大型沉井施工技术

曾小亮

摘要：以上海临港重装备产业区Y6雨水泵房为实例，介绍大型沉井施工技术及下沉的控制措施。计算下沉过程中的接高稳定性，各地层中下沉系数及终沉下沉系数。确保下沉过程中的安全，为同类工程提供施工借鉴意义。

关键词：大型沉井；施工技术；接高稳定；下沉稳定

1 工程概况

Y6雨水泵站位于上海临港重装备产业区，施工场地现状为农田、绿化、河道、池塘等。雨水泵站规模34m?/s，污水截流设施规模2200 m?/d，进水口为2个3m×3m 箱涵。雨水泵房设上部建筑，建筑面积642 ㎡，另设管理用房，建筑面积295 ㎡。泵房埋深约13 m，进水箱涵、进水闸门井埋深约10 m。其中沉井平面尺寸35.6m×37m，壁厚为0.70m，净深12m，埋深约12.0m，底板厚0.70m，现浇钢筋混凝土结构；抗渗等级为S8，主体混凝土C35，填充混凝土C20，垫层混凝土为C15。

2 施工重难点

①沉井规模大，地质条件差，下沉精度控制难度大。本工程泵房沉井结构平面尺寸达到37.0×35.6m，下沉深度13m，下沉重量11750t，所处地质土以粉质土、淤质粘土为主，且②层土质不均匀，在动水作用下易产生流砂、管涌现象，极易造成沉井不对称受力而倾斜。

②预埋件预埋精度高，结构间的接口密闭要求高。设备安装预埋件在砼结构中，错综复杂，埋设精度要求高，难度大，埋设如偏差将直接影响后续安装质量。进水区、排水区为封闭结构，其不同结构区间的接口密闭至关重要，施工难度大。

3 施工方案

3.1 总体施工方案

沉井采用4段法预制，第一段高3.85m（包括刃脚），第二段4.2m，第三段4.1m，第四段2.2m；进行一次性下沉，下沉到位后再进行封底及内部结构施工，相关需先安装设备安装后再进行泵房封顶。沉井在经处理的地基上进行预制，外操作平台采用双排盘扣式脚手架。沉井周边设置深井降水，下沉前确保降水到位。沉井采用不排水下沉法下沉，水力机械吸泥，水源供给可从西侧马泐港，抽取的泥浆排放至北侧泥浆池。下沉到位后进行干封底。

3.2 施工流程

①沉井制作工艺流程：平整场地→测量放线→止沉桩施工→开挖基坑→夯实基底→铺砂垫层→浇筑混凝土垫层→砌刃脚砖座→安设刃脚和第一节井身钢筋→支刃脚和第一节井身模板→刃脚和第一节井身混凝土浇筑→混凝土养护、拆模→循环安装钢筋模板和浇筑第二至第四节沉井井身和养护→外围围槽灌砂准备下沉。

②沉井下沉工艺流程：下沉准备工作→设置供水、排泥系统→破除砖座、混凝土垫层→水力取土下沉→观测和纠偏→下沉接近设计标高、核对标高→封底→绑底板钢筋→浇筑底板砼→后续施工。

3.3 沉井制作

①沉井四周加宽约2m范围内开挖基坑，基坑尺寸为41.0 m×39.6m，深度3.0m，1：1.5坡度放坡，开挖土方堆于远处的空地上作沉井回填用。刃角、底梁3m范围内开挖1.5m深沟槽且立即分层回填中粗砂，分层厚度30cm，利用平板振动机夯实，中粗砂填顶标高。底板及底梁3.65m，刃脚及外围3.0m范围内现浇30cm厚C25砼垫层。

②在距离基坑顶边1m，沿基坑四周布置12口深为25m的降水深井。降水井采用φ300多孔混凝土管。沿基坑底边四周布置2%坡度30×30cm明沟排水，四周设置集水井，保证基坑排水通畅。

