大型沉井施工技术研究.pdf

摘要 摘要 沉井在实际工程中的应用越来越广，然而，由于沉井臆工受地质状况的不 确定性施工环境的多样性施工管理的复杂性等的影响，使得沉井的施工具有非 确定性的特征。同时，在沉井施工中如何防止不均匀下沉、突沉，遇到相应问 题如何处理等施工技术问题已成为现代工程施工的难题。本文主要工作如下： 1 系统的总结了沉井的旋工工法，包括沉井的下沉方法下沉中出现的问题 及相应的处理方法沉井的纠偏方法。 2 探讨了沉井的设计思路，在此基础上介绍了沉井施工过程中的沉井下沉 的静态计算模型。 3 通过苏州某大型沉井_ i 程，系统的分析了沉井的施工技术及管理方法。 本文通过对沉井从设计到施工全过程的研究，达到了对沉井施工t 艺的整 体论述。另一方面，介绍了预测沉井下沉的沉井静态模型，从而为该施工方法 的应用推广提供了可靠的技术支持。 关键词：沉井、施工技术、静态模型、管理、纠偏方法 a b s t r a c t l a r g ee x t r ac a i s s o n sa r en o wb e i n gw i d e l yu s e di np r a c t i c a lp r o j e c t sb e c a u s eo f t h eu n c e r t a i n t i e so fs o i l v a r i a b i l i t yo ft h ec o n s t r u c t i o na n dc o m p l e x i t y o ft h e c o n s t r u c t i o n m a n a g e m e n t ，t h e c o n s t r u c t i o no fe x t r ac a i s s o n sb e h a v e s n o n d e t e r m i n i s t i cp r o p e r t i e s h o wt op r e v e n ts i n ku n e v e na n ds h a r pa sw e l la ss o l v e t h ec o r r e s p o n d i n gt oq u e s t i o nh a sb e c o m eap a r t i c u l a r l yd i f f i c u l tp r o b l e mi nm o d e r n c o n s t r u c t i o ne n g i n e e r i n g t h em a i na c h i e v e m e n t si nt h i sp a p e rw e r ea sf o l l o w s ： 1 t h ec o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yo fr e i n f o r c e dc o n c r e t ec a i s s o ni s p e r f o r m e d s y s t e m i c a l l y t h es i n km e t h o d s ，t h ep r o b l e m so f d u r i n gs i n k i n ga sw e l la st h es o l u t i o n o f c o r r e s p o n d i n g t op r o b l e m s ，t h em e a s u r e so fr e c t i f yad e v i m i o n 2 t h es t a t i cm e c h a n i