抽排水泵站沉井施工技术研究

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摘要：通过对南水北调工程沉井施工全过程总结，系统地分析了圆形单孔沉井施工技术和质量控制措施

关键词：沉井、胎膜设计、排水下沉、封底、质量控制

中图分类号：TV523文献标识码： A

一、工程概况

南水北调禹州长葛段第八施工标段位于长葛市境内，标段内共设计有5个排水泵站，排水泵站位于渠道边坡上，主要用于收集渠道渗漏水。抽排水泵站施工采用直接开挖基坑与沉井施工相结合，泵站下部为圆筒型单孔沉井，上部泵房待沉井下沉施工完毕后采用现浇钢砼，五个泵站沉井结构型式相同，现对其中一个泵站沉井施工过程进行分析，沉井外径3.7m,内径3.1m,沉井底部2.5m以下处外径3.8m, 沉井采用排水下沉和排水封底施工，井内土方人工开挖，电动葫芦配合转运。

二、地层特征及地下水

表1-1与沉井施工相关的各层土质的参数表：

工程区地下水为孔隙-裂隙潜水，地下水位（m）120.51，泵站基底（m）111.76。

三、沉井施工方案

3.1、基坑开挖

基坑开挖即图纸第一次开挖为普通开挖，基坑底面标高121.86m，基坑尺寸为19.230米,基坑深为3.8米，开挖方式为大开挖，边坡按设计1:1.5坡比开挖，沉井刃脚直径尺寸为7.6米。一次开挖完成后即进行地质复核、作好地质编录，如地质情况有较大差异即行与设计沟通处理。

基坑内四周设排水沟，并和基坑内四角上降水井相连，以加强排水。

3.2、基坑降水方案

基坑降水井布置在基坑四角处：井数：4口；井深：20m（距基坑底面）；井距：12m；井径：600mm；管径：管外径为400mm无砂虑管；滤料：直径2～10mm的水洗混合料；潜水泵：卧型潜水泵单泵流量15 m3/h，扬程40 m，配套电机功率 2.2KW，井内配控制水位的自动开关。

3.3、砂垫层及刃脚胎模设计

本工程采用砂垫层，砂垫层上浇筑30mm厚C10混凝土，为确保沉井在制作时的稳定，刃脚为砖砌胎膜支撑，在沉井四周刃脚制作位置下铺设宽1.6m、厚10cm的C10素砼垫层，刃脚支撑采用砖模，如图2-1所示。

砂垫层的计算、铺设方法、要求及刃脚砖砌胎模制作方法如下：

砂垫层铺设厚度计算：

P≥

式中hs-砂垫层的厚度，m

Gs-沉井第一节单位长度的重量,kN/m

p-地基土的承载力，kpa

l-承垫木的长度,m

-砂垫层压力扩散角度，不大于45°，一般取22.5°

γ-砂的容重，一般取1.8t/m³

将上述公式变型为2γhs2tan+(γL-2ptan)hs+ Gs-pL≤0

本工程中Gs=335kp,p =100kp,L=1.5m,代入公式计算hs＜0,施工中选取砂垫层500mm,

砂垫层厚度500mm,宽1.5m,沿井壁厚两边对称铺设，分层铺设，用平板振捣器振密实，含水控制在15~20%，遍数不少于3遍。

3.4、下沉前的准备工作

由于整个工程以井筒的偏移、扭位、倾斜等现象的质量控制为目标，因而必须在沉井下沉过程中进行详细的监测。同时，为了确定沉井下沉过程中采用的施工方案，必须在沉井下沉前对沉井的下沉系数进行计算。

3.4.1、控制点的设置

根据现场的实际情况对沉井下沉过程中的控制点的铺设按以下方法进行：

首先根据现场情况本工程专门设置了两个绝对坐标控制点进行放线监测沉井下沉，在放出沉井中心点后，采用十字线控制沉井中心轴线，四侧各设两根桩来先控制下沉过程中轴线位移、倾斜。方位桩平面位置示意图见图。

在井壁模板拆除后，用经纬仪将十字控制轴线投测到内外侧壁上，采用墨斗弹出中心垂线，外壁中心垂线主要用于监测轴线偏移及沉井倾斜情况，内壁挂设线锤以内壁轴线中线是否重合来控制挖土情况，同时沉井外壁应用水准仪抄平，并沿高度方向划出标高尺控制线，用铅笔画上100mm分格值，以红油漆画出100mm的分格线，并在每隔1m的分隔线上注明相应的设计标高数值，以随时掌握下沉量，并判断是否均匀下沉。

