沉井施工全过程质量控制的关键要素及对策

沙俊强

摘 要：近年来，沉井施工技术发展迅速，应用也越来越广泛。但沉井施工存在施工技术要求高、风险大、不确定因素多等问题。设计不科学、施工方案不合理、采取应急措施不可靠等，均可能导致重大质量及安全事故。为了避免出现上述情况，对沉井实施过程的质量控制必须实行“全过程控制”。该文将针对沉井工程的特点，从勘察、设计、施工、运行等方面对影响沉井施工质量的关键要素逐一进行分析并制定对策，以保证沉井施工过程及使用过程的安全可靠。

关键词：沉井 全过程质量控制 下沉方案 风险

中图分类号：TU753 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）10（a）-0189-03

工程实施的全过程包括项目建议书（初可研）、可研、勘察、设计、施工及使用等阶段。由于项目建议书阶段、可研阶段涉及面很广且以经济指标为主，这里不做分析。该文主要就全过程质量控制中的勘察、设计、施工及使用等四个阶段进行论述。按我国的基建习惯做法：勘察、设计一般由勘察设计单位实施，施工阶段由施工单位实施，最后移交给建设单位（业主）使用。由于各个阶段由不同的责任主体实施，作为建设单位或其委托的监理（咨询）公司应该从勘察、设计阶段就对影响沉井工程质量的各种要素进行控制，并做好各个阶段的衔接工作。施工单位虽然介入较晚，但仍要对地质勘察资料和设计图纸进行必要的核对和核算，找出不合理或错漏的地方，避免留下隐患。

1 勘察阶段的质量控制

1.1 勘察阶段主要控制两个问题：选址的合理性和地质资料的可靠性

选址应遵循以下两个原则：（1）选择有利于沉井施工的地址。（2）在地址已经固定的情况下，结合该处的地质情况，初步明确是否适宜采用沉井及采用哪种沉井施工方案。

如沉井是一个单体或相对独立，它受到地点的限制较少或不受限制，如：岸边取水泵房、城市排污泵房等，可以在较大范围内选址，这时应按上述第（1）种原则处理。

如沉井是一个系统工程的一部分，如：火电厂的循环水泵房、翻车机室等。由于整个系统的厂址已经确定，沉井地点只能在有限的范围内进行选择，这时应执行第（2）个原则。

勘察阶段涉及到第二个问题是为设计、施工提供可靠的地质资料。沉井对地质资料要求很高，要求勘察单位出具的地质报告必须准确、可靠，数据翔实，否则就可能因基础数据导致计算和设计错误。

1.2 勘察阶段质量控制内容及要点

（1）对勘察人和勘察设备的质量控制，由于勘察是通过点、线来推测地质断面和空间布置，因此要求勘察人员要有丰富的专业知识和经验；同样，要配备精确度高、性能可靠的勘察设备。

（2）勘探方案（大纲）的质量控制，主要检查勘探方案是否针对该项目的特点编制，勘测点的布设是否合理，勘探方法是否适宜，勘探网是否覆盖所有沉井施工区域及附近影响区域；勘探深度也应满足沉井下沉及降水计算的需要。

（3）勘察成果的控制，对勘察成果除了按规范标准进行验收外，还应组织专家评审，评审专家应来自勘察、设计、施工等方面。来自不同岗位的专家将会从各个角度对勘察成果进行评审，如果勘察成果不能满足要求或存在问题，应要求勘察单位进行补勘或完善，直到满足要求。

2 设计阶段的质量控制要点

（1）设计阶段要根据工程地址的水文、地质勘测资料及勘察报告的建议进行计算，确定是否适宜采用沉井方案。这是设计的基础环节，应进行方案比选。

方案比选一般包括技术和经济两个方面，基本要求是“技术可靠、经济合理”，经济往往根据具体的技术方案确定，所以该文主要从技术方面描述。设计时，从技术方面应该考虑以下几个问题。

①工程地点是否存在不良（利）地质现象，如：江（河、海）岸边存在软弱土层，土层中含有夹礓石或成片的坚硬岩石等。

②工程周变是否存在大型或重要的建筑物、构筑物。由于沉井存在一定的不可预见性，下沉过程中如果突发管涌、流砂等问题，就可能会影响周围建筑物、构筑物的安全。

③施工场地是否受到限制。由于大开挖施工方案存在占地面积大、出土量多等弊端。如果施工场地有限或土方运输、存放存在问题，则应考虑可以采用沉井施工方案。

（2）在确定适宜采用沉井施工方案后，应进一步明确采用哪种制作方案。

沉井制作方案主要有：一次制作、一次下沉，多次制作、一次下沉，多次制作、多次下沉等。具体选用哪种方案也应该进行方案比较。

“一次制作、一次下沉”一般适用于小（微）型沉井，由于筒身不设施工缝，结构的整体性好，抗渗性也较好。

“多次制作、一次下沉”主要适用于大型沉井工程，这种方案对基底土层的承载力要求高、制作模板使用量大，但有能连续下沉且下沉周期相对较短等优点，风险相对较小。

“多次制作、多次下沉”也就是：制作一段、下沉一段，这种方案下沉周期长（混凝土强度提升周期长），如果汛期、非汛期地下水位变化较大时，风险较大。但这种方案可以有效减少模板用量，且筒身高度不大，施工过程中便于控制。这种方案也适用于地基承载力满足不了一次制作要求的沉井。