c sm o d e l so fl a r g ee x t r ac a i s s o n si nc o n s t r u c t i o ni s i n t r o d u c e db a s e do nt h ed e s i g nt h o u g h t so f c a i s s o n 3 t h r o u g ha na c t u a le n g i n e e r i n go f al a r g ec a i s s o ni ns u z h o u ，t h ec o n s t r u c t i o n t e c h n o l o g ya n dt h ec o n s t r u c t i o nm a n a g e m e n to ft h ec a i s s o ni sa n a l y z e ds y s t e m i c a l l y t h r o u g ht h ec o m p r e h e n s i v er e s e a r c ho nt h ew h o l ep r o c e s sf r o md e s i g nt o c o n s t r u c t i o no ft h ec a i s s o n ，t h ec o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yo nt h e l a r g er e i n f o r c e d c o n c r e t ec a i s s o ni so b t a i n e d o nt h eo t h e rh a n d ，t h es t a t i cm e c h a n i c sm o d e l so f p r e d i c t i n gt h es i n k i n go ft h ec a i s s o ni si n t r o d u c e d ，w h i c hw i l lp r o v i d eag u i d et ot h e f u t u r ea p p l i c a t i o no nt h ec o n s t r u c t i o no f c a i s s o n k e yw o r d s ：c a i s s o n ，c o n s t r u c t i o nt e c h n i q u e ，s t a t i cm o d e l ，c o n s t r u c t i o nm a n a g e m e n t r e c t i r yad e v i a t i o nm e t h o d i f 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：j 的身， 绷年) 月p 日 ， 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 沁巧， 年月 日力酊年7 月i 。日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公，f 发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：沁身， 撕年_ 7 月c 。日 第1 章引言 第1 章引言 1 1 大型沉井施工工法及研究现状 沉井是在地面上或地坑中，先制作钢筋混凝土井身，待达到一定强度后， 在井筒内分层挖土、运土，随着井内土面逐渐降低，使井身借其自重克服与土 壁之间的摩擦阻力，不断下沉就位的一种深基础或地下构筑物旌工工艺。