广西液化天然气项目取水口及海水泵房工程沉井下沉施工技术

张郁钦 中交四航局第三工程有限公司

1.工程概况

广西液化天然气（LNG）项目取水口及海水泵房工程包含取水泵房和进水管两部分。取水泵房布置在后方陆域，为沉井结构，平面尺寸为45.2×37.4m（长×宽）、高17.7m；主要包括前池、滤网间及泵房三段，三段整体现浇成一箱涵结构，由边墙及中间隔墙、刃脚等组成，在沉井底部3.7m范围，由内外墙刃脚及底梁将沉井格分为56个格仓，格仓主要平面净尺寸为3.5m×5.2m、3.5m×4.5m、3.5m×5.9m、3.5m×5m，沉井周边土质主要为中粗砂及黏土。经过反复研究与充分讨论，采用土体置换联合钢板桩止水排水法下沉沉井施工技术进行施工。

2.土体置换联合钢板桩止水排水法特点

（1）施工安全，效率高。在沉井基础下沉时，采用机械设备实施水下开挖作业，解决坚硬土层取土困难的问题，安全高效取土，并回填中粗砂，完成土体置换。接着开展沉井预制作业，在井内配合水力施工设备进行取土，采用排水法进行下沉作业，保证施工质量，提升施工效率。

（2）便于控制沉井下沉施工质量。沉井下沉作业中，置换的土体为中粗砂，这种砂土具有土质单一和承载力均匀的特点，便于控制沉井下沉的施工质量，控制原坚硬土体对沉井下沉的影响，避免损害沉井的刃脚，预防因土体土质不均匀而导致沉井下沉局部质量问题。

（3）施工安全性高。该施工技术土体置换联合钢板桩止水排水法，并配合水位观测井，动态跟踪沉井周边水位变化情况，测量沉井内外水头差，达到保证施工安全的效果，为沉井下沉施工提供干燥良好的施工环境，避免出现流沙和管涌等不良现象的出现。

（4）降低施工成本。土体置换联合钢板桩止水排水法所需要的施工设备较少，也不需要特殊的机械设备，操作简单，取土安全，效率较高，并且能够控制工程造价，达到降低施工成本的目的。

3.工艺原理

土体置换联合钢板桩止水排水法下沉沉井施工工艺原理见图1。为了保证沉井作业顺利进行，先采用机械设备穿过沉井下沉作业范围的坚硬土层，挖除坚硬土体，并回填中粗砂，振冲密实后再进行沉井预制作业。采用钢板桩作为止水措施。在布置钢板桩时，按照沉井施工的实际情况进行调整，将钢板桩布置在沉井周边，注意在沉井下沉过程中密切关注钢板桩的沉降位移，避免钢板桩出现变形、损坏等质量问题。

图1 施工工艺原理图

4.施工工艺流程及操作要点

4.1 测量放样

以沉井施工图纸为参考，科学布置施工基线和水准点，同时，为了便利测设作业的进行，在通视条件良好、安全稳定性较高的地方布置基点，完成整个施工范围的基点布置作业，保证基点覆盖的有效性。配合GPS定位技术智能化控制、精细化管理，完成测量放样作业，并在原地面位置醒目标记沉井施工的具体位置。

4.2 坚硬土层开挖

①坚硬土体的主要组成成分有孤石、卵石等，坚硬土体开挖作业选择应用挖掘机、挖泥船等施工设备，按照阶梯放坡法的方式完成水下开挖作业。根据施工现场土质的实际情况设计坡率和坡高，参考类似工程的施工经验，并且对开挖边坡的稳定性进行计算，以确保施工的安全性。

②根据沉井刃脚底部的实际标高调整采土测量，若沉井刃脚底部的设计标高＜坚硬土层的底部标高，则挖除沉井刃脚底部设计标高以上的所有坚硬土层；若沉井刃脚底部的设计标高≥坚硬土层的底部标高，则只需要将沉井中部的坚硬土层开挖至刃脚设计底标高位置，但在沉井周边位置预留出2～3m厚的坚硬土层，这样不仅能够保证沉井终沉质量，同时对预防地下水渗透也有积极作用。

4.3 回填振冲砂

取土完成后，采用中粗砂进行回填置换，中粗砂回填面顶部标高预留出50cm的沉降量。综合考虑施工现场情况、类似工程经验及规范，采用振动水冲法的方式进行加固密实，科学设置施工参数，规范布置振冲点，按照梅花形布置，控制各个振冲点的间距，振冲点间距控制在2.5m。回填振冲砂的加固密实度达到沉井预制作业的要求，地基承载力满足沉井预制的要求。

4.4 施打钢板桩

钢板桩布置在沉井周围，适宜搭设土体滑动破裂面之外的位置，钢板桩的施工打入能够极大提升止水效果。另外，钢板桩打设施工时控制钢板桩的打入深度，钢板桩的底部充分进入不透水层，深度保持在2m以上，同时控制钢板桩距离沉井的距离，保证止水效果。钢板桩距离沉井外壁的距离按下式计算：

