內(nèi)容摘要：本文通過常熟濱江水廠取水泵房沉井工程介紹大型沉井的制作、排水及不排水下沉、水下砼封底施工技術(shù)，總結(jié)沉井下沉對周邊建筑物的影響。
一、工程概況
工程位于常熟市碧溪鎮(zhèn)江邊，取水泵房位于長江大堤和外堤之間，取水工程擴(kuò)建規(guī)模80萬m3/d、泵房地下結(jié)構(gòu)為整體鋼筋混凝土箱型結(jié)構(gòu)，平面尺寸為37.9×20.2m，深18.8m，沉井刃腳底標(biāo)高為-11.8m，設(shè)計(jì)地面標(biāo)高為7.0m，現(xiàn)狀地面標(biāo)高為5.0m。自上而下分別是第1層素填土。第2層粉砂夾粉質(zhì)粘土。第3層粉土夾粉質(zhì)粘土，層底標(biāo)高在—17.90~—7.60M之間。第4層粉砂，層底標(biāo)高在—26.00~—17.97M之間。淺部地下水屬孔隙潛水類型，穩(wěn)定地下水位在地面下1m以內(nèi)，空隙承壓水與長江水位有互補(bǔ)關(guān)系，長江常熟段最高洪水位為黃海2.36米，枯水位為黃海0.703米，并受漲落潮影響。
二、沉井施工方案
取水泵房的施工主要包括沉井結(jié)構(gòu)制作與沉井下沉兩部分。根據(jù)取水泵房地下結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，按照沉井高度，沉井分為三節(jié)制作，一次下沉，每節(jié)制作高度分別為3.5m、5.6m、5.6m（從下往上）。待其達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度100%后，即進(jìn)行下沉。沉井采用不排水下沉的方法進(jìn)行施工，即采用潛水員水下沖泥，空氣吸泥機(jī)吸泥的方式下沉，在沉井下沉到位以后，采用水下混凝土封底。
為解決沉井結(jié)構(gòu)制作時(shí)地基承載力的不足，將沉井的重量擴(kuò)散到更大的面積上，避免沉井在混凝土澆筑施工時(shí)或施工后在尚未達(dá)到一定強(qiáng)度前，產(chǎn)生不均勻沉降而使沉井結(jié)構(gòu)受到破壞，本工程取水泵房沉井施工采用墊層法，即在刃腳和地梁下鋪設(shè)設(shè)C20素砼墊層，并在素砼墊層下的整個(gè)基坑內(nèi)再滿鋪中粗砂墊層。
砂墊層厚度應(yīng)根據(jù)沉井制作的重量和地基承載力通過計(jì)算確定。砂墊層采用滿堂鋪筑，先設(shè)定砂墊層厚度hs=1.0m，復(fù)核滿足下式條件：p＇≤f，p＇—傳播到砂墊層底部下臥地基表面的壓力（kpa），f—砂墊層下地基土允許承載力（kpa），p＇=[Q/A＇]+γs×hs。式中Q為沉井自重，A＇為經(jīng)擴(kuò)散角砂墊層作用在基坑底的受力面積，hs為砂墊層厚度，γs為砂墊層重度。經(jīng)復(fù)核p＇=117.48kpa＜f=120kpa，所以設(shè)定的砂墊層厚度1.0m，能滿足地基容許承載力要求。根據(jù)計(jì)算井壁刃腳下及底梁下的砂墊層厚取1m，采用滿堂鋪筑的方法。基坑開挖深度定為3.5m，沉井制作基坑開挖放坡按1：1，素砼墊層為150mm厚。
三、沉井施工技法
1、沉井砂墊層施工
按設(shè)計(jì)沉井布置方位，進(jìn)行測量、放樣，確定基坑開挖的范圍，邊坡采用1：1放坡，開挖深度按3.5m控制，開挖土方嚴(yán)禁就近堆放?；娱_挖完畢后，為避免原基坑邊坡發(fā)生坍坡現(xiàn)象，采用砂漿護(hù)坡。沿基坑內(nèi)四周設(shè)置盲溝，在基坑的四角各設(shè)置一個(gè)集水坑，以便及時(shí)排除坑內(nèi)積水。
砂墊層施工采用分段分層振實(shí)法，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(shí)一次，用平板振搗器拖振，振搗時(shí)要求重疊區(qū)域?yàn)?/3，并可適當(dāng)灑水，使得砂層含水量達(dá)到20％左右，密實(shí)度達(dá)到98％以上，拖振砂墊層時(shí)應(yīng)注意不要擾動槽底和四周土體?，F(xiàn)場砂墊層密實(shí)度可用釬探法普查，即用長200mm，ф16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。
素砼墊層厚15cm，應(yīng)根據(jù)有關(guān)規(guī)范要求立模、振搗、養(yǎng)護(hù)，素砼地坪標(biāo)高必須準(zhǔn)確，由測量找平、復(fù)測，相對高差值不大于±3mm.