下沉前应将突出沉井外壁的砖砌胎膜凿掉，应沿刃脚四周同时均匀凿平沉井的外壁。

所有的模板对拉螺栓外露部分均应割除，表面用预缩砂浆嵌平。

沉井内壁与封底混凝土高度范围内需先凿毛处理，方可下沉。

沉井下沉前应确保井壁的预留插筋放置无误

在沉井内壁画垂线，外壁画出标尺，以利于下沉时控制标高。

3.4.2、下沉系数的计算

根据规范【2】，采用下列计算沉井的下沉系数：

Ｋ＝

式中K——下沉安全系数，一般在1.15-1.25

G——沉井自重力及附加荷重（KN）

B——被井壁排出的水量（KN），排水下沉时，B=0

T——沉井与土间的摩阻力（KN）

沉井与土间的摩阻力T用以下公式计算：

T=πD[H-2.5]f

式中D-沉井外径

H-沉井全高

f-井壁与土的摩阻系数，f=(hi×qsk)/∑hi

qsk -各土层极限侧阻力标准值

R-刃脚反力，如采取将刃脚底面及斜面土方挖空，R=0

沉井起落时位于砂垫层厚0.5m, qsk=8kpa下沉经过黄土状中粉质壤土层厚2.3m，qsk=12kpa坐落于粘土岩层，层厚6.1m，qsk=50kpa,

经过黄土状中粉质壤土层：平均摩阻力f==38.22kpa

沉井自重G=3350KN,沉井高10m,外径3.8

T=πD[H-2.5]f=3.14*3.8*[10-2.5]*38.22=3283.5KN

K=G/(T+R)=3350÷3283.5=1.02＜1.15，故在经过粘土岩层时采用增加自重辅助下层，同时在经过黄土中粉质壤土层时不必完全掏空刃脚。

四、施工质量控制

4.1沉井的制作控制

沉井筒身总高10m，分两次浇筑，一次下沉到位，先浇筑底部高2.5m、外径为3.8m刃脚及井身段，后浇筑剩余7.5m、外径3.7米井身段。

1、井壁模板支设

井壁模板采用定制钢模，内外脚手架与模板系统要分离，各自成系统，以免由于下沉造成破坏。井壁内外模用穿心螺丝固定，穿心螺栓采用14圆钢，螺杆布置间距600mm×600mm。

模板接缝必须严密不漏浆、表面平整光滑，不允许有凹坑、皱折或其它表面缺陷，其强度、刚度及稳定性保证在混凝土浇筑过程中不发生变形。

（4）混凝土浇筑完后，及时清理附着在模板上的混凝土和砂浆；根据不同的部位，确定模板的拆除时间；拆下的模板及时清除表面残留砂浆，修补整形以备下次使用。

2、钢筋绑扎

沉井水平钢筋采用双面搭接焊，竖向钢筋采用竖向电渣压力焊，接头按规范要求错开，内外钢筋要设钢筋支撑，每1.5m不少于一个。井壁预埋插筋要有加固措施。

运送到现场的成品钢筋表面应洁净无损伤，油漆污染和铁锈等应在使用前清除干净。带有颗粒状或片状老锈的钢筋不得使用。

钢筋网片之间采用架立钢筋连接定位。钢筋与模板之间采用预制砂浆垫块保证保护层厚度。

钢筋在现场制作，根据钢筋下料单加工钢筋。为尽量减少仓号的准备时间，钢筋尽量一次加工成型，Ф16及其以下钢筋采用绑扎搭接，Ф18～Ф25钢筋采用电渣压力焊或搭接焊，使用汽吊直接吊运钢筋到工作面，然后人工抬运绑扎就位。

钢筋保护层厚度控制采用高一标号的预制垫块，通过预埋的扎丝绑扎固定在钢筋上，加垫在钢筋和模板之间。

钢筋的安装位置、间距、保护层及各部分钢筋尺寸的大小均应符合施工图纸的规定。

3、井壁混凝土浇筑

混凝土标号C20，项目部拌合站拌制，汽车泵浇筑，人工配合软管振捣器振捣，沉井分两部分浇筑，第一次浇筑刃脚以上2.5m,外径3.8米，第二次浇筑上部7.5米，外径3.7米，待第一次混凝土强度到达70%后进行第二次浇筑。

新老混凝土接缝处凿毛处理，提前2小时对接缝处洒水润湿，浇筑时沿整个浇筑面铺上5cm高标号的细石混凝土，然后再浇筑C20混凝土。

混凝土对称均匀分层浇筑，每层厚度30cm，混凝土采用插入式振捣器振捣，振捣时间控制在15~30s，至混凝土不再明显下沉、表面泛浆、无气泡产生为止，对井壁预留孔槽周围要加强振捣，保证平整密实，混凝土洒水养护不少于14天。

4.2下沉速率控制

通过控制井内取土，使沉井下沉速率保持在一定的范围内，从而保证下沉偏差符合设计及规范要求。

(1)、初沉阶段：即下沉深度2米内，为使沉井形成稳定准确的轨迹，此时应以慢沉为主，速率控制在0.3米/天，

(2)、中沉阶段：即在初沉深度以下距设计标高2米前范围，速率可加快，控制在0.5~0.8米/天范围

(3)、终沉阶段：即距设计标高2米时，此时应减慢下沉速度，控制在0.2~0.3米/天，以纠偏为主，做到有偏必纠，严格控制底梁、隔墙取土，锅底挖深应减小。

4.3下沉过程控制

1、测量监测要求

在人工挖土下沉过程中，测量人员利用经纬仪每天分四个时间段对沉井的下沉进行监测、控制，仪器主要用于沉井的外侧，根据已有的中线轴线及标高控制点对沉井的偏移、扭位、倾斜及下沉量进行控制，在沉井的内侧采用线锤控制与中心线是否重合，及时监测沉井下沉出现偏移、扭位、倾斜、超沉、突沉等情况。

