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析不同土層沉井下沉的控制

2015-09-29 563 0

   摘要:本文介紹了越南胡志明市環(huán)境衛(wèi)生工程第七標(biāo)段沉井在不同地質(zhì)下沉的影響因素和所采取的方法和措施,包括井內(nèi)偏心取土、偏心壓載、止沉牛腿和觸變泥漿等。
 
  引言
 
  沉井作為地下構(gòu)筑物的一種形式,其是在地面上分節(jié)制作,通過(guò)井內(nèi)取土,主要依靠其自重克服阻力下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高,然后封底、澆注鋼筋混凝土底板、蓋板等工序構(gòu)筑而成的。沉井的設(shè)計(jì)和施工,除要滿(mǎn)足荷載及結(jié)構(gòu)要求外,還要考慮如何順利穿越不同土層下沉到設(shè)計(jì)標(biāo)高。影響沉井下沉的主要因素有:沉井底部刃腳正面阻力;沉井側(cè)壁由于水土壓力而產(chǎn)生的摩阻力;不排水下沉中,井內(nèi)水對(duì)沉井的浮力等。沉井下沉過(guò)程中容易出現(xiàn):不沉、突沉、傾斜、井旋轉(zhuǎn)等現(xiàn)象。本文借鑒越南胡志明市環(huán)境衛(wèi)生頂管工程第七合同段施工的超深沉井NL-TN(41.8m)和普通井(16~21m)的經(jīng)驗(yàn),介紹沉井在下沉過(guò)程中的控制。
 
  1.工程概況
 
  越南胡志明市環(huán)境衛(wèi)生工程第七合同段大沉井總數(shù)為36座:內(nèi)徑Φ9000mm頂管工作井18座,壁厚下部700mm,上部600mm,其中NL-TN井,壁厚下部1200mm,上部1000mm;內(nèi)徑Φ7000mm頂管接收井18座,上下壁厚都為500mm,其中EASTBANK井,壁厚下部1200mm上部1000mm。
 
  依本工程現(xiàn)場(chǎng)鉆探地質(zhì)情況為:
 
  第一土層:人工回填,總特征為極松散到松散的黑色,棕色和灰色砂夾雜有碎石和碎磚。在少部分地區(qū),是極軟到較硬棕灰色軟土。
 
  第二土層:總特征為極軟到軟的黑灰粘土,淤質(zhì)粘土或砂性粘土,夾雜著零星有機(jī)物質(zhì)。土工試驗(yàn)結(jié)果顯示,該土層的液限為14~127,平均值為71;塑性指數(shù)為4~68,平均值為36;土層天然含水量有時(shí)接近或超過(guò)液限值;土層滲透系數(shù)為2.5×10-7,可能的變化范圍為1.0×10-3~1.0×10-9。
 
  第三土層:總特征為中硬到硬的灰褐粘土,淤質(zhì)粘土或砂性粘土,夾雜零星有機(jī)物質(zhì)。隨著深度加深,土砂含量增加。該土層的液限為13~87,平均值為37;塑性指數(shù)為3~49,平均值為20;土層平均滲透系數(shù)為4.5×10-5,可能的變化范圍為1.0×10-3~1.0×10-9。
 
  第四土層:總體特征為松散至中密灰色、褐色或黃色淤質(zhì)砂或粘性砂。隨深度加深,粘性砂土變化為砂,這部分土層未完全穿透取樣。該土層的液限為11~46,平均值為22;塑性指數(shù)平均值為8;土層平均滲透系數(shù)為5.2×10-5,可能的變化范圍為1.0×10-3~1.0×10-7。
 
  2.特殊土層中的下沉
 
  2.1下沉系數(shù)計(jì)算
 
  沉井能下沉必須滿(mǎn)足下公式:
 
  式中:K1——沉井下沉系數(shù)≥1.05
 
  G——沉井自重;
 
  R——刃腳踏面端載力;
 