2沉井制作
（1）模板支設(shè)、鋼筋綁扎沉井制作的模板支設(shè)和鋼筋綁扎基本與砼池墻結(jié)構(gòu)施工要求一樣。但第一次沉井制作的鋼模板均由刃腳踏面二側(cè)的砼墊層支承模板的自重，泵送砼產(chǎn)生的沖擊力由斜撐及拉條螺栓承擔(dān)。第二次和第三次沉井制作的鋼模板自重均依靠老砼墻身上保留的M16拉條螺拴抗剪來支承上述荷載。新澆筑砼對模板的側(cè)向壓力，依靠設(shè)置在鋼模板外側(cè)的扣件式鋼管組合成兩根為一道梁肋，縱橫交叉，在交叉點(diǎn)處布設(shè)M16拉條螺栓鑲嵌“山”字頭水平對拉，拉條螺栓間距為900/600mm，抵御該側(cè)向壓力；拉條螺栓錨入砼中點(diǎn)處焊40×40×4鋼板止水。沉井支模先支井體內(nèi)模，一次支到比施工縫略高100mm處，豎縫處用90×90mm方木支撐在內(nèi)部腳手架上，外模亦一次支到施工縫略高100mm處，豎縫處用木方或腳手鋼管桿和φ16mm拉緊螺栓固定。
（2）混凝土澆筑沉井結(jié)構(gòu)采用C25密實(shí)混凝土，抗?jié)B標(biāo)號為S6，沉井下部結(jié)構(gòu)混凝土須摻入FS混凝土防水劑，防止裂縫。混凝土澆筑采用分層斜面法施工，每層厚度嚴(yán)禁大于50cm，以免造成地基不均勻下沉或產(chǎn)生傾斜，上下層混凝土澆搗時(shí)間間隔不大于混凝土的初凝時(shí)間，一般氣溫在25°以下，間隔時(shí)間控制在120min（從混凝土抖料到混凝土澆筑計(jì)時(shí)），否則上下層砼結(jié)合面必須按施工縫處理。兩節(jié)混凝土的接縫處設(shè)凹型水平施工縫，上節(jié)混凝土須待下節(jié)混凝土強(qiáng)度達(dá)到70%后澆筑，接縫處經(jīng)鑿毛及沖洗處理，并澆10cm厚減半石子混凝土。
3沉井下沉
沉井采用不排水下沉，水下封底的施工方法。根據(jù)現(xiàn)場的土層條件，沉井下沉分為兩個(gè)階段進(jìn)行。根據(jù)沉井底部土體抗管涌計(jì)算，沉井刃腳深度從+2.5m沉至-3.50m標(biāo)高時(shí)采用干沉法施工，在-3.5m至-11.8m標(biāo)高時(shí)采用不排水沉法施工。
（1）下沉系數(shù)演算沉井下沉施工前，應(yīng)估算和掌握各個(gè)下沉階段和深度時(shí)的沉井“下沉系數(shù)”，作為確定下沉施工方法和采取相應(yīng)技術(shù)措施的依據(jù)，以確保和控制沉井平穩(wěn)，順利地下沉。K=Q/（R1+R2+R3+N），式中Q為沉井自重，R1為四周井壁與土體總摩阻力，R2為刃腳、底梁踏面下土的正面阻力，R3為刃腳斜面與土體的摩阻力，N為下沉過程中沉井所受的浮力。經(jīng)驗(yàn)算，當(dāng)中間刃腳踏面全部掏空，沉井在摩阻力、浮力和四周刃腳踏面的正面阻力作用下，下沉系數(shù)為：1.21。當(dāng)沉井在摩阻力、浮力和四周刃腳踏面以及中間刃腳踏面的正面阻力作用下，下沉系數(shù)為：0.98。因此在適當(dāng)掏空中間刃腳踏面下的土體情況下沉井能夠滿足下沉系數(shù)的要求，沉井下沉系數(shù)可以通過抽水減小浮力以及適當(dāng)掏空中間刃腳下的土體得到有效的控制。
