泥浆套和空气幕下沉沉井施工质量控制

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摘要：沉井的平面形状常取决于结构物底部的形状。文章介绍了沉井基础的构造，对泥浆套和空气幕下沉沉井施工方法进行了说明，并对沉井下沉过程中可能遇到的问题及处理措施给予总结，以供相关人员参考。

关键词：泥浆套；空气幕；沉井基础；沉井施工；沉井下沉；浮运沉井

中图分类号：TU753　文献标识码：A　文章编号：1009-2374(2011)01-0143-03

1　沉井基础的构造

1.1　沉井的轮廓尺寸

沉井的平面形状常取决于结构物底部的形状。对于矩形沉井，为保证下沉的稳定性，沉井的长短边之比不宜大于3。若结构物的长宽比较为接近，可采用方形或圆形沉井。沉井顶面尺寸为结构物底部尺寸加襟边宽度。襟边宽度不宜小于0.2m，且大于沉井全高的1／50，浮运沉井不小于0.4m，如沉井顶面需设置围堰，其襟边宽度根据围堰构造还需加大。结构物边缘应尽可能支承于井壁上或顶板支承面上，对井孔内不以混凝土填实的空心沉井不允许结构物边缘全部置于井孔位置上。

1.2　沉井的一般构造

沉井一般由井璧、刃脚、隔墙、井孔。凹槽、封底和顶板等组成(图1)。有时井壁中还预埋射水管等其他部分。各组成部分的作用如下:

1.2.1　井壁沉井的外壁，是沉井的主体部分，在沉井下沉过程中起挡土、挡水及利用本身自重克服土与井壁间摩阻力下沉。当沉井施工完毕后，就成为传递上部荷载的基础或基础的一部分。因此，井壁必须具有足够的强度和一定的厚度，并根据施工过程中的受力情况配置竖向及水平向钢筋。一般壁厚为0.80～1.50m。最薄不宜小于0.4m，混凝土强度等级不低于C15。

1.2.2　刃脚即井壁下端形如楔状的部分，其作用是利于沉井切土下沉。刃脚底面(踏面)宽度一般不大于150m，软土可适当放宽。若下沉深度大，土质较硬，刃脚底面应以型钢(角钢或槽钢)加强(图2)，以防刃脚损坏。刃脚内侧斜面与水平面夹角不宜小于45°。刃脚高度视井壁厚度、便于抽除垫木而定，一般大于1.0m，混凝土强度等级宜大于C20。

1.2.3　隔墙沉井的内壁，奠作用是将沉井空腔分隔成多个井孔，便于控制挖土下沉，防止或纠正倾斜和偏移，并加强沉井刚度，减小井壁挠曲应力。隔墙厚度一般小于井壁，约0.5～1.0m。隔墙底面应高出刃脚底面0.5m以上，避免被土搁住而妨碍下沉。如为人工挖土，还应在隔墙下端设置过人孔，以便工作人员井孔间往来。

1.2.4　井孔为挖土排土的工作场所和通道。其尺寸应满足施工要求，最小边长不宜小于3m。井孔应对称布置，以便对称挖土，保证沉井均匀下沉。

1.2.5　凹槽其位于刃脚内侧上方，用于沉井封底时使井壁与封底混凝土较好地结合，使封底混凝土底面反力更好地传给井壁。凹槽高约1.0m，深度一般为150～300mm。

1.2.6　射水管当沉井下沉较深，土阻力较大，估计下沉困难时，可在井壁中预埋射水管组。射水管应均匀布置，以利于控制水压和水量来调整下沉方向。一般水压不小于600kPa。如使用泥浆套施工方法，应有预埋的压射泥浆管路。

1.3　浮运沉井的构造

浮运沉井可分为不带气筒和带气筒的浮运沉井两种。不带气筒的浮运沉井多用钢、木、钢丝网水泥等材料制作，薄壁空心，具有构造简单、施工方便、节省钢材等优点。适用于水不太深、流速不大、河床较平、冲刷较小的自然条件。为增加水中自浮能力，还可做成带临时性井底的浮运沉井，即浮运就位后，灌水下沉，同时接筑井壁，当到达河床后，打开临时性井底，再按一般沉井施工。

