淺談沉井泥漿護壁施工機理

仇黨見 蔡成煥 范力元

中國建筑第四工程局有限公司土木公司市政分公司清遠市政路項目部 廣東清遠 511500

1 工程概況

沉井在市政工程中應用廣泛，常用于取水構筑物、排水泵站、大型集水井、盾構和頂管工作井等工程。技術上比較穩妥可靠，挖土量少，對鄰近建筑物的影響比較小，沉井基礎埋置較深，穩定性好，能支承較大的荷載。

清遠市職教一路道路工程，頂管施工包括7個沉井（3個工作井，4個接收井）；現場施工地質和地勘報告基本符合，及開挖下沉2米左右即為卵石層；在正常除土下沉3-4米左右時出現井外塌方，無法正常下沉的情況；通過學習各方面知識，并綜合考慮現場實際情況，采用泥漿護壁施工方案實現順利下沉，可進行下道工序[1]。

2 工程地質

根據地勘報告與現場已施工部位實際情況得知，沉井施工深度范圍內，地面標高1-2米范圍內為由根植土或雜填土組成，其余主要由卵石、礫砂組成，部分夾雜粘性土或碎石。卵石含量70%-80%左右，粒徑2-35cm不等。地下水位深度為地面下2米左右。根據地質情況可得知在土體受到擾動后，流動性大易出現坍塌現象。

3 泥漿護壁施工工藝原理

3.1 沉井下沉系驗算

（1）沉井下沉計算包括沉降系數計算，刃腳踏面及斜面下肢反力檢算，隔墻支反力計算（有中隔墻沉井），沉井井壁摩阻力計算，沉井穩定計算（浮運沉井），下沉穩定系數計算等。

（2）沉井刃腳檢算，刃腳檢算根據刃腳在水平和豎直兩個方向的作用力進行荷載分配和計算。

（3）依據不排水下沉系數k=1．05-1．25對沉井下沉系數進行驗算，驗證護壁泥漿減少的摩擦阻力是否滿足沉井下沉的條件。以W216圓形工作為例，已施工4節，下沉3節，每節1．5米高，內徑7米，壁厚0．45米，計算沉井自重下沉系數k的公式及受力簡圖如下：

K=（Q-B）/（T+R）=（Q-B）/[πD（H-1．5）f+R]

式中：Q沉井自重及附加荷載（KN），Q=3．14×（7+0．45+0．45）×6×0．45×9．8=656KN；

B：被井壁排開的水重（KN），取值為0；

T：沉井與地基土間的摩擦力（KN）；

R：刃腳反力（KN），刃腳取土時取值為0；

R=7．9×0．45×3．14×5；

D：沉井外徑（m），D=7+0．45+0．45=7．9m；

H：沉井高度（m），H=4×1．5=4．5m；

F：側壁與泥漿摩阻力，取值f=5KN；

代 入 式 中， 可 得 K=（16409-0）/[3．14×7．9×（6-1．5）×5）]=1．175

依據《頂管施工技術規范》（中鐵大橋局出版）下沉系數K取值范圍為1．05-1．25，可得采用泥漿護壁后沉井可以順利下沉。

3.2 泥漿護壁機理

（1）泥漿機理分析。護壁泥漿應具有一定的穩定性、流動性和一定的密度。護壁泥漿種類通常有膨潤土泥漿、聚合物泥漿、CMC泥漿和鹽水泥漿等。目前，工程中大量使用的是膨潤土泥漿，遇水顯著膨脹，粘聚性和可塑性都很大的材料。

（2）泥漿形成機理。膨潤土泥漿的主要成分是蒙脫石，具有觸變性、濕脹性和膠體性；膨潤土和水混合后，由于膨潤土的膨脹而粘度增大，在靜置狀態下，膨潤土懸浮液流動性變小，但重新攪動后，又會恢復原來的觸變性。膨潤土加清水混合后，產生顯著的濕脹。膨潤土顆粒在水中就變成一種帶負電荷的膠體，從而使膨潤土顆粒處于懸浮狀態，即形成護壁泥漿[2]。

（3）泥漿護壁機理。由于泥漿具有一定的比重，當槽內泥漿液面高程大于地下水位高程，泥漿就會對沉井壁產生一定靜水壓力，該壓力可抵抗作用在槽壁上的側向土壓力和水壓力，相當于一種液體支撐，可以防止井外土坍塌和剝離；由于泥漿會向土層中滲透，地下水也會向槽壁內滲透，雙方相互滲透，在槽壁上會形成一層透水性很低的泥皮，從而使泥漿的靜水壓力直接作用在槽壁上，起到防止槽壁剝落的作用。另外，泥漿還從井壁表面向土層內滲透，待滲透到一定范圍，泥漿就粘附在土顆粒上。這種粘附作用減少槽壁的透水性，也可防止槽壁坍塌。

