黃曉慶陳壽明

沉井排水下沉技術(shù)在寶應(yīng)縣小涵洞工程中的應(yīng)用

黃曉慶1陳壽明2

一、工程概況

寶應(yīng)縣小涵洞新建工程是南水北調(diào)東線第一期工程沿運(yùn)閘洞漏水處理工程之一，該工程位于寶應(yīng)縣涇河鎮(zhèn)運(yùn)河大堤上，保留原小涵洞，新建小涵洞在原址向南移址新建，主體部分全長(zhǎng)96.6m（不含上下游護(hù)砌段），洞身段全長(zhǎng)69m，其中穿堤段50m采用φ150cm圓管涵進(jìn)行頂管施工，其余19m采用圓涵埋管型式與大運(yùn)河連接。圓管涵壁厚0.15m，底板高程3.2m，堤頂高程12.6m，堤頂寬14.6m。

頂管進(jìn)口工作井布置于堤防道路西側(cè)坡腳的灘面上，采用沉井結(jié)構(gòu)型式，工作井內(nèi)凈尺寸長(zhǎng)6.5m、寬5.0m，井壁厚90cm，井壁頂高程8.5m，井底板高程2.0m，底板厚0.7m。頂管出口接收井布置于道路東側(cè)坡腳處，接收井采用開(kāi)挖土坑型式。頂管結(jié)束后，在進(jìn)口工作井的上游側(cè)布置連接埋管和上游引河，在頂管出口接收土坑內(nèi)進(jìn)行消力池的布置。

工作井上游的連接埋管采用φ150cm圓管涵壁厚0.15m，底板高程3.2m，進(jìn)口處設(shè)置鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)斜降式U形墻與上游引河銜接。

二、工程水文地質(zhì)情況

小涵洞工程地質(zhì)如下：

工程地質(zhì)、水文地質(zhì)：勘區(qū)土在鉆深范圍內(nèi)，上部填土（大運(yùn)河堤身堆、填土），下部土是地域穩(wěn)定土層，屬河湖相沉積，從工程地質(zhì)角度看，勘區(qū)土自上而下分別描述如下：

第1層：自12.71～3.86m，素填土，貫入擊數(shù)N=5.5擊，比貫入阻力Ps= 1.036MPa，承載力標(biāo)準(zhǔn)值fk=70kPa，垂直滲透系數(shù)Kv=2.0E-04cm/s。

第2-1層：自6.12～3.09m，淤泥，Ps=0.49MPa，fk=55kPa，垂直滲透系數(shù)Kv=3.0E-07cm/s。此層土僅分布在西坡角處。

第2-2層：自3.09～0.28m，粉土夾粉質(zhì)粘土，Ps=1.149MPa，fk=70kPa，垂直滲透系數(shù)Kv=4.0E-05cm/s。此層土僅分布在西坡角處。

第3-1層：自6.62～4.5m，土質(zhì)為粉質(zhì)粘土夾粉土，N=6擊，Ps=0.515MPa，fk=80kPa，垂 直 滲 透 系 數(shù) Kv= 4.0E-06cm/s。此層土僅分布在西側(cè)灘面斜坡處。

第3-2層：自4.5～2.9m，粉土，N =9擊，Ps=2.578MPa，fk=90kPa，垂直滲透系數(shù)Kv=5.0E-05cm/s。此層土僅分布在西側(cè)灘面斜坡處。

第4層：自3.86～1.71m，粉質(zhì)粘土，N=5擊，Ps=1.781MPa，fk=180kPa，垂直滲透系數(shù)Kv=3.0E-06cm/s。

第5層：自1.71～-0.22m，粉質(zhì)粘土，N=14擊，Ps=3.443MPa，fk=230kPa，垂直滲透系數(shù)Kv=5.0E-06cm/s。

第6層：自-0.22～-4.36m，粉土夾粉質(zhì)粘土，N=26.7擊，Ps=9.058MPa，fk=180kPa，垂直滲透系數(shù)為 Kv= 6.0E-05cm/s。

第7層：自-4.36～-8.11m，粉質(zhì)粘土，N=21.4擊，Ps=4.009MPa，fk=260kPa，垂直滲透系數(shù)Kv=4.0E-06cm/s。

第8層：自-8.11m～-11.79m，粉土夾粉質(zhì)粘土，N=21.5擊，Ps=9.231MPa，fk=200kPa， 垂 直 滲 透 系 數(shù) Kv= 1.0E-05cm/s。