  B——不排水下沉水對(duì)沉井的浮力;
 
  f——摩擦系數(shù),軟土取9.8~11.76kN/m2;
 
  h——最大下沉深度;
 
  L——沉井下沉井壁周長(zhǎng);
 
  軟土摩擦系數(shù)取最大值來(lái)計(jì)算,一般井的自重量下沉系數(shù)可達(dá)到2.5以上,故在軟土中接高和下沉很容易發(fā)生突沉,為保證下沉的順利,擬采用每節(jié)預(yù)留足夠的高度和盡量少取土下沉來(lái)接高下一節(jié)沉井的作法防止突沉帶來(lái)的危害。
 
  2.2回填土下沉
 
  該工程沉井分布在運(yùn)河岸兩側(cè),其護(hù)岸下大都約有3.0m回填土,垃圾物,其地質(zhì)表現(xiàn)障礙物多,土質(zhì)松軟和不均勻,因靠近運(yùn)河,地下水位較高,最淺在地表下1.0m。其下近2.0m為極其軟弱的土層,刃腳坐落在該土層在接高時(shí)很容易發(fā)生過(guò)大的下沉或突沉。
 
  根據(jù)地質(zhì)狀況,將回填土層挖除,然后在回填一部分砂,把沉井制作及初沉標(biāo)高降低,避免沉井在該土層下沉遇到地下障礙物產(chǎn)生傾斜和下節(jié)接高時(shí)的安全澆注,以保證沉井初沉的均衡下沉。
 
  2.3極軟到軟的淤質(zhì)粘土或砂性粘土
 
  該土層的標(biāo)貫數(shù)一般在0~5左右,下沉系數(shù)在2.5以上,沉井接高和下沉?xí)r很容易發(fā)生突沉。在排水下沉階段,大多沉井下沉至3~5m時(shí),發(fā)生突沉,普通井一次突沉量最大4.3m,地面有明顯震感,井外側(cè)地面塌陷,地面下沉最大為1.5米,波及長(zhǎng)度最寬處5m。在這個(gè)過(guò)程中增大了井壁與土的摩擦力,減少下沉系數(shù),減少了突沉帶來(lái)的危害,止沉牛腿還有調(diào)節(jié)沉井下沉出現(xiàn)傾斜用來(lái)糾偏的作用。
 
  突沉的主要原因:1.土質(zhì)本身的軟弱,承載力不高,當(dāng)井壁側(cè)阻力和刃腳的端承載阻力不能支撐沉井本身的重量時(shí),2.采用不排水下沉的時(shí)候,水下的抓土難以控制,使得刃腳周?chē)鸁o(wú)保護(hù)土堤或者保護(hù)土很少,在中間形成較深的“鍋底”,為發(fā)生突沉創(chuàng)造了條件。
 
  抓斗挖土應(yīng)分層自中部向四周臺(tái)階形均勻取土,分層厚度為0.5~0.8m,以保證井筒入土?xí)r有良好的導(dǎo)向。應(yīng)始終保持刃腳周?chē)?.5~1.0m寬的土堤,避免造成刃腳四周砂土不均勻流失,從而防止發(fā)生偏斜、突沉等問(wèn)題的發(fā)生,保證沉井按垂直導(dǎo)向下沉。
 
  2.4中硬到硬的砂性土
 
  該土層主要特征是較硬和含砂量比重大,土的水滲透系數(shù)比較的大,沉井下沉到了該土層,距離下沉到設(shè)計(jì)標(biāo)高的距離差不多就在3.0米左右,一要注意下沉的標(biāo)高要滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的要求,二要防止下沉過(guò)程中出現(xiàn)管涌造成周?chē)两颠^(guò)大危及到周?chē)慕ㄖ团R近的道路交通。因此,在下沉取土過(guò)程中,必須始終保持井內(nèi)外壓力平衡;在井筒下沉接近砂層時(shí),往井內(nèi)灌水,保持井內(nèi)水位高出井外水位1~2m,即不排水下沉。
 