③沉井外施工脚手架采用盘扣式双排脚手架，立杆纵距为1.8m，横距为1.2m，步高为2.0m。

分四节段制作沉井，脚手架随沉井接高搭设。沉井接高过程中应对井体进行沉降观测。

3.3 沉井下沉

①根据坐标控制点、高程基准点，对沉井外围尺寸进行复核，复核的主要内容有：沉井高度、轴线位置等尺寸偏差情况。在沉井四周用红油漆标出控制高度，轴线位置，按平面布置要求设置沉井中心控制点，同时建立平面测量控制系统。根据高程测量基准点，建立高程测量控制系统，将高程测引至沉井附近，并在沉井四周设置4个临时水准点，对沉井下沉的整个过程实施高程控制。

②待沉井制作结束，最后浇筑的一节混凝土强度达到100%后，拆除内外脚手架，上下通道爬梯、操作平台制作、搭设完毕，洞口封堵等所有准备工作就绪后进行垫层凿拆。拆除方法是先将砼垫层底部砂挖去，使垫层下空，利用空压泵汽锤破碎，刃脚下随即用砂或砂砾回填夯实，在刃脚内外侧夯筑成小土堤以承担部分井筒重量，接着破碎另一段，如此逐点进行，破除墊层时加强观测，注意下沉均匀，发现倾斜及时处理

③沉井下沉施工采用水力机械施工。本工程采用4台（套）由高压水泵、强力泥浆泵组成的冲水取土设备，按区分块施工，确保沉井平稳顺利下沉。对②1粉质粘土等松软土质，先水冲中部土层（每层约深40～50㎝）沿沉井刃脚周围保留土堤使沉井挤土下沉，土堤一般留设50㎝宽）如受地下水影响沉井倾斜时，先冲背水方向的土，后冲迎水方向的土。

④沉井下沉过程中需全过程监测。沉井现场施工监测系统包括沉井自身状态监测系统，及施工对周边影响的监测系统两部分；沉井自身状态监测系统包括：井身自身位置（深度、中心偏离）监测系统、姿态（倾斜）监测系统及井身受力状况的监测系统；对周围环境影响的监测系统包括：地层沉降的监测系统，对道路的监测，对现状河岸的监测。

⑤沉井终沉阶段（沉至离设计标高150～200cm时），必须放慢冲水取土下沉速度，并对相应位置多余的止沉桩进行处理。最后阶段冲土顺序做适当调整，先冲刃脚和框架梁斜面下的土体，保持支撑面的均匀，使格仓内土体变成“凸”形反锅底，在沉井标高到达设计标高前50cm时，停止冲水取土，让沉井在重力作用下自沉，根据自沉状况适当整理格仓内土体。在沉井标高到达设计标高前10cm，用枕木塞填刃脚及框架梁斜面，并用粗砂灌实。跟踪测量沉井的自然沉降，连续8h沉降量小于10mm时方可进行封底施工。

3.4 沉井封底

封底应根据终沉阶段的观测数据分仓进行，沉井下沉均匀时先封近井壁格仓，再封中间格仓。后封格仓封底需要挖土时，必须等到已封各仓混凝土强度达到70%以上时方可进行。封底时在每个格仓内设置1～2个Φ500mm泄水孔，泄水孔的封堵在沉井结构施工完毕后实施。沉井采用干封底，要求将井底浮泥除净，抛入30cm碎石层后铺垫黄砂（粗砂），浇水以填充块石间隙。砼垫层及底板灌注时不能让混凝土从高空坠落，须设导管，管口与浇注面高差50cm内。封底砼达到所需要的强度后，即养护7～14d；方可进入下道工序。

4 沉井下沉控制措施

4.1 沉井下沉常见问题

沉井下沉过程中常见问题有倾斜、超沉、下沉过程中遇到障碍物、下沉阻力过大、下沉速度过快、出现流砂等。

4.2 沉井下沉控制措施

①沉井下沉过程中产生倾斜的原因。沉井刃脚下面的基土硬度不均匀；井筒受到地下局部障碍物的阻碍，被搁住，不能顺利下沉，使得沉井下沉出现倾斜现象。

沉井制作完成后，可进行刃脚垫架拆除和下沉的准备工作。同时井内冲水取土应根据沉井中心划分工作面，取土应分层、均匀、对称的进行。冲水取土的要点是：先从沉井中间开始逐渐向四周进行，每层取土厚度在0.4～0.5m，沿刃脚保留0.5～1.5m的土堤，然后再沿沉井井壁每2～3m一段向刃脚方向逐层全面、对称、均匀的削薄土层，当土层经不住刃脚的挤压而破裂时，沉井便在自重的作用下挤土下沉。

