污水管道工程小型沉井施工技術探討

黃 博

(中交二航局第一工程有限公司，湖北 武漢 430012)

1 項目背景

市政污水管道工程中，結構物埋深逐漸加深，5 m以內結構物基本可采用明挖技術進行，超過5 m以上的結構物明挖施工技術經濟型較差，采用小型沉井施工技術相比較為經濟。本文主要針對市政污水管道工程中埋深超過5 m的污水系統結構物沉井施工技術進行探討。

2 工程概況

2.1 工程簡介

武漢巡司河區域污水管道系統整治工程中，對現狀污水管線進行改造、完善。在現有污水管道系統的基礎上，接長污水管道至泵站，通過泵站輸送污水至污水處理廠，形成完整的污水處理體系。污水管道改造完善工程中，針對其中接入泵站區段進行完善，因接入泵站的底標高在現狀地面下8 m左右，采用沉井施工技術施工污水井結構。

2.2 地質環境

沉井結構區域處于河道周邊，地層主要以粘土層為主。具體地層情況自上至下依次為：人工填土、淤泥質土、粘性土等。沉井施工標高范圍約為+19～+12 m，所處地層均為粘土層，地層特征為灰色、硬塑、飽和狀態等。

2.3 結構設計

沉井結構平面尺寸8 m×5 m。沉井設計頂標高+19.8，設計底標高+11.8，沉井結構高8.0 m。沉井設計壁厚0.5 m，刃腳采用內刃腳結構形式，沉井基礎處于粘土層中，地基承載力特征值不小于80 kPa。沉井結構砼的強度等級為C30、抗滲等級為S6。沉井下沉采用排水下沉、干封底。

3 沉井施工

3.1 沉井預制

沉井預制采用原地分層澆筑成型。預制分3次澆筑，第一次為刃腳結構約2.0 m，刃腳以上井壁結構分兩次澆筑，每次澆筑高度約3.0 m。整體澆筑完成后，再一次下沉到位。沉井預制前，在沉井結構原位處，原地面向下開挖1.5～2.0 m的基坑，形成沉井預制作業面。

3.1.1 沉井預制墊層施工

墊層結構采用砂+砼結構形式，刃腳胎膜采用磚胎膜。

(1)砂墊層結構厚度、寬度驗算：

厚度計算：

P≥G/(B+2Hstanα+2hc)+γsHs

(1)

在公式(1)中：P為砂墊層下地基土的承載力(kN/m2)，取80 kPa；G為沉井下沉前單位長度的重量(kN/m)，取102.25 kN/m(自重2742 kN，周長24 m)；B為韌腳踏面寬度(用了磚胎膜，寬度取0.65 m)；Hc為素混凝土承墊層的厚度(m)，取0.1 m；Hs為砂墊層的厚度(m)；α為砂墊層的壓力擴散角(°)，取30°；γs為砂的重度(kN/m3)，一般為18 kN/m3。

最終計算得砂墊層的厚度為hc=75 cm，取砂墊層的厚度為80 cm。

寬度計算：

L≥B+2Hstanα+2hc

(2)

在公式(2)中：L為砂墊層寬度(m)；B為韌腳踏面寬度(用了磚胎膜，寬度取0.65 m)；hc為混凝土墊的厚度(m)，取0.1 m；Hs為砂墊層的高度(m)。

經計算，砂墊層的寬度：L≥1.8 m

(2)砼墊層結構厚度、寬度驗算：

厚度計算：

混凝土抗剪強度：τ≥(G+G0)2hc

(3)

在公式(3)中：G為沉井沿單位長度的重量(自重2742 kN，周長24 m，G=114.25 kN/m)；G0為施工荷載單位長度的重量(G=2 kN/m)；hc為砼墊層高度。

C15混凝土抗剪強度τ=0.9 MPa，經計算hc=6.4 cm，取10 cm。

寬度計算：

L≥B+2hc

(4)

在公式(4)中：B為韌腳踏面寬度(用了磚胎膜，寬度取0.65 m)，其余各符號說明同上。hc取計算值10 cm，經計算L=85 cm。考慮到兩側預留施工作業寬度影響，L值取85 cm。

3.1.2 沉井預制、接高

(1)預制。沉井預制采用三次澆筑。砼質量采用強度等級C30、抗滲S6等級砼。井壁預制，采用對拉螺桿固定模板，對拉螺桿中間設止水片。鋼筋在鋼筋加工廠加工成型，運輸至現場后綁扎成型。砼采用商品砼，泵送入模工藝。

