大坑口污水泵站沉井施工技術(shù)

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摘   要：介紹沉井下沉受力計算和沉井施工技術(shù)，總結(jié)沉井對周邊建筑物的影響。 
    關(guān)鍵詞：沉井 刃腳 管涌封底 

    1 、工程概況 
    大坑口污水泵站是通過加壓將南寧市朝陽溪污水經(jīng)跨江管道輸送到江南污水處理廠的一個加壓污水泵站。泵站位于南寧市大坑口朝陽溪旁，經(jīng)多方案比較優(yōu)化，泵站結(jié)構(gòu)設(shè)計為沉井結(jié)構(gòu)，這也是目前南寧市在建最大的沉井結(jié)構(gòu)之一。沉井結(jié)構(gòu)尺寸為28.6米×23米，下沉深度為16.1米。 
    2 、水文地質(zhì)情況、氣候條件 
    泵站地面高程73.2m，沉井底部高程為57.4m泵站場地土層自上而下分別為雜填土 
    ①、粉質(zhì)粘土②、粉質(zhì)粘土③、圓礫④、粉礫⑤和泥巖⑥。場地地下水主要為貯存于填土層①的上層滯水和貯存于圓礫④、粉砂⑤中的空隙承壓水。上層滯水的穩(wěn)定水位為67.5～67.9m，空隙承壓水與邕江水有互補(bǔ)關(guān)系（邕江水位全年水位61.15～68.19，未計洪水水位）。 
    南寧市氣候為亞熱帶氣候，長夏無冬，雨量充沛，降雨多集中在5～9月間，約占全年降雨量的72％左右。
    3 、沉井施工方案 
    沉井根據(jù)設(shè)計井壁形式，采取分2次制作、1次下沉，施工順序為：挖基坑——鋪設(shè)砂墊層，安裝墊架——制作底節(jié)、第二節(jié)沉井、隔墻——拆除墊架、模板、挖土下沉到設(shè)計深度——沉井封底、澆筑鋼筋砼底板——制作第三節(jié)沉井。 
    4 、沉井結(jié)構(gòu) 
    下沉受力計算根據(jù)以往經(jīng)驗，沉井高度大于12m，澆筑困難，下沉易引起傾斜，本沉井高達(dá)16.1m，采取分節(jié)制作，分節(jié)高度應(yīng)保證其穩(wěn)定性，使沉井能在自重下順利下沉，沉井下沉系數(shù)計算如下：K=Q/L（H-2.5）ｆ其中：K—沉井下沉系數(shù)Q—井壁自重H—井壁高度L—井壁外周長f—土壤的摩擦系數(shù)第一次下沉系數(shù)（包括第一、二節(jié)沉井和底梁、隔墻）：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本沉井根據(jù)沉井井壁設(shè)計分節(jié)，采取分三節(jié)制作，高度分別為7.1m，5.5m，3.5m，澆筑程序是第一、二節(jié)沉井砼和底梁、隔墻砼澆好后，待其達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度100%后，即進(jìn)行下沉12.1m然后進(jìn)行封底、澆注設(shè)備平臺、澆筑第三層沉井砼。 
    5 、沉井施工過程 
    5.1  施工坑開挖沉井采取在基坑中制作，以減少下沉深度，降低施工作業(yè)面。開挖深度為6米，考慮到拆除墊架和支模操作的需要，基坑比沉井寬2米，四周挖排水溝，集水井，使地下水位降至比基坑底面低0.5m，挖土采用1臺小松220-3 1.0m3反鏟挖掘機(jī)進(jìn)行。配合人工修坡和平整坑底，挖出的土方用自卸車運至棄土場堆放。 
    5.2 沉井制作 
    5.2.1  刃腳支設(shè)本沉井高度大，重量重，地基強(qiáng)度較低，采用墊架法支撐。 
