大直徑圓形沉井不排水下沉施工技術研究

摘" 要：沉井施工是頂管施工的重要前置工程，以哈爾濱某管線工程為例，介紹沉井制作與沉井下沉2個施工的關鍵步驟，具體為沉井制作中的基坑開挖、基礎處理、砌刃腳磚模和沉井壁制作，沉井下沉中的下沉準備工作、砂石墊層鑿除、沉井下沉、管井降水和沉井封底。最后，對沉井下沉過程中的一些力學性能進行驗算，主要有沉井下沉驗算、沉井下沉穩定性驗算、沉井封底驗算，結果表明，驗算結果均符合相關規范要求，能夠保證施工的順利進行。

關鍵詞：沉井；不排水下沉；計算分析；施工技術；施工步驟

中圖分類號：U443.13+1" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）11-0160-04

Abstract： Caisson construction is an important pre-engineering of pipe jacking construction. Taking a pipeline project in Harbin as an example， this paper introduces two key steps of caisson construction and caisson sinking， including excavation of foundation pit in caisson production， foundation treatment， brick molding of edge foot， preparation of sinking shaft， sand and stone cushion removal， caisson sinking， pipe shaft precipitation and bottom sealing of caisson. Finally， some mechanical properties in the process of caisson sinking are checked， including caisson sinking， caisson sinking stability and caisson bottom sealing. The results show that the checking results are in line with relevant specifications and can ensure the smooth progress of construction.

Keywords： open caisson; sinking without drainage; computational analysis; construction technology; construction steps

沉井技術可在有限作業空間內為工程施工提供干作業環境、設備安裝空間，減少大面積開挖、提高施工效率，目前在大型橋梁基礎、市政給排水管線等行業廣泛應用。吳元昌等[1]結合韓江新城污水處理廠粗格柵及進水泵房工程中的沉井施工實踐，研究了深厚砂質土層中大型沉井助沉施工關鍵技術，為類似工程提供施工參考，具有普遍的技術價值和指導意義。毛成[2]探究了頂管工作井沉井法在案例工程項目中的應用要點，并選取基坑開挖、沉井制作、沉井下沉、下沉糾偏和沉井封底5個關鍵點展開技術分析。蘇進業[3]從頂管工作井及接收井、深井井點降水、沉井下沉施工、泥水平衡式頂管、后座墻施工、進出洞口施工、操作控制系統應用、頂管施工測量和方向控制等幾個方面，總結了沉井施工技術控制要點。蔣凡等[4]研究重點在于沉井基本下沉機理、監控方法、各階段控制重點及分析評估系統。為了實現上述目標，以常泰黃河橋梁主塔沉井基本主體結構為載體，利用BIM科技將傳感器數據分析、三維地面狀況與構造主體加以融入，產品設計并構建一個具備直觀顯示、統計信息關聯、數據分析研究及輔助決定等功用的超大沉井基礎施工監控智能感知網絡系統，以期達到更好的沉井基礎施工控制效果。陳保國等[5]通過構建沉井下降力學模型，推導出沉井下降運動的運動學方程，從而深入探究了沉井下降的運動學特性及其影響機制。本文以近河流大直徑圓形沉井不排水下沉施工技術研究為依托，進行了沉井施工相關研究，并給出了沉井下沉過程中的一些施工計算分析，為類似施工提供了參考經驗。

1" 項目概況

1.1" 項目簡介

阿什河污水處理廠配套管線工程（穿阿什河段污水主干線工程）主要采用頂管法施工，共有豎井4座；豎井采用沉井法施工，編號1#（K0+138） ～4#（K2+733），井深約22.75～34.05 m；2#、4#沉井為頂管施工工作井，1#、3#沉井為頂管施工接收井。沉井結構安全等級為一級，抗震設防分類為重點設防類（乙類），結構設計使用年限為100年，防水等級為二級，結構環境類別為Ⅰ類，環境作用等級Ⅰ-C，地基基礎設計等級甲級，抗浮設計等級甲級。

1.2" 施工重難點分析

該項目沉井施工主要有以下重難點：①模板支架，沉井下沉中后期采用不排水下沉，選擇合適的模板支架工藝是施工重點；②沉井垂直度控制，沉井下沉深度較大，控制沉井垂直度，防止沉井傾斜是施工難點；③沉井難沉，沉井外壁與土之間的摩阻力太大，地基承載力較大，沉井出現難沉現象，影響施工進度，減小沉井周邊側摩阻力是沉井下沉控制的重點。④沉井制作，受工期影響，沉井制作高度較大，對相應地層地基承載力進行受力分析及沉井垂直度控制是施工重點；⑤沉井涌砂，沉井處于較深位置時，井外水位高于井內水位時，刃腳處易發生涌砂現象，對沉井均勻下沉和糾偏產生威脅。沉井開挖防涌砂是基坑開挖的重點。

