13米高大沉井下沉施工控制技术

简介： 大沉井用于水闸下游海漫防冲，保护海漫下游端不被下泄洪水和潮水冲刷破坏，起到了良好的效果。文中介绍了13m高防冲大沉井的制作、下沉和沉放过程中的施工控制技术。
关键字：大沉井 制作 下沉 控制

沉井一般常用于桥梁墩（台）深基础，可以承载较大的负荷。沉井用于水闸工程的下游防冲已在较多水闸中取得成功经验。在海漫和防冲槽之间设置钢筋砼防冲大沉井，起“锁墙”作用，保护海漫下游端不被下泄洪水和潮水冲刷破坏。

　　1 工程概况

　　1.1工程特点

　　曹娥江大闸枢纽工程位于绍兴市，钱塘江下游右岸主要支流曹娥江河口，距绍兴市区约30公里，为Ⅰ等工程，主要建筑物挡潮泄洪闸、堵坝、岸墙、翼墙为Ⅰ级建筑物；次要建筑物上游导流堤等为3级建筑物；临时建筑物施工围堰等为4级建筑物。大闸枢纽主要由挡潮泄洪闸、堵坝、导流堤、鱼道、上游河道护脚、上下游堤防加高加固以及2号闸老围堰处理等建筑物组成。在灌砌石海漫下游端设防冲大沉井，

　　防冲大沉井总长685m，共计55只。由于沉井下沉过程中不可避免有倾斜现象，根据相关工程经验，在相邻井间预留0.9m的宽缝，在预留缝的上下游两端采用高压旋喷桩进行缝堵，高压旋喷桩深15m，桩径不小于1.5m。单个防冲大沉井，顺水流向长8m，垂直水流向长12m，深13m，外壁厚0.7m，中间设分隔墙厚0.4m，顶板厚0.8m，下端开口，中间为空箱，刃脚底面宽度0.3m。沉井沉放完毕后，在空箱内回填砂质粉土。设计沉井底标高为-15.5m，顶标高为-2.5m。

　　1.2工程地质

　　沉井场址在勘探深度内土层出露较简单，分布较均匀。自上而下分述如下：

　　①砂质粉土（al-mQ4）组成，顶板标高-17.2~-1.31米；

　　②淤泥质粘土粉土夹层（al-mQ4），顶板标高-19.2~-12.31米；

　　③淤泥质粉质粘土夹粉土（al-mQ4），顶板标高-24.4~-21.4米；

　　④粉质砂土、粉土互层（al-mQ4），顶板标高-44.9~-33.1米；

　　⑤粉砂（al-mQ3）等组成，顶板标高-60.8~-50.22米。

　　地基土砂性强，抗剪抗压性能良好，砂性土抗冲能力差，易受水的影响。

　　施工区域内建设单位已建有施工围堰，堰高平均高程约为10m，围堰区内场地比较平坦，场地标高为-2~-2.5m。

　　2 沉井下沉方案的确定

　　2.1 沉井制作

　　沉井制作采用就地浇筑的方式，每只沉井分二节制作，一次下沉。第一节制作高度 8.5m，分三次浇筑砼，即1.0m、3.7m、3.8m。为方便施工第一次沉井制作时的地面标高（刃脚位置）为-7.0m。第一节制作的沉井下沉到▽-15.5m，然后再进行上部的接高，进行第二节3.9m的制作。

　　2.2 下沉方案

　　2.2.1 沉井群划分

　　根据本工程的施工特点及现场实际情况，具体施工按以下原则进行组织：

　　将共55只沉井分为7组，每组又分为两个小组，除3-2为3只外，其余每小组均为4只，分组顺序编号见下图。每组沉井进行编号，按第1组→第2组→第3组→…→第7组的顺序进行施工，具体从东到西，即从0-5.8桩号开始进行第1组编号，实行连续流水作业。

　　大沉井分组顺序编号图

　　2.2.2 资源配置

　　每组沉井群计划设置两个钢筋模板作业班组，一个砼浇筑作业班组，进行三班制流水作业。在每只沉井具备浇筑条件后即进行砼浇筑，沉放时，同时沉放一个小组的四只沉井，时间大概为两天，待沉放稳定后，再同时沉放另一小组的四只沉井。资源均按此进行配置。

