大型沉井排水下沉施工技术研究与应用

一、沉井施工技术概述

沉井是在地面上或基坑中，先制作钢筋混凝土井身，待达到一定强度后，在井筒内分层挖土、运土，随着井内土面逐渐降低，井身依靠自重克服与土壁之间的摩擦阻力及土体对刃脚踏面的反力，不断下沉就位，达到设计标高后进行封底的一种深基础或地下构筑物施工工艺。

沉井在深基础或地下构筑物施工中具有以下特点：结构截面尺寸和刚度大，承载力高，抗渗及耐久性好，施工时不需要板桩围护；与大开挖相比挖土量大大减少，能节省投资；无需特殊的专业施工设备，易于操作；占地面积小，可用于场地狭窄条件下施工，对邻近建筑物影响较小，技术上比较稳妥可靠；可用于各种复杂地形、地质，特别是地下水很丰富、土的渗透系数大，难以将地下水排干的土层情况下施工。因此，近年来，随着施工技术和施工机械的不断革新，沉井在国内外都得到了广泛的应用和发展。沉井开始多用于铁路和桥梁工程基础，之后在水工结构，特别是市政工程中的给、排水泵站中多有应用。

沉井作为一种基础工程，在施工控制方面，最重要的是下沉过程中纠偏、防止突沉、控制终沉。经过多年的实践，目前国内在沉井施工技术应用上已积累了比较丰富的施工经验。我局承建的广东金融技术服务区B区市政工程北区2#雨水泵站（土建）工程是该项技术成功应用的一个范例。

二、工程概况

该工程位于佛山市南海区海八路五丫口至健身体育公园路段以北、佛山水道以南地块的拟建华翠北路与滨江二路交汇处的东北部，占地面积约5500平方米。

2.1 沉井结构尺寸

沉井高13.05m，下沉高度11.75m，长31.2m、宽26.4m；刃脚部位高3.70m，宽0.85m；井壁中上部宽0.70m，刃脚踏面均为0.40m，起沉标高+1.40m，刃脚终标高-10.35m。沉井分大小20格，隔墙、底梁底面宽0.60m。沉井设计为分三节浇筑，一次下沉，下沉方法为排水下沉。

2.2 工程地质水文

1、土层分布：

层①素填土：层厚1.4～2.8米，平均厚度1.74米，层底高程0.57～1.20米。

层②淤泥、淤泥质土：层厚2.0～4.0米，厚度变化稍大，南厚北薄，西厚东薄，平均厚度3.06米，顶板埋深1.4～2.8米，层顶高程0.57～1.2米。

层③粉砂：层厚3.5～5.7米，厚度变化稍大，大致南、北厚，中部稍薄，平均厚度4.88米，顶板埋深4.0～5.5米，层顶高程-1.43～-2.88米。

层④粉质粘土：呈薄透镜状分布 ，层厚0.8米，顶板埋深10.5米，顶板高程-7.13米，土层呈灰黄色，饱和软塑，土质较纯，粘塑性强。

层⑤粉（细）砂：层厚4.3～5.5米，平均厚度4.8米，顶板埋深9.0～11.3米，层顶高程-6.38～-8.18米，沉井座落在该层。

层⑥中砂：层厚1.6～3.7米，平均厚度为2.62米，埋深13.6～16.0米，层顶高程-11.0～-12.63米。

3、地下水位埋深为1.10～1.90m，高程为0.97～1.47m。

三、受力计算模型及下沉系数验算

1、排水下沉的受力计算模型

沉井排水下沉时，可以看作是沉井自重克服井壁摩阻力和刃脚反力（及部分隔墙、底梁反力）下沉的过程。

井壁摩阻力沿井壁深度方向的分布，根据工程经验和习惯用法，可按如下假定计算：在深度0～5m深度范围内，单位面积摩阻力按直线规律自零值起逐渐增加，在深度5m以下，单位面积摩阻力为一常数。

四、下沉时降水方案设计与施工

（3）管井单井允许最大进水量的计算

管井的单井最大允许的出水量由管井的过滤器直径、过滤器长度和该场地的地下水的渗透系数共同影响。

计算公式：

式中 -过滤器半径， ， -过滤器长度， -渗透系数

考虑到该地区的地下水较丰富，故管井深度应尽量多的深入到降水目的层中，根据地质报告，确定管井的深度为20米，最大降深时有效过滤器长度为5m，沉井后期降水井过滤器所在层为粉砂，渗透系数为1.1m/d。

计算得：

（4）管井数量的确定

一般情况下，管井数量 ，根据现场地质水文条件，通常位于水道边的降水工程，由于受水道平行补给的水流影响，易于导致管井损坏，故经常需要在沉井周边增设一定数量的备用井，本该工程增设管井1口，合计9口。

