13米高大沉井下沉施工控制技術(shù)

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沉井一般常用于橋梁墩（臺(tái)）深基礎(chǔ)，可以承載較大的負(fù)荷。沉井用于水閘工程的下游防沖已在較多水閘中取得成功經(jīng)驗(yàn)。在海漫和防沖槽之間設(shè)置鋼筋砼防沖大沉井，起“鎖墻”作用，保護(hù)海漫下游端不被下泄洪水和潮水沖刷破壞。
    1、工程概況
    1.1工程特點(diǎn)
    曹娥江大閘樞紐工程位于紹興市，錢塘江下游右岸主要支流曹娥江河口，距紹興市區(qū)約30公里，為Ⅰ等工程，主要建筑物擋潮泄洪閘、堵壩、岸墻、翼墻為Ⅰ級(jí)建筑物；次要建筑物上游導(dǎo)流堤等為3級(jí)建筑物；臨時(shí)建筑物施工圍堰等為4級(jí)建筑物。大閘樞紐主要由擋潮泄洪閘、堵壩、導(dǎo)流堤、魚道、上游河道護(hù)腳、上下游堤防加高加固以及2號(hào)閘老圍堰處理等建筑物組成。在灌砌石海漫下游端設(shè)防沖大沉井，
    防沖大沉井總長(zhǎng)685m，共計(jì)55只。由于沉井下沉過(guò)程中不可避免有傾斜現(xiàn)象，根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，在相鄰井間預(yù)留0.9m的寬縫，在預(yù)留縫的上下游兩端采用高壓旋噴樁進(jìn)行縫堵，高壓旋噴樁深15m，樁徑不小于1.5m。單個(gè)防沖大沉井，順?biāo)飨蜷L(zhǎng)8m，垂直水流向長(zhǎng)12m，深13m，外壁厚0.7m，中間設(shè)分隔墻厚0.4m，頂板厚0.8m，下端開口，中間為空箱，刃腳底面寬度0.3m。沉井沉放完畢后，在空箱內(nèi)回填砂質(zhì)粉土。設(shè)計(jì)沉井底標(biāo)高為-15.5m，頂標(biāo)高為-2.5m。
    1.2工程地質(zhì)
    沉井場(chǎng)址在勘探深度內(nèi)土層出露較簡(jiǎn)單，分布較均勻。自上而下分述如下：
    ①砂質(zhì)粉土（al-mQ4）組成，頂板標(biāo)高-17.2~-1.31米；
    ②淤泥質(zhì)粘土粉土夾層（al-mQ4），頂板標(biāo)高-19.2~-12.31米；
    ③淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土夾粉土（al-mQ4），頂板標(biāo)高-24.4~-21.4米；
    ④粉質(zhì)砂土、粉土互層（al-mQ4），頂板標(biāo)高-44.9~-33.1米；
    ⑤粉砂（al-mQ3）等組成，頂板標(biāo)高-60.8~-50.22米。
    地基土砂性強(qiáng)，抗剪抗壓性能良好，砂性土抗沖能力差，易受水的影響。
    施工區(qū)域內(nèi)建設(shè)單位已建有施工圍堰，堰高平均高程約為10m，圍堰區(qū)內(nèi)場(chǎng)地比較平坦，場(chǎng)地標(biāo)高為-2~-2.5m。
    2、沉井下沉方案的確定
    2.1 沉井制作
    沉井制作采用就地澆筑的方式，每只沉井分二節(jié)制作，一次下沉。第一節(jié)制作高度 8.5m，分三次澆筑砼，即1.0m、3.7m、3.8m。為方便施工第一次沉井制作時(shí)的地面標(biāo)高（刃腳位置）為-7.0m。第一節(jié)制作的沉井下沉到▽-15.5m，然后再進(jìn)行上部的接高，進(jìn)行第二節(jié)3.9m的制作。
    2.2 下沉方案
    2.2.1 沉井群劃分
    根據(jù)本工程的施工特點(diǎn)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，具體施工按以下原則進(jìn)行組織：