（2）下沉前準(zhǔn)備工作首先在江邊設(shè)置取水泵站，水泵房內(nèi)安置4臺TSW50—7級水泵，三用一備，每小時(shí)提供480m3，壓力為10～14Kg/cm2的水源，帶動破土機(jī)械。采用8″管，將壓力水輸送到沉井的井上管路，通過各種閥門和支管分配給井下6個(gè)區(qū)格內(nèi)水力破土機(jī)械（揚(yáng)水器和噴水槍）。并對井上管路進(jìn)行安裝及調(diào)試，直到符合要求為止。其次在泵房南側(cè)，大堤北側(cè)的灘地上采用圍堰的方式建立容量為20000m3的沉淀池（兼顧到頂管泥漿），泥漿沉淀后清水排入長江。
（3）排水下沉階段初沉?xí)r，井下沉系數(shù)大，重心高，穩(wěn)定性差；沉井的四角(指井的二條對角線的刃腳踏面處)標(biāo)高之差偏大，而且出現(xiàn)波動，乃屬正?，F(xiàn)象，但是當(dāng)井四角高差值>25mm時(shí)就應(yīng)該及時(shí)糾偏。糾偏的方法主要采用選擇挖土區(qū)域，調(diào)整井內(nèi)刃腳踏面的土反力分布狀況，使得沉井改變傾斜狀態(tài)，逐步過渡到豎直方向下沉，為了施工管理上的方便，預(yù)先對井內(nèi)6個(gè)區(qū)格(倉)分別進(jìn)行。根據(jù)下沉測量數(shù)據(jù)調(diào)整取土倉號或取土部位，一般取土底面高差不宜大于50cm，挖土鍋底深度不宜超過1m，以防止沉井突然發(fā)生突沉事故。
（4）不排水下沉階段沉井下沉到-3.5m標(biāo)高后，采用井內(nèi)灌水，不排水下沉施工方法。井內(nèi)灌水后，井內(nèi)外水位差控制在0.50m左右，以避免井體下沉過快。采用空氣吸泥機(jī)與潛水員沖吸相配合的形式出土。水中下沉?xí)r確保井內(nèi)水位高于地下水位，下沉?xí)r應(yīng)監(jiān)測和控制水位、井底開挖幾何尺寸、下沉量和速度以穩(wěn)定井底土體、防止突沉，控制終沉。取土過程中，取土速度應(yīng)適當(dāng)，方位應(yīng)相應(yīng)對稱，鍋底深度不得過多低于刃腳踏面，嚴(yán)禁掏挖刃腳踏面外土體。并及時(shí)量測井內(nèi)各區(qū)域的土體深度，保證沉井底部土體高度均勻。下沉過程中，對沉井周邊沉降點(diǎn)做好監(jiān)測，根據(jù)反饋信息合理控制井內(nèi)水位，把地表變形控制在最小。沉井接近標(biāo)高時(shí)，潛水員應(yīng)到井底檢查鍋底狀況，并根據(jù)井底具體情況沖刷土體，保證沉井平穩(wěn)到位，并沖清封底砼的接觸面。終沉初定刃腳踏面為警示標(biāo)高，比設(shè)計(jì)高程拋高200mm，當(dāng)沉井的進(jìn)尺到最后2m時(shí)即進(jìn)入終沉階段。當(dāng)沉井下沉接近設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)觀測，待8小時(shí)內(nèi)沉井自沉量累計(jì)小于10mm時(shí)，方可進(jìn)行沉井封底。沉井施工到位后，測量要求每隔4～6小時(shí)觀測一次四方向高差。
（5）沉井下沉異常情況預(yù)防及處理不排水下沉常見異常情況主要有沉井突沉、傾斜及位移。