当水深流急、沉井较大时，通常可采用不带气筒的浮运沉井。其主要由双壁的沉井底节、单壁钢壳、钢气筒等组成。双壁钢沉井底节是一个可自浮于水中的壳体结构，底节以上的井壁采用单壁钢壳，既可防水，又可作为接高时灌注沉井外圈混凝土的模板一部分。钢气筒为沉井提供所需浮力，同时在悬浮下沉中可通过充放气调节使沉井上浮、下沉或校正偏斜等，当沉井落至河床后，切除气筒即为取土井孔。

2　泥浆套和空气幕下沉沉井施工

当沉井深度很大，井侧土质较好时，井壁与土层问的摩擦阻力很大，若采用增加井壁厚度或压重等办法受限时，通常可设置泥浆套和室气幕来减小井壁摩阻力。

2.1　用泥浆套下沉沉井

泥浆套下沉法是借助泥浆泵和输送管道将特制的泥浆压入沉井外壁与土层之间，在沉井形成有一定厚度的泥浆层，该泥浆层把土与井壁隔开，并起作用，从而大大降低沉井下沉中的摩擦阻力(可降低至3-5kPa，一般粘性土约为25～50kDa)，减少井壁圬工数量，加速沉井下沉，并具有良好的稳定性。

泥浆通常由膨润土、水和碳酸钠分散剂配置而成，具有良好的固壁性、触变性和胶体稳定性。泥浆套的构造主要包括射口挡板、地表围圈及压浆管。

射口挡板可用角钢或钢板弯制，置于每个泥浆射出口处固定在井壁台阶上，如图3(a)所示，其作用是防止压浆管射出的泥浆直冲土壁，以免土壁局部坍落堵塞射浆口。

地表围圈用木板或钢板制成，埋设在沉井周围。其作用是防止沉井下沉时土壁坍落，为沉井下沉过程中新造成的空隙补充泥浆，及调整各压浆管出浆的不均衡。其宽度与沉井台阶相同，高约1.5～2.0m，顶面高出地面或岛面0.5m，圈顶面宣加盖。

压浆管可分为内管法(厚壁沉井)和外管法(薄壁沉井)两种(图3)，通常用φ38～φ50的钢管制成，沿井周边每3～4m布置一根。

下沉过程中要勤补浆，勤观测，发现倾斜、漏浆等问题要及时纠正。若基底为一般土质，易出现边清基边下沉现象，此时应压入水泥砂浆换置泥浆，以增大井壁摩擦阻力。此外，该法不宜用于卵石、砾石土层。

2.2　用空气幕下沉沉井

用空气幕下沉是一种减少下沉时井壁摩擦阻力的有效方法。它是通过向沿井壁四周预埋的气管中压入高压气流，气流沿喷气孔射出再沿沉井外壁上升，在沉井周围形成一空气“帷幕”(即空气幕)，使井壁周围土松动或液化，摩阻力减小，促使沉井下沉。

如图4所示，空气幕沉井在构造上增加了一套压气系统，该系统由气斗、井壁中的气管、压缩空气机、贮气筒以及输气管等组成。

气斗是沉井外壁上凹槽及槽中的喷气孔，凹槽的作用是保护喷气孔，使喷出的高压气流有一扩散空间，然后较均匀地沿井壁上升，形成气幕。气斗应布设简单、不易堵塞、便于喷气，目前多用棱锥形(150×150mm)，其数量根据每个气斗所作用的有效面积确定。喷气孔直径1mm，可按等距离分布，上下交错排列布置。

