13米高大沉井下沉施工控制技術

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沉井一般常用于橋梁墩（臺）深基礎，可以承載較大的負荷。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。在海漫和防沖槽之間設置鋼筋砼防沖大沉井，起“鎖墻”作用，保護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
    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級建筑物；次要建筑物上游導流堤等為3級建筑物；臨時建筑物施工圍堰等為4級建筑物。大閘樞紐主要由擋潮泄洪閘、堵壩、導流堤、魚道、上游河道護腳、上下游堤防加高加固以及2號閘老圍堰處理等建筑物組成。在灌砌石海漫下游端設防沖大沉井，
    防沖大沉井總長685m，共計55只。由于沉井下沉過程中不可避免有傾斜現(xiàn)象，根據(jù)相關工程經(jīng)驗，在相鄰井間預留0.9m的寬縫，在預留縫的上下游兩端采用高壓旋噴樁進行縫堵，高壓旋噴樁深15m，樁徑不小于1.5m。單個防沖大沉井，順水流向長8m，垂直水流向長12m，深13m，外壁厚0.7m，中間設分隔墻厚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。設計沉井底標高為-15.5m，頂標高為-2.5m。
    1.2工程地質(zhì)
    沉井場址在勘探深度內(nèi)土層出露較簡單，分布較均勻。自上而下分述如下：
    ①砂質(zhì)粉土（al-mQ4）組成，頂板標高-17.2~-1.31米；
    ②淤泥質(zhì)粘土粉土夾層（al-mQ4），頂板標高-19.2~-12.31米；
    ③淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土夾粉土（al-mQ4），頂板標高-24.4~-21.4米；
    ④粉質(zhì)砂土、粉土互層（al-mQ4），頂板標高-44.9~-33.1米；
    ⑤粉砂（al-mQ3）等組成，頂板標高-60.8~-50.22米。
    地基土砂性強，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)場地比較平坦，場地標高為-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的地面標高（刃腳位置）為-7.0m。第一節(jié)制作的沉井下沉到▽-15.5m，然后再進行上部的接高，進行第二節(jié)3.9m的制作。
    2.2 下沉方案
    2.2.1 沉井群劃分
    根據(jù)本工程的施工特點及現(xiàn)場實際情況，具體施工按以下原則進行組織：
    將共55只沉井分為7組，每組又分為兩個小組，除3-2為3只外，其余每小組均為4只，分組順序編號見下圖。每組沉井進行編號，按第1組→第2組→第3組→…→第7組的順序進行施工，具體從東到西，即從0-5.8樁號開始進行第1組編號，實行連續(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圖
    2.2.2 資源配置
    每組沉井群計劃設置兩個鋼筋模板作業(yè)班組，一個砼澆筑作業(yè)班組，進行三班制流水作業(yè)。在每只沉井具備澆筑條件后即進行砼澆筑，沉放時，同時沉放一個小組的四只沉井，時間大概為兩天，待沉放穩(wěn)定后，再同時沉放另一小組的四只沉井。資源均按此進行配置。
    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。預計不排水下沉深度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進行下沉。由于沉井群井間距僅90cm，每個沉井下沉時相互間存在一定的影響，為了避免下沉過程相互干擾， 4只（最后一小組為3只沉井）沉井下沉時基本同步，相鄰間沉井下沉時高差按不超過1.0m進行控制。
    具體的施工順序為：施工準備→打設第一級井點→挖基坑→打設第二級井點→制作第一節(jié)沉井→拆除模板、挖土下沉→部分回填土→第二級井點拆除→沉井接高→回填土→頂板施工→旋噴施工→工程完工清場
    3、下沉穩(wěn)定性計算
    計算沉井的下沉穩(wěn)定系數(shù)（按制高8.5m，下沉8.3m，且排水下沉進行計算）
    3.1 計算沉井側面摩阻力的下沉系數(shù)
    k1=Q/Rf。
    其中Q為沉井自重，按8.5m高計算，為7160KN
    Rf為井壁總摩阻力，按Rf=U（H-2.5）fc計算。
    fc為單位面積的摩阻力，錢塘江邊的粉砂土經(jīng)驗值取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k1=（7160-1360）/4640=1.25>1.15）