2、下沉质量控制

沉井必须待混凝土强度达100%后方可开始挖土下沉，一次下沉到位，待沉至设计位置后，进行封底施工，封底砼达到设计强度经验收后方可进行泵井上部结构施工。

（1）沉井下沉前应进行结构外观检查，检查混凝土强度

（2）正式开挖之前应先敲除井壁刃脚外侧混凝土垫层，垫层敲除的方式应考虑沉井混凝土浇筑时沉井的沉降及垫层的开裂情况而定，坚持受力对称、均匀的敲除，敲除过程中测量员应观测沉降情况

（3）加强检查、观察井点排水系统正常运行，出现不正常情况时及时汇报，以便安排人员进行修复。

3、井内土方开挖、转运方法

（1）井内挖土采用人工配三台电动葫芦，3台葫芦平均分布四周，使挖土基本保持均匀。从沉井中间开始逐渐挖向四周，每层高0.4～0.5m,沿刃脚周围保留0.5～1.5m宽的土堤,然后沿沉井井壁,每2～3m一段向刃脚方向逐层全面、对称均匀的削薄土层，每次削5～10cm，当土层经不住刃脚的挤压而破裂，沉井便在自重作用下均匀垂直挤土下沉，使井不产生过大倾斜。

（2）沉井开始下沉至5m以内的深度时，要特别注意保持沉井的水平与垂直度，否则在继续下沉时容易发生倾斜、偏移等问题，而且纠偏也较为困难。沉井初沉阶段纠偏应根据“沉多则少挖、沉少则多挖”的原则在开挖中纠偏。刃脚下挖土要逐步扩大，不能一次过量掏挖，不要通过大量挖土来纠偏，要防止突然下沉。

（3）沉井下沉近设计标高2m时（压密注浆范围内），井内土体的每层开挖深度应小于30cm或更薄些，起到放慢下沉的作用，以避免沉井发生超沉和倾斜，为预防沉井下沉未能止住，在下沉过程中预备好枕木，垫压在刃脚下。

（4）井内设明沟、集水井排水，在沉井内离刃脚2～3m挖一圈排水明沟，设1个集水井，深度比开挖面低1.0～1.5m，沟和井底深度随沉井挖土而不断加深。在井内设潜水泵，将地下水排出井外。

4.4 、 沉井封底

（1）当沉井下沉至距设计底标高20cm时，应停止井内挖土和排水，使其靠自重下沉至或接近设计底标高,再经2～3天下沉稳定,或经观测在8h内累计下沉量不大于10mm,即可进行封底。

（2）封底前应先将刃脚处新旧混凝土接触面冲洗干净和打毛,对井底进行修整,由刃脚向中心挖放射形排水沟,填以卵石作成滤水盲沟,在中部设1个集水井与盲沟连通,使井底地下水汇集于集水井中用潜水泵排出,保持水位低于基底面0.5m以下。

（3）封底时铺一层200mm厚碎石垫层，再在其上浇一层100mm厚混凝土垫层，在刃脚下切实填严，振捣密实，以保证沉井的最后稳定，达到设计强度的50%在垫层上绑扎钢筋、安装预埋件，新老砼接触面应凿毛并冲洗干净，按图纸所示位置将膨胀止水条粘于刃脚上。

（4）底板混凝土浇筑时，应分层、不间断地进行，由四周向中间推进，每层浇筑厚度控制在30~50cm左右，并采用振动器振捣密实。

（5）底板混凝土浇筑后应进行自然养护。在养护期内，应继续利用集水井进行排水。待底板混凝土强度达到70%并经抗浮验算后，再对集水井进行封堵处理。集水井的封堵方法是：将井内水抽干，在套管内迅速用干硬性的高强度混凝土进行堵塞并捣实，然后上法兰盘用螺栓拧紧，或用电焊封闭，上部再用混凝土垫实捣平。

五、结束语

沉井分节制作一次下沉，沉井下沉时根据工程地质条件采用适当的降低地下水方式，是保证沉井下沉质量的关键技术。如果沉井过程中遇到技术问题，首先要查明并分析产生的原因，认真检测、评估其程度，确定有效的预防与纠偏处理措施。

参考文献：

[1]刘国彬 王卫东 基坑工程手册（第二版）。北京：中国建筑工业出版社，2009

[2]郭伟.沉井施工工艺的探讨与实践[j].安微建筑.2011.（02）

[3]刘晓峰，杨春玲.污水泵站沉井施工技术[j].建筑技术开发.2010.（11）