    沉井刃腳鋪設(shè)標(biāo)準(zhǔn)枕木（160mm×220mm×2500mm ）作支承墊架的墊木，然后在其上支設(shè)刃腳及井壁模板，澆筑砼。地基上鋪設(shè)砂墊層，可減少墊架數(shù)量，將沉井的重量擴(kuò)散到更大的面積上，避免制作中發(fā)生不均勻沉降，同時易于找平，便于鋪設(shè)墊木和抽除。 
    根據(jù)第一、二節(jié)沉井的重量和地基的承載力設(shè)計，按下式計算枕木用量：n—— 每米內(nèi)墊木根數(shù)（根）；G—— 第一節(jié)沉井的單位長度的重力（ kN/m）；F—— 每根墊木與地基（或砂墊層）的接觸面積（平方米）；「f」——  砂墊層（或地基土）的承載力設(shè)計值（kN/平方米） 
    n＝1193.8×24/（97.2×0.22×2.5×250）＝2.14枕木間距為0.46m，共用97.2÷0.46≈212根。設(shè)8組定位架，砂墊層厚度為50cm，滿足砂墊層底面處的自重應(yīng)力加砂層底面處加附加應(yīng)力小于或等于砂墊層底部土層的承載力設(shè)計值。選用中砂用平板振動器振搗并灑水，控制干密度 ≥1.56t/m3，地基整平后，鋪設(shè)墊木，使頂面保持在同一水平面上，用水平儀控制其標(biāo)高差在10mm  以內(nèi)，并在其孔隙中墊砂夯實，墊木埋深為其厚度一半。 
    5.2.2  模板支設(shè)和鋼筋綁扎沉井制作的模板支設(shè)和鋼筋綁扎與普通結(jié)構(gòu)施工要求一樣，只不過由于是在軟基上施工，所以要均勻?qū)ΨQ施工，以防止不均勻沉降。 
    5.2.3 混凝土澆筑混凝土采用商品砼，并用砼輸送泵，送至沉井澆筑部位，沿井壁均勻?qū)ΨQ澆筑。澆筑采用分層平鋪法，每層厚 30cm ，將沉井沿周長分成若干段同時澆筑，保持對稱均勻下料，以避免一側(cè)澆筑，使沉井傾斜，每層混凝土量為23立方米，要求2h內(nèi)澆筑一層。 
    兩節(jié)混凝土的接縫處設(shè)凹型水平施工縫，上節(jié)混凝土須待下節(jié)混凝土強(qiáng)度達(dá)到 70%后澆筑，接縫處經(jīng)鑿毛及沖洗處理，并澆10cm 厚減半石子混凝土。 
    5.3 沉井下沉控制 
    5.3.1 下沉速度的控制根據(jù)土質(zhì)情況，采用臺階形挖土自重破土方式。采用從中間開始向四周逐漸開挖，并始終均衡對稱地進(jìn)行，每層挖土厚度為 0.4～1.5m.刃腳處留1.2～1.5m寬土垅，用人工逐層全面、對稱、均勻地削薄土層，每人負(fù)責(zé) 2～3m 一段，方法是順序分層逐漸往刃腳方向削薄土層，每次削5～15cm，當(dāng)土垅擋不住刃腳的擠壓而破裂時，沉井便在自重作用下破土下沉，削土?xí)r應(yīng)沿刃腳方向全面、均勻、對稱地進(jìn)行，使均勻平衡下沉，刃腳土方開挖方法如下圖所示。 
    沉井挖土下沉采用人工挖土，一臺塔吊吊運出土，由于挖土施工困難，綜合考慮挖土、吊運的施工能力，研究沉井下沉的安全控制，沉井下沉速度控制為30cm/天。沉井自2003年5月19日開始挖土下沉到7 月21 日封底，歷時64 天，基本按預(yù)定的速度進(jìn)行。 
    沉井下沉中，如遇到砂礫石或硬土層，當(dāng)土垅削至刃腳，沉井仍不下沉或下沉不平穩(wěn)，則按平面布置分段的次序，逐段對稱地將刃腳下掏空，并挖出刃腳外壁10cm ，每段挖完后用小卵石填滿夯實，待全部掏空回填后，再分層刷掉回填的小卵石，可使沉井因均勻地減少承壓面而平衡下沉。 
