新沭河治理工程临洪东站自排闸工程沉井技术应用

史 玮 秦小桥 许文涛

新沭河治理工程临洪东站自排闸工程沉井技术应用

史 玮 秦小桥 许文涛

一、工程概况

临洪东站自排闸工程位于连云港市境内的新沭河右堤上，该闸为1级水工建筑物，共6孔，每孔净宽10m，两孔一联，设计流量650m3/s。该闸为沉井结构，单座沉井尺寸为22.5m×12.2m（长×宽），共3座。沉井外井壁厚80cm，隔墙厚50cm，井壁刃脚底高程 =-12.5m，沉井顶高程 =-2.9m，下沉深度为9.6m。3座沉井呈直线型连续布置，沉井间间距为0.82m。

二、气候条件、水文地质情况

连云港市地处北半球的中纬度地区，属暖温带与北亚热带的过渡地区，气候湿润，四季分明。年平均气温在14℃左右，多年平均降雨量为936.9mm，最大年降雨量为1328.9mm。

该闸地面高程为 =-2.0m，沉井底部高程为 =-12.5m，场地土层自上而下分别为：①粘土，层底标高为-0.13～2.5m；②-1淤泥质壤土，层底标高为-0.95～0.65m；②-2壤土，层底标高为-7.42～-0.65m；②-3淤泥质粘土，层底标高为-11.05～-10.25m；③细砂夹壤土，层底标高为-12.58～-11.83m；④粘土，层底标高为-14.55～-13.65m。场地地下水类型有：赋存于①粘土、②-1淤泥质壤土、②-2壤土等上部地层中的潜水；赋存于③细砂夹壤土中的承压水。

三、沉井施工方案

沉井根据井壁设计形式，采取一次制作、一次下沉的施工方案，施工顺序为：测量放线→基坑开挖→砂岛填筑、混凝土条形基础浇筑→砖砌刃脚胎模→沉井制作→养护等强、拆除模板、脚手→拆除砖胎模、混凝土垫层、砂垫层→井内下沉→井内砂、土回填→沉井间微膨胀混凝土回填→沉井防渗处理。

四、沉井施工过程

1.沉井制作基础处理

根据施工图纸，结合基础工程和上下游连接段基础工程施工，自排闸沉井制作基坑面高程定为 =-2.0m。因沉井制作面的原状土承载力约为4～6t/m2，不能满足沉井制作时的稳定要求，为防止地基不均匀下沉产生井身裂缝，沉井制作时将进行基础换填处理，提高承载能力，满足沉井的制作要求。具体做法：在基坑开挖面以下开挖1.5m厚的土方并换填相同厚度的砂垫层，砂垫层采用水力挖土机械输送至基坑，漫水插入式振动器振捣密实，分两层填筑，砂垫层填筑时将预设排水井，沿沉井外均匀布置，间距15m，以便抽排砂垫层密实后的余水。已密实的砂垫层干容重控制在1.60～1.65g/cm3。待砂垫层施工完成后，在其上浇筑10cm厚的C20混凝土条形基础，砖砌刃脚胎模，与混凝土接触侧面涂刷熟石灰膏。

2.沉井下沉

（1）组织准备

①观测系统建立。观测系统建立分有仪器观测和无仪器观测两部分。仪器观测部分：下沉前在每座沉井的四角绘制高程指示刻度线，下沉过程中用水准仪定时观测下沉情况。观测频率：初沉阶段，每2h观测1次；正常下沉阶段，每班组观测1次；终沉阶段，每2h观测1次；纠偏阶段，每下沉一层观测1次，并做好相应的记录，用于指导纠偏。无仪器观测部分：在每座沉井内外侧的两个方向悬挂垂球，顶口为固定高度，外侧底部指挥人员和内侧施工人员可直接观测下沉过程中四个角点不均匀下沉带来的沉井倾斜情况。

②完成对所有销螺丝洞的防渗修补工作。

③检查维护降水井点并确保其运转正常，下沉前将地下水降至刃脚1m以下。

④准备若干水泵，在井内出现大量流砂、沉井突沉等非常情况时，对井内进行灌水处理。

（2）砖胎模、混凝土垫层及砂垫层的拆除

风镐拆除砖胎模及混凝土垫层时，应按照先隔墙再井壁的顺序对称拆除。砂垫层采用水力挖塘机械按50cm分层进行，按照先对称拆除井格中间部分、再对称拆除中间隔墙部分、最后对称拆除井周部分，即由里向外、从中间往两端对称拆除。控制拆除分层厚度和拆除顺序可减小初始下沉阶段发生的偏沉。

（3）下沉土方开挖

沉井下沉采用干沉法，3只沉井同时下沉。

①下沉设备配置

自排闸一次下沉9.6m，沉井下沉持续时间为20d。沉井下沉过程中按10%的涌土量附加计算沉井的下沉工作量。单个沉井下沉除土12.2m×22.5m×（12.5-2）m×1.1=3170m3，沉井下沉持续时间安排20d，对于淤泥质土水力挖塘机械的正常台班产量按每天120m3计，每天作业4个台班，机械完好率按70%计，效率按正常的50%计。则每座井内需配置的水力挖塘机组为3170÷（120×20×4×70%×50%）=0.9台套，即每座沉井内布置1套泥浆泵，实际施工时考虑对称除土、均衡下沉，在井格内需布置2套泥浆泵。3座沉井同时下沉，则理论配置6套。