沉井 在深笨础或地下构筑物施工中具有独特的优点。由于其占地面积小，刁i 需要板 桩围护，技术上又比较稳妥可靠：与大开挖相比挖土量少，能节省投资：无需 特殊的专业设备，而且操作简便；因而近年来，随着施工技术和施工机械的不 断革新，沉井在国内外都得到了广泛的应用和发展。沉井开始多用于铁路和桥 梁工程基础，以后在水工结构，特别是市政工程中的给、排水泵站中多有应用。 将沉井应用到建筑工程较晚，随着高层建筑的蓬勃兴建，在建筑基础及基础开 挖的防护工程中都有沉井工程的应用。 从1 8 3 9 年法国沙龙尼( s a l o n e y ) 煤田首次使用沉井施工法以来，在欧洲已 使用于地下工程中有1 5 0 0 多个。目前，国内外己建成的沉井工程中不少深度 达到3 0 m 以上，平面尺寸达到3 0 0 0 m 2 以上，一些特殊用途的沉井深度可达到 l o o m 以上。在沉井的下沉施工方法上，在1 9 4 4 1 9 5 6 年间，日本首先采用壁外 喷射高压空气( 即气幕法) 的方法以降低井壁与土体的摩擦阻力，使沉井的下沉深 度达到1 5 6 m ；到6 0 年代末至7 0 年代初，沉井的下沉深度超过2 0 0 m 。由于空 气幕构造复杂，高压空气耗量大，下沉速度不易控制，控制纠偏技术难度大， 该法的推广受到限制。5 0 年代起，欧洲开始广泛应用向井壁与土之间压入触变 泥浆以降低侧摩阻力的方法，这种方法至今仍广为流行。国内从5 0 年代起，沉 井的建造发展很快，并取得了很大的成就。采用沉井的形式建造了大量的桥梁 台基础、取水构筑物、雨污水泵站、地下工业j 房、大型设备基础、地下仓库、 盾构拼装井、矿用竖井以及地下车道和车站等大型深基础和地下构筑物的围体。 随着越江、跨海湾、海峡大桥的兴建，以中国、日本为首大力发展深水基础， 沉井施工技术由此得到很大的突破i 2 。j 。6 0 年代在南京长江大桥中发展了重型沉 井、深水钢筋混凝土沉井和钢沉井。创下建桥史上的1 0 多项第一的芜湖长江大 第1 章引言 桥【6 】是国内采用板桁结构建造的一座公、铁两用的桥梁，它的桥台制作也用沉井 进行建造。自1 9 9 5 年9 月开工至1 9 9 7 年1 0 月竣工的江阴长江大桥北锚沉井“ 】， 是我国已建有的整体规模为世界第一的沉井，其彤状为矩彤多孔( 格1 长6 9 m ，宽 5 1 m ，制作高度及下沉深度均为5 8 m ，内设纵横各五道横墙，把沉井分隔成3 6 个仓，井壁厚度为2 m ，隔墙厚度为l m 。沉井f 沉开始使用排水下沉方法，即 用井点排水降低地下水位，井内用水力冲土，泥泵吸泥方法取土，分节浇注， 分3 次下沉到地下3 0 m 处。由于是千施工便于操作、观测和控制能确保下沉 的精度利加快速度，下沉平均速度分别为每天3 6 c m 、9 6 c m 和8 8 c m ，而且形成 了良好的下沉轨迹，为以后的不排水下沉创造了良好的条件。由于临近长江， 地下水源丰富，到地下3 0 m 处，已无法排干井底的水，故改用高压水枪冲泥、 真空吸泥的方法对砂土以吸为丰，对粘七以冲为主，提高效率，平均每天卜沉 1 5 6 c m ，到了最后l m 时，还采用空气幕法帮助下沉，使沉井偏位和倾斜值小于 规范要求。最后终沉时，顶面中心偏位仅9 9 c m ，四角最大高差9 6 c m ，平面扭 转7 7 5 3 “，总取土方2 0 6 万m 3 ，耗时2 0 个月( 81 。该沉井的顺利施工标志着我国 的沉井施工水平已达国际先进水平。 1 2 沉井的施工研究现状 沉井作为一种基础工程，他的施工研究在施工挎制方面，沉井施工巾最重 要的是防止突沉、控制终沉以及减少对地层的扰动。