气管有水平喷气管和竖管两种，可采用内径25mm的硬质聚氯乙烯管。水平管连接各层气斗，每1／4或1/2周设一根，以便纠偏；每根竖管连接二根水平管，并伸出井顶。

由压缩空气机输出的压缩空气应先输入贮气筒，再由地面输气管送至沉井。以防止压气时压力骤然降低而 影响压气效果。

在整个下沉过程中。应先在井内除土。消除刃脚下土的抗力后再压气，但也不得过分除土而不压气，一般除土面低于刃脚0.5～1.0m时，即应压气下沉。压气时间不宜过长。一般不超过5min/次。压气顺序应先上后下，以形成沿沉井外壁上嚷的气流。气压不应小于喷气孔最深处理论水压的1.4―1.6倍，并尽可能使用风压机的最大值。

停气时应先停下部气斗，依次向上，最后停上部气斗，并应缓慢减压，不得将高压空气突然停止，防止造成瞬时负压，使喷气孔内吸入泥沙而被堵塞。空气幕下沉沉井适应于砂类土、粉质土及粘质土地层，对于卵石土、砾类土及风化岩等地层不宜使用。

3　沉井下沉过程中遇到的问题及处理

3.1　偏斜

沉井偏斜大多发生在下沉不深时。导致偏斜的主要原因有：(1)土岛表面松软，或制作场地或河底高低不平，软硬不均；(2)刃脚制作质量差，井壁与刃脚中线不重合：(3)抽垫方法欠妥，回填不及时；(4)除土不均匀对称，下沉时有突沉和停沉现象；(5)刃脚遇障碍物顶住而未及时发现，排土堆放不合理，或单侧受水流冲击淘空等导致沉井受力不对称。

纠正偏斜，通常可用除土、压重、顶部施加水平力或刃脚下支垫等方法处理，空气幕沉井也可采用单侧压气纠偏。若沉井倾斜，可在高侧集中除土，加重物，或用高压射水冲松土层，低侧回填砂石，必要时在井顶施加水平力扶正。若中心偏移则先除土，使井底中心向设计中心倾斜，然后在对侧除土，使沉井恢复竖直，如此反复至沉井逐步移近设计中心。当刃脚遇障碍物时，须先清除再下沉。如遇树根、大孤石或钢料铁件，排水施工时可人工排除，必要时用少量炸药(少于200g)炸碎。不排水施工时，可由潜水工进行水下切割或爆破。

3.2　难沉

即沉井下沉过慢或停沉。导致难沉的主要原因是：(1)开挖面深度不够，正面阻力大：(2)偏斜，或刃脚下遇到障碍物或坚硬岩层和土层；(3)井壁摩阻力大于沉井自重：(4)井壁无减阻措施或泥浆套、空气幕等遭到破坏。

解决难沉的措施主要是增加压重和减少井壁摩阻力。增加压重的方法有：(1)提前接筑下节沉井，增加沉井自重；(2)在井顶加压沙袋、钢轨等重物迫使沉井下沉：(3)不排水下沉时，可井内抽水，减少浮力，迫使下沉，但需保证土体不产生流砂现象。减小井壁摩阻力的方法有：(1)将沉井设计成阶梯形、钟形，或使外壁光滑：(2)井壁内埋设高压射水管组，射水辅助下沉：(3)利用泥浆套或空气幕辅助下沉：(4)增大开挖范围和深度，必要时还可采用0.1～O.2kg炸药起爆助沉，但局一沉井每次只能起爆一次，且需适当控制炮振次数。

3.3　突沉

突沉常发生于软土地区，容易使沉井产生较大的倾斜或超沉。引起突沉的主要原因是井壁摩阻力较小，当刃脚下土被挖除时，沉井支承削弱，或排水过多、挖土太深、出现塑流等。防止突沉的措施一般是控制均匀挖土，在刃脚处挖土不宜过深，此外，在设计时可采用增大刃脚踏面宽度或增设底梁的措施提高刃脚阻力。

4　结语

泥浆套和空气幕下沉沉井施工是当前沉井基础施工运用极为广泛的方法，笔者上述的施工工艺除了具有的节省沉井工程数量，加大下沉深度和加快下沉速度的优点之外，还产生了明显的经济效益。对以此法的推广也具有的积极意义。

作者简介：苏永军(1970-)，男.河南许昌人，供职于许昌太成建设(集团)有限责任公司.研究方向：建筑工程管理。