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，沉井刃腳底標高為-11.8m，設(shè)計地面標高為7.0m，現(xiàn)狀地面標高為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，層底標高在—17.90~—7.60M之間。第4層粉砂，層底標高在—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，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）。待其達到設(shè)計強度100%后，即進行下沉。沉井采用不排水下沉的方法進行施工，即采用潛水員水下沖泥，空氣吸泥機吸泥的方式下沉，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)制作時地基承載力的不足，將沉井的重量擴散到更大的面積上，避免沉井在混凝土澆筑施工時或施工后在尚未達到一定強度前，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?；娱_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)計沉井布置方位，進行測量、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)置一個集水坑，以便及時排除坑內(nèi)積水。
砂墊層施工采用分段分層振實法，待墊層槽內(nèi)水基本抽干后馬上回填黃砂，每回填30cm厚黃砂振實一次，用平板振搗器拖振，振搗時要求重疊區(qū)域為1/3，并可適當灑水，使得砂層含水量達到20％左右，密實度達到98％以上，拖振砂墊層時應(yīng)注意不要擾動槽底和四周土體。現(xiàn)場砂墊層密實度可用釬探法普查，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，素砼地坪標高必須準確，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。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密實混凝土，抗?jié)B標號為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?；炷翝仓捎梅謱有泵娣ㄊ┕?，每層厚度嚴禁大于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間間隔不大于混凝土的初凝時間，一般氣溫在25°以下，間隔時間控制在120min（從混凝土抖料到混凝土澆筑計時），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)混凝土強度達到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，沉井下沉分為兩個階段進行。根據(jù)沉井底部土體抗管涌計算，沉井刃腳深度從+2.5m沉至-3.50m標高時采用干沉法施工，在-3.5m至-11.8m標高時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)估算和掌握各個下沉階段和深度時的沉井“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)驗算，當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掏空中間刃腳下的土體得到有效的控制。
（2）下沉前準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，每小時提供480m3，壓力為10～14Kg/cm2的水源，帶動破土機械。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個區(qū)格內(nèi)水力破土機械（揚水器和噴水槍）。并對井上管路進行安裝及調(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)標高之差偏大，而且出現(xiàn)波動，乃屬正常現(xiàn)象，但是當井四角高差值>25mm時就應(yīng)該及時糾偏。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個區(qū)格(倉)分別進行。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，方位應(yīng)相應(yīng)對稱，鍋底深度不得過多低于刃腳踏面，嚴禁掏挖刃腳踏面外土體。并及時量測井內(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。沉井接近標高時，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高，比設(shè)計高程拋高200mm，當沉井的進尺到最后2m時即進入終沉階段。當沉井下沉接近設(shè)計標高時，應(yīng)加強觀測，待8小時內(nèi)沉井自沉量累計小于10mm時，方可進行沉井封底。沉井施工到位后，測量要求每隔4～6小時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)擾動后其強度顯著降低，摩擦力變化范圍很大，當鍋底挖的過深，而且比較接近刃腳時，沉井暫時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)，當繼續(xù)取土?xí)r，井外側(cè)壁摩阻力達到極限值，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，使沉井擠土下沉。嚴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發(fā)現(xiàn)和處理等原因造成。因此應(yīng)加強沉井過程中的觀測和資料分析，發(fā)現(xiàn)傾斜要及時糾正；在刃腳高的一側(cè)加強取土，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行澆灌。澆搗時導(dǎo)管的提升速度應(yīng)根據(jù)混凝土的進料速度，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)計底板面標高高0.5m，因為水下砼灌入時有大量淤泥和廢物渣帶上來，測深器只能測表面標高不能識別砼質(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，工程造價較排水沉井高。
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