沉井的施工探讨

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摘 要：沉井作为反工序施工,同时也是“先深后浅”施工的特例已经作为一种施工技术普遍的被采

用于实际工作中.但是由于施工地质情况千差万别,故采用沉井下沉方式也不一样.现就常州中天钢铁南区二期棒线工程一次铁皮沉淀池的下沉方式―不排水水冲法施工和经常采用的下沉方式―排水下沉挖土（人工或风动工具挖土）、不排水下沉抓斗挖土作对比,以点带面希望能从中找到不同水冲法之间的区别及相较于沉井其他取土下沉方式的在特定环境中的优势和劣势,以及在施工中遇到的技术问题的解决方案的探讨总结,以便于在今后类似的工作中有所借鉴.

关 键 词： 沉井 不排水水冲法 排水水冲法 取土方式 施工方式比较

中图分类号： U443.13+1 文献标识码：A 文章编号：

Abstract： Open caisson as the reverse construction process, but also the " deep to shallow"construction case has been used as a construction technology are widely used in the practical work. But because the construction geological condition differ in thousands of ways, so the use of open caisson sinking way is also different. Now Changzhou Transit District phase two wire rod steel engineering a tin of sedimentation tank sink, drainage water washing method is often used in construction and sinking - Drainage sinking excavation ( manual or pneumatic tools digging), no drainage sinking grab excavation for comparison, fan out from point to area hoping to find the difference between different water washing method and compared with other soil sinking caisson method in the specific environment advantage and disadvantages, as well as in the construction of the technical problems of the solution on the summary, in order to learn similar work in the future.

Key Words：Caisson; Undrained water flushing method; drainage water washing method; Sampling mode; construction mode.

1不排水水冲法沉井的概念

所谓排水与否取决于地下水的情况，当土质条件较差，可能发生涌土、涌砂、冒水或沉井产生位移、倾斜及沉井终沉阶段下沉较快有超沉可能时，才向沉井内灌水，采用不排水下沉，或当地下水位较深，处于池体的底板以下，或该处不存在地下水不需要进行排水操作时，采用不排水下沉。水冲法沉井施工是采用高压水泵将高压水流通过进水管分别送进沉井内的高压水枪，利用高压水枪射出的高压水流冲刷土层，使其形成一定稠度的泥浆汇流至集泥坑，然后用水力吸泥机（或空气吸泥机）将泥浆吸出，从排泥管排出井外的一种方法。

2应用举例

2.1工程概况

常州中铁钢铁南区二期棒线工程一次铁皮沉淀池,结构实体高度为15.2米,下沉深度为9.2米, 外包尺寸为49.2m×22.4m,如此体积的沉井如果采用大开挖不但会加大施工成本,而且施工期间正好处于梅雨时节,阴雨连绵,安全隐患极大。如果采用干挖法，施工人员离刃脚距离过近，考虑到沉井的施工工艺及天气的原因，危险性也较大，故采用水冲法下沉的方式进行施工较为合理可行。

2.1.1、岩土工程分析与评价

（1）第一层耕田土呈湿/松散状态,局部稍密状态,厚度一般为0.9~4.0米左右,局部原为沟塘处。

（2）第二层可塑粉质粘土层,平均含水量30.56%,平均空隙比为0.87,平均液化指数0.55.在第二层上部局部地段分布有流塑~软塑粉质粘土第2-1层,呈饱和/软~流塑状态,局部为淤泥质土,平均含水量35.37%。

（3）第三层粉质粘土层，呈烧湿、硬塑状态，平均含水量24.93%，平均空隙比0.718。

（4）第四层可塑状态粉质粘土夹粉土层，平均含水28.83%，平均空隙比0.822。

（5）第4-1层粉质粘土，呈饱和、软~流塑状态、局部为淤泥质粉质粘土，平均含水量34.76%。

（6）第5层硬塑状态粉质粘土，平均液化指数为0.16。

（7）第6层可塑状态粉质粘土加粉图层，平均液化指数为0.52。

2.1.2、场地地下水概况

场内地下水属于上层滞水，主要接受大气降水和地表水补给。地下水稳定水位埋深为0.24~3.0米，标高为0.88~2.62米。

结合上述地质情况及开挖至-6.0m时的基坑存水的实际情况，比较适合于不排水水冲法施工。

2.2施工部署及工艺流程

本沉井施工时采用半开口施工，即先将土方开挖至-6.0m标高,然后在+0.03m标高的基坑中进行沉井制作及下沉，垫层厚200mm，垫层顶面标高-5.8m。沉井分为4段制作，一次下沉。