　　2.2.3 沉井下沉方法

　　本次沉井群采用排水下沉和不排水下沉相结合的方法。我们考虑先采用排水下沉，最后视具体情况采用排水或不排水下沉。预计不排水下沉深度2～3m。

　　沉井采用水力冲土，泥浆泵排土。

　　同组的每小组四只沉井同时进行下沉。由于沉井群井间距仅90cm，每个沉井下沉时相互间存在一定的影响，为了避免下沉过程相互干扰， 4只（最后一小组为3只沉井）沉井下沉时基本同步，相邻间沉井下沉时高差按不超过1.0m进行控制。

　　具体的施工顺序为：施工准备→打设第一级井点→挖基坑→打设第二级井点→制作第一节沉井→拆除模板、挖土下沉→部分回填土→第二级井点拆除→沉井接高→回填土→顶板施工→旋喷施工→工程完工清场

　　3 下沉稳定性计算

　　计算沉井的下沉稳定系数（按制高8.5m，下沉8.3m，且排水下沉进行计算）

　　3.1 计算沉井侧面摩阻力的下沉系数

　　k1=Q/Rf。

　　其中Q为沉井自重，按8.5m高计算，为7160KN

　　Rf为井壁总摩阻力，按Rf=U（H-2.5）fc计算。

　　fc为单位面积的摩阻力，钱塘江边的粉砂土经验值取20kpa

　　故Rf=40×（8.3-2.5）×20=4640KN，k1=7160/4640=1.54>1.15

　　（如按部分不排水，地下水作用2~3m，沉井的浮力为1360 KN，此时k1=（7160-1360）/4640=1.25>1.15）

　　3.2 计入侧面摩阻力、刃脚及隔墙下土体的支承反力时的下沉系数

　　k2=G/（Rf+R）

　　其中R为刃脚及隔墙下的土体的支承反力。

　　计算得k2=7160/（4800+3800+1277）=0.72<1.0

　　3.3 计入侧面摩阻力和刃脚踏面下土的支承反力时的下沉系数

　　k3=G/（Rf+R1）

　　其中R1为刃脚踏面下土的支承反力。

　　k3=7160/（4800+2280）=1.01

　　从计算结果可知，k1>1，说明沉井能够下沉，k2<1，说明沉井停沉时能够稳定而不会发生超沉，k3> 1，说明沉井在下沉过程中，只要将隔墙土、刃脚钭面掏空，沉井能开始下沉。所以在此种地质条件下下沉沉井具有可行性。

　　4 沉井下沉施工

　　4.1 施工准备

　　4.1.1井点布设

　　采用井点降低地下水位，井点布设按二级考虑。轴线定位后立即进行井点布设。采用标准轻型井点，每套配置40~50根花管，花管长为6m，其中1m长为滤管。井点按封闭布置。一个作业段（4个沉井）配置5套井点。

　　为满足二级井点布设和挖机行走的需要，一级井点花管中心线及二级井点花管中心线距沉井中心线距离在有效范围内。同样，二级井点也布置成封闭型，一组共5套。井点管采用水力冲沉，管周围回填中粗砂。

　　4.1.2表土清除

　　为方便沉井制作，减少沉井下沉工作量，第一节沉井刃脚制作布置在-7.2m高程。-2.5~-7.2高程之间的土方（其中-2.5~-6.5高程间土方量为：51368m3，-6.5~-7.2高程间土方量为： 770m3，每组为3790m3）需要先行挖除。在-2.5~-6.2m范围内土方采用水力冲挖，将近高程时采用机械配人工进行开挖。

　　首先，根据土方堆放场地，对沉井部分的表土进行清除，清除的表土直接打至土方堆放处进行场地平整。场地平整完成后，将第一、二组土方冲排入钱塘江中，以后各组的土方或回填或进行堆放。