2" 施工方案設計

在本工程1#、2#、3#、4#沉井施工中，采用了先排水后下沉的方法，并在水下混凝土封底。在前期，使用了長臂挖機進行挖掘，而在后期，則使用了抓斗或沖水吸泥機來完成挖掘工作。1#采用6節制作3次下沉的方式，2#分4節3次下沉，而3#和4#則采用4節制作2次下沉；沉井模板采用竹膠板，次楞采用40 mm×80 mm方木，主楞由2根φ25鋼筋和M16對拉螺栓固定；沉井井壁預埋構件，搭建施工平臺，使用天泵加串筒的方式對沉井進行混凝土澆筑施工。

沉井施工工藝：基坑開挖→基礎處理→砌刃腳磚模→沉井第一節井壁制作→沉井第一次下沉→沉井后節井壁制作→沉井后節下沉→沉井封底→沉井底板施工→頂管→導流槽→蓋板施工。

2.1" 沉井基礎

在沉井制作前，應對地基進行挖掘，其水深為2 m，斜坡為1∶0.5。在地基周圍設有排水溝，并設有集水坑，以加強排水效果。在人工整平基底以后，按照工程設計尺度重新放線固定刃腳基本挖土線，并挖出刃腳基本的溝槽，然后用中小型打夯機具將其扎實，最后分層鋪設500 mm厚的砂土墊板，以確保地基的穩定性。

在經過整平的砂巖表面上，在刃腳處施工5 cm厚的C15混凝土施工墊層，并在其上安裝M10.0水泥攪拌砂漿和MU20鋼筋混凝土實心磚模，以確保刃腳的堅固穩定。基坑開挖基礎示意圖如圖1所示，模板安裝示意圖如圖2所示。

2.2" 沉井井壁

2.2.1" 腳手架搭設

采用雙排型鋼扣件式內外腳手架結構，其縱貫距離為1.2 m，側向距離為1.2 m，步距為1.2 m，架設標高與工作井分節深度相同。外腳手架結構沿沉井井壁四周組成整個框架結構，外側用阻燃安全網密封，內外腳手架結構的作業層均鋪上腳手板，以保證安全操作。腳手架下澆筑10 cm混凝土基墊層。

2.2.2" 模板安裝

施工順序：安裝內模→鋼筋安裝→安裝外模。

采用15 mm厚的竹膠板拼裝而成的模板，根據構件寬度進行精密裁剪，豎向圍檁采用4 cm×8 cm的方木，間隔為0.4 m，橫向圍檁則采用2×18螺紋鋼（HRB400級鋼），沿對拉鋼筋布置間隔為0.4 m。在安裝時，必須確保外模與內模垂直，并使用止水螺栓緊固。螺釘的高低間隙為0.5 m，左右間隙為0.4 m，而且使用φ12圓鋼（HPB235級鋼）制造。

第一節沉井澆筑完成，達到強度后，拆除模板，進行第一次下沉。第一節沉井下沉至井壁頂標高距離基坑底1 m處，然后在進行第二節沉井制作在第一節頂面上的拉桿螺絲上安置第二節內模版，經過校準后，捆綁鋼筋混凝土，然后再安置外模，并穿上拉桿螺絲，最后進行校準，以完成第二節沉井制造模塊的裝配工作。

2.2.3" 鋼筋

在水泥基礎上準確界定每根鋼筋位置，并確保其保護層、間距、定位方向等符合設計圖要求。在捆綁鋼筋位置時，應嚴格按照標示的部位進行，并且要求對號入位。如果鋼筋混凝土部分與安裝孔、預埋件部分碰撞，應按照工程設計文件的要求進行處理。在投入混凝土施工之前，應保證已捆綁完成的骨架不受任何外力的影響，并且不得任意改變其外形，同時井身保護層材料厚薄不得小于30 mm。

