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不利地质条件下超深沉井沉降技术研究

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【摘 要】目前,沉井施工技术在大型管道穿越河流、铁路等非开挖施工过程中有着较为广泛的应用,本文着重论述了在不同地质条件下,沉井施工可能产生的一系列问题以及预防措施,同时对非开挖法的特点进行简要分析。

【关键词 】非开挖;顶管;工作坑;沉井;施工;技术

Abstract: At present, open caisson construction technology in large-scale pipeline crossing has been used widely in the construction process of trenchless River, railway, this paper focuses on the different geological conditions, a series of problems that may arise in caisson construction and preventive measures, and analyzes briefly the features of trenchless method.

Key words: trenchless pipe jacking; work; pit; open caisson construction; technology;

中图分类号:F407.1 文献标识码:A文章编号:

一、“沉井”施工是非开挖工程施工中重要的内容

近些年以来,在进行地下管线的施工过程中,出现了一种不同于传统的挖槽埋管的水平钻孔顶进的管线铺设方法,这就是所谓的非开挖技术,也称作无沟渠技术。这种技术有着众多的优点,同时具有广阔的市场潜力,与传统的开挖方式相比,非开挖施工可减少对居民正常生活的干扰,减少对周围的交通、环境的破坏;可以在一些传统施工方法不能进行施工或者难以进行施工的场合进行施工,例如河流,铁路、公路以及机场跑道等。

非开挖技术有着广泛应用,顶管施工是非开挖技术之一,而沉井施工无论在安全、质量和工期方面对于顶管工程,都有着重要的保证作用。

二、沉井施工的原理及技术要求

所谓的沉井施工工艺是在利用非开挖技术顶管穿越大型河流建设过程中一种较为常用的工作坑的施工方法。在施工过程中,需要首先在地面或者基坑的内部制作相应开口的钢筋混凝土的井身。等到井身的混凝土达到设计强度之后进行沉降施工,将井身内部的土进行分层运出。在施工过程中,不断挖土使土面逐渐降低,而沉井则会在重力作用下同时辅以其他的施工措施,有效克服井壁之间的摩擦力,进而不断下沉,直至达到相应的设计标高位置,之后进行混凝土封底,沉井按照平面形状可以分为方形,矩形、圆形以及多边形等几类。在现实应用过程中,顶管工作坑矩形沉井有着广泛的应用。

沉井的设计要点以及相应的构造要求

(1)结构布置遵循的相关原则

①在进行沉井的方案设计时候要充分遵循有关的设计规范和要求。例如《建筑抗震设计规范》(GB5001l一2001)和《混凝土结构设计规范》(GB50010—2002)等。

②在井筒底部要设置相应的刃脚,形状为马蹄形,同时使用角钢进行护角。

③在井筒刃脚上部的内壁要设置相应的止水凹槽,止水凹槽的深度为100到150mm,凹槽的高度与沉井底板的厚度相同。

④在沉井的顶部位置要设置相应的井字梁板,进而有效增加沉井相应的刚度。

⑤在沉井底板可以设置相应的集水坑,进而能够有效满足结构排水的相应功能要求。

(2)一般构造的相应要求:

①沉井的混凝土强度等级一般要大于C25,同时抗渗等级要大于P8

②在设置沉井井壁以及沉井底板厚度时候应该遵循下面的相关原则:沉井井壁厚度为井筒高度的1/10到1/15,而底板厚度要大于1.1倍的井壁厚度。

③要在底板与井壁相应的连接位置设置相应的斜八角字。

④沉井井壁要在刃脚外缘位置缩进的距离大约为50到100mm。形状为圆柱带台阶形,这样能够有效减少沉井在下沉过程中所受到的摩擦阻力作用。

三、沉井施工技术的广泛应用以及质量控制措施

沉井施工工艺较多应用在工业与民用建筑的深坑、地下室、水泵房、设备深基础、桥墩、码头等工程。对于较深沉井可根据工作坑底部设计标高制定分步浇筑井体分步下沉方案,沉井施工中,钢筋混凝土井身,达到设计强度后,在井筒内分层挖土、运土,随着井内土面逐渐降低,沉井借其自重,克服与土壁之间的摩阻力,不断下沉,最终达到底部设计标高而就位。在施工中要加强沉降过程井体偏移的监控以保证井体平稳垂直沉降达到质量要求,一般质量控制采取的措施有:

1.沉井壁中如预留孔洞,为防止下沉时泥土和地下水大量涌入井内,影响施工操作,或因每边重量不等、重心偏移,使沉井产生倾斜,在下沉前应进行填塞封闭处理,使之下沉均匀。

