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摘要：近些年，随着社会经济水平的提高，城市化建设进程的进一步加快，在建筑工程施工领域里出现了很多新工艺和新技术，为工程建设实施提供了极大的帮助，大型沉井施工技术作为一种修筑深基础和地下构筑物的一种施工工艺，近年来经过施工人员的不断总结和完善，变得日渐成熟，成为了被广泛应用的一门施工技术，本文针对某污水处理厂进水泵房下部结构制作的井筒在下沉阶段的施工技术进行了较为详细的总结分析，详尽阐述了该钢筋混凝土沉井下沉过程中遇到特殊情况及特殊地质条件下如何纠偏进行了分析，施工工艺具有针对性和可操作性，供同行参考。
关键词：大型钢筋混凝土；沉井技术；分析
1.工程概况
A市某污水处理厂进水泵房位于厂区北侧，距离东北侧南钢废弃矿渣堆仅12m。进水泵房为半地下式钢筋混凝土结构，下部沉井设计为圆形结构，内径R=20m，外径R=22.4m，壁厚B=1.2m，设置四道高4.0m，宽1.0m～1.4m井字梁，设计沉井顶板顶标高8.800m（吴淞高程），底板面-5.100m（吴淞高程），地面标高8.500m（吴淞高程），进水泵房底板厚0.9m。
进水泵房井筒分为三次浇筑而成，第一次（-9.500～-3.400m）标高刃脚及井字梁，第二次（-3.400～1.300m）标高沉井井筒，第三次（1.300～6.000m）标高沉井井筒。其余部分结构待下沉后浇筑。下沉后采用水下浇筑混凝土技术封底。
2.工程案例及下沉技术分析
2.1下沉前的准备工作
2.1.1选用11台（2台备用）套离心式高压清水泵，型号：（150TSW×5型离心水泵泵（H=150m，Q=155m3/h，W=110kW），12支水枪（喷嘴口径φ15mm，型号kc558c/698c），11套（2套备用）泥浆泵（喷嘴口径φ22mm，型号：SNB），通过各种阀门和支管以满足井下最多9个区格内水力破土机械（扬水器和喷水枪）的用水。
2.1.2水力机械吸泥下沉时，有大量的泥浆需要处理，为此，在沉井东侧设立1座800m3大型泥浆池，沉井下沉施工产生的泥浆经除砂机脱水后排放至泥浆池内循环利用，池内沉淀泥浆用封闭式渣土运输车外运至弃土场。
2.1.3下沉之前在井内外搭设扶梯和平台，井上布置栏杆照明等辅助设施，并将预埋套管洞口用钢板封堵。在沉井四周对称外井壁设置四处沉井下沉高程控制点及水位观测井，喷制水准尺尺花，在四侧对称井顶部设置平面位移观测点。
2.2沉井下沉计算
2.2.1沉井下沉安全系数计算
K0=（Q-B）/（T+R）
式中：K0—下沉安全系数，一般应大于1.15～1.25；Q—沉井自重及附加自重（KN）；B—被井壁排出的水量（kN），如采用排水下沉时，则B=0；T—沉井与土间的摩阻力（kN）。
假定摩阻力随土深而增大，在刃脚处达到最大值，5m以下时保持常值，则T=3.14D（H-2.5）f
此中假定偏于安全；D—沉井外径（m）；H—沉井全高（m）；h—刃脚高度（m）；R—刃脚反力（kN），如采取将刃脚底面及斜面的土方挖空，则R=0；f—井壁与土的摩擦系数。
采用不排水一次下沉。f值按下表不同地层取加权平均值，据地质勘察报告沉井设计验算参数及土层分布状况如下：（见下表）
f=（1.8×18+2.5×22+3.5×18+7.7×23）/15.5=21.13kN/m2
Q=G=39421.3kN；B=G×10/24=16426kN
T=3.14×22.4×（15.5-2.5）×21.13=19321kN
K0=（39421-16426）/19321=1.19>1.15
故可靠自重下沉。
2.2.2沉井下沉稳定系数计算
K=（G-B）/（Rf+R1+R2）
式中：K-沉井下沉稳定系数，应小于1；G-沉井自重；B-地下水浮力，排水下沉时B=0，不排水下沉时取总浮力70%；Rf-沉井外壁有效摩阻力，其中R1=3.14D0（C+n/2）fu
R2=A1fu
D0-沉井的平均直径（m）；C-刃脚踏面高度；n-刃脚斜面与井内土体接触面的水平投影宽度（m）；R2—沉井内部隔墙和底部下土的支撑力；A1—隔墙和底梁的总支撑面积；fu—土的极限承载力，取160kPa。
