超深沉井下沉施工技术

　提　要： 嘉兴市30×104t级污水处理厂排海工程泵站和排海管道之间的连接高位井，地质条件复杂，经过研究高位井施工采用地下部分采用5次制作、3次下沉。本文论述了下沉系数的计算、排水下沉、下沉观测、助沉措施等；同时通过排水下沉和不排水下沉的比较，找出了超深沉井下沉施工的最佳方案。
　　关键词： 超深沉井系数计算值排水下沉方案比较技术措施
　　
　　1　工程概况
　　高位井是嘉兴市30万吨级污水处理厂排海工程中的一个重要组成部分，它是泵站和排海管道之间的连接井，又是排海管道的顶管工作井。
　　1.1　高位井总体概况
　　高位井总高度为39.85m，其中沉井高度为29.85m，待沉井到位及φ2000排海管道顶管施工结束后，再接高地面部分10.00m。高位井平面尺寸：刃脚部分为15.70m×12.00m；沉井部分为15.40m×11.70m。
　　1.2　地质情况
　　根据《嘉兴市污水处理厂高位井工程地质勘察报告》，海塘内各土层分布情况如下：
　　①层：素填土。为近期围垦积土，由粘性土、粉土组成，层厚4.50～6.00m；
　　③1层：淤泥质粉质粘土夹粉质粘土。灰色，饱和，流塑，局部夹粉土，含云母片、有机质，属高压缩性土，强度低。顶板高程-0.32～-0.80m，层厚13.50～19.90m；
　　⑤层：砂质粉土～粘质粉土夹少量淤泥质土。灰色，松散～稍密（淤泥质土流塑），中～高压缩性土，强度一般。顶板高程-13.82～-13.43m，层厚3.50～3.70m；
　　⑥a层：粉质粘土-淤泥质粉质粘土。灰色，饱和，软塑～流塑，中、高压缩性土，强度一般。顶板高程-20.70～-17.13m，层厚1.50～2.00m；
　　⑦层：粉砂-砂质粉土。灰黄～灰色，饱和，中密，局部夹薄层状粘性土，属中低压缩性土，强度较高。顶板高程-22.40～-18.63m，层厚6.20～12.90m；
　　⑧层：粉质粘土-粘土。灰～青黄～灰黄色，饱和，硬塑～可塑，含氧化铁，属中、低压缩性土，强度较高。顶板高程-29.90～-29.32m；
　　⑨层：粉质粘土。灰～青黄～灰黄色，饱和，软塑，含氧化铁、云母片。顶板高程-33.70m，钻入的层厚2.00～-6.90m，属中、高压缩性土。
　　沉井下沉穿越①层、③1层、⑤层尖灭缺失、⑥a层，终沉座落在⑦层。
　　
　　2　高位井制作
　　高位井地下部分采用5次制作，5次下沉。
　　（1） 平整场地、基坑测量定位
　　（2） 轻型井点施工
　　高位井所处位置的第一层土为素填土，由粘性土和粉土组成，厚度为4～6m，第二层为承载力很差的淤泥质粘土。在制作沉井第一节刃脚和第二节井壁时，为了确保基坑和下卧层土体的稳定及第一次下沉时的平稳导向，采用轻型井点降水。轻型井点布置在刃脚向外2.75m的基坑边坡上，井点管长度6m，间距 1.2m。
　　（3） 基坑开挖
　　基坑开挖深度为2.5m，边坡坡度为1∶1。为了满足搭设脚手架、立模、扎铁及沉井时润滑泥浆的处理空间，从刃脚外壁向外空出1.5m。基坑下口尺寸为18.7m×15m，上口为23.7m×20m。
　　（4） 砂垫层铺设
　　根据第一、第二节沉井制作的总重量和地基承载力，通过计算确定砂垫层厚度为0.8m。
　　砂垫层采用颗粒级配良好的中砂分3层摊铺，每层厚度分别为30cm，30cm，20cm。每层摊铺完毕后，在拍实前先行洒水，使得砂层含水量达20%左右；然后用平板振动器按1/4重叠区域来回拖拍砂层，直至该砂垫层的密实度达到98%以上为止。
　　（5） 井位测量放样
　　砂垫层摊铺合格后，利用高位井的轴线控制桩将井位直接放在砂垫层表面，确定井的中心轴线，并做好控制桩点，同时再将所需的高程放在控制桩点上，以供素混凝土垫层立模控制之用。