　　在井点正式作用二天后开始土方冲挖，每一作业段计划安排3天时间进行冲挖，根据泥浆泵的工作效率，一个作业段配10套冲挖设备，其中8套工作，2套备用。

　　土方冲挖后，井点已工作5天，开挖后的基坑能满足上部作业的需要。

　　4.2 沉井下沉

　　沉井砼浇筑时，在沉井内离井底约4m左右的位置四周设置若干小牛腿，以便设置下沿工作平台，同时在该位置内隔墙上设置进人孔，使沉井内各格间形成通道，便于操作人员相互沟通。在井壁内侧设置插筋，以便搭设爬梯，形成垂直通道。

　　本工程沉井高度较高，为保证平稳下沉，第一次制作待砼强度达到设计要求后即进行沉井的下沉，下沉时一次沉放到位。下沉考虑每小组四只同时沉放，完成一小组再沉放另一小组，两作业组同时作业，但存在时间差，主要采用排水法施工。

　　沉井下沉施工工艺图

　　4.2.1排水下沉

　　首先将沉井四周与下沉无关的机具、设备（包括钢管、钢模板）均搬离施工现场，清除杂物；

　　在沉井四角设立指针，并埋设高程点和水平位移标志，架设测量仪器进行首次测量；

　　检查维护降水井点并确保其运转正常；

　　搭设井内作业平台及上下作业爬梯；并在沉井面上搭设操作平台、栏杆。泥浆泵、水枪配备到位（每格内配泥浆泵一台、水枪一支）；

　　井内取土的原则是：从中间往周围，尽量使土体成漏斗状，让刃脚周围的土体自然下挤。控制各隔仓内土体高差不大于0.5m。正常情况下，距刃脚50cm范围内严禁取土，除非因沉井刃脚土体问题出现沉井不沉或沉井纠偏的需要。

　　由于每次将四只沉井同时下沉，原则上同时同步取土。特殊时按先1#、3#后2#、4#沉井，沉井之间的高差不大于1m。

　　准备二台4吋水泵，以备非常情况下（井内出现大量流砂、沉井突沉等），对井内进行灌水。

　　4.2.2 不排水下沉

　　在距下沉底标高2~3m 时，在正常情况下仍可采用排水下沉，如需采用不排水下沉，具体如下：

　　利用距井底4m的小牛腿搭设工作平台，泥浆泵用葫芦挂在工作平台作业面，在泥浆泵吸泥口下方设置一根长约2m的硬管，增加泥浆泵的吸程，水枪枪口采用2m钢管或毛竹杆接长直接进行冲沉，工作人员直接在工作平台上作业，其他机械设备及工序同排水下沉。

　　4.3 设备及人员配置

　　在每一沉井的四个分隔仓内，每仓配备水枪1支，泥浆泵1台。泥浆泵采用葫芦悬挂便于移动取土，由于取土较深，泥浆泵需要进行接送。故每一沉井内配水枪4支，泥浆泵8台。每支水枪配1人，每只井配4人进行泥浆泵管理，每组另配4人管理泥浆泵、4人管理高压泵。共计72人，泥浆泵64台，高压清水泵16台。

　　4.4 沉井的接高

　　沉井制作：经过下沉后的沉井此时处于暂时稳定状态，如上部接高，相当于对沉井进行加载，沉井将有可能自然下沉。为保证安全对沉井外围及井内进行土方回填。

　　上部沉井砼高3.9m，自重3.9×34×25=3315KN。此部份荷载需由土体摩阻力来平衡。此时需要回填土高3315/（105.6×20）=1.57m。为方便施工，计划将井内外的土方均回填后进行接高施工。

