某污水处理厂沉井的施工

高创奇,赵青山

(中国葛洲坝集团二公司,成都,610091)

1 工程规模及地质条件

在某污水处理厂粗格栅间及污水提升泵房中,泵池部分为一直径8m、深12.4m的沉井,分两节浇筑,第一节9m,第二节待下沉到位后接打。池壁采用抗渗混凝土,第一节池壁工程量计120.2m3,自重约300t,池壁厚500mm。沉井下沉过程穿越的地层分别为粘土、淤泥质土、粉质粘土及粗砂。

污水处理厂所在地为农田,工程地质条件较差,地基承载力低、压缩性高,但地层分布稳定,厚度均匀。其地层分布从上至下依次为:①耕土:黑褐色,勘察时为冻结状态;②粘土:黄褐色,湿,可塑偏硬～可塑,中压缩性,厚度0.7m～0.9m,地基承载力fk=160kPa,摩阻力qs=52kPa;③粘土:暗褐色,湿,可塑偏软～软塑,中压缩性～高压缩性,厚度 0.9m～1.4m,地基承载力fk=130kPa,摩阻力 qs=45kPa;④淤泥质土:灰色,湿,可塑偏软～软塑,高压塑性,含有机质。厚度0.7m～1.3m,地基承载力fk=110kPa,摩阻力qs=30kPa;⑤粉质粘土:灰色,黑灰色,可塑偏软～软塑,中等偏高压缩性,夹草炭土薄层。厚度 3.6m～6.3m,地基承载力fk=150kPa,摩阻力 qs=45kPa;⑥粗砂:灰色,饱和,中密,夹灰色粉质粘土薄层。地基承载力fk=240kPa,摩阻力qs=62kPa。

地震烈度Ⅵ度,抗震构造设施按Ⅶ度设防。

2 施工方案

2.1 开挖基坑,降低初沉标高,减少下沉深度

根据沉井部分的地质状况,为保证沉井初沉阶段的均衡下沉,先挖除耕土部分,将沉井预制及初沉标高设为205.6m,这样可创造两个有利条件:①将预制及初沉平台设在未挠动粘土层上,土层均匀,承载力大,利于沉井预制及初沉平稳;②基坑开挖,缩短了下沉深度。

第一节沉井下沉至设计标高后,其上沿高出基坑底30cm,以利于接打第二节混凝土及防止基坑内积水溢入沉井中。

2.2 降水固砂,确保安全顺利下沉

由于沉井下沉过程中穿越一层粉质粘土及一层粗砂,这两种地层透水性好,井内土体开挖后,地层在渗流水的作用下易形成流砂及管涌,受振动后易液化。这些现象的发生,极易造成沉井下沉过程中的偏沉、游走及突沉,对沉井的下沉安全构成威胁。因此,必须消除地层渗水。本工程采用大口径无砂混凝土渗水管在沉井四周设降水井,降水固砂,保证地层稳定,为沉井下沉施工创造有利条件。

3 沉井施工

3.1 沉井预制

3.1.1 基坑开挖完成后,在沉井设计位置铺粗砂厚30cm,压实,并沿拱脚铺设15cm×15cm方木,长2m,环向间距0.3m,垂直于池壁切线方向布置。以此作为沉井预制底座,铺设模板,架立支撑。

3.1.2 第一节沉井高9m,分两次浇筑完成,每次高度 4.5m,水平施工缝设中间凹糟,埋设止水钢板,以利防渗。为避免混凝土因不均匀下沉而拉裂,第二次混凝土浇筑宜在第一次混凝土强度达设计强度70%以上时再行施工。

3.1.3 刃脚底支撑验算

如前所述,沉井预制底座采用铺砂夯实,加垫方木结构形式。粘土层经铺砂夯实后,地基承载力可达到fk=150kPa以上。其它条件如下:(1)沉井第一节9m高,混凝土120.2m3,自重Q≈300t。(2)每根方木增加承载面积S1=0.15×1.8=0.27m2;(3)刃脚底面积 S2=2πR×宽=2×3.14×4.4×0.2=5.53m2。

预制阶段刃脚底需要承载面积:

需铺垫方木根数N:

取安全系数1.4,则N=52×1.4=74.2根,取75根。

方木沿刃脚布设间距:

a=沉井围长/方木根数=2×3.14×4.25/75=0.35m/根,实际施作取间距0.3m。

可见,前述的底座形式可以满足沉井预制需要。

3.1.4 沉井钢筋混凝土施工

(1)钢筋工程、模板工程、混凝土工程的施工工艺同曝气沉砂池;