    在沉井開始下沉和將沉至設(shè)計標(biāo)高時，周邊開挖深度小于10cm，避免發(fā)生傾斜，尤其在開始下沉 5m以內(nèi)時，其平面位置與垂直度要特別注意保持正確，否則繼續(xù)下沉不易調(diào)整，在離設(shè)計深度20cm 左右停止取土，依靠自重下沉至設(shè)計標(biāo)高。 
    5.3.2下沉觀測沉井位置的控制是在井外地面設(shè)置縱橫十字控制樁、水準(zhǔn)基點。下沉?xí)r，在井壁上設(shè)十字控制線，并在四側(cè)設(shè)水平點。于壁外側(cè)用紅鉛油畫出標(biāo)尺，以測沉降，井內(nèi)中心線與垂直度的觀測系在井內(nèi)壁四邊標(biāo)出垂直軸線，各吊垂球一個，對準(zhǔn)下部標(biāo)志板來控制，并定時用兩臺經(jīng)緯儀進(jìn)行垂直偏差觀測。挖土?xí)r隨時觀測垂直度，當(dāng)垂球離墨線邊達(dá)50mm 或四面標(biāo)高不一致時，立即糾正，沉井下沉過程中，每班至少觀測兩次，并在每次下沉后進(jìn)行檢查，做好記錄，當(dāng)發(fā)現(xiàn)傾斜、位移、扭轉(zhuǎn)時，及時通知值班隊長，指揮操作工人糾正，使允許偏差范圍控制在允許范圍以內(nèi)。沉井在下沉過程中，最大沉降差均控制在250mm以內(nèi)。當(dāng)沉至離設(shè)計標(biāo)高2m時，對下沉與挖土情況應(yīng)加強(qiáng)觀測，以防超沉。 
    5.3.3下沉糾偏沉井下沉過程中，有時會出現(xiàn)傾斜、位移及扭轉(zhuǎn)等情況，應(yīng)加強(qiáng)觀測，及時發(fā)現(xiàn)并采取措施糾正。 
    產(chǎn)生傾斜的可能原因有：⑴ 刃腳下土質(zhì)軟硬不均；⑵ 拆刃腳墊架時，抽出承墊木未對稱同步進(jìn)行，或未及時回填；⑶ 挖土不均，使井內(nèi)土面高低懸殊；⑷ 刃腳下掏空過多，使沉井不均勻突然下沉；⑸ 排水下沉，井內(nèi)一側(cè)出現(xiàn)流砂現(xiàn)象；⑹ 刃腳局部被大石塊或埋設(shè)物擱??；⑺ 井外棄土或施工荷載對沉井一側(cè)產(chǎn)生偏壓。 
    操作中可針對原因予以預(yù)防，如沉井已經(jīng)傾斜，可采取在刃腳較高一側(cè)加強(qiáng)挖土并可在較低的一側(cè)適當(dāng)回填砂石，必要時配以井外射水，或局部偏心壓載，都可使偏斜得到糾正。待其正位后，再均勻分層取土下沉。 
    位移產(chǎn)生的原因多由于傾斜導(dǎo)致，如沉井在傾斜情況下下沉，則沉井向傾斜相反方向位移，或在傾斜糾正時，如傾斜一側(cè)土質(zhì)較松軟時，由于重力作用，有時也沿傾斜方向產(chǎn)生一定位移，因此預(yù)防位移應(yīng)避免在傾斜情況下下沉，加強(qiáng)觀測，及時糾正傾斜。位移糾正措施一般是有意使沉井向位移相反方向傾斜，再沿傾斜方向下沉，至刃腳中心與設(shè)計中心位置吻合時， 再糾正傾斜，因糾正傾斜重力作用產(chǎn)生的位移，可有意向位移的一方傾斜后，使其向位移相反方向產(chǎn)生位移糾正。 
    沉井下沉產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)的原因是多次不同方向傾斜和位移的復(fù)合作用引起的，可按上述糾正位移、傾斜方法糾正位移，然后糾正傾斜，使偏差在允許范圍以內(nèi)。 