国内外对此已积累了一定 的施工经验，然而沉井工程下沉施工中突出的沉井纠偏、防止突沉、控制终沉 和控制地面沉降等重要旌工技术问题的解决尚缺乏成熟的理论指导，也没有可 靠的数值模拟方法可供工程应用。文献 9 】介绍了日本某海底隧道沉井的施工。 该隧道采用气压沉箱建造，由于沉箱容易偏斜，且不容易纠正，在施工中为了 随时掌握州脚荷重，侧摩阻力及倾斜量，采用了迅速简便的以计算机为依托的 数据处理计测系统。数据在中央管理室集中管理，随时了解井筒位置及开挖方 向，以便及时指导施工，这是种仅用量测反馈信息来调整开挖的施工控制方 法，没有从理论上对沉箱的可能下沉姿态作数值模拟分析，这种施工方法显然 比较被动。文献【1 0 】提到常德沅江大桥以浮运钢沉井基础形式建造正桥水中墩， 它的施工由于没有考虑胞工过程可能出现的不确定性问题，仅用工程经验的方 法来指导施工，在下沉中曾发生n 4 墩沉井严重倾斜，倾斜度达2 3 度5 6 分0 9 第1 章引言 秒，井顶平面南北高差达3 9 3 5 m ，倾斜率4 4 4 。可见沉井的施工控制极为关 键。 1 3 课题的背景和研究意义 沉井的应用非常广泛，如铁路或公路桥梁的基础工程、市政工程，如给、 排水泵房，地下电厂，地下蓄水、房屋建筑工程的基础。由于它顺应了发展中 国家对一些基础工程的投资和用料的经济性考虑，及建筑工程设计兼顾基础和 防护工程的联合使用的要求，在防护工程的建设也多采用。沉井的尺寸及入土 深度都非常灵活，直径有从2 m 的砖砌沉井到数百米的超大型沉井；入土的深度 也从数米到几十米甚至上百米不等，因而能适合不同的工程需要。施工方法上 与大开挖方法相比，建造沉井占地面积小，可大量减少土方量开挖量，避免周 围土方的坍塌，特别是在建筑物稠密的市区，可以保证周围建筑物的安全。沉 井施工的另一个优点是内部空间可利用，不需板桩维护，承载力高随着施工 技术和施工机械的不断革新，在国内外都得到了更加广泛的应用和发展并且在 软土地下建筑物的深基础施工中占有越来越重要的地位。 近年来，随着人口问题的突出，环境问题越来越被引起重视。而其中的城 市污水的处理问题在各大城市中日趋紧迫。由于用作污水处理的泵站大多以沉 井建造，因而沉井工程在市政工程中的地位越来越重要。苏州污水处理是市政 工程的一大分支，另外苏州河的污水治理也在进行污水泵站的建造，因此对沉 井工程施工研究有明显意义。 1 4 本论文主要研究讨论的问题 大型钢筋混凝土沉井从井壁及刃脚设计，刃脚地基验算，井壁制作、加固、 下沉、封底等每个过程，都需要进行理论分析、计算或验算，以及编制科学、 经济、安全等切实可行的施工方案和技术措施，保证沉井的顺利下沉。本沧文 结合沉井具体工程，重点对以下内容进行研究讨论： 1 、沉井的施工工法，介绍沉井施工技术，各种问题及相应问题的处理方法； 2 、沉井施工中的设计，研究沉井施工中的设计，并在此基础上介绍沉井下 沉的计算模型； 第1 章引言 3 、利用一工程实例，对前述的施工思想进行应用，并提出科学管理的概念。 4 第2 章沉井施t 技术 第2 章沉井施工技术 沉井是修建深基础和地下深构筑物的主要施工方法之一。它是在地面上或 地坑中，先制作钢筋混凝土井身，达到一定强度后，在井筒内分层挖土，随着 井内土面逐渐降低，使筒身借其自重克服其与土壁之间的摩擦阻力，不断下沉 就位的一种地下构筑物或地下工程施工工艺。由于其截面尺寸和刚度大承载 力高，抗渗及耐久性好，内部空间可资利用，因此可用于很深的地下工程的施 工；同时沉井施工不需要复杂的机械设各，在排水和不排水情况下，均能施工 从而可用于各种复杂地形、地质和场地狭窄条件下施工，并且沉并对邻近建筑 物影响较小，可在地下水很丰富、土的渗透系数大，难以将地下水排干，地下 有流沙或有其它不利的土层情况下施工，与大开挖施工方法相比，可大大减少 挖、运、回填土方量，加快施工进度，降低施工费用。