2.沉井下沉位置的正确与否,其每一、二节占70%,开始5m以内,要特别注意保持水平而位置与垂直度正确,以免继续下沉,不易调整。

3.沉井下沉被搁置或悬挂,下沉极慢或不下沉时,可采取继续浇灌混凝上增加重量,或在井顶加载,或挖除刃脚下的土,或在井内继续进行第二层碗形破土,或在井外壁装射水管冲刷井周围上,减少摩阻力,或在井壁与上间灌入触变泥浆或黄土降低摩擦力,或清除障碍物,采取控制流砂、管涌等措施。

4.沉井下沉如速度过快,超过挖土速度,出现异常情况时,可采取用木垛在定位垫架处给以支承,并重新调整挖土;在刃脚下不挖或部分不挖土;在沉井外壁间填粗糙材料,或将井筒外的土夯实,加大摩阻力:如沉井外部的土液化发生虚坑时,可填碎石处理:或减少每节筒身高度,减轻沉井重量。

四、在特殊地质条件下,沉井沉降问题的预防以及处理措施

对于沉井尤其是不利地质条件下超深沉井施工,要进行专门施工方案编制,采用科学合理的手段,保证安全,保证施工质量。

1下沉遇流砂

①现象:沉井采取井内排水时,井外的土、粉砂产生流动状态,随地下水一起涌入井内,边挖、边冒,无法挖深:常造成沉井出现突沉、偏斜、下沉过慢或不下沉等情况。

②原因分析:(1)井内锅底开挖过深;井外松散土涌入井内。(2)井内表面排水后,井外地下水动水压力把土压入井内。(3)爆理障碍物时,井外土方受振进入井内。 (4)挖土深超过地下水位0. 5m以上。

③预防措施: (1]采用排水法下沉,水头宜控制在1. 5到2.0mm (2)挖土避免在刃脚下掏挖,以防流砂大量涌入,中间挖土也不宜挖成锅底形。(3)穿过流砂层应快速,最好加荷,使沉井刃脚切入土层。

④处理方法:(1}当出现流砂现象,可在刃脚堆石子压住水头,削弱水压力,或周围堆砂袋围住土体,或抛大块石,增加上的压重。(2)改用深井或喷射点井降低地下水位,防止井内流淤。深井宜安设在沉井外,点井则可设置在井外或井内。(3)改用不排水法下沉沉井,保持井内水位高于井外水位,以避免流砂涌人。

2.遇倾斜岩层

①现象:沉井下沉到设计深度后遇倾斜岩石,造成封底困难。

②原因分析:地质构造不均,使沉井刃脚部分落在基岩上,部分落在较软的土层上,封底后易造成沉井不均匀下沉,产生倾斜。

③预防措施:(1)井底岩层的倾斜面,适当作成台阶。(2)当沉井部分落在岩层上,部分落在较软的土层上时,在沉井落在软土层上的两角及中间挖井浇筑混凝上或砌块石支墩直至硬上层,以支承沉井,使封底后下沉均匀:亦可将沉井支承在岩层的部分凿去50cm深,再回填上砂混合物作软性褥垫处理。

④治理方法:遇倾斜岩层应使沉井大部分落在岩层上,其余末到岩层部分,如土层稳定不向内崩坍,可进行封底工作:若井外土易向内崩坍,则可不排水,由潜水工一面挖土,一面以装有水泥砂浆或混凝上的麻袋包堵塞缺口,堵完后再清除浮渣,进行封底。

3.下沉遇坚硬土层

①现象:沉井挖土遇坚硬土层,出现难以开挖下沉的现象。

②原因分析:遇厚薄不一的黄砂胶结层(姜结石),质地坚硬,用一般的镐、锹开挖非常困难,使下沉较为缓慢。

③防治措施:(l)排水下沉时,以人力用铁钎打入土中向上撬动、取出,或用铁镐或者锄开挖,必要时打炮孔爆破成碎块。(2)不排水下沉时,用重型抓斗、射水管和水中爆破联合作业。先在井内用抓斗挖2m深锅底坑,由潜水工用射水管在坑底向四角方向距刃脚边2m冲4个100mm深的炮孔,各放200g炸药进行爆破,余留部分用射水管冲掉,再用抓斗抓出。

五、综述

综上所述,沉井技术在不同地质条件下,尤其在不利的地质条件下进行超深沉井沉降施工,应根据具体的情况采取相应的应对措施,以保证工程安全、质量和工期要求。此外,还应积极进行新工艺,新方法的研究,不断适应新的施工条件以及施工要求,从而实现良好的经济效益以及社会效益。

参考文献:

[1]刘晓君,建筑技术经济学(M].北京:中国建筑工业出版社,1998

[2]颜纯文,D.stein.非开挖地下管线施工技术及其应用(M].北京:地震出版社,1999

[3]中国非开挖技术协会(CSTT)主办.岩土钻凿工程.1999,(2-3):13-16