（5）管井布置

根据沉井的尺寸，9口管井在沉井周围大致为均匀分布，其中靠近水道侧为4口，其他侧为3口，管井距沉井井壁8米，管井间均匀分布，有顶管的一侧适当避开顶管，具体分布见附图

（6）管井施工

工艺流程：井位放样钻机就位钻孔清空吊放滤网井管井管四周回填砂滤层洗井安装潜水泵。

本工程采用工农150型大型回转式钻机成孔，井管材料使用Ф300波纹井管，外包滤布，井管与孔壁间填充直径为1mm左右的中粗沙作为过滤层。填完滤料后，立即进行洗井。洗井时用潜水泵注水，将注水口伸至井底，让循环水带走井内四周及外滤层中的细颗粒，直至出水清澈。抽水时用多级泵，边抽水边让潜水泵逐渐下降，重复数次使管井周边密实。

五、沉井制作施工工艺

1、施工工艺流程

6、刃脚砖胎模

7、钢筋砼

各节钢筋砼施工采用常规施工方法，内外搭设钢管脚手架进行施工。

六、沉井排水下沉施工工艺

1、施工工艺流程

施工准备启动降水井冲吸泥下沉到位干封底

2、施工准备

沉井下沉施工准备工作包括：开挖泥砂沉淀池、降水井施工、清理井内外杂物、安装冲吸排设备、布置控制台、设置观测设施等。

3、下沉施工

下沉施工包括初沉、中沉及终沉三个阶段。初沉阶段，先凿除砖模及砼垫层，然后冲吸排砂垫层。冲吸排时，坚持全面对称均匀原则，先排沉井中部，形成小锅底，逐步形成大锅底，沉井刃脚四周保留砂土堤1.2～1.5m，让沉井挤土下沉。在下沉过程中，定时观测，调整吸泥位置、深度，让沉井顺利下沉，进入良好下沉轨道。沉井沉入轨道2m处，进入中沉阶段，中沉阶段可适当加快沉速。当沉井距设计标高1.5m左右时，进入终沉阶段。此时应减慢下沉速度，加强沉井的观测，纠偏为主，严格控制取土深度和速度，减少锅底深度，必要时可停机观察。既要考虑既能克服外摩阻力、刃脚踏面反力顺利下沉，但又要注意沉井到位时沉井稳定，不再往下沉，发生超沉事故。本工程预留200mm下沉抛高值，在距离设计标高200mm时，停止排泥下沉，让沉井自由下沉。观测下沉情况，在8小时内沉井不大于10mm时，进行封底施工。在整个下沉施工过程中，自始至终，降水井保持运行使地下水位始终位于“锅底”以下不小于50cm。

4、下沉纠偏

下沉纠偏是沉井施工的关键。沉井开始下沉时的下沉系数较大，平面位置和四角高差易发生偏差，在深度不深的情况下较易纠正。初沉以纠偏为主，下沉时对刃脚标高和轴线位移进行连续观测，及时纠偏，使沉井形成一个良好地下沉轨道。纠偏时避免大起大落，避免沉井偏离轴线，同时注意纠偏幅度不过大，频率不过高。沉井偏差大于300mm时集中力量纠偏，促使沉井均匀下沉。沉井在终沉阶段同样以纠偏为主，在沉井下沉至距设计标高1m左右时基本纠正好，纠正后再谨慎下沉，控制不出现超出容许范围的位置及方向偏差。

纠倾斜主要采取偏挖和土压差两种方法进行。偏挖就是在刃脚高的一侧除土，低的一侧保留土体或回填砂石，迫使刃脚高的一侧多沉；土压差主要是在井顶高的一侧的壁外挖土减载，低的一侧壁外夯填土加载，造成土压差，从而达到纠偏的效果。

纠偏位采取在偏位侧除土，促使沉井向该侧倾斜，直至沉井底部中心接近设计中心线，然后在另一侧除土来纠偏。如偏位较大，要多次反复进行，直至偏位消除为止。

5、施工监测

沉井下沉施工过程中，必须对沉井下沉姿态进行监测，记录监测资料，为纠偏提供依据。监测设施设置包括在沉井轴线设置位移监测点，用全站仪进行监测；在井壁四角设置深度标尺，用水准仪进行监测。

6、干封底

沉井下沉到位后，在8小时内沉降不大于10mm时可以进行封底施工。

七、结束语

鉴于我国沉井施工技术现状，但是沉井又对于社会各方面施工有着极其广泛的应用，因此在今后的施工应用中应严格按照相关应用办法，寻求出合理的施工办法，将以后的沉井技术发扬广大。

参考文献：

[1]闫登峰. 黄土地区沉井井壁土压力计算研究[J]. 路基工程. 2010（05）