②除土

沉井内土方采用水力开挖，按照：井格内→隔墙下→井周边的顺序对称开挖，每层挖深控制在0.5m以内，相邻井格内的土面高差不超过0.5m。

自排闸沉井共3座，每座沉井间间距仅0.82m，距离较小，属于群井下沉，施工中先将中间沉井下沉50cm后暂停，再同时下沉边沉井，其下沉深度也是50cm，边沉井下沉后暂停，再下沉中沉井，依次循环下沉。在中沉井每次下沉完成后，人工及时回填黄砂至三座沉井之间的空档，增加相邻两座沉井间的密实性，以减缓边沉井往中间滑动的趋势。必要时可适当增加沉井之间砂的填筑高度和密实度。

（4）沉井下沉系数验算

①沉井刃脚砖模拆除完成，砂垫层未拆除时下沉系数：K=G/PA

式中：井体自重G=2.45×744+66（钢筋重量）=1888t；

沉井外墙刃脚踏面及其下面砂垫层下扩散面积之和：

刃脚下土体极限承载力fv取10t（《钢筋混凝土沉井结构设计施工手册》P26表5-4-2：地基土的极限承载力表——淤泥质土极限承载力为100～200kPa，这里按100kPa取值）；

初沉下沉系数小于1，表明刃脚下砖胎模拆除后沉井不会下沉。砂垫层拆除时要分批对称拆除，促使沉井开始缓慢下沉。拆除时要加强沉降观测，防止突沉和不均匀沉降。

②沉井初沉时当外围井壁刃脚进入土体内0.2～0.3m，砂垫层厚度为0时，对沉井的稳定最不利，求该工况条件下沉井下沉系数K。

沉井自重G=1888t；

沉井井壁在砂垫中的摩擦力R1=（22.5+12.2）×2×1.8×4=500t；

井壁与砂垫的摩擦力系数取为4t/m2；

井壁在土中的摩擦力R2=（22.5×4+10.6×4）×0.25×2.5=82.8t；

因与井壁接触的土中带有砂，井壁与土的摩擦力系数取为2.5t/m2；

当刃脚下的土体发生剪切破坏时的极限承载力fv=10t；

实际沉井下沉过程中刃脚踏面是不会在淤泥质粘土中露出的，沉井支撑于土体的面积为沉井墙的截面投影面积A1=0.8×（22.5×2+10.6×2）=52.96m2。

刃脚下受到土体作用力P1=fv×A1=10×52.96=529.6t；

此状态下沉井初沉时下沉系数:

表明在此工况下，沉井下沉系数较大，沉井此时下沉较快，不太稳定，要注意沉井内对称挖土，防止沉井倾斜、旋转，造成偏移过大，以后难以纠正。此阶段沉井内会涌土较多，先用水力冲挖井格中心的土方，沉井也随之下沉，随着沉井下沉深度的增加，土体对内外井壁的摩阻力会增加，沉井下沉会由快到慢，接近临界状态，沉井即使下沉也会随着摩擦力的增加，建立新的平衡状态，逐步趋于稳定。

③沉井终沉时稳定性验算

沉井下沉至设计标高时，刃脚及隔墙底部进入④土层，沉井座落在④土层上，沉井制作基面 =-2.0m，沉井设计顶高程 =-2.9m，设计底高程 =-12.5m，沉井在下沉过程中，井口外侧的土方会随沉井的下沉而塌陷形成类似漏斗状斜坡，井口和土面基本相平，④土层土体容许承载力f3为19.0t/m2，沉井在摩阻力、刃脚、隔墙下土体支撑力的作用下能否处于平稳状态至关重要，验算此状态下沉井的下沉系数K。

考虑井外壁摩阻力的作用力平均取f=2t/m2，井外壁摩阻力：

刃脚受至④土层的支撑力：

则沉井克服摩阻力时下沉系数：

计算结果表明：沉井终沉后将处于稳定状态。

（5）沉井纠偏

沉井下沉的过程即是一个不断纠偏的过程，针对下沉过程中出现偏位的纠偏措施有：偏除土（偏沉），这是本工程使用的主要纠偏措施；井外射水；增加土压、偏心压重或井外减载。

采取对称除土，控制每层除土的厚度不大于50cm，尽量使沉井均匀下沉，以达到减小下沉偏差的目的，降低纠偏工作量。

群井下沉，相互间的影响较为明显，且沉井群有向中间靠拢的趋势，两个边沉井由于两侧承受土压力，下沉过程中极易向中间偏移。下沉过程中沉井群始终保持中间沉井和两个边沉井分两组阶梯、循环下沉，将边沉井有意识向两侧纠正。沉井间用限位木方和填砂控制相互间的间距，以抵消下沉过程中向中间的偏移。

沉井下沉过程中不断进行纠偏，以减小累计偏差，降低纠偏的难度，本工程以偏沉的方法做为主要纠偏措施，在偏差稍大时辅以井外射水及井外挖土减载，减小土压力的差别，利于沉井的纠偏。

（6）终沉、扩大刃脚、回填及防渗围封

当沉井下沉至距设计高程2m时，进入终沉状态，此时尽可能调平井体，加强对下沉的观察，控制下沉速度，调整井格内的土面高度，使其尽量保持在同一平面内，保证沉井平稳就位。预留10～15cm的自沉量，使其慢慢稳定。加强观测，并作好记录，特别是沉降观测，在连续8小时内沉降量不大于10mm，即可对刃脚进行扩大，扩大刃脚混凝土达到一定强度后方可进行井内回填。

回填前尽量排干积水，自排闸沉井先回填1m厚细砂，再回填土至沉井顶。砂回填采用和沉井砂垫层同样的方法振捣密实，井内土方回填由挖掘机按层将土方挖甩到沉井内，人工整平，震动夯压实。井间微膨胀混凝土回填前需将井间积水和淤泥清除干净后方可进行浇筑，相邻沉井间土体挖除换填微膨胀混凝土后，在每座沉井间套打旋喷桩加固封闭

中水淮河规划设计研究有限公司 233000）