大坑口污水泵站沉井施工技术

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摘   要：介绍沉井下沉受力计算和沉井施工技术，总结沉井对周边建筑物的影响。 
    关键词：沉井 刃脚 管涌封底 

    1 、工程概况 
    大坑口污水泵站是通过加压将南宁市朝阳溪污水经跨江管道输送到江南污水处理厂的一个加压污水泵站。泵站位于南宁市大坑口朝阳溪旁，经多方案比较优化，泵站结构设计为沉井结构，这也是目前南宁市在建最大的沉井结构之一。沉井结构尺寸为28.6米×23米，下沉深度为16.1米。 
    2 、水文地质情况、气候条件 
    泵站地面高程73.2m，沉井底部高程为57.4m泵站场地土层自上而下分别为杂填土 
    ①、粉质粘土②、粉质粘土③、圆砾④、粉砾⑤和泥岩⑥。场地地下水主要为贮存于填土层①的上层滞水和贮存于圆砾④、粉砂⑤中的空隙承压水。上层滞水的稳定水位为67.5～67.9m，空隙承压水与邕江水有互补关系（邕江水位全年水位61.15～68.19，未计洪水水位）。 
    南宁市气候为亚热带气候，长夏无冬，雨量充沛，降雨多集中在5～9月间，约占全年降雨量的72％左右。
    3 、沉井施工方案 
    沉井根据设计井壁形式，采取分2次制作、1次下沉，施工顺序为：挖基坑——铺设砂垫层，安装垫架——制作底节、第二节沉井、隔墙——拆除垫架、模板、挖土下沉到设计深度——沉井封底、浇筑钢筋砼底板——制作第三节沉井。 
    4 、沉井结构 
    下沉受力计算根据以往经验，沉井高度大于12m，浇筑困难，下沉易引起倾斜，本沉井高达16.1m，采取分节制作，分节高度应保证其稳定性，使沉井能在自重下顺利下沉，沉井下沉系数计算如下：K=Q/L（H-2.5）ｆ其中：K—沉井下沉系数Q—井壁自重H—井壁高度L—井壁外周长f—土壤的摩擦系数第一次下沉系数（包括第一、二节沉井和底梁、隔墙）：K=（539+346.42+151.8+26.38+89.7+40.5）×24／100.4×（16.1-6-2.5）×25＝1.5＞1.15本沉井根据沉井井壁设计分节，采取分三节制作，高度分别为7.1m，5.5m，3.5m，浇筑程序是第一、二节沉井砼和底梁、隔墙砼浇好后，待其达到设计强度100%后，即进行下沉12.1m然后进行封底、浇注设备平台、浇筑第三层沉井砼。 
    5 、沉井施工过程 
    5.1  施工坑开挖沉井采取在基坑中制作，以减少下沉深度，降低施工作业面。开挖深度为6米，考虑到拆除垫架和支模操作的需要，基坑比沉井宽2米，四周挖排水沟，集水井，使地下水位降至比基坑底面低0.5m，挖土采用1台小松220-3 1.0m3反铲挖掘机进行。配合人工修坡和平整坑底，挖出的土方用自卸车运至弃土场堆放。 
    5.2 沉井制作 
    5.2.1  刃脚支设本沉井高度大，重量重，地基强度较低，采用垫架法支撑。 
    沉井刃脚铺设标准枕木（160mm×220mm×2500mm ）作支承垫架的垫木，然后在其上支设刃脚及井壁模板，浇筑砼。地基上铺设砂垫层，可减少垫架数量，将沉井的重量扩散到更大的面积上，避免制作中发生不均匀沉降，同时易于找平，便于铺设垫木和抽除。 
    根据第一、二节沉井的重量和地基的承载力设计，按下式计算枕木用量：n—— 每米内垫木根数（根）；G—— 第一节沉井的单位长度的重力（ kN/m）；F—— 每根垫木与地基（或砂垫层）的接触面积（平方米）；「f」——  砂垫层（或地基土）的承载力设计值（kN/平方米） 
