為好，混凝土墊層及磚胎膜采用人工拆除，拆除時遵循平面對稱的原則。拆除時要加強(qiáng)沉降觀測，防止突沉和不均勻沉降。

5.4.2 拆除沉井刃腳下混凝土墊層及磚胎模時下沉系數(shù)驗算：

R1—井壁刃腳正投影面積×砂墊層極限承載力=84.5m2×40t/m2=3380t

R2—隔墻刃腳正投影面積×砂墊層極限承載力=10.5m2×40t/m2=420t

K=4296/（3380+420）=1.13>1

沉井可掏空砂墊層穩(wěn)步下沉。

5.4.3 沉井下沉到位時穩(wěn)定驗算

沉井下沉到位后，此時刃腳已進(jìn)入第⑤層土，地基允許承載力30t/m2

K—下沉系數(shù)

G—第一、二節(jié)沉井自重4296T

W—水的浮托力 排水下沉W=0

R1—井壁刃腳正投影面積×土的容許承載力=84.5m2×30t/m2=2535t

R2—隔墻刃腳正投影面積×土的容許承載力=10.5m2×30t/m2=315t

F—井外壁磨擦阻力=（18*11*2+13*11*2）*1.8+（17*8.1*2+12*8.1*2）*1.0=1833.8t。

根據(jù)類似工程地質(zhì)資料，下節(jié)沉井外壁與土體間的單位摩阻力取18Kpa，上節(jié)沉井因井壁內(nèi)收，單位摩阻力取10Kpa，本沉井終沉?xí)r，

K=4296/（2535+315+1833.8）=0.91<1

K小于1.0，終沉可以穩(wěn)定，注意沉井終沉階段，應(yīng)逐漸減小鍋底深度，甚至采用反鍋底，確保沉井最終穩(wěn)定。

5.4.4 糾偏

下沉過程就是一個不斷糾偏的過程，發(fā)生偏位后采用偏除土的方法進(jìn)行糾偏。采取勤測量勤糾，控制不發(fā)生較大的偏位。

5.4.5 終沉

在距終沉50 cm時放慢下沉速度，調(diào)整沉井狀態(tài)使其基本水平，減少每層取土厚度，加強(qiáng)觀測，使沉井緩慢平衡逐步到位。8小時內(nèi)累計沉降量不超過10mm時即可安排封底混凝土施工。

5.4.6 沉井下沉采取的助沉措施

在下沉過程中，若沉井下沉困難，可在沉井外側(cè)采用觸壁泥漿或空氣膜等方式助沉。觸壁泥漿材料主要采用鈉基彭潤土，純堿等。

5.4.7 下沉過程監(jiān)測

下沉過程中，要進(jìn)行以下方面的監(jiān)測工作：沉井本體監(jiān)測（下沉速度、下沉不均勻、整體位移）沉井四周土體監(jiān)測（下沉、位移）

5.4.7.1 沉井本體監(jiān)測

在沉井井壁四周布置下沉觀測點及觀測軸線，每天觀測井體軸線位移情況，并做好記錄，發(fā)現(xiàn)累計位移超過50mm，要立即采取糾偏措施。

在沉井下沉過程中要做到，刃腳標(biāo)高每班至少測量三次，軸線位移每天測一次，當(dāng)沉井每次下沉穩(wěn)定后進(jìn)行高差和中心位移測量。沉井初沉階段每小時至少測量一次，必要時連續(xù)觀測，及時糾偏，終沉階段每小時至少測量一次，當(dāng)沉井接近設(shè)計標(biāo)高時增加觀測密度。

5.4.7.2 沉井四周土體監(jiān)測

對沉井四周土體定時觀測，發(fā)現(xiàn)裂縫、坍方要及時匯報，立即采取防護(hù)措施。每天觀測四周土體沉降、位移情況，并做好記錄，定時監(jiān)測，及時對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

5.4.7.3 沉井終沉后檢查

a.刃腳平均高程偏差：+0～-20mm；

b.刃腳中心線位移，小于1%H（下沉總深度）

c.四角中任何兩角的頂面高差，小于1%L（兩角距離）且不大于30cm。

6、結(jié)語

沉井施工的核心是將沉井順利下沉到位，在這一過程中需充分考慮影響沉井下沉的各種因素，在下沉階段應(yīng)做好控制、糾偏、監(jiān)測、重視沉井封底施工，確保沉井施工質(zhì)量，為后續(xù)頂管施工提供保障。

參考文獻(xiàn)：

[1] 邱擁軍.大型沉井施工技術(shù)[J].山西建筑， 2008， （8）：162-163.