谈三洋港枢纽工程中闸室基础沉井施工技术

孙　威

(江苏盐城水利建设有限公司，江苏 盐城　224000)

1　工程概况

三洋港水利枢纽，位于江苏省连云港市连云区，其主要建筑物包含挡潮设施、排水闸设施、上游及下游河道增容扩挖工程等，本文主要针对其工程中的闸室基础沉井施工技术原理及要点进行阐述。

挡潮闸闸室每孔净宽15 m，共33孔，总净宽495 m，总宽576.92 m，闸底板顶高程-2.0 m。闸室采用钢筋混凝土开敞式结构，沉井基础，二孔一联整体式底板，闸墩分缝，底板厚1.10 m；排水闸布置在挡潮闸与现状泓道之间，共3孔，单孔净宽6.00 m，闸底板顶高程-2.0 m，采用钢筋混凝土涵洞式结构。

2　沉井基础施工

三洋港枢纽挡潮闸、排水闸闸室基础均为沉井基础，挡潮闸共17只沉井，其中16只沉井顺水流长为17.9 m，垂直水流向长为34 m，位于沉井群中间1只沉井顺水流长为17.9 m，垂直水流向长为16.9 m，井壁刃脚底高程▽-10.6 m，沉井顶高程▽-3.1 m，沉井间间距为1.1 m；排水闸仅1只沉井，顺水流长为16 m，垂直水流向为22.6 m；井壁刃脚底高程▽-10.8 m，沉井顶高程▽-2.0 m。沉井均采用一次制作，一次下沉的施工方案。挡潮闸沉井施工分别由左右岸向中间推进，排水闸沉井制作、下沉拟先于挡潮闸沉井施工。沉井基础施工流程如下：基坑开挖→砂垫层→混凝土条形基础→砖砌刃脚胎模→搭设脚手架→立内模→绑扎钢筋→安置预埋件→立外模→混凝土浇筑准备及浇筑前检查→浇筑混凝土→养护等强、拆除模板、脚手架→拆除砖胎模、混凝土垫层→拆除砂垫层→井内挖土下沉→井内回填砂→沉井封底、底板→沉井内、间回填→沉井防渗处理。

2.1　沉井制作基础处理

通过勘察报告的分析以及设计单位的指导，结合现场的实际状况，我们确定了沉井的表面的高程为-3.5 m，分析资料我们发现沉井制作面的原状土的承载力仅仅为4 t/m2～6 t/m2，无法保障沉井制作的稳定性，所以我们在制作之前对原状土进行换填，经过处理后原状土承载力大大提高，能够满足沉井的制作标准。原状土处理的详细方法：基坑内部的软弱土壤进行清除，同时将表面的浮土全部换填为1.8 m的砂垫层。对于隐藏的暗沟等要害部位，不仅仅要进行原土剔除和砂垫层换填两步，同时还需要对C20混凝土进行封底，厚度大于10 cm的标准，M10砂浆砖砌刃脚胎模。

地基承载力验算：我们假设沉井结构的全部重量由砂垫层所承担，运用所有井壁之中规格最大，重量最重的井壁作为计算目标，以沉井的井边墙为例进行承载力达标程度检测，得出下列计算过程：

地基所承受压力Rt=(G+P)/(B+2Htgφ);

地基土基本承载力R=4.5 t/m2,砂垫层厚度H=1.8 m;

井体自重(井壁每延米重)G=γV=2.45×6.4=15.7 t,混凝土比重γ=2.45 t/m3;

每延米长井壁的混凝土体积V=0.8×7.5+0.5×0.25+0.4×0.6=6.4 m3;

每延米长井壁的施工荷载P=1.0 t/m;

承载宽度B=0.10+0.8+0.24+0.10=1.24 m,砂垫层的应力扩散角φ=45°;

地基所承受压力Rt=(15.7+1.0)/(1.24+1.8×2tg45°)=3.5 t/m2

表明换填1.8 m厚砂垫层即能满足沉井制作的要求。

2.2　沉井制作

2.2.1模板及脚手架

沉井的浇筑采用组合模板，材质为钢铁，内部细节部分用木质模板，同时模板施工结束后及时粉刷脱模剂。

模板安装时先进行内模安装，钢筋绑扎完成后，再封外模，底部刃脚侧面模板纵横围囹采用φ16对销螺栓穿过刃脚胎模固定，上部结构侧面模板采用φ16对销螺栓固定，沉井混凝土浇筑完毕后，待混凝土强度达到设计要求后进行拆模的施工中，要保证构筑物的棱角不被拆模工具和机械破坏。

