沉井排水下沉技术在宝应县小涵洞工程中的应用
2014-04-25黄晓庆陈寿明
黄晓庆陈寿明
沉井排水下沉技术在宝应县小涵洞工程中的应用
黄晓庆1陈寿明2
一、工程概况
宝应县小涵洞新建工程是南水北调东线第一期工程沿运闸洞漏水处理工程之一，该工程位于宝应县泾河镇运河大堤上，保留原小涵洞，新建小涵洞在原址向南移址新建，主体部分全长96.6m（不含上下游护砌段），洞身段全长69m，其中穿堤段50m采用φ150cm圆管涵进行顶管施工，其余19m采用圆涵埋管型式与大运河连接。圆管涵壁厚0.15m，底板高程3.2m，堤顶高程12.6m，堤顶宽14.6m。
顶管进口工作井布置于堤防道路西侧坡脚的滩面上，采用沉井结构型式，工作井内净尺寸长6.5m、宽5.0m，井壁厚90cm，井壁顶高程8.5m，井底板高程2.0m，底板厚0.7m。顶管出口接收井布置于道路东侧坡脚处，接收井采用开挖土坑型式。顶管结束后，在进口工作井的上游侧布置连接埋管和上游引河，在顶管出口接收土坑内进行消力池的布置。
工作井上游的连接埋管采用φ150cm圆管涵壁厚0.15m，底板高程3.2m，进口处设置钢筋混凝土结构斜降式U形墙与上游引河衔接。
二、工程水文地质情况
小涵洞工程地质如下：
工程地质、水文地质：勘区土在钻深范围内，上部填土（大运河堤身堆、填土），下部土是地域稳定土层，属河湖相沉积，从工程地质角度看，勘区土自上而下分别描述如下：
第1层：自12.71～3.86m，素填土，贯入击数N=5.5击，比贯入阻力Ps= 1.036MPa，承载力标准值fk=70kPa，垂直渗透系数Kv=2.0E-04cm/s。
第2-1层：自6.12～3.09m，淤泥，Ps=0.49MPa，fk=55kPa，垂直渗透系数Kv=3.0E-07cm/s。此层土仅分布在西坡角处。
第2-2层：自3.09～0.28m，粉土夹粉质粘土，Ps=1.149MPa，fk=70kPa，垂直渗透系数Kv=4.0E-05cm/s。此层土仅分布在西坡角处。
第3-1层：自6.62～4.5m，土质为粉质粘土夹粉土，N=6击，Ps=0.515MPa，fk=80kPa，垂 直 渗 透 系 数 Kv= 4.0E-06cm/s。此层土仅分布在西侧滩面斜坡处。
第3-2层：自4.5～2.9m，粉土，N =9击，Ps=2.578MPa，fk=90kPa，垂直渗透系数Kv=5.0E-05cm/s。此层土仅分布在西侧滩面斜坡处。
第4层：自3.86～1.71m，粉质粘土，N=5击，Ps=1.781MPa，fk=180kPa，垂直渗透系数Kv=3.0E-06cm/s。
第5层：自1.71～-0.22m，粉质粘土，N=14击，Ps=3.443MPa，fk=230kPa，垂直渗透系数Kv=5.0E-06cm/s。
第6层：自-0.22～-4.36m，粉土夹粉质粘土，N=26.7击，Ps=9.058MPa，fk=180kPa，垂直渗透系数为 Kv= 6.0E-05cm/s。
第7层：自-4.36～-8.11m，粉质粘土，N=21.4击，Ps=4.009MPa，fk=260kPa，垂直渗透系数Kv=4.0E-06cm/s。
第8层：自-8.11m～-11.79m，粉土夹粉质粘土，N=21.5击，Ps=9.231MPa，fk=200kPa， 垂 直 渗 透 系 数 Kv= 1.0E-05cm/s。
第9层：自-11.79m以下，该层土未揭穿，为粉质粘土，N=10.2击，fk=160kPa，垂直渗透系数Kv=3.0E-06cm/s。
场地地震效应：本勘区抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.10g，设计地震分组为第一组。地面以下20m深度范围内均为粘性土，按抗震设计规范判别，无液化土层。场地土类型为中软场地土，根据区域工程地质资料，场地覆盖层厚度大于50m，建筑场地类别为Ⅲ类，为建筑抗震有利地段。
沉井底部高程为－0.7m，底板顶高程为2.0m，基本位于第5层，该层土为粉质粘土，地基承载力为230kPa，以下各层土为良好的地基下卧层，满足设计要求。
三、沉井施工
1.总体情况
本工程施工期大运河最高水位为6.5～7.5m，沉井位置处水位为 5.5～6.5m。沉井拟采用深水管井降水，人为创造旱地沉井施工，采用排水下沉施工方案。为降低沉井下沉深度，先将基坑开挖2～3m，待砂垫层和素混凝土垫层完成后，制作沉井。沉井制作完成后，待沉井井壁混凝土强度达到90%后方可进行下沉施工，沉井拟分两次性制作，一次性下沉，沉井采用C30混凝土浇筑。
2.放样定位
根据设计施工图沉井坐标放样，定出沉井中心桩位和纵横轴线控制桩，放出沉井基坑位置;基坑开挖至现有地在滩地高程，深度约为2～3m，基坑边坡按1∶0.8放坡，基坑土方采用机械挖土，人工配合修坡和坑底平整；基坑如有松软土应全部予以清除，并回填实土、夯实。