    3.2 計入側面摩阻力、刃腳及隔墻下土體的支承反力時的下沉系數(shù)
    k2=G/（Rf+R）
    其中R為刃腳及隔墻下的土體的支承反力。
    計算得k2=7160/（4800+3800+1277）=0.72<1.0
    3.3 計入側面摩阻力和刃腳踏面下土的支承反力時的下沉系數(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
    從計算結果可知，k1>1，說明沉井能夠下沉，k2<1，說明沉井停沉時能夠穩(wěn)定而不會發(fā)生超沉，k3> 1，說明沉井在下沉過程中，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 施工準備
    4.1.1井點布設
    采用井點降低地下水位，井點布設按二級考慮。軸線定位后立即進行井點布設。采用標準輕型井點，每套配置40~50根花管，花管長為6m，其中1m長為濾管。井點按封閉布置。一個作業(yè)段（4個沉井）配置5套井點。
    為滿足二級井點布設和挖機行走的需要，一級井點花管中心線及二級井點花管中心線距沉井中心線距離在有效范圍內(nèi)。同樣，二級井點也布置成封閉型，一組共5套。井點管采用水力沖沉，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，將近高程時采用機械配人工進行開挖。
    首先，根據(jù)土方堆放場地，對沉井部分的表土進行清除，清除的表土直接打至土方堆放處進行場地平整。場地平整完成后，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行堆放。
    在井點正式作用二天后開始土方?jīng)_挖，每一作業(yè)段計劃安排3天時間進行沖挖，根據(jù)泥漿泵的工作效率，一個作業(yè)段配10套沖挖設備，其中8套工作，2套備用。
    土方?jīng)_挖后，井點已工作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，在沉井內(nèi)離井底約4m左右的位置四周設置若干小牛腿，以便設置下沿工作平臺，同時在該位置內(nèi)隔墻上設置進人孔，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)側設置插筋，以便搭設爬梯，形成垂直通道。
    本工程沉井高度較高，為保證平穩(wěn)下沉，第一次制作待砼強度達到設計要求后即進行沉井的下沉，下沉時一次沉放到位。下沉考慮每小組四只同時沉放，完成一小組再沉放另一小組，兩作業(yè)組同時作業(yè)，但存在時間差，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關的機具、設備（包括鋼管、鋼模板）均搬離施工現(xiàn)場，清除雜物；
    在沉井四角設立指針，并埋設高程點和水平位移標志，架設測量儀器進行首次測量；
    檢查維護降水井點并確保其運轉正常；
    搭設井內(nèi)作業(yè)平臺及上下作業(yè)爬梯；并在沉井面上搭設操作平臺、欄桿。泥漿泵、水槍配備到位（每格內(nèi)配泥漿泵一臺、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。控制各隔倉內(nèi)土體高差不大于0.5m。正常情況下，距刃腳50cm范圍內(nèi)嚴禁取土，除非因沉井刃腳土體問題出現(xiàn)沉井不沉或沉井糾偏的需要。
    由于每次將四只沉井同時下沉，原則上同時同步取土。特殊時按先1#、3#后2#、4#沉井，沉井之間的高差不大于1m。
    準備二臺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），對井內(nèi)進行灌水。
    4.2.2 不排水下沉
    在距下沉底標高2~3m 時，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的小牛腿搭設工作平臺，泥漿泵用葫蘆掛在工作平臺作業(yè)面，在泥漿泵吸泥口下方設置一根長約2m的硬管，增加泥漿泵的吸程，水槍槍口采用2m鋼管或毛竹桿接長直接進行沖沉，工作人員直接在工作平臺上作業(yè)，其他機械設備及工序同排水下沉。
    4.3 設備及人員配置
    在每一沉井的四個分隔倉內(nèi)，每倉配備水槍1支，泥漿泵1臺。泥漿泵采用葫蘆懸掛便于移動取土，由于取土較深，泥漿泵需要進行接送。故每一沉井內(nèi)配水槍4支，泥漿泵8臺。每支水槍配1人，每只井配4人進行泥漿泵管理，每組另配4人管理泥漿泵、4人管理高壓泵。共計72人，泥漿泵64臺，高壓清水泵16臺。
    4.4 沉井的接高