    將共55只沉井分為7組，每組又分為兩個(gè)小組，除3-2為3只外，其余每小組均為4只，分組順序編號(hào)見下圖。每組沉井進(jìn)行編號(hào)，按第1組→第2組→第3組→…→第7組的順序進(jìn)行施工，具體從東到西，即從0-5.8樁號(hào)開始進(jìn)行第1組編號(hào)，實(shí)行連續(xù)流水作業(yè)。
    第七組（7-1）4只沉井 第三組（3-1）4只沉井 第六組（6-1）4只沉井 第二組（2-1）4只沉井 第五組（5-1）4只沉井 第一組（1-1）4只沉井 第四組（4-1）4只沉井 第一組（1-2）4只沉井 第五組（5-2）4只沉井 第二組（2-2）4只沉井 第六組（6-2）4只沉井 第三組（3-2）4只沉井 第七組（7-2）4只沉井 第四組（4-2）3只沉井 
    大沉井分組順序編號(hào)圖
    2.2.2 資源配置
    每組沉井群計(jì)劃設(shè)置兩個(gè)鋼筋模板作業(yè)班組，一個(gè)砼澆筑作業(yè)班組，進(jìn)行三班制流水作業(yè)。在每只沉井具備澆筑條件后即進(jìn)行砼澆筑，沉放時(shí)，同時(shí)沉放一個(gè)小組的四只沉井，時(shí)間大概為兩天，待沉放穩(wěn)定后，再同時(shí)沉放另一小組的四只沉井。資源均按此進(jìn)行配置。
    2.2.3 沉井下沉方法
    本次沉井群采用排水下沉和不排水下沉相結(jié)合的方法。我們考慮先采用排水下沉，最后視具體情況采用排水或不排水下沉。預(yù)計(jì)不排水下沉深度2～3m。
    沉井采用水力沖土，泥漿泵排土。
    同組的每小組四只沉井同時(shí)進(jìn)行下沉。由于沉井群井間距僅90cm，每個(gè)沉井下沉?xí)r相互間存在一定的影響，為了避免下沉過(guò)程相互干擾， 4只（最后一小組為3只沉井）沉井下沉?xí)r基本同步，相鄰間沉井下沉?xí)r高差按不超過(guò)1.0m進(jìn)行控制。
    具體的施工順序?yàn)椋菏┕?zhǔn)備→打設(shè)第一級(jí)井點(diǎn)→挖基坑→打設(shè)第二級(jí)井點(diǎn)→制作第一節(jié)沉井→拆除模板、挖土下沉→部分回填土→第二級(jí)井點(diǎn)拆除→沉井接高→回填土→頂板施工→旋噴施工→工程完工清場(chǎng)
    3、下沉穩(wěn)定性計(jì)算
    計(jì)算沉井的下沉穩(wěn)定系數(shù)（按制高8.5m，下沉8.3m，且排水下沉進(jìn)行計(jì)算）
    3.1 計(jì)算沉井側(cè)面摩阻力的下沉系數(shù)
    k1=Q/Rf。
    其中Q為沉井自重，按8.5m高計(jì)算，為7160KN
    Rf為井壁總摩阻力，按Rf=U（H-2.5）fc計(jì)算。
    fc為單位面積的摩阻力，錢塘江邊的粉砂土經(jīng)驗(yàn)值取20kpa
    故Rf=40×（8.3-2.5）×20=4640KN，k1=7160/4640=1.54>1.15
    （如按部分不排水，地下水作用2~3m，沉井的浮力為1360 KN，此時(shí)k1=（7160-1360）/4640=1.25>1.15）
    3.2 計(jì)入側(cè)面摩阻力、刃腳及隔墻下土體的支承反力時(shí)的下沉系數(shù)
    k2=G/（Rf+R）
    其中R為刃腳及隔墻下的土體的支承反力。
    計(jì)算得k2=7160/（4800+3800+1277）=0.72<1.0
    3.3 計(jì)入側(cè)面摩阻力和刃腳踏面下土的支承反力時(shí)的下沉系數(shù)
    k3=G/（Rf+R1）
    其中R1為刃腳踏面下土的支承反力。
    k3=7160/（4800+2280）=1.01
    從計(jì)算結(jié)果可知，k1>1，說(shuō)明沉井能夠下沉，k2<1，說(shuō)明沉井停沉?xí)r能夠穩(wěn)定而不會(huì)發(fā)生超沉，k3> 1，說(shuō)明沉井在下沉過(guò)程中，只要將隔墻土、刃腳鈄面掏空，沉井能開始下沉。所以在此種地質(zhì)條件下下沉沉井具有可行性。