(2)沉井混凝土浇筑分两步进行,每节4.5m高,其施工缝做成凹槽,预埋止水钢板,并做拉毛处理,浇筑上部混凝土前铺高标号水泥净浆;

(3)井壁预留、预埋及梁板甩筋随进度施作,并按设计及规范要求作好保护;

(4)沉井制作允许偏差;井壁厚±15mm,半径±25mm。

3.2 沉井下沉

3.2.1 准备工作

沉井须待混凝土强度达到设计标号后方可实施。下沉前做好如下工作:

(1)井壁外画观测标志。沿直径方向取两垂直的中轴线,在井壁上做标志点,每条轴线两点(两侧井壁各一点),在标志点下方画铅直线,长8m,以观测沉井中轴偏移情况;在铅直线上每1m画水准观测线,观测沉井下沉量及平衡情况。

(2)将铺垫的方木沿刃角边缘锯断。目的是撤除部分支撑力,以使沉井下沉;可控制支撑的对称撤除,以免造成初沉倾斜。

3.2.2 下沉系数验算

(1)下沉系数公式:K=Q/T＞1.15～1.25

式中:Q——沉井自重,为 300t=2940kN;

T——土层对沉井外壁的总摩擦力。

(2)设定的沉井初沉标高位于第三层粘土底部,第三层粘土的阻力可不计;沉井主要穿过淤泥质土、粉质粘土和粗砂层。深井穿越地层的计算厚度分别为:

(3)各地层摩阻力:

(4)沉井外壁周长L=2πR=2×3.14×4.5=28.26m

(5)T=L×(H-2.5)f0

=28.26×(9-2.5)×49.1

=9019.2kN

计算简图见图1。

图1 沉井下沉系数计算简图

(6)K=Q/T=2940/9019.2=0.33＜1.15～1.25,可见沉井自重不满足下沉需要,需采取其它施工措施,降低下沉阻力。

3.2.3 下沉施工方法

较为简便易行的方式是,采取泥浆套 (即在井外壁与土层间注入触变泥浆)或空气幕 (即在沉井外壁与土体间以高压吹入空气),降低下沉的摩阻力。以上两种办法,可将摩阻力减少至3kPa～5kPa,局部实施即可满足下沉安全系数k＞1.15～1.25的要求。

3.3 开挖方法

采用人工挖土,塔吊或汽车吊配吊斗,吊土出井。开挖中应注意对称取土,弃土堆放离基坑边的距离不小于10m,以防止偏载推移沉井。

3.4 沉井纠偏、止沉

沉井下沉中可能出现偏移,采取以下控制和纠正措施:

(1)随沉井下沉进行水平和中轴线监测,随时调整取土部位和取土量;

(2)沉井下沉过程中若出现倾斜或轴线偏移,可采用单测压实填土、单侧挖土减载、不均平衡取土、配重等予以纠正;

(3)沉井接近就位时,必须控制沉降速度。若出现沉降速度过快的现象,应停止取土,查清原因,防止超沉;

(4)沉井到达设计位置后仍有下沉趋势,可在刃脚底抛填片石止沉;

(5)预留后期沉降量。由于沉井就位后,要接打第二节混凝土,势必造成沉井的再次下沉。因此,第一节沉井就位时应根据下沉观测情况预留沉降量 (即提高沉井标高),一般预留5cm～10cm。

3.5 沉井封底

沉井下沉完毕,其偏差应符合以下标准:(1)标高10cm;(2)水平偏移≤下沉总深度的1%;(3)沉井相互垂直的两直径与圆圈交点中任两角的刃脚踏面高差不得超过10cm。

沉井就位后,偏差符合标准要求,即可实施封底。为避免地下水汇集形成较大浮力顶裂封底混凝土,可在底板正中布置集水井一口,井内埋渗水管,并以渗水管为中心,在底板以下做辐射状渗水盲沟引水,集水井内置潜水泵,随时抽排。待泵池结构全部完成后封堵。

3.6 沉降观测

沉降初期和沉井即将达到设计标高时,应加密观测频率,以摸准规律,准确掌握沉井动态,每24h观测不少于4次;中间沉降过程每24h不少于2次。施工中应根据观测信息,及时调整取土部位和取土量,控制沉井姿态。

4 结语

通过某污水处理厂提升泵房沉井的施工表明,不论其工程地质条件多么复杂,只要在工程施工前和施工过程中,进行详细的地质复勘,认真分析地质条件,针对不同的水文地质和工程地质条件,采取正确的施工方法和施工工艺,就能取得预期的效果。