不过沉井施工方法也存 在如下问题：施工工序较多，施工工艺较为复杂，技术要求高，质量控制要求 严。 随着我国城市建设的发展以及工程施工技术水平的提高，沉并施工已广泛 应用于工业建筑的深坑、地下室、水泵房、设备深基础、桥墩、码头、凿井等 工程，并可在松软、不稳定含水土层、人 工填土、粘性土、砂土、砂卵石等地基中 应用。在施工场地复杂，邻近有铁路、房 屋、地下构筑物等障碍物，加固、拆迁有 困难或大开口施工会影响周围邻近建( 构) 筑物安全时，应用沉井施工方法最为合理、 经济。 沉井一般由井壁、刃脚、底板( 封底) 、 内隔墙、顶盏以及附属设施等部分组成。 图2 1 为沉井结构构造图。 l 一顶盖；2 一内隔墙：3 一井壁； 4 一井孔；s 一刃脚；6 一底板( 封底) 。 井壁为沉井的外壁，厚度根据结构受力和克，2 - 1 。鎏苎篓偬! ! ! 曼一求而 第2 章沉井施工技术 定，一般厚0 8 1 s m 。刃脚为井壁下端的尖角。 在沉井旌工之前，需要首先做好地质勘查及施工的各项准备工作其前期 的准备工作，般按以下过程进行： ( 1 ) 地质勘查 在沉井施工地点进行钻探，以了解施工现场的地质和地下水文情况，如土 的力学指标、摩擦系数、地质构造、土的分层情况等，了解沉井施工位爱的地 下埋设物、障碍物情况，绘制地质剖面图，为制定沉井施工方案提供可靠的技 术依据。 ( 2 ) 编制施工方案 根据地质勘查报告以及周围的施工环境、施工设备，编制切实可行的施工 方案或施工组织设计以指导施工。 ( 3 ) 平整场地 接通沉井施工场地的水、电设施。平整场地至施工要求的标高，按要求拆 迁沉井周围的地上障碍物，如房屋、电线杆、树木及其他设施，清除地面下3 m 以内的地下埋设物，如上下水管道、电缆线路及基础、设备基础、人防设施等： 施工用i 临时道路贯通( 尽可能利用正式道路的路基) 。 ( 4 ) 修建临时设施 按施工总平面图布置要求，修建临时设施：如搅拌站、钢筋场、现场办公 室等。修筑道路、排水沟、截水沟，安装沉井群使用的临时水、电、风管道线 路，安设施工设备，并试水、试电、试运转。 抽水下沉 对不排水下沉的沉井，在刃脚下已掏空仍不下沉时，可在井内抽水而减少 浮力，使沉井下沉。但对于易引起翻沙涌水的地层，不宜采用。 压重下沉 根据不同情况如下沉高度、施工设备、施工方法，可采用压钢轨或型钢、 接筑沉井混凝土、匀压砂袋土等方法加大沉井垂直向的压力。 震动下沉 即在预制的井筒上安装震动机，借助震动使井筒下沉，同时震动中使井壁 土壤液化，从而减少侧面摩阻，可以加快下沉速度。当沉井下沉至最后阶段， 一般下沉较困难。当并中锅底坑已较深，刃脚下土层业已掏空，沉并仍不下沉 时，也可在井孔中央的泥面上放置炸药起爆，使州脚已悬空的沉井受震下沉。 缺点是采用震动机时井管受反复载荷作用容易折断。 3 、其它施工法 钻吸排土法 2 1 1 钻吸法是沉井在软土地层中采用不排水下沉法施工的一种施工工艺。它通 过带有特制的钻吸机械，在含水土层及水中完成切土排泥施工工序，较好地解 决了沉井施工中一向存在的在软土地层中水中切土排泥的技术难题。此法主要 以潜水钻机为丰要动力，在水下对土体进行强制式机械切削，并以高压水枪将 切碎的土体捣成泥浆，然后由潜水砂泵进行反循环排泥。施工时用吊车将钻吸 机组作水平或垂直方向移动进行钻吸，从而使沉井按要求平稳地下沉到位。