(2)接高。沉井接高，施工縫處設止水條，確保施工縫處不出現滲漏現象。沉井預留孔處設軟眼并進行臨時封堵。軟眼處設鋼環進行安裝，并焊接牢固，與砼澆筑形成整體。砼結構澆筑成型后，在軟眼處靠沉井外側砌筑磚墻臨時封堵孔洞，并采用砂漿抹面，以承受泥土側壓力，具體如圖1、圖2所示。

圖1 沉井軟眼結構示意(單位：mm)

圖2 沉井軟眼處預埋鋼套環結構示意

(3) 沉井模板。沉井模板采用木模板，內外側設槽10型鋼作為橫向加勁帶，間距0.5 m；鋼管(φ48×3.2 mm)作為豎向加勁帶，間距1.2 m。槽10型鋼加勁帶、鋼管加勁帶均采用雙排結構，便于拉桿端固定。

(4) 模板及混凝土澆筑。模板及混凝土澆筑等操作過程中，均應設置施工平臺，且平臺隨澆筑高度的提高，不斷接高。平臺搭設采用φ48×3.2 mm鋼管桿件搭設雙排腳手架管。外側腳手架以固定式為主，內側腳手架以活動式為主。內腳手架，每次沉井下沉前拆除，砼澆筑時搭設。

3.2 沉井下沉

3.2.1 沉井下沉系數計算

沉井下沉的系數計算，采用計算公式如下：

K=(G+G′-F)/(R1+R2)

(5)

在上面的公式(5)中：G為已澆注沉井的總自重；G′為施工荷載，按2 kN/m2計算；F為水的浮力；R1為刃腳的正面反力，R1=S×Pu；S為與地面接觸的沉井投影面積；Pu為地基的極限承載力。R2為沉井的側壁外摩阻力，R2=∑τi×Ai；τi為地基的極限摩阻力；Ai為沉井進入土體的側壁外接觸面積。

沉井下沉所需的起動下沉系數K不得小于1.05～1.25。

(1)經計算，沉井結構預制成型后，一次下沉的下沉系數為：K=(G+G′-F)/(R1+R2)=1.54>起動下沉系數1.05～1.25，滿足要求。

(2)經計算，沉井下沉至設計底標高后的穩定系數為：K0=GT/(R1+R2)=0.56<1，滿足要求。

3.2.2 沉井下沉

沉井下沉采用抓斗挖機取土，人工配合清理方式，取土下沉基。首先破除胎膜，采用2臺風鎬破碎，人工配合清理。抓斗挖機取土，采用分層、對稱、均勻取土。按照“初期先中間后周邊、后期先周邊后中間”的原則進行基底取土，確保沉井均勻對稱下沉。

3.2.3 沉井止沉

沉井下沉至設計標高后，為了防止出現突沉的現象，刃腳踏面下不得挖除，同時，需在刃腳斜面處回填粗砂、或碎石等，以此增加下沉阻力。在沉井頂部地面處焊接牛腿，牛腿下方支撐方木，以此增加下沉阻力。

3.2.4 沉井封底

在沉井封底過程中，應該采用砼干封底，此小型沉井封底砼數量約20方。封底前，應先進行連續觀測，穩定后方可進行封底施工。封底清基采用人工清理為主，設備配合，需注意的是該過程中嚴禁超挖。清基后，及時驗收基地平面位置、標高、基地地質情況等。封底砼澆筑應連續進行，砼標號與井身結構一致。

3.3 下沉監測

(1)傾斜監測。沉井結構同一標高平面處，對稱設置4個高程監測點，下沉過程中，通過監測4個高程監測點高差，計算沖沉井下沉傾斜角等，便于控制沉井下沉豎向監測。同時，在沉井結構四角處設垂線球，便于隨時觀察沉井下沉傾斜度，具體如圖3所示。

圖3 沉井傾斜控制示意

(2)下沉量、平面位置監測。沉井頂部角點、及軸線位置設觀測點，通過觀測起始數值及沉井過程各數值，計算下沉量，便于控制下沉速度。對觀測數據的計算分析，可了解沉井下沉是否傾斜以及軸線是否偏移等。

(3)監測頻率。下沉監測工作應每班至少監測一次；每次下沉穩定后需及時進行計算分析；終沉時，每小時監測一次；嚴格控制超沉量；沉井封底前，監測自沉速率應小于10 mm/8 h；發生異常情況應加密測量。

4 結語

通過小型沉井施工工藝的實踐驗證，此工藝雖比大型沉井施工工藝有所簡略，但從工程施工角度來說，已能較好的控制小型沉井施工質量，同時安全性、經濟性均有較好的效果。希望此工藝對同類型結構施工能有所借鑒。