　　（6） 素混凝土层铺设
　　素混凝土垫层采用C20混凝土分2层浇筑，呈“凸”型，底层厚7cm，底层宽以刃脚宽向两边各挑出5cm；上层厚5cm，宽同刃脚踏面，为40cm。
　　施工中要振捣密实，垫层表面应保持平整，平整误差控制在±10mm以内。
　　（7） 结构制作
　　高位井总高度39.85m。结构制作分两阶段施工，第一阶段完成地面以下（高度为29.85m）的沉井部分结构制作；待顶管施工结束后再进行第二阶段地面以上（高度为10.00m）的高位井剩余部分结构及内部结构（剩余隔墙、流槽和轻质混凝土填充）的制作。
　　沉井部分的结构总高度29.85m，考虑沉井结构和预留洞的高程情况，分五节制作，分节高度分别为：
　　第一节：标高自-25.55～-20.55m，高5.00m。本节主要为沉井刃脚壁和十字地梁结构，刃脚壁厚1.65m，踏面宽0.40m；地梁宽1.2m，踏面宽0.6m，高4.30m。本节混凝土量共计452.4m3。
　　第二节：标高自-20.55～-15.70m，高4.85m。本节结构包括厚1.50m的井壁、厚0.8m的纵隔墙（井内与顶进轴线平行的隔墙称纵隔墙）和厚0.8m的东侧横隔墙（井内与顶进轴线垂直的隔墙称横隔墙）的制作。本节混凝土量共计405.7m3。
　　第三节：标高自-15.70～-8.35m，高7.35m。本节结构包括厚1.2m、高7.35m的井壁；厚0.8m、高7.35m的纵隔墙；厚 0.80m、高7.1m的东侧横隔墙（第一阶段施工东侧横隔墙至标高-8.60m为止，剩余部分待顶管结束后再接高）的制作。本节混凝土量共计 528m3。
　　第四节：标高自-8.35～-3.70m，高4.65m。本节结构包括厚1.2m井壁、厚0.8m纵隔墙的制作，高度均为4.65m，混凝土量共计309.5m3。
　　第五节：标高自-3.70～+4.30m，高8.00m。本节结构包括厚0.9m井壁、厚0.8m纵隔墙的制作，高度均为8.00m，混凝土量共计433.4m3。
　　（8） 施工缝处理
　　由于井壁分节制作，节间施工缝采用“凸”型接口。老混凝土表面应进行凿毛，在新混凝土浇筑前应清理垃圾，并洒水湿润新老混凝土接缝处；同时在浇捣前，应在施工缝处先铺一层与混凝土级配相同的水泥砂浆；施工缝处井壁外表面（在缝的上、下各20cm）涂刷环氧沥青防水层。
　　
　　3　下沉施工
　　第一节刃脚、第二节井壁制作后进行第一次排水下沉；第三、四节井壁制作好后，进行第二次排水下沉；第五节井壁制作完毕后进行第三次下沉。
　　3.1　第一、第二次下沉施工
　　3.1.1　准备工作
　　（1） 沉井下沉前应将沉井外壁涂环氧树脂漆2度，聚氨酯面漆1度，并喷涂好观测沉井下沉的标高、中心位移标志、井内壁上由刃脚至井位的高度标志。
　　（2） 先内后外地凿除刃脚凸出井壁外踏面的混凝土垫层。
　　（3） 对井内刃脚部分混凝土表面进行凿毛处理，以利沉井到位后能直接进行封底施工。
　　3.1.2　下沉系数的计算
　　为确保和控制沉井平稳、顺利地下沉，在下沉施工前，先计算和掌握各个下沉阶段和深度时的下沉系数。
　　沉井下沉系数按下式计算：
　　K=(Q-B)/(T+R)　　　　（1）
　　式中K——下沉系数；
　　Q——沉井自重及附加荷载（kN）；
　　B——浮力（被井壁排出的水量）（kN）；
　　T——井壁与土壤间的总摩擦阻力（kN）；
　　R——沉井刃脚、底梁下地基土反力（正面阻力）之和（kN）；
　　T=U×(H-2.5)×f；
　　U——与土壤接触部分的井壁周长（m）；
　　H——沉井下沉入土深度（m）；
　　f——井壁与土壤单位面积摩擦阻力（kN/m2），软塑及可塑状态的粘性土取f=20 kN/m2，井外壁周圈设有泥浆套时取f=5kN/m2。