第9層：自-11.79m以下，該層土未揭穿，為粉質(zhì)粘土，N=10.2擊，fk=160kPa，垂直滲透系數(shù)Kv=3.0E-06cm/s。

場(chǎng)地地震效應(yīng)：本勘區(qū)抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.10g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組。地面以下20m深度范圍內(nèi)均為粘性土，按抗震設(shè)計(jì)規(guī)范判別，無(wú)液化土層。場(chǎng)地土類型為中軟場(chǎng)地土，根據(jù)區(qū)域工程地質(zhì)資料，場(chǎng)地覆蓋層厚度大于50m，建筑場(chǎng)地類別為Ⅲ類，為建筑抗震有利地段。

沉井底部高程為－0.7m，底板頂高程為2.0m，基本位于第5層，該層土為粉質(zhì)粘土，地基承載力為230kPa，以下各層土為良好的地基下臥層，滿足設(shè)計(jì)要求。

三、沉井施工

1.總體情況

本工程施工期大運(yùn)河最高水位為6.5～7.5m，沉井位置處水位為 5.5～6.5m。沉井?dāng)M采用深水管井降水，人為創(chuàng)造旱地沉井施工，采用排水下沉施工方案。為降低沉井下沉深度，先將基坑開(kāi)挖2～3m，待砂墊層和素混凝土墊層完成后，制作沉井。沉井制作完成后，待沉井井壁混凝土強(qiáng)度達(dá)到90%后方可進(jìn)行下沉施工，沉井?dāng)M分兩次性制作，一次性下沉，沉井采用C30混凝土澆筑。

2.放樣定位

根據(jù)設(shè)計(jì)施工圖沉井坐標(biāo)放樣，定出沉井中心樁位和縱橫軸線控制樁，放出沉井基坑位置;基坑開(kāi)挖至現(xiàn)有地在灘地高程，深度約為2～3m，基坑邊坡按1∶0.8放坡，基坑土方采用機(jī)械挖土，人工配合修坡和坑底平整；基坑如有松軟土應(yīng)全部予以清除，并回填實(shí)土、夯實(shí)。

3.砂墊層、素混凝土墊層施工

為保證沉井制作時(shí)的沉井穩(wěn)定及增加土體的容許承載力，因此需鋪設(shè)砂墊層和素混凝土墊層。砂墊層采用中粗砂，并搗實(shí)，保證密實(shí)度。

砂墊層厚度計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式：

N為沉井單位長(zhǎng)度重量。

沉井上部總重N=［（6.5+1.8）× （5+1.8）-6.5×5］×8+（0.4+0.9）/2×0.7× （7.4+5.9）×2×2.5/（7.4+5.9）/2=19.3T/m

δ為土體極限承載力，取δ=8t/m2。

b為混凝土墊層寬度，取b=2.3m；

φ為砂墊層應(yīng)力擴(kuò)散角，取φ=26° 34'。

砂墊層厚度取0.15m，素混凝土的寬度根據(jù)經(jīng)驗(yàn)度取2.3m，厚度取0.1m。

4.沉井制作

沉井為兩次制作，一次下沉。第一次澆筑至底板上方，第二次澆筑至頂層8.5m處。

5.沉井下沉方式

沉井制作下沉?xí)r，根據(jù)工程地質(zhì)條件擬采用干沉干封底，但施工現(xiàn)場(chǎng)同時(shí)配備濕沉封底設(shè)備和人員，以備特殊情況時(shí)采用濕沉、濕封底的方法。

（1）深水管井降水，深水管井降水可以明顯降低井附近區(qū)域的地下水位，使沉井下沉區(qū)域無(wú)水，達(dá)到沉井干沉的目的。

（2）根據(jù)工程場(chǎng)地的工程地質(zhì)和水文條件進(jìn)行水力計(jì)算，工作井降水采用深水管井，每座工作井布置四口深水管井，能夠達(dá)到疏干滲水目的。

（3）沉井下沉?xí)r，下沉系數(shù)較大，刃腳下土體可不必挖除。下沉到位后，盡快井內(nèi)回填封底混凝土，保證沉井不繼續(xù)下沉。沉井下沉過(guò)程中，采用井外壁灌砂的辦法，以減少井周邊摩阻力，以利沉井穩(wěn)定下沉。

6.沉井下沉施工

（1）沉井下沉系數(shù)計(jì)算：

其中：G為沉井自重，經(jīng)計(jì)算G=203.6×2.5＝509T

Rf為井壁摩阻力，取井壁摩阻力系數(shù)F為2.5T/m2，Rf＝1/2×AF=1/2× （7.5+0.7）×（6.5+1.8+5+1.8）×2×2.5=309T