    n＝1193.8×24/（97.2×0.22×2.5×250）＝2.14枕木间距为0.46m，共用97.2÷0.46≈212根。设8组定位架，砂垫层厚度为50cm，满足砂垫层底面处的自重应力加砂层底面处加附加应力小于或等于砂垫层底部土层的承载力设计值。选用中砂用平板振动器振捣并洒水，控制干密度 ≥1.56t/m3，地基整平后，铺设垫木，使顶面保持在同一水平面上，用水平仪控制其标高差在10mm  以内，并在其孔隙中垫砂夯实，垫木埋深为其厚度一半。 
    5.2.2  模板支设和钢筋绑扎沉井制作的模板支设和钢筋绑扎与普通结构施工要求一样，只不过由于是在软基上施工，所以要均匀对称施工，以防止不均匀沉降。 
    5.2.3 混凝土浇筑混凝土采用商品砼，并用砼输送泵，送至沉井浇筑部位，沿井壁均匀对称浇筑。浇筑采用分层平铺法，每层厚 30cm ，将沉井沿周长分成若干段同时浇筑，保持对称均匀下料，以避免一侧浇筑，使沉井倾斜，每层混凝土量为23立方米，要求2h内浇筑一层。 
    两节混凝土的接缝处设凹型水平施工缝，上节混凝土须待下节混凝土强度达到 70%后浇筑，接缝处经凿毛及冲洗处理，并浇10cm 厚减半石子混凝土。 
    5.3 沉井下沉控制 
    5.3.1 下沉速度的控制根据土质情况，采用台阶形挖土自重破土方式。采用从中间开始向四周逐渐开挖，并始终均衡对称地进行，每层挖土厚度为 0.4～1.5m.刃脚处留1.2～1.5m宽土垅，用人工逐层全面、对称、均匀地削薄土层，每人负责 2～3m 一段，方法是顺序分层逐渐往刃脚方向削薄土层，每次削5～15cm，当土垅挡不住刃脚的挤压而破裂时，沉井便在自重作用下破土下沉，削土时应沿刃脚方向全面、均匀、对称地进行，使均匀平衡下沉，刃脚土方开挖方法如下图所示。 
    沉井挖土下沉采用人工挖土，一台塔吊吊运出土，由于挖土施工困难，综合考虑挖土、吊运的施工能力，研究沉井下沉的安全控制，沉井下沉速度控制为30cm/天。沉井自2003年5月19日开始挖土下沉到7 月21 日封底，历时64 天，基本按预定的速度进行。 
    沉井下沉中，如遇到砂砾石或硬土层，当土垅削至刃脚，沉井仍不下沉或下沉不平稳，则按平面布置分段的次序，逐段对称地将刃脚下掏空，并挖出刃脚外壁10cm ，每段挖完后用小卵石填满夯实，待全部掏空回填后，再分层刷掉回填的小卵石，可使沉井因均匀地减少承压面而平衡下沉。 
    在沉井开始下沉和将沉至设计标高时，周边开挖深度小于10cm，避免发生倾斜，尤其在开始下沉 5m以内时，其平面位置与垂直度要特别注意保持正确，否则继续下沉不易调整，在离设计深度20cm 左右停止取土，依靠自重下沉至设计标高。 
    5.3.2下沉观测沉井位置的控制是在井外地面设置纵横十字控制桩、水准基点。下沉时，在井壁上设十字控制线，并在四侧设水平点。于壁外侧用红铅油画出标尺，以测沉降，井内中心线与垂直度的观测系在井内壁四边标出垂直轴线，各吊垂球一个，对准下部标志板来控制，并定时用两台经纬仪进行垂直偏差观测。挖土时随时观测垂直度，当垂球离墨线边达50mm 或四面标高不一致时，立即纠正，沉井下沉过程中，每班至少观测两次，并在每次下沉后进行检查，做好记录，当发现倾斜、位移、扭转时，及时通知值班队长，指挥操作工人纠正，使允许偏差范围控制在允许范围以内。沉井在下沉过程中，最大沉降差均控制在250mm以内。当沉至离设计标高2m时，对下沉与挖土情况应加强观测，以防超沉。 
    5.3.3下沉纠偏沉井下沉过程中，有时会出现倾斜、位移及扭转等情况，应加强观测，及时发现并采取措施纠正。 
    产生倾斜的可能原因有：⑴ 刃脚下土质软硬不均；⑵ 拆刃脚垫架时，抽出承垫木未对称同步进行，或未及时回填；⑶ 挖土不均，使井内土面高低悬殊；⑷ 刃脚下掏空过多，使沉井不均匀突然下沉；⑸ 排水下沉，井内一侧出现流砂现象；⑹ 刃脚局部被大石块或埋设物搁住；⑺ 井外弃土或施工荷载对沉井一侧产生偏压。 
    操作中可针对原因予以预防，如沉井已经倾斜，可采取在刃脚较高一侧加强挖土并可在较低的一侧适当回填砂石，必要时配以井外射水，或局部偏心压载，都可使偏斜得到纠正。待其正位后，再均匀分层取土下沉。 