突沉是沉井在瞬間發(fā)生突然下沉，一次下沉量可達(dá)幾米，對工程質(zhì)量和施工人員安全威脅很大。突沉在粉土及粉砂層中發(fā)生突沉的可能性較大，因該土層具有觸變性，經(jīng)擾動后其強(qiáng)度顯著降低，摩擦力變化范圍很大，當(dāng)鍋底挖的過深，而且比較接近刃腳時(shí)，沉井暫時(shí)被外壁摩阻力和刃腳正面阻力托住，使其處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)繼續(xù)取土?xí)r，井外側(cè)壁摩阻力達(dá)到極限值，井壁阻力因土的觸變性而突然下降，刃腳下土體造破壞而發(fā)生突沉。因此應(yīng)適當(dāng)加大沉井下沉系數(shù)，形成擠土下沉狀態(tài)，刃腳斜面應(yīng)始終埋在土中。嚴(yán)格控制挖土深度，特別是發(fā)生停沉?xí)r，切忌操之過急盲目加大鍋底深度來促沉，應(yīng)通過逐步削除近刃腳土體，使沉井?dāng)D土下沉。嚴(yán)格控制鍋底挖土深度，特別靠近刃腳處土體不得出現(xiàn)無坡度現(xiàn)象，每次抽水迫沉?xí)r，抽水速度不宜過快，要有專人負(fù)責(zé)觀測沉井下沉速率，控制抽水深度，防止沉井突沉。
沉井傾斜一般是由于沉井刃腳下土質(zhì)軟、硬不均勻、井內(nèi)土面高差懸殊、刃腳下掏空過多沉井突然下沉、刃腳一側(cè)被障礙物擱住未及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理等原因造成。因此應(yīng)加強(qiáng)沉井過程中的觀測和資料分析，發(fā)現(xiàn)傾斜要及時(shí)糾正；在刃腳高的一側(cè)加強(qiáng)取土，低的一側(cè)少挖或不挖土，待正位后再均勻分層取土；在井外深挖傾斜反面的土方，回填到傾斜一面，增加傾斜面的摩阻力。
4水下砼封底
沉井下沉前，應(yīng)先對封底砼與沉井壁接觸面上的砼表面鑿毛處理；封底前用潛水泵沖除該砼表面的淤泥，死角處用鋼刷清除，然后在倉內(nèi)吸除淤泥，灌入碎石壓淤和造底。井內(nèi)均勻布置4根導(dǎo)管，在每根導(dǎo)管上設(shè)1集料斗，該集料斗要有2m3混凝土的容積，導(dǎo)管采用219mm無縫鋼管制作，每根導(dǎo)管內(nèi)均設(shè)一球膽，待集料斗的混凝土料灌滿后，將扎接球膽的繩索砍斷進(jìn)行澆灌。澆搗時(shí)導(dǎo)管的提升速度應(yīng)根據(jù)混凝土的進(jìn)料速度，要注意導(dǎo)管端頭始終插入混凝土中50cm左右。砼封底面應(yīng)比設(shè)計(jì)底板面標(biāo)高高0.5m，因?yàn)樗马殴嗳霑r(shí)有大量淤泥和廢物渣帶上來，測深器只能測表面標(biāo)高不能識別砼質(zhì)量好壞，高出部分待井內(nèi)抽水后再鑿去。
四、對周圍建筑物的影響
常熟濱江水廠原取水泵房位于新建泵房西側(cè)50M，在沉井過程中，定期對原取水泵房進(jìn)行了觀測，未發(fā)現(xiàn)沉降等不良現(xiàn)象。不排水沉井施工由于對周圍地下水影響極小，周圍建筑物不會因地下水位的下降而造成沉降現(xiàn)象，但不排水沉井施工難度大，工期長，工程造價(jià)較排水沉井高。
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