    5.4 下沉到位、封底技術(shù)當(dāng)沉井沉到設(shè)計標(biāo)高，經(jīng)2～3天 ，下沉已穩(wěn)定，在8h內(nèi)累計10mm時，即可進(jìn)行沉井封底。沉井封底有排水封底和不排水封底兩種方案，本沉井對封底質(zhì)量要求嚴(yán)格，不允許出現(xiàn)滲漏，再者涌水量不大，井底土質(zhì)較密實，因此確定采取排水封底方案，分兩步進(jìn)行。第一步進(jìn)行土形整理，使之呈鍋底形，自刃腳向中心挖放射形排水溝，填以石子做成濾水暗溝，在中部設(shè)2～4 個集水井， 井深1～2m ，插入直徑 0.6～0.8m，周圍有孔的混凝土或鋼套管，四周填以卵石，使井中的水都匯集到集水井中，用潛水泵排出，使地下水位保持低于井底面30～50cm.刃腳混凝土鑿毛處洗刷干凈，然后，在井底對稱均勻澆一層0.7～0.9m厚的混凝土墊層，強(qiáng)度達(dá)到 30% 后，綁鋼筋，澆筑上層550mm厚的防水混凝土底板。澆筑應(yīng)在整個沉井面積上分層由四周向中央進(jìn)行，每層厚 30～40cm  ，并搗固密實?；炷琉B(yǎng)護(hù)14d 期間，在封底的集水井中應(yīng)不間斷地抽水，待底板混凝土達(dá)到70%設(shè)計強(qiáng)度后，進(jìn)行第二步，對集水井逐個停止抽水，逐個進(jìn)行封堵。方法是在抽除井筒水后，立即向濾水井管中灌入C30早強(qiáng)干硬性混凝土搗實，裝上法蘭，再在上面澆筑一層混凝土，使之與底板平。封底時因上部結(jié)構(gòu)尚未施工，設(shè)備管道未安裝，應(yīng)驗算沉井的抗浮穩(wěn)定性。 
    5.5沉井抗浮計算若地下水對沉井的浮力大于井壁及封底砼重量與井壁與土的摩擦力之和，可以采取在井壁上加載的方法抗浮，但根據(jù)地勘資料中對地下水的描述，穩(wěn)定水位為55～56m，而沉井底高為58m，地下水對沉井的浮力很小?？紤]洪水期施工的影響，取土層滯水的穩(wěn)定水位67m為水面標(biāo)高，則地下水對沉井的浮力為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－井底面積，23.626.6＝627.76平方米 F－水對沉井的浮力F＝5649.8 t井壁與土層的摩擦力 f＝s2μs2－井壁表面積  （23.6＋26.6）×12×2＝1204.8平方米μ—單位摩擦力，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，是能夠保持穩(wěn)定的。 
    6 、沉井施工中管涌處理及經(jīng)驗體會 
    6.1管涌及處理因沉井近靠朝陽溪，沉井在下沉至距離基底2米時，開始出現(xiàn)管涌現(xiàn)象，共有6處，且涌水量大小不一，涌水的同時帶出大量的細(xì)砂，影響了沉井開挖、下沉，處理措施主要是采用卵石裝袋，進(jìn)行填堵，并用濾布覆蓋，阻止細(xì)砂流出。過濾的水集中至集水坑進(jìn)行抽排。 
    6.2經(jīng)驗與體會 
    6.2.1管涌的危害用于沉井開挖吊運土方的塔吊距離沉井15米，由于管涌出現(xiàn)，大量排水，造成塔吊傾斜，無法使用，在最后幾天，沉井出土采用汽車吊，增加了很大的額外的費用。 
    6.2.2沉井過程對周邊道路、建筑物的影響管涌的出現(xiàn)對周邊環(huán)境影響很大，距離沉井10米的硬化小路下沉近1米，附近20米內(nèi)，地面均有不同程度的下沉。但施工場地附近沒有建筑物，未造成更大的影響。