该 法主要有以下优点：可在水中破土排泥，效率高，劳动强度低，安全可靠，因 而也是不排水沉井施工中最为简便而有效的施工工艺；可有效的控制水下破土 深度和破土顺序，能够均匀有序的进行分层破土，避免了水下作业中的不足， 对刃脚斜蔼部分的土体扰动量较小，特别是在饱和含水软层中施工沉井及纠 偏，能成功地将地表沉降减少到最低限度，使沉井稳妥下沉：由于该法机械化 程度高。改善了劳动环境，减轻了劳动强度：在施工过程中，能够有效的控制 下沉时产生的地表沉降，有利于环境保护；可广泛应用于淤泥、粘土、粉质粘 第2 章沉井施t 技术 土、粉土等软土地基。但该法所用的机械设备较多，设备的配套及安装过于繁 琐，是该法的缺点。 冻结下沉法 即预先在不稳定的冲积层或者含水层中通入循环氮气，使其降温并构成一 个筒状冻结壁，然后用普通沉井下沉方法进行沉井，这种方法适宜在浅层沉井 中使用，缺点是在较深的沉井中由于钻孔不易打正，氮气管摆布不均，中间可 能会出现未冻结的漏洞，地下水仍可流入，流沙层也不够稳定。另外在经济效 益方面也不够理想。 2 4 沉井下沉中出现的问题及预防、处理方法 由于沉井施工处的地质状况不可能完全清楚，因而在沉井施工过程中可能 会因为意外因素而造成沉井的下沉结果与设计结果存在偏差，如发生下沉过缓、 难以下沉、快速突沉、超沉及沉井旆工偏差等现象2 2 】。 2 4 1 沉井下沉中出现的问题 1 、沉井下沉过缓或难以下沉 通常下沉过缓或停止下沉的主要原因是沉井井壁太薄，自重不足，土层的 土粒粗而尖，摩阻力大，下沉系数太小；另外刃脚被孤石卡住，或者挖土不足， 造成刃脚反力过大及挖土不符合要求等，也会造成下沉过缓或停滞下沉。 2 、沉井下沉过速 沉井下沉过速主要是由于下沉系数k 值过大，或者未按操作规程掏挖刃脚， 以及遇到流砂或超软弱土层等，就会发生沉井下沉过速和下沉失控的问题。 3 、沉井的突沉 沉井的突沉与沉井下沉过速相似，是指超过正常每段每次的下沉量。一般 正常的挖土下沉量只有几十毫米，较大的下沉量每次为1 5 0 2 0 0 m m ；如沉井一 次下沉量超过5 0 0 m m ，通常称为突沉。有时在淤泥质软土或流砂中突沉的现象 更为严重，每次下沉量可达3 m 之多。这样的突沉会给施工带来诸多的不利影响 因素，甚至发生难以挽回的重大安全、质量事故。 4 、沉井施工偏差 沉井施工偏差主要指沉井倾斜、位移和扭转。沉井发生倾斜、位移和扭转 第2 章沉井施工技术 的丰要原因为筑岛或沉井侧的土被水流冲空；沉井刃脚下土层软硬不均；刃 脚外的土向一侧有较多的坍塌：岛面夯实不实或不匀；没有对称均匀地抽除垫 木，未及时对州脚回填夯实；没有对称均匀挖土或吸泥；刃脚下除土过多，沉 井突然下沉；刃脚一角或一侧被障碍物卡住，没有及时发现；井外弃土过近且 堆置不均匀引起偏压；吸泥下沉时，抽水不当引起翻砂等。 2 4 2 沉井下沉中出现问题的预防、处理方法 1 、下沉过缓或难以下沉的处理 对沉井下沉过缓或难以下沉可采用2 3 3 节削述的沉井辅助下沉法予以解 决。若州脚下有障碍物阻止沉井下沉，如遇到孤石，树根、钢铁件等障碍物。 由于这些障碍物不仅阻止沉井下沉，还会导致沉井倾斜，因此应及时处理。处 理时应首先查明障碍物的性质、大小、位置等情况，然后采取相应的处理措施。 在排水的情况下，可以人工直接挖除。对于钢、铁件，则以锯断或烧割除去。 对较大的孤石可以钴眼爆破予以粉碎。在不排水的情况下，应由潜水工进行水 下作业。爆破时应严格控制药量，特别是在水下，每次总用药量不应超过o 2 k g 。 对刃脚应予以保护，防止损伤刃脚及井壁，严禁将药包放在孤石表面临空爆破。 2 、下沉过速的预防、处理 可用木跺在定位垫架处给以支撑并重新调整挖土，在刃脚下不挖或部分不挖七i 将排水法下沉改为不排水法下沉，增加浮力： 在沉井外壁间填粗糙材料，或将井筒外的土夯实，加人阻力，如沉井外部的土液 化发生虚坑时，可填碎石处理； 减少每节筒身高度，减轻沉井重最。 