第一节沉井制作高度在底板以下至刃脚，高度为2.70m ～3.30m左右；

第二节沉井制作高度为4.3m～3.7 m（-8.20m～底板下标高）；

第三节沉井制作高度为4.0m（-4.2m～-8.20 m）；

第四节沉井制作高度为4.5m（-4.2m～0.30 m）。

第三节沉井浇筑结束，结构混凝土强度达到设计强度后一次下沉至设计标高-15.2 m，下沉深度为9.2m。沉井下沉到设计标高后，即进行沉井封底及底板施工。然后进行第四节沉井的制作和内部结构的施工。沉井内隔墙应与井壁同时施工。

土方采用水力及人工配合开挖，在沉井附近布置两座泥浆储备池，满足不断产生的泥浆的储备。采用泥浆泵吸入场地开挖的积水坑在采用挖机及渣土车运到业主指定的位置。

沉井封底时，要保证封底时沉井不继续下沉，必须在井壁外做好防沉措施。

沉井施工流程：

平整场地测量放线开挖基坑铺砂垫层和垫木架(支刃脚模板)沉井浇筑布设排水沟及集水井第一、二、三节沉井浇筑抽出垫木架（模板拆除）沉井下沉施工下沉过程中的监测第四节沉井施工沉井下沉封底浇筑底板混凝土施工内隔墙、梁、板、顶板及辅助设施。

2.3主要施工工序及纠偏措施

2.3.1、主要施工工序

2.3.1.1、定位放线

根据业主提供的沉井附近方格网坐标点，采用全站仪对沉井四个角进行定位，土方开挖前，做好沉井施工的外部控制点。

2.3.1.2、 土方开挖

本工程场内自然地坪标高为+0.03m , 开挖深度为-6.0m。土方开挖前，放出开挖灰线,灰线尺寸为沉井各外边向外扩2m，因开挖深度达6.1m，确定开挖坡比为1：1。土方开挖采用反铲挖掘机进行开挖，人工跟班清理。即机械挖至标高-6m，剩余100mm土方采用人工开挖，开挖的土方随挖机运至堆场，确保不扰动基底土方。场地内地下水既为滞留水，故水量不大，且地下水位较高，基本上处于大开挖的-6.00m以上，所以在土方开挖后，不会产生大量额水，只需沿基底四周开挖盲沟，设置集水井，沟内填铺碎石，使地下水能沿盲沟排至集水井。沉井下沉期间坑内设集水井，用潜水泵将水排除坑外，不需要额外的在沉井外部周围设置轻型井点、喷射井点或深井井点以降低地下水位，使井内保持挖干土。适于地质条件较差，有流砂发生的情况时使用。

2.3.1.3、 砂垫层及土方护坡施工

土方开挖完后采用砂垫层铺垫，（为了以后清底方便），砂垫层施工结束后，放出沉井壁板,支侧壁模板.

由于基坑开挖深度达6.1m深，边坡在粉质土层上土质容易脱落风化且沉井的作业时间长。故在土方开挖结束后采用直径16mm的钢筋打钢筋桩长2.0m横竖间距1.0m，上面绑扎直径6mm的钢筋网片，C20细石混凝土将坡面封闭处理厚度为80mm。

2.3.1.4、第一、二、三节沉池结构实体施工（略）

沉井下沉时，第一节混凝土强度应达到设计强度100%，其余各节应达到设计强度75%。

2.3.1.5、沉井下沉

(1）沉井刃脚木模及垫层的拆除

刃脚木定芯模及垫层在沉井混凝土强度达到设计强度的100%后方可拆除。拆除时应在专人指挥下分区、依次、对称、同步的进行。先拆除木定芯模。加强观测，注意下沉是否均匀，如发现倾斜，应及时处理。隔墙下排架拆除后的空穴部分用草袋装砂回填。

(2）井壁孔洞处理

沉井壁上有时留有与地下通道、地沟、进水口、管道等连接的孔洞，为避免沉井下沉时地下水和泥土涌入，也为避免沉井各处重量不均，使重心偏移，易造成沉井下沉时倾斜，所以在下沉前必须进行处理。对较大孔洞，在沉井制作时在洞口预埋钢框、螺栓，用钢板、方木封闭，中填与空洞混凝土重量相等的砂石或铁块配重。沉井封底后拆除封闭钢板、挡木等。