3.砂垫层、素混凝土垫层施工
为保证沉井制作时的沉井稳定及增加土体的容许承载力，因此需铺设砂垫层和素混凝土垫层。砂垫层采用中粗砂，并捣实，保证密实度。
砂垫层厚度计算经验公式：
N为沉井单位长度重量。
沉井上部总重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为土体极限承载力，取δ=8t/m2。
b为混凝土垫层宽度，取b=2.3m；
φ为砂垫层应力扩散角，取φ=26° 34'。
砂垫层厚度取0.15m，素混凝土的宽度根据经验度取2.3m，厚度取0.1m。
4.沉井制作
沉井为两次制作，一次下沉。第一次浇筑至底板上方，第二次浇筑至顶层8.5m处。
5.沉井下沉方式
沉井制作下沉时，根据工程地质条件拟采用干沉干封底，但施工现场同时配备湿沉封底设备和人员，以备特殊情况时采用湿沉、湿封底的方法。
（1）深水管井降水，深水管井降水可以明显降低井附近区域的地下水位，使沉井下沉区域无水，达到沉井干沉的目的。
（2）根据工程场地的工程地质和水文条件进行水力计算，工作井降水采用深水管井，每座工作井布置四口深水管井，能够达到疏干渗水目的。
（3）沉井下沉时，下沉系数较大，刃脚下土体可不必挖除。下沉到位后，尽快井内回填封底混凝土，保证沉井不继续下沉。沉井下沉过程中，采用井外壁灌砂的办法，以减少井周边摩阻力，以利沉井稳定下沉。
6.沉井下沉施工
（1）沉井下沉系数计算：
其中：G为沉井自重，经计算G=203.6×2.5＝509T
Rf为井壁摩阻力，取井壁摩阻力系数F为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为刃脚端面反力，取ft平均值为 15T/m2，则 Rt＝ft×Ft=15×0.4× （8.3+6.8）×2=181T。
则K=509/（309+181）=1.04。
当1＜K＜1.33时沉井能正常下沉。
（2）沉井下沉施工
a.沉井下沉前，应先在四角用油漆做好高程标尺，以便沉井下沉时，进行观测。
b.沉井下沉观测，必须每天定时观察，如发现下沉有异常情况，应加强观测，每次观测结果要求做好记录，报项目部技术负责人。
c.沉井刃脚混凝土强度达到90%后，沉井可进行下沉施工。
d.沉井下沉时，应对称破除素混凝土垫层，并把垫层混凝土块清理干净，防止沉井开始下沉时发生倾斜。
e.沉井井内挖土，采用长臂挖掘机挖土施工，人工配合挖土，挖运至现场指定地点集中堆放，要求施工采用连续施工的方式进行不间断施工。
f.沉井下沉挖土要有专人负责，指挥井内挖土施工。
g.沉井下沉纠偏，要求现场施工人员根据测量观察到的数据及时调整井内挖土方式，并报项目负责人。
h.沉井下沉的速度由挖土的速度来控制，当沉井离设计要求0.5～1m时，要求严格控制挖土速度，控制沉井下沉，防止发生超沉。
7.沉井封底
（1）当沉井下沉至设计标高时，应密切观察，在8h内下沉量小于1cm时进行封底施工，如发生沉井下沉较大时，应采取阻沉措施。
（2）封底施工时，严禁向井内回填土方，超挖部分应采用碎石或石块回填。井内淤泥需清除干净，清除杂物，封底混凝土接触端面应凿毛，并清洗干净。
（3）在封底过程中深水管井保持抽水，防止封底后地下水压的作用造成底板损坏，待混凝土强度达到要求后一次性封堵。
（4）浇筑C20混凝土封底，终凝后即可进行底板钢筋绑扎。
（5）钢筋验收合格后，进行底板混凝土浇筑，并留混凝土试块。
（6）当混凝土强度达到设计要求后，对集水井进行封堵，并停止深水管井降水。
8.沉井下沉的偏差和处理措施
在沉井下沉过程中，尽量避免过大倾斜、突沉，但如果因土质变化等原因发生较大倾斜、突沉时，采取以下纠偏技术措施：
（1）挖出沉井较高一侧的刃脚下土体，而另一侧的刃脚下土体不挖。
（2）沉井下沉到离设计标高还有1m时，应放慢下沉速度。加强井顶标高监测。刃脚下的土体不能挖空。当沉井下沉到离设计标高还有20cm时，应停止机械挖土，改用人工挖土修正。由其自然下沉到设计标高后进行封底，防止沉井在下沉过程中突沉。
四、结语
沉井是一种利用人工或机械方法清除井内土石，并借助自重或添加压重等措施克服井壁摩阻力逐节下沉至设计标高，再浇筑混凝土封底并填塞井孔，成为建筑物基础的井筒状构造物。
沉井的特点是埋深较大，整体性强，稳定性好，具有较大的承载面积，能承受较大的垂直和水平荷载，在地下结构中应用较为广泛。在本工程中，一是利用沉井承受水平荷载，作顶管水平力作用支撑；二是在顶管施工结束后，作为上部结构的基础使用，承载上部闸房和启闭设备的荷载。本工程施工结束后，进行沉降变形观测，未有明显变形，总体效果良好■
（作者单位：1.江苏省宝应县水务局225800 2.江苏省宝应县安宜水务站225800）