　　R=A×R极　　　　　　　（2）
　　式中A——刃脚正踏面面积A1、刃脚斜面投影面积A2、底梁正踏面面积A3之和，即A=A1+A2+A3。
　　A1=21.5m2，A2=59m2，A3=20.24m2。
　　R极——地基土极限承载力，淤泥质粘土取R极=200kN/m2。
　　经计算，得沉井下沉各阶段的下沉系数见表1。
　　表1　下沉系数表
　　下 沉
　　次 序
　　刃脚踏面标高（m）
　　下沉深度（m）
　　井内水位高度（m）
　　下沉系数
　　说 明
　　
　　
　　
　　
　　K1
　　K2
　　
　　第一次
　　下沉
　　+2.1～
　　-7.25
　　2.1～-0.4
　　2.5
　　0
　　2.50
　　
　　
　　
　　-0.4～-2.9
　　5.0
　　0
　　1.87
　　0.96
　　从中到边挖，刃脚斜面去部分土。
　　
　　-2.9～-5.4
　　7.5
　　0
　　1.53
　　0.82
　　从中到边挖，刃脚斜面去较多土。
　　
　　-5.4～-7.25
　　9.35
　　0
　　1.47
　　0.80
　　从中到边挖，刃脚斜面去较多土。
　　第二次下沉-7.25～
　　-16.2
　　-7.25
　　9.35
　　0
　　2.90
　　1.58
　　K值较大，仅防突沉，刃脚斜面土不挖除。
　　
　　-7.25～-10.2
　　12.3
　　0
　　2.74
　　1.53
　　K值较大，仅防突沉，刃脚斜面土不挖除。
　　
　　-10.2～-13.2
　　15.3
　　0
　　2.60
　　1.49
　　K值较大，仅防突沉，刃脚斜面土不挖除。
　　
　　-13.2～-16.2
　　18.3
　　0
　　2.47
　　1.44
　　从中到边挖，刃脚斜面土不挖除。
　　注：K1——刃脚斜面下土体全部去除时的下沉系数；
　　K2——刃脚斜面下土体不去除时的下沉系数。
　　3.1.3　排水下沉
　　沉井的刃脚和框架部分混凝土必须达到设计强度的100%及第二节接高的墙身混凝土达到设计强度的70%后，方可进行沉井下沉施工。第一次排水下沉时，先采用50t履带吊的吊装抓斗抓去表面土后，然后采用高压水枪冲土。采用对角两仓进行，先冲中间土形成锅底，然后逐渐向四周扩散，使沉井均匀平衡下沉，严禁 冲空刃脚踏面下的土体。在沉井初沉阶段，为了使沉井平稳导向下沉，四仓的锅底深度均应控制在0.7m以内，并根据测量报表数据随偏随纠。当沉井偏斜达到 1/4允许值（7.5cm）时，必须进行纠偏。
　　当刃脚部分完全插入土体中后，井内冲土的锅底深度可逐渐加深至1.0m，但必须控制相邻两仓的锅底差不大于50cm。
　　第一次下沉结束，在第三、第四节井壁结构接高制作前，为了使沉井稳定，向井内灌高4m左右的压仓水，等第二次下沉前再将水抽出；第二次下沉到位后，及时加15m高的压仓水，确保沉井接高时的稳定。
　　3.1.4　下沉观测
　　在初沉阶段，刃脚标高每班至少测量2次，轴线位移每天测1次，下沉稳定后测量高差和中心位移；中沉阶段至少每2小时测1次，接高时应连续观测。
　　3.1.5　助沉措施
　　由于沉井深，当遇阻不沉或下沉速度非常慢时，可采取压注润滑泥浆的助沉措施。为防止润滑泥浆渗漏和减少泥浆损失，在井的外凸台阶型部位设置一圈宽35cm的橡皮板，用压板和螺栓固定。
　　井壁内圈按3m间距布置16根φ48的竖管（标高+5.0～20.8m），然后从竖管底接直弯至外井壁平，这样可随时压注润滑泥浆。
　　3.2　第三次下沉
　　3.2.1　排水下沉和不排水下沉的比较
　　（1） 排水下沉
　　排水下沉的有利方面是：在下沉过程中能够直观地观察到沉井穿越的各种土层，便于采用相应的技术措施；能较好地控制施工时间，最大限度地满足工期要求；能确保封底素混凝土和钢筋混凝土底板的施工质量。