（4）泥漿作用。在泥漿有效護壁的作用下，可以減小地質對沉井壁的摩阻力。泥漿在槽壁上形成的泥皮可以有效地防止槽壁坍塌。

4 操作要點

4.1 泥漿制備

（1）選用的泥漿原料及配合比，應保證泥漿具有良好的穩定性、流動性、固壁性和觸變性。泥漿配合比和泥漿性能各項指標應符合施工規范要求。

（2）壓漿管路應暢通無阻。壓漿管的射口處應設置防護，射出的泥漿不得直接沖刷土壁。

（3）井底置于土層的泥漿套沉井，應根據泥漿套實際效果及地層情況，提前減緩壓入泥漿的速度。

4.2 壓漿：孔道的設置可分為內管法和外管法

（1）內管法（a）：厚壁沉井可使用內管法，即壓漿管設置在井壁內，也可提前在井壁預留管孔。預留管孔可以用纏有鉛絲的舊膠管，內穿圓鋼芯在井壁預制孔道，灌澆混凝土終凝前，將膠管提起50cm左右，待1-2d后，拔出膠管即形成了壓漿管道。

（2）外管法（b）：薄壁沉井可采用外管法，外管法分為井外管和井內外管，即壓漿管可置于井壁內側或外側。井外管法是將壓漿管順井壁外側直插入泥漿套內進行壓漿。井內外管法是將壓漿管從井孔內插在接近沉井臺階高度處，穿過井壁將壓漿管出口引至泥漿套內。壓漿管的直徑為50mm左右，間距3～4m左右，方向與井壁成45°為宜。

5 質量控制措施

5.1 泥漿制備

按照規范要求制備符合要求的泥漿是確保順利下沉的關鍵工序

5.2 沉井下沉

下沉前混凝土強度必須達到圖紙要求強度，并清除井內雜物；底節沉井下沉初期沉降系數大，應從中間開始向刃腳處均勻對稱取土，防止沉井傾斜；沉井應連續下沉，減少中間停頓時間，做好下沉記錄，隨時分析土層與沉井重量的關系。下沉時，應隨時調整沉井的傾斜和位移，控制井內取土深度和井孔間的土面高差。在透水性好的土層中，應保持井內水位高于井外水位，防止大量翻砂。

5.3 下沉觀測

井筒下沉過程中可能出現傾斜、位移等現象，為了及時發現問題，并隨時加以糾正，必須在下沉過程中嚴密地進行觀測檢查，以防偏斜過大而造成糾偏困難。對沉井觀測可分井內觀測和井外觀測兩種[3]。

5.4 井外觀測

可以從設置在井壁四周的水平標尺測定，為使水平標尺讀數不受到井筒下沉引起的沉井四周土壤不均勻沉降的影響，應將水平標尺設置于距井33．5米的位置（如圖所示），各水平標尺尺寸上線標高值均應相同，并在水平標尺相對應的的井筒外壁上劃定統一的豎直標尺數字，這樣根據各處水平標尺指的豎直標尺讀數就可得出沉井軸線的傾斜角度，也可按兩次的讀數差，得知沉井下沉距離，水平標尺應用水平儀測放并經常進行復核，井外觀測可每隔1小時進行一次并做好讀數記錄。

5.5 糾偏

（1）井取土糾偏，由于挖土速度不均勻，引起井筒軸線傾斜的多采用挖土法糾偏。 即下沉多的地點少挖土，下沉少的地點多挖土，其沉井傾斜從而得到糾正。

（2）井頂施加水平力糾偏頂部施加水平力的方法，在井頂設置斜撐固定于基坑內枕木上，在沉井內取土。

（3）位移糾正措施一般是有意使沉井向位移相反方向傾斜，再沿傾斜方向下沉，至刃腳中心與設計中心位置吻合時， 再糾正傾斜，因糾正傾斜重力作用[4]。

6 結語

清遠市職教一路沉井施工中，本著設計圖紙要求，項目部綜合考慮了各種助沉措施和適用的條件：①直臂挖掘機挖土過程中會帶有少量水，可往井內注水或者使用抓斗挖掘機進行挖土，進而滿足不排水下沉的施工工藝要求；②鋼板樁支護止水（卵石層鋼板樁施工難度大，不可采用）；③高壓射水出去刃角處阻礙卵石；④上部結構允許的情況下增加配重或者接高沉井，可以達到增加自身重力的效果；⑤現場地址允許的情況下使用泥漿助沉；最終結合現場施工條件，項目部選用了試用泥漿助沉的辦法，望給后期施工中遇到類似地質施工條件提供參考。