2.2.4" 混凝土澆筑

在水泥施工流程中，采用混凝土輸送泵進行施工，以確保水泥的對稱性和均勻分布性，分級厚度范圍為300 mm。在沉井施工流程中，應采取分級循環施工的方式，并密切關注沉降情況，一旦發現不均勻下沉，應及時進行調整，以防止井壁斷裂。采用插進式鼓搗器進行水泥鼓搗時，應使用梅花狀下棒，并且在接入時要確保棒孔不會與鋼筋和模板接觸，下棒之間的間距也不能超過450 mm。在鼓搗流程中，應該迅速接入，慢速拔出，以保證棒孔的平整，并防止撞擊預埋件。在振搗流程中，應保證水泥達到一定的緊實度，但也要遵循一定的原則，即水泥不會沉淀、無泡沫、表面上不會出現泛漿。

2.3" 沉井下沉

在沉降前，應對結構外觀作出全面檢查和評估；確保沉井頂部圍護欄桿和上下通道的布置完成；檢查混凝土的強度分級能否符合要求；確保預留孔洞已被封堵，施工質量符合要求；在井外壁上設置沉降控制點，并標注出其高度，以便在沉降流程中加以監控。在沉井內壁上彈出垂直軸墨線，以確保刃腳水泥硬度達到要求的80%之上，然后開啟鑿除砂土墊板，以避免沉井形成不均勻沉降或沉降量過大而導致偏沉。鑿除流程應當相對、同時、順序推進、先外后內，以確保最終的效果。在刃腳拆除完成后，應立即用原土填補，并在其內外側分層夯實，以確保沉降重量傳遞至墊層，同時要加強對拆除流程的監測。

在下降工藝流程中，首先進行準備工作，然后挖掘土壤并下降，接著在井外降水，并進行下降試驗。不排水的狀況下，繼續降低，直到達到工程設計高度頂端1 m處，調整沉入速率，再次沉至工程設計高度，檢測高度和監視沉降穩定狀態，最后水下封底。

2.3.1" 首次下沉

在沉井第一次澆筑完成后，就開始了首次沉降。這一階段需要專業人員的指揮。初沉時，需要使用長臂挖機或伸縮臂挖機來完成，這是沉井下降流程中最主要的一步。此時，四壁不用任何束縛，也不用磨擦力，所有重力都要靠砂層來承受，因此沉降關系非常大。由于沉井的中心較高，如果挖掘不均衡，就會導致傾角移動。因此，在刃腳下的砂基礎應分級均衡地挖掘，每層厚薄為20 cm，并且要在刃腳一帶全部完成。沉井入土后，挖掘應分級、均衡、垂直地推進，每層厚薄約為30 cm。為了確保井內土面高差在0.5 m以內，應盡量避免在刃腳處掏土，一旦發生沉井傾倒，應立即糾正，如果發生突沉，應當仔細分析情況，并盡快采取有效措施。

2.3.2" 最終下沉

在沉井混凝土完成后，采用絞吸設備配合抓斗實施，以確保沉井降低進度中刃腳水壓改變的準確度，并且要研究發掘水深與沉井降低量之間的聯系，以保證合適的發掘水深，以避免因發掘過深而導致突沉，尤其是當沉井達到工程高度時，應盡可能掌握好井底發掘量。當沉井下降至工程設計高程后，經過8 h的檢查，累積下降量不大于10 mm，或者下降速度達到規范要求，可以進行水下封底操作。

2.3.3" 下沉糾偏

在沉井階段中，必須定期測量刃腳高度和立柱移動。初沉階段每小時至少測量1次，必要時持續觀察并及時糾正誤差。終沉階段每小時至少測量1次，當沉井接近工程設計高程后應增加檢測密度。在沉淀階段中，應確保泥面高差的均勻性，并嚴格控制。如果發現水平高度和四角高差發生偏離，應及時修正。在修正時，應避免大幅度波動，以免沉井偏離中心線。同時，應注意修正的幅度和頻率都不宜過高。在沉井的終沉期間，應以糾正偏差為重，在沉井下降至距工程設計高度1 m之上時，應盡可能地進行修正，并且要慎重地沉降，直至沉井刃腳達到工程設計高度30 cm以內，否則就不能再有超出容許限度內的定位誤差，從而使糾正工作顯得更加困難。

2.4" 沉井封底

沉井封底采用水下封底的方式。在封底之前，水底作業人員應當完全清理刃腳處，確保符合設計及技術規范條件，然后進行地下水封底混凝土施工開挖，直至水泥硬度達到設計標準，最后將井內水抽干，完成底層建設。