确定制作方案时，必须初步计算沉井终沉时的下沉系数（终沉系数）。计算终沉系数主要是校核井筒下沉到设计标高后是否能稳的住，这时按最有利的不排水下沉考虑，如果计算得到的下沉数大于1.1，这表明井筒刃脚反力、井壁与土间摩擦力及井筒浮力三者的和小于井筒自重，这时井筒沉到设计标高后仍然会继续下沉，沉井是不安全的。相反的情况是沉不下去，这种情况可以在施工中采取附加荷载、振动或采用泥浆套、气套等方法使井筒下沉，设计时一般不作校核。

对于稳不住的情况，可以采取增大刃脚、减少混凝土壁厚的方法；还可以采取预留顶部一部分筒身，等沉井封底、底板施工结束后，再施工顶部筒身。

长江沿岸某电厂的循环水泵房就采用这种“预留一部分筒身”的施工方法：该泵房刃脚底到±0.000高度为17.8 m，井筒平面尺寸为34.8×40.25 m。由于厂址处各土层地基承载力普遍较差，根据各种参数及地下水位计算出下沉到设计标高时，该井筒的下沉系数远大于1.1，所以该工程最终确定的设计方案为：先制作13.8 m，下沉到设计标高后进行封底和底板施工，最后再施工-4.000～±0.000 m段筒身。从实际施工及设备运行效果来看，这个方案是成功的。

（3）沉井方案确定后，应校核基底土是否满足要求，如不满足要求，应明确加固方案。

对于后期需要安装大型运行设备的沉井（设备运行有动荷载及振动）或基底土质较差的土层应采取加固措施。加固方案有：注浆、高压旋喷，灌注桩、预制桩等。结合多年来的实践，建议同等条件下采用注浆、高压旋喷、灌注桩等加固方案。对预制桩（方桩或管桩），由于其抗水平推力差且存在接缝薄弱点，在沉井中很容易倾斜或折断，不建议采用。

（4）设计计算时采用的原始资料、数据必须详细、可靠，对关键参数如地基承载力等，必要时进行施工勘测进一步予以确认。

3 施工阶段质量控制

3.1 设计交底、图纸会检的控制

（1）设计交底、图纸会检的目的有两个，一是使施工单位及其它参建单位了解工程设计人员的设计意图；二是找出图纸中的设计差错，避免在施工中留下质量隐患。所以，施工单位应在会检前做好准备工作，充分熟悉图纸。

（2）设计交底时应要求设计人员明确：主要设计意图、有无特殊要求、施工中的难点及注意事项等。

3.2 施工方案的控制

进行施工方案编制前，必须准确确定三个重要的参数。

渗透系数：一般由勘测单位在勘测报告中提供。但具体使用时，应考虑该参数的测定时间，并根据季节的变化进行适当的调整。如枯水季节测定的渗透系数一般偏小，如果降水时间为讯期，则应进行修正，必要时可以在现场打几口试验井进行实测。

地基承载力：包括筒身制作底标高处的地基承载力、下沉过程中各土层的承载力及终沉时刃脚处土层的承载力。

下沉范围内各土层的土层厚度和摩擦系数：可从地质勘测报告或加密勘测报告中获得。

方案设计主要内容如以下几点。

（1）下沉时机的选择，下沉应尽可能安排在地下水位较低或枯水季节进行。如果地下水位过高，一是增加了降水井的数量及费用；二是在沉井过程中也易出现管涌、流砂等现象，导致井筒倾斜、突沉。如果限于工程工期要求，必须在汛期下沉，则必须采取可靠预防措施，具体措施，将在后面详细说明。

（2）确定井筒制作方案，井筒制作的原则一般在设计图纸中已明确，在确定施工方案时关键是要进行砂垫层（如果需要）、混凝土垫层及刃脚胎模的设计计算。砂垫层厚度及混凝土垫层厚度分别采用下面公式计算：

hs=G0/fk-L （1）

hc=（G0/R-L）/2 （2）

其中：hs为砂垫层厚度；G0为沉井单位长度重量（kN/m）；fk为地基承载力（kPa）；L为刃脚扩大后踏面宽度（m）；hc为混凝土垫层厚度（m）；R为砂垫层承载力（kPa）。

