嚴(yán)邵峰 茅 鳴
寧波建工建樂(lè)工程有限公司 浙江 寧波 315020
沉井技術(shù)因其整體性強(qiáng)、穩(wěn)定性好、埋置深度大、承載面積和承載能力較大,且能簡(jiǎn)化施工等優(yōu)勢(shì),而被廣泛運(yùn)用于市政污水干管、污水泵站等地下建筑工程施工中[1-2]。不少學(xué)者對(duì)超深[3]、超大[4]沉井施工技術(shù)進(jìn)行了一定的探索,并對(duì)其風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估進(jìn)行了研究。本文結(jié)合寧波某污水處理廠粗格柵沉井施工實(shí)例,對(duì)異形大沉井的施工技術(shù)、特點(diǎn)及重難點(diǎn)等進(jìn)行了分析,并提出了相應(yīng)的措施對(duì)策,同時(shí)通過(guò)計(jì)算進(jìn)行了一定的理論驗(yàn)算。
寧波市某污水處理廠進(jìn)廠管工程中,有一座新建粗格柵(接收井)采用沉井方式施工。沉井外形尺寸為12.7(15.70) m×28.10 m,井壁厚0.85 m(其中刃腳部分井壁厚1.00 m),總高度為17.50 m(刃腳底標(biāo)高為-13.60 m,井壁頂標(biāo)高為3.90 m)。共分4次制作、3次下沉,初期采用排水下沉,到后期改為不排水下沉,C20素混凝土水下封底。沉井分節(jié)制作及下沉高度如表1所示。
表1 沉井分節(jié)制作及下沉高度
根據(jù)地勘報(bào)告,沉井下沉過(guò)程中自上而下所穿過(guò)的土層為:①雜填土、②1淤泥質(zhì)黏土、②2粉質(zhì)黏土、②3淤泥質(zhì)黏土、③粉砂。地下水主要為孔隙潛水與承壓水兩種類型,淺層孔隙潛水主要賦存于表層①和②1層中,孔隙承壓水賦存于③層中。
1)本工程沉井為異形截面且面積較大,為保證沉井安全、穩(wěn)定、順利地下沉,經(jīng)綜合分析后,粗格柵(接收井)采用4次制作、3次下沉的方式。
2)第1節(jié)刃腳在強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后開始下沉,第2、第3節(jié)井壁在強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的70%后開始下沉。
3)沉井制作及下沉過(guò)程中加強(qiáng)沉降觀測(cè),根據(jù)地勘資料及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)情況及時(shí)調(diào)整沉井分節(jié)高度及控制下沉速度,確保沉井制作與下沉的質(zhì)量和安全。
4)沿沉井長(zhǎng)度方向兩側(cè)對(duì)稱出土,防止沉井下沉中產(chǎn)生位移、扭轉(zhuǎn),以保證沉井順利下沉和減少沉井下沉對(duì)周邊土體的擾動(dòng)。
5)下沉初期采用排水下沉,使用長(zhǎng)臂挖機(jī)挖土的同時(shí)抽取地下滲水,以便觀察挖土均勻下沉;后期在接近設(shè)計(jì)高程時(shí)由于土層滲水嚴(yán)重,采用不排水下沉;最后進(jìn)行水下混凝土封底。
待第1節(jié)沉井混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后進(jìn)行下沉準(zhǔn)備工作和刃腳素混凝土墊層鑿除,第2、第3節(jié)達(dá)到70%設(shè)計(jì)強(qiáng)度后進(jìn)行下沉;下沉挖土?xí)r,2臺(tái)長(zhǎng)臂挖機(jī)位于沉井兩側(cè)沿長(zhǎng)度方向同步對(duì)稱開挖,每層開挖厚度視土質(zhì)情況而定,控制在0.4~0.5 m,土質(zhì)較好較堅(jiān)硬時(shí)適當(dāng)增加每層厚度,土質(zhì)較差時(shí)減小厚度;安排專人在沉井下沉全過(guò)程中進(jìn)行沉降觀測(cè)及指揮挖土順序、速度。下沉至距設(shè)計(jì)底標(biāo)高50 cm左右時(shí)停止挖土,使沉井依靠自重下沉到設(shè)計(jì)標(biāo)高。井內(nèi)挖出的土方及時(shí)外運(yùn)。