Rt為刃腳端面反力，取ft平均值為 15T/m2，則 Rt＝ft×Ft=15×0.4× （8.3+6.8）×2=181T。

則K=509/（309+181）=1.04。

當(dāng)1＜K＜1.33時(shí)沉井能正常下沉。

（2）沉井下沉施工

a.沉井下沉前，應(yīng)先在四角用油漆做好高程標(biāo)尺，以便沉井下沉?xí)r，進(jìn)行觀測(cè)。

b.沉井下沉觀測(cè)，必須每天定時(shí)觀察，如發(fā)現(xiàn)下沉有異常情況，應(yīng)加強(qiáng)觀測(cè)，每次觀測(cè)結(jié)果要求做好記錄，報(bào)項(xiàng)目部技術(shù)負(fù)責(zé)人。

c.沉井刃腳混凝土強(qiáng)度達(dá)到90%后，沉井可進(jìn)行下沉施工。

d.沉井下沉?xí)r，應(yīng)對(duì)稱破除素混凝土墊層，并把墊層混凝土塊清理干凈，防止沉井開(kāi)始下沉?xí)r發(fā)生傾斜。

e.沉井井內(nèi)挖土，采用長(zhǎng)臂挖掘機(jī)挖土施工，人工配合挖土，挖運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)指定地點(diǎn)集中堆放，要求施工采用連續(xù)施工的方式進(jìn)行不間斷施工。

f.沉井下沉挖土要有專人負(fù)責(zé)，指揮井內(nèi)挖土施工。

g.沉井下沉糾偏，要求現(xiàn)場(chǎng)施工人員根據(jù)測(cè)量觀察到的數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整井內(nèi)挖土方式，并報(bào)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人。

h.沉井下沉的速度由挖土的速度來(lái)控制，當(dāng)沉井離設(shè)計(jì)要求0.5～1m時(shí)，要求嚴(yán)格控制挖土速度，控制沉井下沉，防止發(fā)生超沉。

7.沉井封底

（1）當(dāng)沉井下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)，應(yīng)密切觀察，在8h內(nèi)下沉量小于1cm時(shí)進(jìn)行封底施工，如發(fā)生沉井下沉較大時(shí)，應(yīng)采取阻沉措施。

（2）封底施工時(shí)，嚴(yán)禁向井內(nèi)回填土方，超挖部分應(yīng)采用碎石或石塊回填。井內(nèi)淤泥需清除干凈，清除雜物，封底混凝土接觸端面應(yīng)鑿毛，并清洗干凈。

（3）在封底過(guò)程中深水管井保持抽水，防止封底后地下水壓的作用造成底板損壞，待混凝土強(qiáng)度達(dá)到要求后一次性封堵。

（4）澆筑C20混凝土封底，終凝后即可進(jìn)行底板鋼筋綁扎。

（5）鋼筋驗(yàn)收合格后，進(jìn)行底板混凝土澆筑，并留混凝土試塊。

（6）當(dāng)混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，對(duì)集水井進(jìn)行封堵，并停止深水管井降水。

8.沉井下沉的偏差和處理措施

在沉井下沉過(guò)程中，盡量避免過(guò)大傾斜、突沉，但如果因土質(zhì)變化等原因發(fā)生較大傾斜、突沉?xí)r，采取以下糾偏技術(shù)措施：

（1）挖出沉井較高一側(cè)的刃腳下土體，而另一側(cè)的刃腳下土體不挖。

（2）沉井下沉到離設(shè)計(jì)標(biāo)高還有1m時(shí)，應(yīng)放慢下沉速度。加強(qiáng)井頂標(biāo)高監(jiān)測(cè)。刃腳下的土體不能挖空。當(dāng)沉井下沉到離設(shè)計(jì)標(biāo)高還有20cm時(shí)，應(yīng)停止機(jī)械挖土，改用人工挖土修正。由其自然下沉到設(shè)計(jì)標(biāo)高后進(jìn)行封底，防止沉井在下沉過(guò)程中突沉。

四、結(jié)語(yǔ)

沉井是一種利用人工或機(jī)械方法清除井內(nèi)土石，并借助自重或添加壓重等措施克服井壁摩阻力逐節(jié)下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高，再澆筑混凝土封底并填塞井孔，成為建筑物基礎(chǔ)的井筒狀構(gòu)造物。

沉井的特點(diǎn)是埋深較大，整體性強(qiáng)，穩(wěn)定性好，具有較大的承載面積，能承受較大的垂直和水平荷載，在地下結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較為廣泛。在本工程中，一是利用沉井承受水平荷載，作頂管水平力作用支撐；二是在頂管施工結(jié)束后，作為上部結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)使用，承載上部閘房和啟閉設(shè)備的荷載。本工程施工結(jié)束后，進(jìn)行沉降變形觀測(cè)，未有明顯變形，總體效果良好■

（作者單位：1.江蘇省寶應(yīng)縣水務(wù)局225800 2.江蘇省寶應(yīng)縣安宜水務(wù)站225800）