如果沉井下沉的非常快，可对射水量和射水压力进行严格的控制，同时控制坑底实际大小和深度，防止太过掏空刃脚下的土方。

当刃脚一侧被搁住的时候，应及时将障碍物清除，然后继续下沉。如果障碍物是小孤石，可把边上土体掏空再取出；如果障碍物是比较大的大孤石，可以采用风镐将其破碎，再取出。

沉井下沉过程中应安排专人进行观测，沉降观测每4小时1次，刃脚标高和位移观测每台班至少1次。每次观测数据均需如实记录，以便进行数据分析和资料管理。

沉井下沉较深中应严格控制下沉速度，防止过程。在距离刃脚标高1.5～2m时，放慢冲水速度。考虑上部荷载，预留5cm不下沉。

②沉井下沉过程中比较常见的一种问题是流砂。流砂在粉细砂层的沉井施工中最常出现。而在本工程所在地质中第②3层情况：砂质粉土粉砂，含云母及贝壳碎屑，夹粉土及少量细砂，呈稍密～中密状态，层底标高-8.11～-12.12m，极易出现流砂现象。土体出现流砂现象时，土就会失去承载力，严重会导致基坑边坡塌方。引发流砂的的主要原因是土里面的动水压力超过了临界值，这时应该及时压住水头，禁止在流砂中继续下沉。

本工程采用的水力冲土下沉，井内保持一定的水压，利用不排水法下沉降低井外水力梯度，从而对流砂问题有效的控制。

5 沉井接高稳定性验算及下沉系数计算

5.1 沉井接高稳定性验算

沉井在基坑内分四阶段预制完成，再进行一次下沉。因此只需验算在预制第四节沉井时（沉井重量最大）的稳定性即可。

第四节沉井完成，沉井总重： （kN）

砂垫层的极限承载能力： 则稳定系数

。在沉井预制接高过程中，能够确保沉井稳定性。

5.2 各土层中下沉系数

各土层性质：

式中，kst为下沉系数；Gk为沉井自重（kN）；Fw为地下水的托力（kN）；γw为水的重度（kN/m?）；V为沉井在地下水位体积（m?）；U为侧壁外围周长（m）；R1为刃角下地基极限承载力（kPa）；b为刃角踏面宽度（m）；n为刃角斜面与土壤接触面的水平投影宽度（m）；A1为隔墙支撑面积（㎡）；A2为底梁支撑面积（㎡）。

根据计算在各土层中下沉系数为：在②1层下沉系数为1.58，②2层下沉系数为0.733，②3层下沉系数为0.89，终沉系数为0.854。

5.3 各土层中下沉控制措施

根据规范，沉井下沉系数宜为1.05～1.25，在软弱层为0.8～0.9。

因此在施工中根据各土层下沉系数，采取相应的措施，保证下沉平稳。在②1层中下沉系数偏大，为防止突沉，倾斜等，采取向井筒內注入清水以增加井体浮托力；在②2层下沉系数偏小，因此在下沉过程中采取刃角下均匀、对称掏土，从而达到下沉的目的；在②3层中下沉系数较为适宜，在该层中下沉较为平稳。终沉时通过控制预留量，以及严格控制止沉桩标高控制下沉速度及终沉标高。

6 结束语

①大型沉井在制作时尤其要注意地基承载力及不均匀沉降，防止在预制过程中发生井体偏位。同时应充分调查地质情况及周边环境情况。特别是在沉井周边有重要构筑物时，在下沉过程中除对井体本身进行监测外，还需要对周边构筑物进行监测。

②沉井预制应充分考虑后期大型设备的安装。包括预留洞口问题，预埋件的准确性，部分设备配件安装与井体预制的穿插施工。

③沉井下沉，应根据地质情况，判断下沉过程中可能发生的问题，制定相应的措施。

参考文献

[1] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中华人民共和国住房和城乡建设部 GB/T 51130-2016 沉井与气压沉箱施工规范[S].北京：中国计划出版社，2016：13-23.

[2] 刘国彬，王卫东.基坑工程手册[M].第2版.北京：中 国建筑工业出版社，2009：514-551.

（作者单位：中铁二十四局集团路桥公司）