沉井下沉至最終設(shè)計(jì)標(biāo)高后,繼續(xù)沉降觀測(cè),待沉降趨于穩(wěn)定后(8 h累計(jì)沉降量小于10 mm),進(jìn)行水下封底。澆筑前先將井底修整成鍋底形狀,并通過(guò)潛水員進(jìn)行井底土層檢查。混凝土澆筑時(shí)分格、對(duì)稱、均勻澆筑,先鍋底后四周(圖1)。整個(gè)澆筑過(guò)程中用測(cè)繩測(cè)量水下混凝土面上升情況,潛水員摸測(cè)擴(kuò)散半徑。封底混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度前,沉井內(nèi)外水位保持相等,以防封底混凝土承受水壓。水下封底混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)定后,抽除井內(nèi)水進(jìn)行底板等后續(xù)工程。
圖1 導(dǎo)管布置
沉井下沉過(guò)程中,土層與井壁的總摩阻力T由式(1)~式(3)計(jì)算得出:
式中:U—井壁外圍周長(zhǎng),取85 m;
A—單位周長(zhǎng)摩阻力,kN/m;
fk—單位面積摩阻力,kN/m2;
fki—第i層土單位面積摩阻力;
hi—第i層土厚度;
H—沉井下沉深度,m。
下沉系數(shù)kst的表達(dá)式為:
接高穩(wěn)定系數(shù)和下沉系數(shù)的計(jì)算結(jié)果如表2、表3所示。
表2 接高穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果
表3 下沉系數(shù)計(jì)算結(jié)果
沉井接高過(guò)程中為防止自重過(guò)大而發(fā)生自沉,接高穩(wěn)定系數(shù)需滿足kc<1.0;在下沉過(guò)程中,為保證沉井能安全順利地下沉,下沉系數(shù)應(yīng)滿足1.05≤kst≤1.25。由表2可見(jiàn),各節(jié)沉井接高時(shí)其穩(wěn)定系數(shù)均小于1.00,可以滿足接高時(shí)的穩(wěn)定性要求。3次下沉的下沉系數(shù)基本滿足要求,第1次下沉?xí)r的下沉系數(shù)雖略小于1.05,但該次沉井處在淤泥質(zhì)黏土層,土層較為軟弱,可滿足下沉要求;第2次下沉系數(shù)略大于1.25,可適時(shí)采取不排水下沉,以增加水浮力,減輕下沉質(zhì)量。
沉井在下沉過(guò)程中不可能理想地豎直均勻下沉,下沉初期,沉井處于淤泥質(zhì)黏土層,刃腳下土質(zhì)軟硬不均。此時(shí)沉井入土深度較小,大部分井體仍處于地面上,井壁與土層的側(cè)向摩阻力很小,容易使沉井產(chǎn)生傾斜。在產(chǎn)生傾斜與糾正傾斜的過(guò)程中,沉井因受力不均會(huì)產(chǎn)生一定的偏移。故在沉井下沉過(guò)程中,應(yīng)加強(qiáng)初沉控制,對(duì)稱均勻開挖并時(shí)刻監(jiān)測(cè),出現(xiàn)傾斜移位及時(shí)糾偏,邊糾正邊下沉,根據(jù)土質(zhì)情況和下沉系數(shù)不斷調(diào)整挖土速度。
本工程土質(zhì)主要為淤泥質(zhì)黏土,在3次下沉過(guò)程中均要穿越淤泥質(zhì)黏土層,并由計(jì)算的下沉系數(shù)可得第2次的系數(shù)略大于1.25,在此次下沉?xí)r存在下沉過(guò)快的可能。需在施工時(shí)重新調(diào)整挖土、控制出土速度,必要時(shí)可將排水下沉改為不排水下沉以增加浮力。
在終沉階段,由于該部分土層為淤泥質(zhì)黏土,土質(zhì)軟弱,承載力低,故容易產(chǎn)生超沉問(wèn)題。因此,在下沉至接近設(shè)計(jì)標(biāo)高的最后階段,應(yīng)減緩沉井下沉速度,并增加監(jiān)測(cè)頻率。本工程在初期采用排水下沉,后期在接近設(shè)計(jì)高程時(shí)由于土層滲水嚴(yán)重,采用不排水下沉,對(duì)下沉速度起到一定減緩作用。
結(jié)合工程實(shí)例介紹了異形大沉井下沉施工技術(shù),通過(guò)計(jì)算分析了接高系數(shù)、下沉系數(shù)等穩(wěn)定性要求,并針對(duì)沉井下沉施工出現(xiàn)的問(wèn)題提出相應(yīng)對(duì)策措施,對(duì)工程實(shí)踐具有重要意義,可為類似沉井工程提供一定的借鑒。