　　不利方面是：对周围土体的扰动较大；若不能采取有效的技术措施保证井底的稳定，则在下沉过程中有可能发生井底隆起或管涌等现象，其后果将是灾难性的。
　　（2） 不排水下沉
　　不排水下沉的有利之处为：只要合理控制好压仓水位，就能保证沉井的坑底稳定，不会发生突沉；能保证沉井稳定地下沉，便于对下沉井进行控制；对周围环境影响小。
　　不利之处为：无法直观地观察地质情况的变化；下沉系数偏大；全靠潜水员在水下触摸冲土，因而工作效率不高，无法满足工期的要求；水下封底时，若有局部地方泥土没有冲洗干净，将会影响水中封底素混凝土的质量，进而影响钢筋混凝土底板的施工。
　　经反复分析和论证认为：第三次下沉主要是在⑦层粉砂-砂质粉土层中，该层具强渗透性、富含承压水，状态中密，强度较高，易降水，疏干后抗剪强度增高，可 确保井底稳定。最终决定应用大口径深井点降水后，采用排水下沉，技术上可行，施工成本降低，比不排水下沉在技术和经济上更先进合理。
　　3.2.2　深井降水措施
　　（1） 降水方案比较
　　深井降水可分为真空深井降水和重力式自流深井降水，本工程采用的是重力式自流深井降水，其特点是施工方便、易于维护、能耗小、抗干扰能力强。
　　（2）深井降水的目的
　　保证沉井干沉到底，则应将地下水位最终降至地面以下30m处；保证沉井干封底顺利施工；保证海堤不因降水而产生破坏；配合正常排放管顶进出洞。
　　（3）单井试验
　　通过抽水实验，测定含水层的水文地质参数，用于降水方案的制定，指导降水运行。
　　（4）群井试验
　　群井（设计8口井）试验是为了进一步验证单井抽水试验的结果；确定所需的井数，完善降水方案。
　　2001年4月12日开始抽水试验，历时3 140min。以#4井为观测井，其余7口井同时抽水。抽水过程中，观测井水位每小时观测1次，抽水井水位每2h观测1次。5h后，各抽水井水位深度均达到31～34m，水量稳定，至4月14日观测井水位深度为26.2m。
　　（5） 井点结构
　　降水井孔径为650mm，井管及过滤管直径为325mm，井深36m，过滤管埋置于26～35m中，过滤管以下为1m沉淀管，在0.00～18.00m处填粘土，18.00～36.00m处填粗砂。
　　（6） 井数量与控制降水
　　通过单井、群井抽水试验，取得相关水文地质资料，经计算后确定共设置9口深井，沿沉井外围呈圆周状封闭布置。
　　随沉井下沉，以最不利点水位始终控制在刃脚踏面以下来确定开启井点的数量，因此是随沉井下沉深度的增加而逐步增加井点的开启数量，实现控制降水。
　　3.2.3　第三次下沉
　　群井抽水实验结束后，立即进行预抽水，预抽3天后，开始第三次沉井下沉，下沉方法与第一、第二次下沉相同。
　　3.2.4终沉阶段
　　当沉井下沉接近设计标高时，应加强观测，每小时至少测1次，待24h内沉井自沉累计不大于10mm时方可进行封底，此时井体标高、位移和倾斜应在允许偏差范围内。
　　沉井到位后，外壁与土体间隙中的润滑泥浆要进行置换，用一定配比的水泥粉煤灰置换泥浆，使井壁与土体间隙能很快地充填固结，形成整体。
　　
　　4　结语
　　（1） 在有足够技术措施保证的条件下，深沉井可以采用排水下沉。本沉井排水下沉深度达29.35m，创上海地区软土层中排水下沉深度的记录。
　　（2） 观测井实测水位降深与理论计算值基本相符，说明单井试验的结果是正确的；群井抽水后，各井的水位降深均可达31～34m，证明降水井的结构及水泵选型与本工程的工程地质特性相符。
　　（3） 排水下沉与不排水下沉相比，在经济上更合理，可以更好地控制施工质量及进度。本次沉井施工取得了良好的社会效益和经济效益。