计算刃脚底混凝土垫层时，建议在垫层内部垂直于墙壁方向设置分布钢筋。因混凝土为脆性材料，如局部受压破坏，承载力不均，会引起筒身倾斜。

（3）降水方案，如果沉井采用排水下沉的方案，就需要设计降水方案。由于沉井的高度都较大，一般降水方案采用管井降水。进行涌水量计算时应采用前文所述的修正渗透系数。

管井布置时应注意以下几点：一是由于沉井会下沉区域内形成破坏棱体，如果管井布置离沉井外壁过近，虽然能减少管井深度，但管井容易被破坏；但如果太远又会增加降水成本；二是降水管井布置时，在来水方向（如：江、河、海）应多设管井，这对江、河中渗过来的水可以起到拦截作用，提高降水效果。

（4）下沉方案选择，下沉方案的确定是沉井施工的关键内容。下沉方案有三种，即：排水下沉、不排水下降、部分排水下沉。排水下沉的优点有：挖泥深度便于控制、下沉纠偏容易、遇到大块杂物容易清理、封底混凝土质量有保证等，这种方案在工程中被广泛采用。在排水困难、有严重流砂等特殊地质情况的区域，则采用不排水下沉或部分排水下沉。

如前文所述，图纸设计时，设计人员已初步计算了终沉系数，在最有利的情况下，沉井到位后是能稳住的。但在确定具体方案时，还必须对初沉系数及终沉系数进行详细的计算。

初沉时，由于井壁还没有产生摩阻力，下沉公式为：

K=G/fk*L （3）

式中：G为沉井重量（kN）；fk为地基承载力（kPa）；L为踏面面积（m2）。

终沉时的下沉系数按以下公式计算：

K=（G-F）/（fk×L+Rfs） （4）

其中：F为井筒在水中的浮力；Rffs为摩阻力，其余符号意义同式（3）。

由于摩阻力是由各土层的摩擦系数、土层厚度加权平均值计算所得，因此，这些参数的准确性是至关重要的，否则可能导致沉井稳不住或沉不下去的情况，后果是很严重的。这一点在前面勘察阶段的质量控制中已经作了阐述。

井筒所受的浮力F是选定下沉方案的重要参数。计算时分别进行验算：排水下沉，浮力F为0；不排水下沉，F为地下水位（自然）以下筒身排开水的重量，此时所受浮力最大；部分排水下沉则介于上述两者之间。计算结果应能满足终沉稳定的要求。

（5）异常及紧急情况的应对措施，由于沉井施工中的存在很多不确定性，施工前必须对可能会产生的各种风险进行辨识，并对主要风险制订应对措施（如表1）。

3.3 下沉过程控制要点

（1）在井壁对称的四个方向弹上垂直轴线及高程标尺。下沉过程即时观测垂直度及高程偏差，发现偏差应及进行纠偏，纠偏应缓纠、慢纠。在接近终沉的一定距离或下沉异常时，应适当加大观测密度。

（2）应对称拆除刃脚下的垫层、砂堤或垫木，矩形井壁应先拆除中间部分，再拆除四角。

（3）随时监测地下水位，如果采用部分排水下沉或排水下沉，应严格控制地下水位。

（4）排水下沉时，井格内挖土应对称进行，先挖隔墙下及底梁的土，再掏挖刃脚下的土；各井格内土面高差控制在1 m以内。

3.4 封底及底板施工质量的控制

（1）沉井下沉到设计标高后，应尽快进行封底。封底前必须保证井底土体开挖形成设计要求的锅底尺寸；验收时，不排水下沉或部分排水下沉的沉井用测绳或由潜水员进行锅底尺寸的测量。

（2）封底施工也要对称进行，一般顺序是先四周井格、后中间井格，这样可以避免沉井发生不均匀下沉。

（3）如果是水下封底，一般要在锅底上铺设一层土工布，这样在进行水下混凝土浇筑时，可以减少混凝土和基底泥浆、块石的混合，减少混凝土的强度损失。

（4）水下封底时，还应控制沉井内水位略高于外侧地下水位，避免外侧地下水倒灌带走封底混凝土中的水泥浆。

（5）在封底混凝土达到一定强度后，才能进行底板施工。底板施工过程仍要对井筒进行抗浮计算，并据计算结果采取抗浮措施，抗浮措施主要有：分格内对称注水、附加荷载、继续降水等。

4 使用过程中的质量控制

沉井中一般都要安装翻车机、水泵等大型动力设备，设备自重及运行时产生振动都会影响沉井结构的稳定性；另外，地下水位的随季节的变化也会对沉井结构的稳定性产生一定影响。因此，在沉井使用过程仍然要进行沉降及位移观测，但观测周期一般为3～6个月为宜。如果发现沉井继续下沉、上浮或倾斜等变化，应分析原因，采取可靠的加固措施，确保设备运行安全。

参考文献

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