2.2.2钢筋工程

钢筋加工先放样，再配料。钢筋接头按要求采用闪光对焊和电弧焊两种方式，所有的焊工按要求进行见证取样并检测合格后上岗。

绑扎钢筋应先搭设钢架，按照标记进行绑扎。钢筋的搭接中，搭接部分应采用搭接焊，搭接长度由施工规范确定。竖向钢筋的保护层必须使用混凝土垫块，在垫块中增加铅丝，起到加筋的作用。

2.2.3混凝土施工

沉井混凝土总量约为31 600 m3，施工期为1个月，混凝土自拌的材料必须进行自检及复检合格后方可使用。在沉井混凝土浇筑的时候，应当采取措施保障浇筑的混凝土对称、分层，同时上升速度进行合理的控制，既不能过快，也不能太慢，每层厚度宜控制在30 cm左右进行。浇筑后应当及时进行振捣，振捣采用插入式振捣器。

2.2.4沉井下沉

1)沉前准备工作。

在沉井的下沉施工中，在沉井底部各个角处刻画高程指示线，并以此进行高程观测，下沉中分别对四个角进行及时的观测，对于下沉中所发现的高程差异过大，应当及时进行调整。对于模板拆除后的对销螺栓应当进行封堵，防止渗漏。

对于预制完成的沉井，应当检查其混凝土的质量，当强度达标时方可下沉。

2)砖模及混凝土垫层拆除。

对于施工所用的砖模混凝土垫层，应当破除，破除应当按照先中间隔墙后外壁的顺序进行，施工前应当绘制拆除示意图，严格按照顺序进行拆除，拆除后将所产生的垃圾运输出施工场地。

3)砂垫层拆除。

对于砂垫层，宜采用人工拆除进行，拆除时按照分层拆除的原则，每层控制在0.5 m之内确保安全。首先对称拆除井格中间部分；再对称拆除中间隔墙部分；沉井四周的部分应当最后进行拆除。

4)下沉土方开挖。

a.下沉设备配置。沉井一次下沉2.1 m(排水闸7.3 m)，沉井群下沉持续时间为20 d，因为沉井下沉有严格的顺序要求，所以在计划每个沉井下沉的时间为7 d时间。沉井下沉的涌土量经过计算，按照10%进行计算。

b.除土。沉井下沉井土方内采用水力开挖，四周利用已成型的一期围堰及二期围堰备土构成高约1.0 m的围堤。在中泓的左大堤上配备12寸柴油机离心泵约20台，确保蓄水池的储水量不少于80 000 m3。挖出来的土经高压泵进行抽吸后将进行外运，排泥效果不佳的时候可以采用增加中间接力泵，增加泵抽的压力；沉井内土方按照：井格内→隔墙下→井周边的顺序对称开挖，每层开挖深度按照规范严格控制在50 cm之内，控制在1 m之内，内存土壤中含有的石块等固体坚硬物体应采取外运，如卷扬机卷扬，起重设备吊装等运出沉井。

5)利用公式验算下沉系数是否符合要求。

a.初沉阶段的下沉系数验算:

砖模及垫层拆除前的下沉系数：K=G/PA;

其中，井体自重G=γV=2.45×1 295=3 173 t。

沉井每个刃脚和垫层下扩散面积：

A=(0.4+1.8×2)×(34×4+1.3×6)+(1.3×15)×(2×1.8+0.6)=657 m2。

如果按照现条件状况下沉井发生了下沉，下部砂垫层将会受到破坏，同时对下部土体进行挤压和剪切，从而沉井发生失稳的现象，此状态下土体承载力达到极限承载力。

计算刃脚下方土体的最大承载力fv=Mbrb+Mdrod+McCk《建筑施工手册(第二版)》P845。

根据地质资料查表或计算得Mb=0.18;r=1.13 t/m3;b=3;Md=1.73;ro=1.5 t/m3;d=1.8 m;Mc=4.17;Ck=2 t/m2。计算得fv=11.5 t/m2，K=3 173÷(657×11.5)=0.4<1。