  從地質(zhì)資料分析,個(gè)別井的地質(zhì)下沉較早的進(jìn)入到砂層和透水層,為防止在下沉過(guò)程中出現(xiàn)管涌和縱沉困難,利用觸變泥漿作為沉井下沉施工的技術(shù)措施,擬通過(guò)井壁內(nèi)布置管路壓注觸變泥漿,在井壁周?chē)纬梢粚幽酀{套,使沉井在下沉過(guò)程中與周?chē)耐馏w隔離,達(dá)到減小阻力,從而增加沉井的下沉系數(shù),加快下沉的速度,也防止周?chē)纳坝咳刖矁?nèi),造成周?chē)馏w下沉。
 
  3.沉井下沉控制
 
  3.1下沉觀測(cè)
 
  沉井位置的控制是在圈梁上設(shè)置十字控制樁、水準(zhǔn)基點(diǎn)。下沉?xí)r,在井壁上用白色油漆刻畫(huà)出四個(gè)下沉刻度線(xiàn),各吊垂球一個(gè),對(duì)準(zhǔn)下部標(biāo)志板來(lái)控制。井的四周和附近設(shè)置8個(gè)沉降控制點(diǎn),以觀測(cè)沉降,并定時(shí)用兩臺(tái)經(jīng)緯儀進(jìn)行垂直偏差觀測(cè)。
 
  挖土下沉?xí)r隨時(shí)觀測(cè)垂直度和記錄下沉數(shù)據(jù),當(dāng)垂球離墨線(xiàn)邊達(dá)50mm或四面標(biāo)高高差超過(guò)規(guī)范時(shí),應(yīng)立即糾正。當(dāng)沉至離設(shè)計(jì)標(biāo)高2m時(shí),對(duì)下沉與挖土情況應(yīng)加強(qiáng)觀測(cè),以防超沉。
 
  3.2下沉速度控制
 
  根據(jù)土質(zhì)和現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況,一般的土層都用履帶吊車(chē)配抓斗取土下沉。開(kāi)始從中間向四周逐漸開(kāi)挖,并始終均衡對(duì)稱(chēng)地進(jìn)行,每層挖土厚度為0.4~1.5m。當(dāng)土垅擋不住刃腳的擠壓而破裂時(shí),沉井便在自重作用下破土下沉,削土?xí)r應(yīng)沿刃腳方向全面、均勻、對(duì)稱(chēng)地進(jìn)行,使均勻平衡下沉。
 
  下沉中,若遇到地下障礙物、砂礫石或硬土層,當(dāng)土垅削至刃腳,沉井仍不下沉或下沉不平穩(wěn),這時(shí)用人工對(duì)稱(chēng)地將刃腳下掏空,掏出障礙物,每段挖完后用砂回填,這樣可使沉井因均勻地減少承壓面而平衡下沉,以不至于發(fā)生沉井下沉的傾斜。
 
  在沉井開(kāi)始下沉和將沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí),一定要注意下沉的速度和沉井的傾斜度,尤其在開(kāi)始5m以?xún)?nèi)下沉?xí)r,其平面位置與垂直度要特別注意保持正確,否則繼續(xù)下沉不易調(diào)整,在終沉離設(shè)計(jì)深度20cm左右應(yīng)停止取土,依靠自重下沉或者加載下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高。
 
  3.3下沉糾偏
 
  沉井下沉過(guò)程中,有時(shí)會(huì)出現(xiàn)傾斜、位移及旋轉(zhuǎn)等情況,應(yīng)加強(qiáng)觀測(cè),及時(shí)發(fā)現(xiàn)并采取相應(yīng)得措施糾正,產(chǎn)生傾斜的可能原因有:
 
  刃腳下土質(zhì)軟硬不均;
 