    沉井制作：經(jīng)過下沉后的沉井此時處于暫時穩(wěn)定狀態(tài)，如上部接高，相當于對沉井進行加載，沉井將有可能自然下沉。為保證安全對沉井外圍及井內(nèi)進行土方回填。
    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平衡。此時需要回填土高3315/（105.6×20）=1.57m。為方便施工，計劃將井內(nèi)外的土方均回填后進行接高施工。
    二級井點待井內(nèi)土方回填后方予以拆除。
    接高沉井高3.9m，砼計劃一次立模澆筑。其他工作同第一節(jié)沉井施工。此時沉井內(nèi)為水土混合狀態(tài)，井內(nèi)上部接高施工時，采取一定的安全措施保證安全。
    5、下沉施工監(jiān)測要點
    5.1施工過程的控制
    沉井下沉過程的控制主要包括三個方面：
    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刃腳高差控制和下沉速度控制來實現(xiàn)的。
    5.1.1 刃腳高差控制
    排水下沉時，由于不帶水作業(yè)，故刃腳高差鍋底的形成和移動都比較直觀，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，以此來達到對刃腳高差的控制。
    5.1.2 沉井下沉速度控制
    沉井下沉速度控制也是一個重要方面，一般來講對沉井下沉速度沒有嚴格的限制，需根據(jù)施工經(jīng)驗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行：
    ① 在沉井刃腳高差不大時(在水平間距的0.5%以內(nèi))，沉井的下沉速度越快越好；
    ② 沉井下沉速度均勻為宜；
    ③ 沉井在粉砂土等易引起涌砂的土層中下沉時，應加快下沉速度。
    5.1.3 沉井平面位移控制
    對沉井平面位移的控制主要是通過控制沉井刃腳高差來實現(xiàn)，如果沉井刃腳高差不大，則沉井平面位移較易得到控制，它們之間的關系并無定量計算，但有一些聯(lián)系：
    ① 沉井哪個角下沉得快(即刃腳較低)，則沉井就會向哪個方向移位；
    ② 沉井刃腳高差大時，沉井位移量大；
    ③ 沉井始終在同一個方向的刃腳高差下下沉時，沉井位移量較大。
    施工過程中需要具體情況具體分析，決定采取相應的方法和措施。
    5.2 在施工過程中的各項施工監(jiān)控工作
    在沉井下沉前，將每個沉井各個角點處的高程及沉井軸線放樣并做好標記，記錄測量原始數(shù)據(jù)，繪制測量監(jiān)控平面圖，計算下沉具體高度。
    下沉分三個階段，即首沉2~3m，中沉，最后下沉1.5~2.0m。
    首沉階段，必須每30分鐘觀測一次并記錄數(shù)據(jù)，匯總到監(jiān)控小組，及時計算偏差情況，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，進入正常下沉，正常下沉時，可每2h測量一次；
    最后下沉階段必須增加觀測頻率，一般為30分鐘左右觀測一次。
    通過對各階段觀測數(shù)據(jù)的分析，必須使沉井的對角高差不超過15cm，并觀察沉井周圍土質(zhì)變化情況，將地下水位、涌土、沉降、沉速隨時記入歷時曲線表。
    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。
    當沉速8h不超過1cm即認為沉井已趨穩(wěn)定。
    測量監(jiān)控相關表格：
    ①、沉井下沉觀測記錄表（水準控制、軸線控制）；
    ②、沉井下沉累計統(tǒng)計表；
    ③、沉井下沉監(jiān)控平面圖；
    ④、沉井下沉糾偏、糾扭計算圖表；
    ⑤、沉井下沉地下水位、涌土、砂率、沉速歷時統(tǒng)計表。
    5.3 沉井的質(zhì)量控制標準
    根據(jù)有關規(guī)范的要求，沉井制作與下沉時的質(zhì)量控制標準如下：
    （1）沉井平面尺寸偏差：長度、寬度為±0.5%，即長度方向為±6cm，寬度方向為4cm；兩對角線差異為1%對角線長，即14.4cm。
    （2）沉井壁厚偏差：±1.5 cm；
    （3）下沉后刃腳高程與設計高程的偏差不得超過10 cm；
    （4）沉井四角中任何兩個角的刃腳高差不得超過該兩個角間水平距離的0.5%，且不得超過15cm；水平距離小于10m時，其高差可為10cm；
    （5）沉井頂面中心的水平位移不得超過下沉總深度的1%。
    6、結語
    13m高防沖大沉井，分節(jié)制作一次下沉；當多只沉井連續(xù)分布時采用群沉法施工在本工程實踐都取得了良好效果，保證了沉井下沉達到設計要求的質(zhì)量標準。沉井下沉時根據(jù)工程地質(zhì)條件采用適當?shù)慕档偷叵滤绞?，如本工程中采用的二級井點降水，也是保證沉井下沉質(zhì)量的關鍵技術。