通过对计算结果的资料进行分析，我们发现，当下沉系数低于1时，沉井不会进行下沉，稳定性较好。这时就可以对隔墙下的条形基础进行拆除了。

四周围刃脚砂垫层及其下面砂垫层下扩散面积之和：

A=(0.4+1.8×2)×(1.3×6+34×2)=303.2 m2。

此时沉井下沉系数：K=3 173÷(303.2×11.5)=0.9，接近1。

当计算结果低于1的时候，表明此状态下沉井不会发生下沉的可能性，可以分批对称的将四周的垫层进行拆除即可，从此沉井进行缓慢而稳定的下沉。

沉井自重G=3 173 t。

沉井井壁在砂垫层中的摩擦力R1=(34+17.9)×2×1.8×4=747.5 t。

设井壁与砂垫层的摩擦力系数取为4 t/m2。

井壁在土中的摩擦力R2=(34×4+17.9×2)×0.5×2.5=215.0 t。

井壁下沉外部土壤内部含有部分砂，则井壁与土的摩擦力系数取为2.5 t/m2。

当刃脚下的土体发生剪切破坏时的极限承载力fv=Mbrb+Mdrod+McCk，《建筑施工手册(第二版)》P845。

查表或者计算得Mb=0.18;r=1.13 t/m3;b=3;Md=1.73;ro=1.13 t/m3;d=0.5 m;Mc=4.17;Ck=2 t/m2。计算得fv=9.9 t/m2。

支撑于土体刃脚面积A1=0.8×(34×2+17.9×2+32.4×2)=135.0 m2。

刃脚下受到土体作用力P1=fvA1=9.9×135.0=1 335 t。

刃脚要比隔墙低位置高程低50 cm，墙下部的土方承载力取4 t/m2。

隔墙受到土体作用力P2=fvA2=4×44.1=117.6 t。

沉井确定以此指标进行下沉，下沉时的下沉系数为：

K=G/(R1+R2+P1+R)=3 173/(747.5+215+1 335+117.6)=1.3。

以此指标进行施工，沉井下沉，下沉状态比较稳定，不会产生突沉现象。沉井不断下沉，到达隔墙下部土方的剪切破坏极限值的时候，隔墙因此而承受的土方作用力为P2=fvA2=9.9×44.1=1 335 t。

沉井确定以此指标进行下沉，下沉时的下沉系数为：

K=G/(R1+R2+P1+R)=3 173/(747.5+215+1 335+1 335)=1.16。

现在下沉的程度达到临界状态，沉井继续下沉会随着土方摩擦力的增大从而形成一种新的下沉的平衡状态。

b.沉井全部入土时的下沉系数验算。

沉井底部相对下沉增至5 m后，井壁的摩擦力达到峰值。

K=G/Rf1由于沉井下沉的时候，所施工的砂垫层易被挤压摩擦至井体与土壤交接之处，所以我们将摩阻力作用力设为f=3 t/m2。

Rf1=(17.9+34)×2×3×(2.1-5)+(17.9+34)×2×3×5÷2=1 791 t。

K=3 173/1 791=1.77>1.5。

表明沉井能够顺利下沉到位。

c.当进行终沉时沉井的各系数计算。

当沉井下沉目标达到设计标高的时候，此时的刃脚进入了④层土，土壤的正常承载力是19.0 t/m2，沉井的摩阻力以及各部位对于土壤和外界压力的支撑力能否达到稳定状态非常关键。验算此状态下沉井的下沉系数。

考虑井外壁摩阻力作用力取f=2 t/m2，计算偏安全，井外壁摩阻力：

Rf2=(17.9+34)×2×3×(2.1-5)+(17.9+34)×2×3×5÷2=1 194 t。

刃脚受至④层土的支撑力：P3=f3A1=19×135.0=2 565 t。

则沉井克服摩阻力时下沉系数：K=(G-Rf2)÷P3=(3 173-1 194)÷2 565=0.77<1。

计算结果表明：沉井终沉后将处于稳定状态。

2.2.5沉井纠偏

在沉井下沉的时候，周围土壤的挤压会造成周围沉井的扰动而产生位移的现象，从四周向中间进行位移，如果不采取措施，容易使沉井的平面位置发生改变。在控制的时候，不能仅仅依靠偏拉来纠正，如果进行偏拉容易使土壤压力差变大，所以在下沉的时候我们必须将沉井向外方向进行纠正。我们主要采取了以下措施：