    4、沉井下沉施工
    4.1 施工準(zhǔn)備
    4.1.1井點(diǎn)布設(shè)
    采用井點(diǎn)降低地下水位，井點(diǎn)布設(shè)按二級(jí)考慮。軸線定位后立即進(jìn)行井點(diǎn)布設(shè)。采用標(biāo)準(zhǔn)輕型井點(diǎn)，每套配置40~50根花管，花管長(zhǎng)為6m，其中1m長(zhǎng)為濾管。井點(diǎn)按封閉布置。一個(gè)作業(yè)段（4個(gè)沉井）配置5套井點(diǎn)。
    為滿足二級(jí)井點(diǎn)布設(shè)和挖機(jī)行走的需要，一級(jí)井點(diǎn)花管中心線及二級(jí)井點(diǎn)花管中心線距沉井中心線距離在有效范圍內(nèi)。同樣，二級(jí)井點(diǎn)也布置成封閉型，一組共5套。井點(diǎn)管采用水力沖沉，管周圍回填中粗砂。
    4.1.2表土清除
    為方便沉井制作，減少沉井下沉工作量，第一節(jié)沉井刃腳制作布置在-7.2m高程。-2.5~-7.2高程之間的土方（其中-2.5~-6.5高程間土方量為：51368m3，-6.5~-7.2高程間土方量為： 770m3，每組為3790m3）需要先行挖除。在-2.5~-6.2m范圍內(nèi)土方采用水力沖挖，將近高程時(shí)采用機(jī)械配人工進(jìn)行開挖。
    首先，根據(jù)土方堆放場(chǎng)地，對(duì)沉井部分的表土進(jìn)行清除，清除的表土直接打至土方堆放處進(jìn)行場(chǎng)地平整。場(chǎng)地平整完成后，將第一、二組土方?jīng)_排入錢塘江中，以后各組的土方或回填或進(jìn)行堆放。
    在井點(diǎn)正式作用二天后開始土方?jīng)_挖，每一作業(yè)段計(jì)劃安排3天時(shí)間進(jìn)行沖挖，根據(jù)泥漿泵的工作效率，一個(gè)作業(yè)段配10套沖挖設(shè)備，其中8套工作，2套備用。
    土方?jīng)_挖后，井點(diǎn)已工作5天，開挖后的基坑能滿足上部作業(yè)的需要。
    4.2 沉井下沉
    沉井砼澆筑時(shí)，在沉井內(nèi)離井底約4m左右的位置四周設(shè)置若干小牛腿，以便設(shè)置下沿工作平臺(tái)，同時(shí)在該位置內(nèi)隔墻上設(shè)置進(jìn)人孔，使沉井內(nèi)各格間形成通道，便于操作人員相互溝通。在井壁內(nèi)側(cè)設(shè)置插筋，以便搭設(shè)爬梯，形成垂直通道。
    本工程沉井高度較高，為保證平穩(wěn)下沉，第一次制作待砼強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后即進(jìn)行沉井的下沉，下沉?xí)r一次沉放到位。下沉考慮每小組四只同時(shí)沉放，完成一小組再沉放另一小組，兩作業(yè)組同時(shí)作業(yè)，但存在時(shí)間差，主要采用排水法施工。
    沉井下沉施工工藝圖
    4.2.1排水下沉
    首先將沉井四周與下沉無(wú)關(guān)的機(jī)具、設(shè)備（包括鋼管、鋼模板）均搬離施工現(xiàn)場(chǎng)，清除雜物；
    在沉井四角設(shè)立指針，并埋設(shè)高程點(diǎn)和水平位移標(biāo)志，架設(shè)測(cè)量?jī)x器進(jìn)行首次測(cè)量；
    檢查維護(hù)降水井點(diǎn)并確保其運(yùn)轉(zhuǎn)正常；
    搭設(shè)井內(nèi)作業(yè)平臺(tái)及上下作業(yè)爬梯；并在沉井面上搭設(shè)操作平臺(tái)、欄桿。泥漿泵、水槍配備到位（每格內(nèi)配泥漿泵一臺(tái)、水槍一支）；