(3）采用水力机械冲土下沉法

建立“清水泥浆清水”的封闭循环系统：水源采用附近的胜利浜。在场地边开挖一座清水池、一座一次泥浆沉淀池，并在西流河附近开挖一座二次沉淀池以最终沉淀泥浆净化从沉池底部抽上来的泥浆（该泥浆定期用挖掘机挖出晾晒，干后运走），以期减污排放，清水排往西流河。（见附页该循环系统平面布置图）

(4）人员及物资准备：

2、沉井施工机械设备表

(5）施工现场平面布置

沉井四周修筑一条8米宽的道路，采用300厚道渣铺筑。现场设置钢筋加工场、木工加工棚、工具间,具体见平面布置图。施工用水、用电从业主指定接口接入。

(6）下沉过程

①沉井的初沉：沉井初沉3～5m,是整个下沉过程的关键阶级，它对井体起着导向作用，所以必须严格控制挖土的位置和速度，确保井体平稳和均匀下沉。下沉过程中每8个小时测量至少测量两次，当下沉速度较快时，应加强观测，如发现偏移及位移时及时纠正。

冲粘性土时，宜使喷嘴接近90°的角度冲刷立面，将立面底部刷成缺口使之坍落。冲土顺序为先中央后四周，并沿刃脚留出土台，最后对称分层冲挖，尽量保持沉井受力均匀，不得冲空刃脚踏面下的土层。施工时，应使高压水枪冲入井底，所造成的泥浆量和渗入的水量与水力吸泥机吸入的泥浆量保持平衡。沉井的终沉：当沉井进入终沉阶段（离刃脚踏面1m），应减缓水力机械冲土速度，观察沉井的沉降变化。当刃脚踏面距离设计标高剩50cm时，暂停水力机械冲土，利用井体自沉达到设计标高。

2沉井封底

当沉井沉到设计标高，经观测8h累计下沉量不大于10mm，即应进行沉井封底工序，经沉井抗浮计算，抗浮系数满足规范要求（所有基础梁施工完要与沉井同时下沉）。故该沉井可设置大井抽水。

本沉井采用干封底，为确保结构使用要求，必须做到不渗不漏。封底前采用人工将刃脚壁及井底清埋干净，保证新老混凝土紧密接触，确保井底的抗渗要求。

3沉井下沉的观测

在沉井的下沉过程中，应经常观测沉井的倾斜度和刃脚踏面的高程。在刃脚的入土深度未及沉井高度的1/3时，应重点观测沉井井筒的倾斜度；当沉井刃脚踏面高程下沉到距设计高程约2m时，应加强对踏高程及下沉量的观测。

（1）观测要点

1）在水力机械冲土时，随时观测沉井井筒垂线的垂直度，当发现有倾斜时，应及时纠正。

2）沉井下沉过程中，应对沉井的位置、标高（沉降值）和垂直度及时进行测量，每台班至少测量两次（班中及每次下沉后），并作好记录。

3）如有倾斜、位移或扭转，应采取措施及时纠偏，使偏差控制在允许范围之内。

（2）、沉井井筒垂线倾斜度的观测

沉井井筒垂线倾斜度的观测方法为：观测在井筒内壁预先设定的4个垂球的锥尖是否分别在相对应位置上的标盘中心，当井筒发生偏斜时，垂球锥尖就偏离标盘中心点，垂球吊线就偏离井筒内壁上的垂线。根据垂球偏离标盘中心及偏离井筒内壁的垂线的方位和大小进行纠偏。一般在沉井每次下沉前后各观测一次。

（3）沉井刃脚踏面高程及下沉量的观测

沉井刃脚踏面高程及下沉量的观测方法为：利用在沉井外地面上轴线位置处预先设置的水平指标尺，分别测出下沉时刃脚踏面的高程，前、后两次分别测得的刃脚踏面的高程差，即下沉量；刃脚踏面下沉前高程减去测得下沉时踏面高程即总下沉量。同时两个相对点高差读数之正、负差，也表示沉井井筒倾斜的方向及倾斜程度。一般上述观测在每次下沉前、后各一次。

（4）、用水准仪或激光水平仪测量沉井下沉量和下沉中的刃脚踏面高程及井筒倾斜度。

为在沉井下沉过程中较精确地测量动态的刃脚踏面高程，测算井筒倾斜度，一般用水准仪或激光水平仪测量在井外壁事先设置的4个对称点的高程，然后算出踏面的高程（前后两次高程之差即是下沉量），用相对称点的高程差算出井筒倾斜角。