3" 沉井下沉計算分析

以1#沉井為例，進行施工計算，其余沉井類同。1#沉井總高度32.35 m，入土深度32.05 m，沉井首節高度為10.4 m，圓形沉井外徑為20.6 m，沉井壁厚度為1.8 m，沉井下沉過程中頂部附加荷載標準值10 000 kN，沉井使用過程中附加荷載（包含底板自重、設備等）標準值10 000 kN，地下水位深度3 m。鋼筋自重標準值1 kN/m3，混凝土自重標準值24 kN/m3。

3.1" 沉井下沉驗算

當沿沉井深度土層為多類別時，單位摩阻力fka可通過各土層厚度和井壁與土的摩阻系數計算各層土單位摩阻力標準值的加權平均值，fka=Σfkihsi/Σhsi=18 kPa；沉井自重標準值G=π（D-t）tH（G2k+G1k）=3.14×（20.6-1.8）×1.8×32.35×（24+1）=85 935.83 kN；沉井下沉重力標準值Gk（包括沉井頂部附加荷載）：Gk=G+Gj=85 935.83+10 000=95 935.83 kN；沉井下沉過程中水的浮托力標準值Ffw，k：Ffw，k=（Hw-ha）tπ（D-t）×9.8=（32.05-3）×1.8×3.14×（20.6-1.8）×9.8=30 250.48 kN。假定摩阻力隨土深而加大，并在5 m深時達到最大值，5 m以下時，保持常值。井壁總摩阻力標準值Ffk：Ffk=πD（Hw-2.5）fka=3.14×20.6×（32.05-2.5）×18=34 405.42 kN；下沉系數kst=（Gk-Ffw，k）/Ffk=（95 935.83-30 250.48）/34 405.42=1.909；kst=1.909≥1.05，所以沉井下沉滿足要求。其中，fk為井壁與各土層的摩阻系數；hs為各土層的厚度；D為圓形沉井外徑；t為沉井壁厚度；H為沉井總高度；G1k為鋼筋自重標準值；G2k為混凝土自重標準值；Gj為沉井下沉過程中頂部附加荷載標準值；Hw為沉井入土深度；ha為地下水位深度。

3.2" 沉井下沉穩定性驗算

由沉井下沉驗算可知，沉井下沉重力標準值（包括沉井頂部附加荷載）Gk=95 935.83 kN；沉井下沉過程中水的浮托力標準值Ffw，k=30 250.48 kN；井壁總摩阻力標準值Ffk=34 405.42 kN。刃腳反力R=（b+c）π（D-t）fu=（0.9+0.9）×3.14×（20.6-1.8）×400=42 503.04 kN；下沉穩定系數kst，s：kst，s=（Gk-Ffw，k）/（Ffk+R）=（95 935.83-30 250.48）/（34 405.42+42 503.04）=0.85≤0.9，所以沉井下沉穩定性滿足要求。其中，b為刃腳踏面寬度；c為刃腳斜面水平投標寬度；fu為土層極限承載力。

3.3" 沉井封底驗算

默認沉井封底為水下封底，按最不利工況，沉井封底后，鋼筋混凝土底板尚未施工時，驗算此時封底混凝土。靜水壓力形成的荷載p=（Hw-ha）×9.8-24×ht=（32.05-3）×9.8-24×5.8=145.49 kN/m；每米寬度最大彎矩的設計值M：M=0.198×p×（D/2）2=0.198×145.49×（20.6/2）2=3 056.14 kN·m；計算要求水下封底混凝土厚度htr=[9.09×M/（b×ft）]0.5+hu=[9.09×3 056.14/（1×1.43×103）]0.5+0.1=4.5 m；b為計算寬度，取單位計算寬度b=1 m。實際封底混凝土總厚度ht=5.8 m≥htr=4.5 m，所以沉井封底驗算滿足要求。其中，ht為封底混凝土總厚度；ft為混凝土抗拉強度設計值；hu為混凝土附加厚度。

4" 結論

本文對大直徑圓形沉井不排水下沉施工技術及沉井下沉過程中的一些力學行為進行研究，得到如下結論。

1）絞吸設備配合抓斗適合大直徑圓形沉井不排水下沉，通過分析刃腳壓力變化，控制挖土深度與沉井下沉量的關系，可以讓沉井緩緩“穿刺”下沉，避免突沉。

2）通過控制沉井節段自重和頂部附加荷載，沉井下沉系數為1.909，下沉穩定系數為0.854，滿足下沉要求。

參考文獻：

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