    井內(nèi)取土的原則是：從中間往周圍，盡量使土體成漏斗狀，讓刃腳周圍的土體自然下擠?？刂聘鞲魝}(cāng)內(nèi)土體高差不大于0.5m。正常情況下，距刃腳50cm范圍內(nèi)嚴(yán)禁取土，除非因沉井刃腳土體問(wèn)題出現(xiàn)沉井不沉或沉井糾偏的需要。
    由于每次將四只沉井同時(shí)下沉，原則上同時(shí)同步取土。特殊時(shí)按先1#、3#后2#、4#沉井，沉井之間的高差不大于1m。
    準(zhǔn)備二臺(tái)4吋水泵，以備非常情況下（井內(nèi)出現(xiàn)大量流砂、沉井突沉等），對(duì)井內(nèi)進(jìn)行灌水。
    4.2.2 不排水下沉
    在距下沉底標(biāo)高2~3m 時(shí)，在正常情況下仍可采用排水下沉，如需采用不排水下沉，具體如下：
    利用距井底4m的小牛腿搭設(shè)工作平臺(tái)，泥漿泵用葫蘆掛在工作平臺(tái)作業(yè)面，在泥漿泵吸泥口下方設(shè)置一根長(zhǎng)約2m的硬管，增加泥漿泵的吸程，水槍槍口采用2m鋼管或毛竹桿接長(zhǎng)直接進(jìn)行沖沉，工作人員直接在工作平臺(tái)上作業(yè)，其他機(jī)械設(shè)備及工序同排水下沉。
    4.3 設(shè)備及人員配置
    在每一沉井的四個(gè)分隔倉(cāng)內(nèi)，每倉(cāng)配備水槍1支，泥漿泵1臺(tái)。泥漿泵采用葫蘆懸掛便于移動(dòng)取土，由于取土較深，泥漿泵需要進(jìn)行接送。故每一沉井內(nèi)配水槍4支，泥漿泵8臺(tái)。每支水槍配1人，每只井配4人進(jìn)行泥漿泵管理，每組另配4人管理泥漿泵、4人管理高壓泵。共計(jì)72人，泥漿泵64臺(tái)，高壓清水泵16臺(tái)。
    4.4 沉井的接高
    沉井制作：經(jīng)過(guò)下沉后的沉井此時(shí)處于暫時(shí)穩(wěn)定狀態(tài)，如上部接高，相當(dāng)于對(duì)沉井進(jìn)行加載，沉井將有可能自然下沉。為保證安全對(duì)沉井外圍及井內(nèi)進(jìn)行土方回填。
    上部沉井砼高3.9m，自重3.9×34×25=3315KN。此部份荷載需由土體摩阻力來(lái)平衡。此時(shí)需要回填土高3315/（105.6×20）=1.57m。為方便施工，計(jì)劃將井內(nèi)外的土方均回填后進(jìn)行接高施工。
    二級(jí)井點(diǎn)待井內(nèi)土方回填后方予以拆除。
    接高沉井高3.9m，砼計(jì)劃一次立模澆筑。其他工作同第一節(jié)沉井施工。此時(shí)沉井內(nèi)為水土混合狀態(tài)，井內(nèi)上部接高施工時(shí)，采取一定的安全措施保證安全。
    5、下沉施工監(jiān)測(cè)要點(diǎn)
    5.1施工過(guò)程的控制
    沉井下沉過(guò)程的控制主要包括三個(gè)方面：
    ①刃腳高差控制；
    ②下沉速度控制；
    ③平面位移控制。
    其中平面位移控制是通過(guò)刃腳高差控制和下沉速度控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
    5.1.1 刃腳高差控制
    排水下沉?xí)r，由于不帶水作業(yè)，故刃腳高差鍋底的形成和移動(dòng)都比較直觀，根據(jù)高差的大小可以有效地改變鍋底的大小、深淺和平面位置，以此來(lái)達(dá)到對(duì)刃腳高差的控制。
    5.1.2 沉井下沉速度控制
    沉井下沉速度控制也是一個(gè)重要方面，一般來(lái)講對(duì)沉井下沉速度沒有嚴(yán)格的限制，需根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)和沉井下沉的具體情況而定，本工程施工中主要按以下原則進(jìn)行：
    ① 在沉井刃腳高差不大時(shí)(在水平間距的0.5%以內(nèi))，沉井的下沉速度越快越好；
    ② 沉井下沉速度均勻?yàn)橐耍?
