沉井下沉施工技术实例分析

摘要：以马三家污水处理一期工程进水泵房沉井为实例，对沉井的下沉、水下封底等关键工序和工艺进行分析。经实践证实所采用的方案经济可行，可为今后同类地质条件沉井的施工提供参考。

关键词：沉井 施工技术 实例分析

沈阳市马三家污水处理厂建设总规模240000m3/d。项目位于沈阳市于洪区，是大浑太流域污染治理项目的重要组成部分。

进水泵房下部为圆形钢筋混凝土结构，外径14.4m，壁厚0.7 m，井高15.6m，地下部分高度15.3m（地面至刃脚底部），刃脚宽度1.0m，泵房主体为C30S6F200混凝土，封底为C25混凝土。

1、工程地质及施工难点

1.1 工程地质

根据钻探揭露，场地土层除表层耕土外，主要由第四系冲洪积（Q al-pl）形成的粘性土和砂土组成。自上而下分为5层，沉井下沉到位后刃脚处于第⑤层粉砂层，每层土质情况如下：

1.2工程难点

⑴该沉井长细比过大，井高15.6m外径14.4m，其重心偏高，下沉系数较大，在下沉过程中极易产生突沉、井身倾斜、位移等不良后果。

⑵下沉过程穿越2种不同类型的土层，上部10.7m为粘土层下部4.6m为粉砂层，在刃脚下沉到达粉砂层时极易出现流沙。

⑶因工期需要沉井下沉阶段安排在冬季施工，此阶段室外平均温度在-15℃，对潜水作业影响较大，加之水下作业具有不可见性，施工难度大大增加。

2、施工方案选择

2.1方案选择

根据本工程特点，沉井采用“三次浇筑、一次下沉”的施工方案，前两次浇筑（4m+8m）完成后即将沉井下沉到位并封底，再浇筑剩余3.6m井壁，对于下沉时井壁高度不够的情况根据下沉速度周围土体作降坡处理。采用此方案施工可有效降低井筒重心，减少突沉、井壁倾斜、位移等情况的发生。

上部粘土层采用排水下沉，用水利机械取土，此种取土方式工艺成熟、施工速度快、效果好，完全满足本工程需要。

下部粉砂层采用不排水下沉，传统的取土是采用潜水员下水冲泥、空气吸泥机吸泥的方式。但因工期需要沉井下沉阶段属于冬季施工，室外平均温度在-15℃以下，潜水员不能长时间水下作业。经反复比选决定采用18m伸缩臂挖掘机取土，该挖掘机斗容0.8m3取土速度快、位置明确、纠偏迅速且能大大减少了水下作业，下沉过程经济、可控。

2.2分析计算

⑴下沉系数计算

下沉系数Kc的计算如公式（1）所示：

（1）

式中，G——沉井自重（kN）；

B——下沉过程中地下水的浮力（kN），排水下沉时为零，不排水下沉时取总浮力的70%；

Tf——井壁与土体间的总摩阻力（kN）；

Kc——下沉系数，宜根据具体情况在1.05～1.25范围内选用，对位于淤泥质土层中的沉井宜取小值；位于其他土层中的沉井可取较大的值。

其中，总摩阻力（外壁为阶梯形式）计算如公式（2）所示：

（2）

式中，U——沉井外壁周长（m）；

H——沉井入土深度（m）；

h——沉井刃脚高度（m）；

f——土与井壁单位面积的摩阻力（kPa）。当下沉深度内有数个土层时，井壁摩阻力按厚度加权平均，即：

（3）

式中，f1、f2、…、fn——不同土层的单位面积摩阻力，与沉井入土深度、土的性质、井壁外形及施工方法有关，应根据实验资料确定；

h1、h2、…、hn——不同土层的相应厚度（m）。

⑵下沉稳定系数计算分析

1）为防止沉井在软土地区发生突沉的可能，还需要对沉井进行下沉稳定系数的分析计算，计算公式如公式（4）所示：

（4）

式中，Kc’——下沉稳定系数；

R1、R2、R3——分别为沉井刃脚踏面、隔墙和横梁下地基土的反力。按公式 计算，其中Rj为各部分支承面积。

按上述公式计算本工程沉井的下沉系数为1.40，最终下沉稳定系数为0.90均符合规范要求，限于篇幅原因此处不再详细计算。

3、沉井下沉

沉井下沉采用排水下沉与不排水下沉两种相结合的方式，在施工过程中根据现场实际情况及时转换，保证稳定、安全下沉。

初沉阶段入土浅、井壁四周尚无摩擦力，土层对沉井平衡作用差，沉井下沉系数很大，且重心又高，因此合理安排施工步骤及方法是减小隐患的关键。

3.1排水下沉

排水下沉采用水利机械取土，在井内配置两台高压水枪，用高压水枪将泥冲成泥浆，再用泥浆泵抽至井外泥浆池，经三级沉淀后余水回用。

沉井排水下沉阶段姿态良好，下沉速度及偏差始终处于可控状态，平均日下沉量1.2m。在下沉至8m时出现流沙现象，及时进行了回水转入不排水下沉阶段。

3.2不排水下沉

在不排水下沉阶段维持井内的水位高出井外水位（地下水）1～2m，以免发生涌砂现象。同时因伸缩臂挖掘机挖泥量大、速度快，为保持井内外水位平衡，随时用低压水泵向井内补水。

挖掘机挖土与高压水泵冲土顺序基本相同，也是先在井中形成大锅底，然后再对称均匀挖除刃脚边土堤，使沉井下沉。

4、沉井封底

4.1 下水砼浇筑

砼采用导管法浇筑，浇筑前根据计算确定初灌量。在浇筑过程中，经常不断测量水下砼面的上升情况，以及扩散半径和施工进度，并根据测量资料控制导管的埋入深度、位置。

4.2封底后抗浮稳定性

封底完后需经抗浮计算确保井内水排除后沉井不会上浮，抗浮稳定系数按以下公式计算：

其中：

K-抗浮稳定性系数，考虑井壁与侧面土体摩擦力，应大于1.25

G封底-封底混凝土自重

F-地下水浮力

f-井外壁土体摩擦力

本工程沉井经计算K=1.05

5、结论与建议

⑴采用两次浇筑一次下沉到位最后浇筑剩余3.6m井壁的方案可行，能有效节约施工工期。

⑵沉井下沉过程始终处于可控状态，下沉时对周边土体影响较小，距沉井20m左右的生化池、细格栅经监测没发生明显沉降，证明所采用的下沉方案合理、可行。

⑶不排水下沉阶段采用伸缩臂挖掘机取土，取土速度快、位置精确且大大减少了潜水作业，有限保证了施工质量、进度及安全，是不排水下沉一个非常好的取土方式。

参考文献：

（1）CECS 137：2002，给水排水工程钢筋混凝土沉井结构设计规程

（2）GB 50141-2008，给水排水构筑物施工及验收规范

（3）王寿华、王贤光等，建筑施工手册，中国