Rf=3.14×22.4×15.5×23.13=25216kN；
R1=3.14×21.2×1.2×160=12781kN；
R2=18.84×1.0×4×160=12058kN；
K=（39421-16426×70%）/（25216+12781+12058）=0.558<1.0。
自重下能稳定下沉，并可到位后避免突沉。
2.3沉井下沉及纠偏
沉井采用不排水下沉法，水力机械吸泥下沉，潜水员配合，沉井分为初沉阶段、正常下沉阶段和终沉阶段3个阶段，最后沉井实施水下封底。
2.3.1初沉阶段（干下沉）
沉井下沉深度在0～2m范围内为初沉阶段，下沉时采用泥浆泵将换填的中粗砂吸出回收利用，并配合履带吊抓斗干挖下沉，并进行24昼夜施工。
（1）首先拆除刃脚内侧高度1.0m砖胎模，在井筒8个边格分两次同时拆除，拆除后将碎砖用吊篮吊出；然后破除混凝土垫层。
（2）刃脚挖土顺序如下：
由中央向四周挖，每层挖土厚0.4-0.5m，在刃脚处留1.5m台阶；沿井壁，每2-3m一段向刃脚方向逐层全面对称、均匀地削落台阶，每次削5-10cm；当土层经不住刃脚的挤压破裂，沉井便在自重作用下均匀破土下沉。
挖土顺序如下图所示：
（3）井内挖土下沉时，以井壁和底梁交接形成一个施工仓格进行挖土。为保证沉井平稳下沉，各施工仓格同步均匀对称进行挖土，高差不超过500mm。
（4）先挖底梁下部土，再挖中间部分，后刃脚部分。
（5）挖土时，井内打入许多小竹板桩作挖土标高的控制点，每2×2m左右各设一根，用水平仪测量，以确保挖土标高。
（6）初沉阶段每隔2小时测量一次，必要时连续观测。
2.3.2正常下沉阶段（不排水下沉）
本沉井有井格9个，可分成9组，每组布置一套水力吸泥机组，共需布置9套水力吸泥机组，通过采取下列操作程序和步骤，确保了沉井24h正常下沉。
（1）安装好水力机械设施：高压水泵、低压取水泵、调节水箱、泥浆泵、水枪、井下及井上的高压进水管和低压排泥浆管路、水枪操作平台等。
（2）水力机械设施安装好后进行负荷试运转，保证设备能按要求正常运转，水力吸泥机及水枪经过水压检验，检验压力均为工作压力的1.5倍。
（3）井底各类杂物垃圾清除干净，保证了水力破土效果和吸泥机的正常工作。
（4）本沉井下沉施工采用不排水下沉，按“先中后边、分层对称破土、先高后低、及时纠偏”的原则进行操作。
（5）沉井外刃脚边保留lm宽左右的土堤，使沉井在外刃脚处挤土下沉，减少了对井周围土体的扰动程度。只有当沉井中部土体全部冲除而还不下沉时或纠偏时适当冲除外刃脚处土体，严禁用水枪掏刷外刃脚踏面外侧土体。
（6）当沉井倾斜很小时，各井格内土面高差控制在1m以内，使沉井保持均匀垂直下沉。
（7）沉井井格中部钻底探度控制在l～2m以内。锅底过深则易产生突沉，使沉井下沉量和惯斜度无法控制，同时井外土体也易塑流入井，引起井周地面过多沉降。
（8）在泥浆泵吸水头处（位于井格中部）先冲出集泥坑，泥坑深0.5m左右，然后用水枪在各个方向冲土逐渐形成漏斗形土坑。使泥浆水不断汇集到集泥坑吸排出井外。
（9）止沉：本沉井下沉系数偏大，下沉过快时，需采取措施。本工程根据实际情况采取止沉的措施如下：井内多留土，利用加大“边载”，提高刃脚下的土阻力，然后从中间格逐步对称向边格，分格进行挖土；往井内补充水，增加井内浮力。主要采取井内补水措施，其他措施辅助。
2.3.3终沉阶段
（1）终沉确定刃脚踏面为警示标高，根据下沉情况暂定比设计高程抛高150mm。当沉井的进尺到最后2m时即进入终沉阶段。挖土锅底形状由“凹”面逐步过渡到“凸”形反锅底，并且适当放慢取土速度和数量，严格按照均匀对称的原则布置挖土范围，当沉井四周控制点高差大于20mm时，应及时纠偏，纠偏方法以调整各仓挖土深度为主，外刃脚土塞部分土体易涌进，不准冲挖。终沉阶段是沉井的关键时刻，故在过程中加强观测，测量在最后阶段频率为1小时一次，利于严格控制了沉井的下沉速率。
（2）当沉井刃脚踏面标高达到设计要求的标高并上抛15cm后，即停止取土，用大石块抛填在刃脚下，密切注意观测，24小时内沉井下沉不大于10mm，即为刹车成功，沉井下沉到位后，测量要求每隔4～6小时观测一次对称四测高差。