    ③ 沉井在粉砂土等易引起涌砂的土層中下沉?xí)r，應(yīng)加快下沉速度。
    5.1.3 沉井平面位移控制
    對(duì)沉井平面位移的控制主要是通過(guò)控制沉井刃腳高差來(lái)實(shí)現(xiàn)，如果沉井刃腳高差不大，則沉井平面位移較易得到控制，它們之間的關(guān)系并無(wú)定量計(jì)算，但有一些聯(lián)系：
    ① 沉井哪個(gè)角下沉得快(即刃腳較低)，則沉井就會(huì)向哪個(gè)方向移位；
    ② 沉井刃腳高差大時(shí)，沉井位移量大；
    ③ 沉井始終在同一個(gè)方向的刃腳高差下下沉?xí)r，沉井位移量較大。
    施工過(guò)程中需要具體情況具體分析，決定采取相應(yīng)的方法和措施。
    5.2 在施工過(guò)程中的各項(xiàng)施工監(jiān)控工作
    在沉井下沉前，將每個(gè)沉井各個(gè)角點(diǎn)處的高程及沉井軸線放樣并做好標(biāo)記，記錄測(cè)量原始數(shù)據(jù)，繪制測(cè)量監(jiān)控平面圖，計(jì)算下沉具體高度。
    下沉分三個(gè)階段，即首沉2~3m，中沉，最后下沉1.5~2.0m。
    首沉階段，必須每30分鐘觀測(cè)一次并記錄數(shù)據(jù)，匯總到監(jiān)控小組，及時(shí)計(jì)算偏差情況，并由總指揮統(tǒng)一指揮確定沖沉部位及沖沉速度等；
    中沉階段，進(jìn)入正常下沉，正常下沉?xí)r，可每2h測(cè)量一次；
    最后下沉階段必須增加觀測(cè)頻率，一般為30分鐘左右觀測(cè)一次。
    通過(guò)對(duì)各階段觀測(cè)數(shù)據(jù)的分析，必須使沉井的對(duì)角高差不超過(guò)15cm，并觀察沉井周圍土質(zhì)變化情況，將地下水位、涌土、沉降、沉速隨時(shí)記入歷時(shí)曲線表。
    終沉階段最后2m范圍內(nèi)要減小鍋底的開挖深度，防止突沉及超沉事故發(fā)生，控制開挖深度及速度，以下沉為輔，糾偏為主。
    當(dāng)沉速8h不超過(guò)1cm即認(rèn)為沉井已趨穩(wěn)定。
    測(cè)量監(jiān)控相關(guān)表格：
    ①、沉井下沉觀測(cè)記錄表（水準(zhǔn)控制、軸線控制）；
    ②、沉井下沉累計(jì)統(tǒng)計(jì)表；
    ③、沉井下沉監(jiān)控平面圖；
    ④、沉井下沉糾偏、糾扭計(jì)算圖表；
    ⑤、沉井下沉地下水位、涌土、砂率、沉速歷時(shí)統(tǒng)計(jì)表。
    5.3 沉井的質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)
    根據(jù)有關(guān)規(guī)范的要求，沉井制作與下沉?xí)r的質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)如下：
    （1）沉井平面尺寸偏差：長(zhǎng)度、寬度為±0.5%，即長(zhǎng)度方向?yàn)?plusmn;6cm，寬度方向?yàn)?cm；兩對(duì)角線差異為1%對(duì)角線長(zhǎng)，即14.4cm。
    （2）沉井壁厚偏差：±1.5 cm；
    （3）下沉后刃腳高程與設(shè)計(jì)高程的偏差不得超過(guò)10 cm；
    （4）沉井四角中任何兩個(gè)角的刃腳高差不得超過(guò)該兩個(gè)角間水平距離的0.5%，且不得超過(guò)15cm；水平距離小于10m時(shí)，其高差可為10cm；
    （5）沉井頂面中心的水平位移不得超過(guò)下沉總深度的1%。
    6、結(jié)語(yǔ)
    13m高防沖大沉井，分節(jié)制作一次下沉；當(dāng)多只沉井連續(xù)分布時(shí)采用群沉法施工在本工程實(shí)踐都取得了良好效果，保證了沉井下沉達(dá)到設(shè)計(jì)要求的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。沉井下沉?xí)r根據(jù)工程地質(zhì)條件采用適當(dāng)?shù)慕档偷叵滤绞?，如本工程中采用的二?jí)井點(diǎn)降水，也是保證沉井下沉質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)。