∠a=∠O=Sin-1BB/AB（或arcSinBB′/AB）

式中∠O―井筒的倾斜角（″）；

AB―井筒外壁的直径（m）；

BB′―两对应点的高程差（m）。

2.3.2、 沉井的纠偏

沉井在下沉过程中，时常出现井筒倾斜（沉井垂直度歪斜超过允许限度）沉井位置偏移（沉井轴线产生位移）等情况时，应立即分析原因，进行纠偏。

2.3.2.1、沉井倾斜

1）原因分析

①沉井四周土质软硬不均；②没有均匀水力机械冲土，使沉井内土面高差悬殊； ③刃脚一侧被障碍物拦住； ④沉井外面有弃土或堆物，井上附加荷重分布不均造成对井壁的偏压。

2）纠正倾斜的方法

①沉井四周土质软硬不均及水力机械冲土不当引起的沉井倾斜的纠偏方法有3种，即：

（A）挖土纠偏，即通过调整挖土的高差，及调整沉井刃脚处保留土台的宽度，进行纠偏。

在下沉较慢的一侧多挖土，逐步水力机械冲掉刃脚处的土台使刃脚悬空，使该侧下沉。同时在下沉较快的一侧多保留刃脚处土台的宽度；如该处土体松软时，应夯实或填碎石作为加固，并在该处井筒外部地面上堆土夯实，以增加其抗力和摩阻力。采用上述的方法，如一次不能全部纠正偏斜，可按上述的方法重复进行，至符合规定误差为止。而后按正常下沉挖土。

（B）射水纠偏。沉井在下沉过程中发生偏斜而用挖土纠偏仍不见效时，采用在沉井井筒外部沿外壁四周注射压力水，使该处的土成为泥浆，以减小土的抗力；泥浆还起作用，减小沉井外壁与土之间的摩阻力，促使沉井较高一侧迅速下沉。当纠偏接近正常位置时应停止射水，并应将沉井外壁与土之间的空隙用细土或砂填充。

（C）局部增加荷载纠偏。当井筒下沉过程中出现倾斜时，可在井筒较高的一侧增加荷载（一般采用成捆钢筋、砂石袋加压）。

②因刃脚一侧被障碍物拦住引起沉井倾斜面的纠偏方法为：

如遇较小孤石，可将四周土掏空后将孤石取出；较大孤石可用风动工具或松动爆的方法将大孤石破碎成小块取出；

2.3.2．2、沉井位移

(1）原因分析

沉井下沉中发现位移，大多是由于倾斜引起的，当发生倾斜时，井身常向一侧的下部增加较大压力，因而产生一定位移。位移的大小随土质情况及向一侧倾斜的次数而定。

(2）纠正位移的方法

①控制沉井不再偏移的方向倾斜。

②有意使沉井向偏移的相反方向倾斜，当几次倾斜纠正后，即可恢复到正确位置。

2.3.2.3、 防止沉井下沉过快、突沉的措施

（1）原因分析

1）一般为遇软弱土层，土的抗剪强度小，使下沉的速度超过水力机械冲土速度，严重的不用水力机械冲土也下沉。

2）沉井外壁的土受水浸泡，外壁与土之间的摩阻力减小。

（2）、预防措施及处理方法

1）沉井一般在刚开始下沉及沉井井筒入土深度小于沉井井筒高度的1/4时，沉井下沉速度较快，且易产生偏斜，此时应在刃脚处少用水力机械冲土或不用水力机械冲土，控制下沉量。

2）加大摩阻力。可采取排除井外壁附近的积水或在沉井外壁四周填粗糙材料或填土夯实，加大摩阻力。

2.3.2.4、沉井下沉施工记录

沉井下沉施工记录是将沉井过程中测量的结果及观察分析的有关情况准确无误地记录下来，并及进通报给有关人员。该记录的作用是及时准确地提供沉井下沉施工质量和土层、地下水等变化的信息，据此控制沉井下沉过程中的质量，并作为技术档案备查。

沉井下沉的施工记录是动态的施工记录。主要记载沉井下沉过程中刃脚踏面各点不同计算出相应的下沉深度及偏斜；描述沉井纠偏及土层、地下水变化情况；记录沉井施工至封底前出现的问题及采取的解决问题的措施和效果。