2.3.4沉井下沉的纠偏措施
本工程沉井较大，在下沉过程中必须做到“有偏必纠”的原则，沉井的偏差情况通过光学仪器进行监测，随时收集并分析，一旦发生偏差，立即采取措施纠正，控制误差在10cm之内。沉井发生高差略大时可运用井格内的土体少出、不出，低的那个区域井格可暂停施工，而高的那个区域井格土体要多出，使得高、低的区域井格土体差值人为过大，刃脚处地基承载能力人为造成反差，沉井低的那部份下沉速度减慢，原来高的那部分下沉速度加快，可达到纠偏扶正的效果。待稍有好转的时候方可均匀冲吸。
纠偏方法如下：
（1）纠倾斜：纠倾斜主要采取偏吸方法进行。偏吸就是在刃脚高的一侧多吸土，低的一侧保留土体或在外侧回填砂石，迫使刃脚高的一侧多沉，从而达到纠偏效果。
（2）纠偏位：沉井下沉过程中偏位的情况有两种：一种是纯偏位，一种是既偏位又倾斜。不论哪种情况，纠正方法都是从一侧刃脚处去土，促使沉井向这一侧倾斜，直至沉井底部中心接近设计中心线，然后在对应的另一侧刃脚处去土纠倾斜。如偏位较大，要多次如此反复进行，直至消除为止。
2.4沉井下沉常遇到的问题及处理方法
2.4.1流砂
原因分析：井内锅底开挖过深，井外松散土涌入井；井内表面排水后，井外地下水动水压力把土压入井内。
预防措施及处理方法：采用不排水法下沉沉井，要及时向井内补水，保持井内水位高于井外水位，以避免流砂涌入。
2.4.2沉井下沉过快
原因分析：遇软弱土层，土的耐压强度小使下沉速度超过挖土速度；长期抽水或因砂的流动，使井壁与土间摩擦力减小；沉井外部土液化。
预防措施及处理方法：在沉井外壁间填粗糙材料或将井身外的土夯实，加大摩阻力；如沉井外部的土液化发生虚坑时，可填碎石处理。
2.4.3沉井倾斜
原因分析：没有均匀挖土使井内土面高低悬殊；刃脚下填空过多，沉井突然下沉，易于产生倾斜；刃脚一侧被障碍物搁住，未及时发现和处理；废弃矿渣堆距离较近造成对井壁的偏压。
预防措施及处理方法：加强沉井过程中的观测和资料分析，发现倾斜及时纠正；在刃脚高的一侧加强取土，低的一侧少挖土或不挖土，待正位后再均匀分层取土；在刃脚较低的一侧适当回填砂石或石块，放缓下沉速度；不排水下沉，在靠近刃脚低的一侧适当回填砂石；在井外射水或开挖，增加偏心压载以及施加水平外力等措施。
2.4.4沉井偏移
原因分析：井身制作场地高低不平，土层软硬不匀，地质条件不良；开挖土不对称不均匀，在沉井时有突沉和停沉的现象；井身的正面和侧面的阻力不对称；盲目排水迫沉或井内补水不及时等。
预防措施及处理方法：对初沉的偏斜可用在高侧多挖土，低侧少挖土的办法纠正；有意使沉井向偏移的相反方向倾斜，当几次倾斜纠正后，即可恢复到正确位置，或有意使沉井向偏位的一方倾斜，然后沿倾斜方向下沉，直至刃脚处中心线与设计中线位置相吻合或接近时，再将倾斜纠正；加强测量的检查复核工作。
2.5质量控制情况
根据相关规范的要求及现场测量记录，沉井下沉后的质量控制情况如下：
（1）刃脚平均高程为-9.429m，与设计高程-9.500m偏差71mm，未超过规范100mm；
（2）刃脚平面轴线位置（即该圆形沉井刃脚平面的圆心）偏差为76mm，未超过下沉总深度的1%（即162mm）。
（3）沉井四角（圆形为相互垂直两直径与圆周的交点）中任意两角的刃脚底面高差，取最大高差值为54mm，未超过该两角水平距离的1%（即200mm），且最大不超过300mm。
3.结束语
综上所述，通过A市某污水处理厂进水泵房下部沉井施工实例，对较深大型沉井下沉施工技术进行了详尽的阐述和分析，积累了对临近地面有重大荷载的进水泵房等较深大型沉井不排水下沉施工的经验，得以在以后类似工程中推广应用。
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论文作者:张继强
论文发表刊物:《基层建设》2016年15期
论文发表时间:2016/11/17
标签：沉井论文; 标高论文; 井壁论文; 泵房论文; 高差论文; 水力论文; 阶段论文; 《基层建设》2016年15期论文;