钢沉井在顶管操作井施工中的应用

【摘要】：东新五路排水管网改造工程顶管操作井采用不排水下沉钢沉井的施工方法。由于本工程出水口紧邻沙溪河，且地层土质均为细粉砂土，地下水丰富，顶管的操作井经认证采用钢沉井工艺施工。本文主要阐述了钢沉井下沉系数和稳定性的计算、水下混凝土封底施工及防止偏差的方法。

关键词：钢沉井；不排水下沉；水下混凝土封底；防止偏差方法

引言

沉井是给水排水和桥梁工程以及工业与民用建筑工程中作为深基础的一种构筑物。它是在地面上用钢壳、钢筋、混凝土等诸多材料制成的带有刃脚的箱形或筒形结构物作为基坑坑壁的支撑，在井壁的保护下，用机械和人工在井内挖土，使其在自重作用下沉入土中的一种地下构筑物，它具有结构刚性好、施工简便、安全可靠、节约投资以及加快施工进度等优点，在基础工程中得到了广泛的应用。沉井施工的工艺不复杂，施工时对邻近建筑物的影响较小，内部空间可以利用，因此，城市配套管网中的应用日益增多。采用不排水下沉法，避免在城市基础设施建设中因降水施工沉井而导致周边建（构）筑物和道路的不均匀下沉。沉井虽然具有这些优点，一旦在施工过程中稍有不慎或质量控制不好，都将会出现一系列质量问题，纠偏起来难度相当大，给工程的正常使用带来很大的影响。

1 工程概况

东新五路排水管网改造工程采用内径DN2000，壁厚24mm的钢管，长约508.3m，由下游向上游顶进，坡降i=0.43%。管线所经地段土层断面基本上为细粉砂层，且在地下水位较高，易产生流砂现象。管道穿越滨江路段，顶管施工的操作井位于沙溪河岸，沙溪河常水位125.5m，管底标高123.1m，地面标高127m，且又紧邻东新五路大桥，地下管线多，因此采用钢沉井施工。钢沉井采用钢结构双壁板，中间浇筑C25素混凝土，下沉采用不排水下沉，水下混凝土封底。钢沉井设置二个穿墙管、二个闷板，分二节制作，二次下沉，总高8.5m，上沉井高3.5m，下沉井高5m，钢沉井壁厚1m，在工厂分段制作，运到施工现场进行拼装成型。钢沉井内尺寸8m×5m，外尺寸10m×7m。钢沉井下节自重3475KN，浮力750KN；钢沉井总自重6087KN，总浮力1632KN。钢沉井结构如图所示：

钢沉井封底后图片

2 钢沉井的制作

2.1 钢沉井的施工工艺流程：测量放样——基坑开挖——砂垫层施工——浇筑混凝土垫层——钢结构双壁板工厂制作——第一节钢沉井现场拼装——浇筑混凝土——下沉到位——钢沉井上半部现场拼装——浇筑混凝土——下沉到位——水下混凝土封底——浇底板

2.2 钢沉井的地基处理；在钢沉井下沉处进行基坑开挖、找平,垫层用粗、中砂50mm分两层夯压密实做地基的传力层，为防止由于地基不均匀下沉引起井身开裂，并在上铺设C10砼30cm厚垫层一道，使钢沉井第一次制作时的重量通过混凝土垫层扩散后的荷载值小于下卧层地基土的承载力特征值。

3 钢沉井的下沉

3.1 下沉系数的计算

钢沉井下沉前，为了保证沉井施工时能顺利下沉到设计标高，需要验算钢沉井自重是否能克服下沉时土的摩阻力满足下沉的要求，应当计算下沉阶段钢沉井的下沉系数。

钢沉井下沉系数计算如下：

K0=（G-B）/Tf=（G-B）/L（H-2.5）fc

式中K0——下沉系数，一般取值范围宜在1.05～1.25

G——井体自重（KN）；

B——下沉过程中地下水的浮力（KN）；

Tf——井壁总摩擦力

L——井壁外周长

H——井壁高度

fc——单位面积的摩阻力，粉砂土经验值取20kpa。

第一节钢沉井下沉系数：

K0=(3475-750)/（10+7）*2*（5-2.5）*20=2725/1700=1.6>1.05

第二节钢沉井下沉系数：

K0=（6087-1632）/（10+7）*2*（8.5-2.5）*20=4455/4080=1.09>1.05

由计算可知，二次下沉的钢沉井自重均能够满足下沉的要求。

3.2 钢沉井稳定性系数：

分节制作、分次下沉的沉井，前次下沉后进行后续接高施工应验算接高后下沉稳定系数，以防止突沉或下沉标高难以控制。

K0’=（G-B）/(Tf+R)

式中K0’——下沉稳定系数

R——沉井刃脚踏面支承力（KN）

R=0.1*(10+7)*2*300=1020kN（粉砂土的极限承载力300KN/m2）

K0’=（6087-1632）/（4080+1020）=0.87

由计算可知，说明钢沉井能够稳定而不会发生突沉。

3.3 钢沉井下沉

该钢沉井是属于小型沉井的，采用二次制作，二次下沉的方案；下沉的时候，采用50T履带双索抓斗起重机进行水下抓土下沉，抓斗挖掘井底最中央部分的土，使钢沉井底形成锅底。由于该场地的土质较软弱，一般当锅底比刃脚低1～1.5m的时候，钢沉井就可以依靠自重下沉。而将刃脚下的土挤向中央，再从井孔中继续挖土，钢沉井就可以接着继续下沉了。钢沉井在下沉过程中随时进行测量，保证下沉速度和垂直度，挖土时对称进行，刃脚处不得挖土，发生倾斜达到5cm时立即停止取土下沉，进行纠偏。当第一节钢沉井顶距地面0.5m时，再在其上按照设计制作第二节钢沉井，达到设计强度后继续按第一节方法下沉。

3.4 钢沉井纠偏

在刚开始下沉施工程中，由于无施工经验，出土速度过快，未能均匀控制除土，钢沉井发生扭转偏移。

平面扭转纠偏示意图

为了保证钢沉井位置准确，在钢沉井的A、C两对角偏除土，另外两对角填土，借助刃脚下不相符的土压力所形成的扭矩使钢沉井在下沉进程中逐步纠正到位。所在偏差在下沉到刃脚接近第一节设计标高50cm时，基本纠正好。在第二节时谨慎下沉，缓慢除土保证下沉中不再偏移。