沉井下沉施工记录应有专人负责填写，并经审核人、项目负责人签字后存档备查。其记录表格如下表：

填表说明：

1沉井下沉施工时，每次下沉前、后都应进行量测，并认真填写本表；

②、A、B、C、D各点是预先设定的沉井轴线上的4个固定点；

③、沉井各点的下沉深度，指每次下沉各点相对的深度；

④、沉井距设计高差，指沉井下沉施工中踏面，当前的高程与设计高程之差；

⑤、情况描述，指对应第1项“时间一栏当时下沉及纠偏情况，土层、地下水变化，下沉中的问题，采取的措施及附近地面、建筑物等变化情况的描述。

附页：每天的沉降观测统计图及变化曲线。

3在施工过程中存在的施工技术问题的探讨

3.1沉井下沉和大开挖的优劣对比

沉井施工工艺的优点是：可在场地狭窄情况下施工较深（可达 50 余米）的地下工程，且对周围环境影响较小；可在地质、水文条件复杂地区施工；施工不需复杂的机具设备；与大开挖相比，可减少挖、运和回填的土方量。其缺点是施工工序较多；技术要求高、质量控制难。

大开挖方式的基坑施工由于深度较深的前提条件和受地质条件的限制，往往需要多级放坡和较大的放坡比例，对周围的待建建筑的开工时间造成了不可避免的影响，对已建项目带来了安全隐患，而且开挖完后还要做护坡等必不可少的防护措施，以防被水浸泡后发生塌方的危险，增加不必要的开支。根据以往的施工经验，10米以上的大基坑开挖往往占全部工期较大的比例，还增加了在材料运输的成本。

沉井施工相对于大开挖施工有较大的优势。

3.2砂垫层与混凝土垫层的工程技术对比

在大开挖到-6.00m基底时浇筑混凝土垫层还是直接铺砂垫层的问题,这个问题看上去虽简单,但是在施工过程中,由于没有事先考虑到在下沉的过程中需要破除该层垫层和破除后向外吊运的工作,不但给下道工序的施工带来了麻烦,还增加了成本.

3.3三种刃脚模板的制作方式的工程技术对比

在刃脚的模板支设上备选的技术措施有垫架法、砖砌垫座和土模. 垫架法不仅可以将上部沉井重量均匀传给地基，使沉井井身浇筑过程中不会产生过大不均匀沉降，使刃脚和井身产生裂缝而破坏；使井身保持垂直；便于拆除模板和支撑。采用垫架法施工时，应计算井身一次浇筑高度，使其不超过地耐力，其下砂垫层厚度亦需计算确定。当采用砖垫座不仅在制作的时候耗时极大(不仅需要制作砂浆的备料,搅拌机的准备,大量砌砖工人的调用),就是在刃脚浇筑完后进行拆除时也会白白增加工作量,且拆除的大量的砖既无处使用也无处堆放,给现场的文明施工带来了很大的困难.而且还要在砖垫座内壁用水泥砂浆抹面。采用土胎模时,不仅挖土费时费力,且刃脚的形状及高度亦非常难以挖成形。

3.4不排水水冲法和排水水冲法的对比

如果根据此工程施工的特殊性，采用不排水水冲法和地下水水量较低时采用排水水冲法的施工方式并无二致，但是也存在另一种情况：在地质条件较差，可能发生涌土、涌砂、冒水或沉井产生位移、倾斜及沉井终沉阶段下沉较快有超沉可能时，为了保证池体内外压力的保持平衡，不但不向外排水，反而还要向里灌水。当地质情况较好时，最次的考虑因素是，有流砂发生的情况，可在沉井外侧采用井点降水的方式进行施工，所以本工程有其特殊性，需在现场实际操作中因地制宜，不可生搬硬套。

3.5水冲法和干挖法下沉的对比

干挖法的施工方式为：对普通土层从沉井中间开始逐渐挖向四周，每层挖土厚0.4~0.5m，沿刃脚周围保留0.5~1.5m 土堤，然后再沿沉井壁，每2~3m 一段向刃脚方向逐层全面、对称、均匀地削薄土层，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，使不产生过大倾斜。本法可有效地提高工作效率。但是当下沉很少或不下沉，可再从中间向下挖0.4~0.5m，并继续向四周均匀掏挖，使沉井平稳下沉。但是如果此处地质条件较为复杂，则不可轻易向刃脚部靠拢，以 免发生危险，这个时候就显示出水冲法的优势：可以以较远的距离的完成下沉的任务。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。