式中：d为钢板桩距沉井外壁的距离（m）；H为沉井下沉的总高度（m）；φ为土体的内摩擦角（°）。

先采用起吊设备将钢板桩吊起，接着采用屏风式打入法将钢板桩打入不透水土层，最后在外露钢板桩的四周增设支撑，避免钢板桩出现变形现象，影响止水效果。

4.5 水位观测井布置

布置水位观测井的主要目的是观测水位，水位观测井采用直径为10cm的PVC管，并在PVC管管壁均匀钻孔，最后将PVC管插入钢板桩内侧的钻孔内，完成水位观测井的布置，同时为了避免其他施工工序和施工人员破坏已布置好的观测井，在观测井附近架设警示标志牌，做好保护措施。

4.6 沉井预制

沉井预制按照分层的原则来进行预制，并且为了控制沉井刃脚及底梁对置换完毕的回填砂面造成影响，产生超出安全允许范围内的压应力，在沉井刃脚及底梁下设置素混凝土垫层。素混凝土垫层的厚度可按下式计算：

式中：h 为素混凝土垫层厚度（m）；G为沉井第一节每延米长度的重量（kN/m）；R为砂层地基承载力特征值（kPa），为减小沉井预制时的沉降，一般取松散状态砂层的承载力特征值，其值为100kPa；b为沉井刃脚踏面的宽度（m）。

4.7 排水取土下沉

排水取土以水力机械为主，先采用高压水枪对土体进行破碎处理，使得砂土转变为流动的泥浆，再通过泥浆泵将流动泥浆排出井外。在实际的排水取土下沉作业中，根据沉井的具体尺寸大小和下沉施工实际情况调整水力机械的数量，保证排水取土效率，避免出现浪费。排水取土下沉施工方法具体见图2。

图2 水力机械取土下沉沉井施工示意图

为了保证沉井下沉作业的安全性，在沉井下沉之前布置沉降位移观测点，观测沉井下沉施工的土体状态变化，分析土体的沉降位移量。若出现土体变形沉降量过大的情况，则采取相应的解决办法，及时回填，保证钢板桩内外土体高度基本一致，确保钢板桩的稳定性。

4.8 下沉速率、平面位置测量

为确保沉井施工的安全与质量，在施工过程中，做好各项监测方案及措施，主要监测内容见表1。

表1 土体置换联合钢板桩止水沉井下沉施工监测项目

4.9 沉井下沉纠偏

沉井下沉偏差主要有倾斜偏差和位移偏差两种，在实际的下沉作业中根据不同的偏差类型，分析产生偏差的原因，并采取针对性的纠偏策略。

①偏出土纠偏.如果是在沉井入土深度较浅的时候出现倾斜偏差，可选择应用偏出土的方式进行纠偏，沉井刃脚较高一侧多挖土，另外一侧少挖土或者适当回填砂，但偏出土的过程中切忌过急过快操作，应逐步扩大挖土量，匀速稳定地完成纠偏工作。

②井外射水、井内偏出土相结合纠偏。如果是沉井入土深度较深的时候出现偏差，受到井内约束力的限制，这个时候单纯靠偏出土的方式已经无法完成纠偏工作，则需要调整纠偏策略，采取井外射水与井内偏出土相结合的方式完成纠偏，具体的工作原理为采用水力机械设备在刃脚较高的一侧取土，而在适当回填刃脚较低的一层，并配合高压射水管，在刃脚较高一层沉井井壁的外侧喷射高压水，冲击破坏原土层结构，逐渐完成纠偏。

③增加偏土压或偏心压重纠偏。在沉井入土深度较深时，还可以采用增加偏土压或偏心压重纠偏的方式进行纠偏，在倾斜一侧的沉井刃脚位置回填中粗砂，改变沉井两侧的土压，也可以利用压重调整沉井高的一侧，通过施压的方式提升高侧的下沉速度，以达到理想的纠偏效果。

4.10 终沉

按照沉井下沉施工规范进行下沉作业，直到沉井距离设计标高3m时，先中止排水取土下沉作业，查验沉井的自沉量，并根据观测结果调整排水取土的速度，逐渐完成沉井的纠偏，最后预留出一定的距离，由沉井自沉至设计位置。

4.11 封底

查验沉井自沉量，若沉井8h内的自沉量不超出1cm，即可判断沉井到底设计标高位置，可以进入下一道施工工序，开展沉井封底作业。计算沉井需要抵抗的水压力，确定沉井封底混凝土厚度。沉井封底厚度设计为2.5m，采用C30混凝土进行封闭，遵循“先带水后抽干”的施工原则完成沉井封底作业。在沉井东、西、北侧的2仓格放入2根直径为200～300mm的钢制导管，采用垂直导管法进行不排水封底，钢制导管由操作手操作汽车吊吊装至仓格浇筑仓，再将漏斗放置在钢制导管顶部，由漏斗向浇筑仓泵送混凝土，完成第一次封底作业。7d后，采用抽水泵排出沉井内的水，抽干之后进行混凝土现浇作业，在沉井东西两侧分别布置1台52m汽车泵，保证混凝土浇筑效率和质量。

5.结语

综上所述，沉井下沉施工会受到诸多因素的影响，根据不同的地质条件，采用适合的施工方法，同时，加强沉井下沉施工质量控制具有重要现实意义，有利于预防沉井倾斜和偏差，保证沉井下沉的施工安全、进度、质量及控制施工成本。本文依托广西液化天然气项目取水口及海水泵房工程，对土体置换联合钢板桩止水排水法下沉沉井施工技术进行了探讨，希望所提内容能够为类似工程提供参考。