    位移产生的原因多由于倾斜导致，如沉井在倾斜情况下下沉，则沉井向倾斜相反方向位移，或在倾斜纠正时，如倾斜一侧土质较松软时，由于重力作用，有时也沿倾斜方向产生一定位移，因此预防位移应避免在倾斜情况下下沉，加强观测，及时纠正倾斜。位移纠正措施一般是有意使沉井向位移相反方向倾斜，再沿倾斜方向下沉，至刃脚中心与设计中心位置吻合时， 再纠正倾斜，因纠正倾斜重力作用产生的位移，可有意向位移的一方倾斜后，使其向位移相反方向产生位移纠正。 
    沉井下沉产生扭转的原因是多次不同方向倾斜和位移的复合作用引起的，可按上述纠正位移、倾斜方法纠正位移，然后纠正倾斜，使偏差在允许范围以内。 
    5.4 下沉到位、封底技术当沉井沉到设计标高，经2～3天 ，下沉已稳定，在8h内累计10mm时，即可进行沉井封底。沉井封底有排水封底和不排水封底两种方案，本沉井对封底质量要求严格，不允许出现渗漏，再者涌水量不大，井底土质较密实，因此确定采取排水封底方案，分两步进行。第一步进行土形整理，使之呈锅底形，自刃脚向中心挖放射形排水沟，填以石子做成滤水暗沟，在中部设2～4 个集水井， 井深1～2m ，插入直径 0.6～0.8m，周围有孔的混凝土或钢套管，四周填以卵石，使井中的水都汇集到集水井中，用潜水泵排出，使地下水位保持低于井底面30～50cm.刃脚混凝土凿毛处洗刷干净，然后，在井底对称均匀浇一层0.7～0.9m厚的混凝土垫层，强度达到 30% 后，绑钢筋，浇筑上层550mm厚的防水混凝土底板。浇筑应在整个沉井面积上分层由四周向中央进行，每层厚 30～40cm  ，并捣固密实。混凝土养护14d 期间，在封底的集水井中应不间断地抽水，待底板混凝土达到70%设计强度后，进行第二步，对集水井逐个停止抽水，逐个进行封堵。方法是在抽除井筒水后，立即向滤水井管中灌入C30早强干硬性混凝土捣实，装上法兰，再在上面浇筑一层混凝土，使之与底板平。封底时因上部结构尚未施工，设备管道未安装，应验算沉井的抗浮稳定性。 
    5.5沉井抗浮计算若地下水对沉井的浮力大于井壁及封底砼重量与井壁与土的摩擦力之和，可以采取在井壁上加载的方法抗浮，但根据地勘资料中对地下水的描述，稳定水位为55～56m，而沉井底高为58m，地下水对沉井的浮力很小。考虑洪水期施工的影响，取土层滞水的稳定水位67m为水面标高，则地下水对沉井的浮力为F＝ρghs1其中ρ－水的密度，取103 Kg/立方米。 h－水面至井底高度67m-58m＝9 m s1－井底面积，23.626.6＝627.76平方米 F－水对沉井的浮力F＝5649.8 t井壁与土层的摩擦力 f＝s2μs2－井壁表面积  （23.6＋26.6）×12×2＝1204.8平方米μ—单位摩擦力，取最小值20 Kpa f＝2409.6 t井壁及封底砼自重：p＝ρv＝1900×2.4＝4563 t F＝5649.8因此，沉井在地下水浮力的作用下，是能够保持稳定的。 
    6 、沉井施工中管涌处理及经验体会 
    6.1管涌及处理因沉井近靠朝阳溪，沉井在下沉至距离基底2米时，开始出现管涌现象，共有6处，且涌水量大小不一，涌水的同时带出大量的细砂，影响了沉井开挖、下沉，处理措施主要是采用卵石装袋，进行填堵，并用滤布覆盖，阻止细砂流出。过滤的水集中至集水坑进行抽排。 
    6.2经验与体会 
    6.2.1管涌的危害用于沉井开挖吊运土方的塔吊距离沉井15米，由于管涌出现，大量排水，造成塔吊倾斜，无法使用，在最后几天，沉井出土采用汽车吊，增加了很大的额外的费用。 
    6.2.2沉井过程对周边道路、建筑物的影响管涌的出现对周边环境影响很大，距离沉井10米的硬化小路下沉近1米，附近20米内，地面均有不同程度的下沉。但施工场地附近没有建筑物，未造成更大的影响。