  混凝土墊層未對(duì)稱(chēng)破除;
 
  沉井在下沉過(guò)程中發(fā)生不利的突沉;
 
  下沉過(guò)程中遇到地下障礙物;
 
  下沉挖土不均勻,使井內(nèi)泥面高低懸殊;
 
  刃腳下掏空過(guò)多,使沉井不均勻下沉;
 
  排水下沉,井內(nèi)一側(cè)出現(xiàn)流砂現(xiàn)象;
 
  不排水下沉,井內(nèi)的水壓小于井外水的壓力,井內(nèi)出現(xiàn)管涌;
 
  施工荷載對(duì)沉井一側(cè)產(chǎn)生偏壓。
 
  對(duì)于沉井的傾斜,首先分析傾斜的原因,然后采取可行方法糾偏,若沉井下沉的深度不是很大而發(fā)生了傾斜,可采取偏心挖土,即在刃腳較高一側(cè)加強(qiáng)挖土并可在較低的一側(cè)回填適量砂,必要時(shí)配以井外射水、千斤頂、止沉牛腿或偏心壓載,都可使偏斜得到糾正。待其正位后,再均勻分層取土下沉。
 
  位移產(chǎn)生的原因多由于傾斜所致,如在傾斜情況下下沉,則沉井向傾斜相反方向位移,或在傾斜糾正時(shí),如傾斜一側(cè)土質(zhì)較松軟時(shí),由于重力作用,有時(shí)也沿傾斜方向產(chǎn)生一定位移,因此預(yù)防位移應(yīng)避免在傾斜情況下下沉。因糾正傾斜重力作用產(chǎn)生的位移,可有意向位移的一方傾斜后,使其向位移相反方向產(chǎn)生位移糾正。
 
  3.4終沉到位
 
  該工程沉井最大的難點(diǎn)是沉井的終沉,因?yàn)榈刭|(zhì)極其復(fù)雜和分布不均勻,當(dāng)沉井要下沉到設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí),當(dāng)沉井沉到設(shè)計(jì)標(biāo)高,經(jīng)2~3天,下沉已穩(wěn)定,在8h內(nèi)累計(jì)10mm時(shí),即可進(jìn)行沉井封底。

  4.結(jié)束語(yǔ)
 
  1)本工程由于沉井距離建筑物近,交通繁忙,地下障礙物較多,軟土層深,承載力低,摩擦系數(shù)小,硬土層含砂量大,滲透系數(shù)大等特征。在施工一個(gè)井前要充分考慮各影響因素以采取有較的技術(shù)措施,防止采取不必要的工序。
 
  2)沉井的下沉主要還是依靠井內(nèi)挖土下沉,故在下沉過(guò)程中,下沉要連續(xù),間隔時(shí)間不要太長(zhǎng),因?yàn)榫鈧?cè)阻力間隔時(shí)間越長(zhǎng)越大,待要下次再次啟動(dòng)下沉?xí)r,會(huì)導(dǎo)致井內(nèi)取土過(guò)多,耗時(shí)長(zhǎng),對(duì)下沉和接高都是不利的。
 
  3)沉井下沉比較理想的下沉系數(shù)為1.3,若偏大過(guò)多,下沉極易出現(xiàn)突沉、下沉速度過(guò)快、發(fā)生傾斜和位移等難以控制的現(xiàn)象。為此采取加大預(yù)留沉井的高度、向井內(nèi)回灌水和在沉井井壁上布置止沉牛腿等技術(shù)措施,防止突沉帶來(lái)的危害起到了較好的作用。
 
  4)排水下沉和不排水下沉應(yīng)適時(shí)轉(zhuǎn)換,不排水下沉應(yīng)時(shí)時(shí)保持井內(nèi)的水面標(biāo)高,在砂層中若外面的水壓大于井內(nèi)的壓力很容易發(fā)生管涌以致沉井發(fā)生傾斜和地面過(guò)大的沉井。

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