3 、突沉的预防 控制挖土，锅底不要挖太深；刃脚下避免掏空过多： 在沉井梁中设置一定数量的支撑，以承受一部分土反力； 控制流砂现象发生。 4 、施工中出现偏差的处理 对沉井施工中出现的偏差可采用2 5 节阐述的方法予以解决。 2 5 沉井下沉中的纠偏方法 沉井在下沉过程中，由于人员操作的局限性和实际发生的不可预测性，沉 第2 章沉井施_ 技术 井偏斜不可避免，当沉井偏斜达到允许值的1 4 时，便要纠偏。因此在下沉过程 中，要及时测量下沉位置和方向，以便及时发现问题，随时处理纠正。应针对 产生倾斜、位移和扭转的原因，采取相应措施予以纠正。纠偏的方法各种各样， 但其都有共同点，即：在沉井下沉的过程中纠偏、边沉边纠、边纠边沉。使高 低双方按不同的速率在一定的范围内达到相同或相近的标高，从而达到纠偏的 目的。常用的纠偏方法【2 2 】啦叫： 2 5 1 纠正倾斜的方法。 当排水下沉时，在刃脚较高的一侧集中挖土，在刃脚较低的一侧回填支撑。 若为不排水下沉，可在刃脚较高一侧吸泥或挖土。若此方法不能纠正倾斜，则 可在井外沉井较高侧挖土，而在较低侧填土，改变土压力，追使高侧刃脚下沉， 或用高压射水管冲刷，使射水嘴附近的土被冲散，减小土压力。还可在沉井顶 部施加水平力牵引沉井，扶正偏斜，或在沉井顶部偏放重物。由于沉井自重大， 一般可根据实际情况，同时采取几种措施，其纠偏效果较好。 2 5 2 纠正位移的方法 位移经常与倾斜同时存在，如果沉井朝有利于纠正位移方向倾斜，则应连 续均匀除土，使沉井沿倾斜方向下沉，直到沉井底面中心接近设计中心位置时 再纠正沉井倾斜，则位移也得到纠正。对人工挖土下沉的沉井，可在沉井一侧 刃脚下加铺支垫，使沉井绕支垫扭转，向有利方向倾斜，拆除支垫后，若不能 沿倾斜方向下沉，则可将支垫移至对侧落平沉井。如此反复进行，即可纠正 位移。当沉井朝着不利于纠正位移方向倾斜，则应先纠正倾斜，使沉井朝有利 于纠正位移方向倾斜，然后再按前述方法处理，以纠正位移。当沉井仅有位移 则先使其朝有利方向倾斜，然后处理。 2 5 3 纠正扭转的方法 可以采取在一侧挖土， 向正确位置。 除了常用的纠偏方法。 在另一侧填土的方法利用土压不均匀，将沉井挤 文献【2 4 l 通过总结施工实践经验，又提出了以下几种 第2 章沉井施工技术 简单实用的沉井纠偏方法。 2 5 4 通过调整沉井内外垂直向的支承力进行纠偏 1 、分格分次封底 该法适用于沉井有多个分格的情况。通过采用在低处井格先分次封底，待 其达到要求强度后再在井位高处分次挖土使井下沉以达到纠偏成功。 2 、底板下压浆顶升 该法则采用在底板下井位低处压浆顶升纠偏新工艺获得成功，这种纠偏工 艺的纠偏量容易控制，同时还可克服“超沉”问题。 3 、底板下冲( 挖) 土 在有些工程中，由于沉井平面尺寸较小和底板允许强度较小，如用底板下 压浆顶升纠偏方法效果较差，而井位标高还有一定下沉余地，就可采用在井位 高处的底板预埋取土管内冲( 挖) 土的方法进行助沉纠偏，相比底板下压浆顶升， 该法还可节省压浆材料和费用。 4 、井底加支承梁板 当沉井平面尺寸较小，井底无底粱不能采用分格封底方法纠偏时。可采取 在井位低处三分之一范围内抽条挖土槽，铺条板焊接钢支承粱。然后在井位高 处挖土下沉的方法进行纠偏封底，当底板达到要求强度后再采取压浆顶升方法 使井位抬高至要求标高。 2 5 5 通过调整沉井周边的摩阻力进行纠偏 1 、调整井点降水范围 该法通过在井位高处关闭喷射井点等技术措施，以减少井壁周围摩阻力从 而达到助沉纠偏调平的目的。实践表明效果良好。 2 、基坑局部灌水 当沉井平面尺寸大，且采用井点疏干地层方法下沉施工而倾斜较大时，可 利用井边上部土层已因沉降变形而产生不少裂隙的条件，采用在井位高处基坑 内灌水使局部井壁摩阻力减小而达到纠偏的效果。 