1)沉井在进行下沉的初期，当要拆除刃脚以及砂垫层的时候必须有序的、对称的进行拆除，严格控制拆除速度，不能过快。

2)每个沉井在下沉的时候应同时进行，避免相邻沉井之间的高差大于1 m，这样能减少沉井相互之间的影响。

3)沉井共同下沉的时候，下沉顺序为从两边开始，中间接力下沉，沉井群应当是三角状下沉，中间高两边低，这样能够消减沉井群向中间位移的趋势。

4)沉井下沉是一个不断的观测不断的进行纠偏措施的过程。如果在下沉的时候出现偏位，我们应当采取如下措施：

a.偏沉，此项为下沉的主要纠偏措施。

b.井外射水。

c.增加土体压力、控制下压重量，采取偏心的下压方法。

在除土的时候，应当采取对称进行除土，每层除土的厚度低于50 cm。

2.3　终沉、封底、回填

当沉井底部下沉至距设计标高相差2 m的时候，增加对下沉的观测频率，按照要求控制好下沉的速度，调整各个井内的土面高度保证井土面高度相差不能过大，尽量使其的高程在一个平面上，使其能够平稳就位。

沉井回填应当先把积水排除，回填的厚度根据刃脚入土情况以及地基开挖情况确定。最后采用钢筋混凝土进行封底。封底结束作业后，相邻的沉井之间的空隙，采用膨胀混凝土填实，同时在沉井上下游位置各进行旋喷加固桩施工。

2.4　沉井施工质量控制及保证措施

2.4.1沉井的制作

沉井基坑铺砂垫层前，将清淤及机械行走后扰动土层，并对局部柔弱层进行换填，以确保土面承载力不小于0.1 MPa。回填砂中无粘性土等其他杂物。

2.4.2沉井的下沉

下沉时，必须按照顺序，对称同步的拆除刃脚区域填筑的砂砾石。在下沉挖土时，必须分层开挖，同时均匀对称的进行除土保证沉井平稳下沉。

当沉井底部下沉至距离设计标高约2 m的时候，必须增加沉井的观测频率，应当定期检查沉井的平面位置偏移量，一般是以沉井每下沉1 m为一期进行观测，确保其平面偏移量小于25 cm。在井内土方清除的过程中，及时做好相邻井的土体高度观测，保证其土体高度相差不大于1 m，保证下沉的稳定性。

2.4.3沉井的封底

沉井底部下沉至设计标高的时候，此时应当继续进行观测，观测沉井的沉降状况，待连续8 h内沉降不超过10 mm的时候进行沉井封底工作。封底前要做到：沉井的底部土面标高达到设计要求；井内积水应尽量排干；混凝土解除的区域进行凿毛，同时冲刷干净；浇筑的时候应当分层浇筑，对称进行。

3　结语

随着沉井在当今工程建设领域中广泛的应用，其沉井施工技术将被大力推广和提倡，文章对三洋港现场施工的实例阐述以及其中详细工序和节点的分析，总结了沉井施工的技术要点，通过对技术要点的阐述，加深对广大工程技术人员对沉井施工技术的了解，最后针对沉井施工研究并归纳出在沉井施工过程中要重视的主要技术因素如下：

1)沉井下沉的时候进行的施工观测是沉井施工成败的重要一步，只有通过观测，才能发现沉井施工时的各种不利因素，同时进行调整，从而完成沉井的施工工作。

2)在沉井施工之前，为了确保工程的质量，应当提前制定质量控制计划，计划中要拥有充分的质量事故的预防措施，当发现质量问题的时候及时进行纠偏，把各种质量隐患消灭在萌芽状态。

3)沉井设计的时候，应当做足各项系数的验算，其中上文介绍到的刃脚的计算以及下沉时的各项指标验算是非常重要的，这些指标是完成沉井下沉工作的重中之重。

4)沉井下沉的时候需要降低地下水，在降低地下水的时候应当根据勘测报告，确定沉井下方的土壤情况，如果不根据土壤情况选择相应的排水方案，可能会造成沉井底部土壤失稳产生安全事故。