　　二级井点待井内土方回填后方予以拆除。

　　接高沉井高3.9m，砼计划一次立模浇筑。其他工作同第一节沉井施工。此时沉井内为水土混合状态，井内上部接高施工时，采取一定的安全措施保证安全。

　　5 下沉施工监测要点

　　5.1施工过程的控制

　　沉井下沉过程的控制主要包括三个方面：

　　①刃脚高差控制；

　　②下沉速度控制；

　　③平面位移控制。

　　其中平面位移控制是通过刃脚高差控制和下沉速度控制来实现的。

　　5.1.1 刃脚高差控制

　　排水下沉时，由于不带水作业，故刃脚高差锅底的形成和移动都比较直观，根据高差的大小可以有效地改变锅底的大小、深浅和平面位置，以此来达到对刃脚高差的控制。

　　5.1.2 沉井下沉速度控制

　　沉井下沉速度控制也是一个重要方面，一般来讲对沉井下沉速度没有严格的限制，需根据施工经验和沉井下沉的具体情况而定，本工程施工中主要按以下原则进行：

　　① 在沉井刃脚高差不大时(在水平间距的0.5%以内)，沉井的下沉速度越快越好；

　　② 沉井下沉速度均匀为宜；

　　③ 沉井在粉砂土等易引起涌砂的土层中下沉时，应加快下沉速度。

　　5.1.3 沉井平面位移控制

　　对沉井平面位移的控制主要是通过控制沉井刃脚高差来实现，如果沉井刃脚高差不大，则沉井平面位移较易得到控制，它们之间的关系并无定量计算，但有一些联系：

　　① 沉井哪个角下沉得快(即刃脚较低)，则沉井就会向哪个方向移位；

　　② 沉井刃脚高差大时，沉井位移量大；

　　③ 沉井始终在同一个方向的刃脚高差下下沉时，沉井位移量较大。

　　施工过程中需要具体情况具体分析，决定采取相应的方法和措施。

　　5.2 在施工过程中的各项施工监控工作

　　在沉井下沉前，将每个沉井各个角点处的高程及沉井轴线放样并做好标记，记录测量原始数据，绘制测量监控平面图，计算下沉具体高度。

　　下沉分三个阶段，即首沉2~3m，中沉，最后下沉1.5~2.0m。

　　首沉阶段，必须每30分钟观测一次并记录数据，汇总到监控小组，及时计算偏差情况，并由总指挥统一指挥确定冲沉部位及冲沉速度等；

　　中沉阶段，进入正常下沉，正常下沉时，可每2h测量一次；

　　最后下沉阶段必须增加观测频率，一般为30分钟左右观测一次。

　　通过对各阶段观测数据的分析，必须使沉井的对角高差不超过15cm，并观察沉井周围土质变化情况，将地下水位、涌土、沉降、沉速随时记入历时曲线表。

　　终沉阶段最后2m范围内要减小锅底的开挖深度，防止突沉及超沉事故发生，控制开挖深度及速度，以下沉为辅，纠偏为主。

　　当沉速8h不超过1cm即认为沉井已趋稳定。

　　测量监控相关表格：

　　①、沉井下沉观测记录表（水准控制、轴线控制）；

　　②、沉井下沉累计统计表；

　　③、沉井下沉监控平面图；

　　④、沉井下沉纠偏、纠扭计算图表；

　　⑤、沉井下沉地下水位、涌土、砂率、沉速历时统计表。

　　5.3 沉井的质量控制标准

　　根据有关规范的要求，沉井制作与下沉时的质量控制标准如下：

　　（1）沉井平面尺寸偏差：长度、宽度为±0.5%，即长度方向为±6cm，宽度方向为4cm；两对角线差异为1%对角线长，即14.4cm。

　　（2）沉井壁厚偏差：±1.5 cm；

　　（3）下沉后刃脚高程与设计高程的偏差不得超过10 cm；

　　（4）沉井四角中任何两个角的刃脚高差不得超过该两个角间水平距离的0.5%，且不得超过15cm；水平距离小于10m时，其高差可为10cm；

　　（5）沉井顶面中心的水平位移不得超过下沉总深度的1%。

　　6 结语

　　13m高防冲大沉井，分节制作一次下沉；当多只沉井连续分布时采用群沉法施工在本工程实践都取得了良好效果，保证了沉井下沉达到设计要求的质量标准。沉井下沉时根据工程地质条件采用适当的降低地下水方式，如本工程中采用的二级井点降水，也是保证沉井下沉质量的关键技术。

　　作者简介：董素贞（1971-），男，工程师，大学本科，主要从事水利工程施工技术及试验管理。