3 、井周压注减阻泥浆 当沉井发生较大倾斜而现场有条件时，可在井边高位处压注减阻泥浆使井 第2 章沉井施工技术 助沉纠偏，相比通常使用的井边冲高压水( 或气) 的纠偏方法，该法效果更好。 2 5 6 通过调整沉井周边上部的侧向水平压力进行纠偏 l 、沉井边钻( 冲) 排孔减压 当沉井井底土层极软弱而平面尺寸较小的深沉井倾斜较大时，由于井位高 处井边上部土体的水平支撑作用，使沉井纠偏很困难。同时若井边有触变泥浆 槽，也不宣用井边挖沟槽或用高压水冲孔等方法纠偏。此时可在井边高位处钻 排孔以减少上部土体对沉井的水平支撑力的方法来进行纠偏。 2 、沉井边水平加力支撑 当沉井边土层沉降较快而沉井倾斜较大时，用斜撑等纠偏措施就会无效， 此时可采用在基坑内井位低处设置用油压千斤顶加压的水平钢支撑的方法进行 纠偏施工，结合采用井位高处井边挖沟槽、冲排孔等辅助措施，可达到良好的 纠偏效果。 3 、沉井边超挖基坑土 当沉井下沉过程中向一边倾斜时，可在另一侧井壁边适当挖除土体，使该 侧土体顶标高降低，从而减小井壁的侧向水平土压力及土壁摩阻力，以达到沉 井向该侧方向逐步移位而达到纠偏的目的。 2 8 沉井封底的方法 当沉井下沉到距设计标高0 i m 时，应停止井内挖土和抽水，使其靠自重下 沉至设计或接近设计标高，再经2 3 d 下沉稳定，或经观测在8 h 内累计下沉量 不大于1 0 m m 时，即可进行沉井封底，封底方法有以下两种： 2 6 1 排水法封底 排水法封底即干封底。封底前首先将新老混凝土接触面冲刷干净或打毛， 对井底进行修整使之成锅底形，由刃脚向中心挖放射形排水沟，填以卵石做成 滤水暗沟，在中部设2 3 个深1 2 m 的集水井，井间用盲沟相互连通插入直 径为6 0 0 8 0 0 m m 四周带孔眼的钢管或混凝土管，或钢筋笼外缠绕1 2 号铁丝， 间隙l m m ，外包二层尼龙窗纱，四周填以卵石。使井底的水流汇集在井中用潜 第2 章沉井施工技术 水电泵排出，并保持地下水位低于基底面0 5 m 以下。 可采用分格浇筑法其先后顺序及每次格数，要根据下沉终止时的刃脚步 高差及井格内涌土情况而定，集水井在混凝土达到设计强度后方可封堵。封底 一般铺一层1 5 0 5 0 0 m m 厚的碎石或卵石层，再在其上浇一层厚约o 5 i 5 m 厚 的混凝土垫层，在刃脚下切实填严，振捣密实，以保证沉井的最后稳定。在垫 层达到设计强度的5 0 后，在垫层上绑钢筋，两端伸人刃脚或凹槽内，而后浇 灌上层底板混凝土。封底混凝土与老混凝土接触面应冲届6 干净；浇筑应在整个 沉井面积上分层、同时、不间断地进行，由四周向中央推进。每层厚3 0 0 5 0 0 m m ， 并用振捣器捣实，当井内有隔墙时，应前后左右对称地逐孔浇筑混凝土，采用 自然养护。养护期间应继续抽水，待底板混凝土强度达到7 0 后对集水井逐 个停止抽水，逐个封堵。封堵方法是将滤水井中水抽干，然后在套管内迅速用 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四周焊接 封闭，上部用混凝土垫实捣平。 2 6 2 不排水法封底 不排水法封底即水下封底。当井底涌水量很大或出现流砂现象时，沉井应 在水下进行封底。在浇筑混凝土前，应先清除井格中的泥渣，再清除与混凝土 所有接触的部位的泥渣。浇筑水下混凝土需确保连续不断地供应混凝土，当水 下混凝土强度满足设计要求后方可抽水。封底水下混凝土采用提升导管法灌注， 灌筑方法同灌注桩施工方法。待水下封底混凝士达到所需强度后( 一般养护7 1 4 d ) ，方可从沉并内抽水，检查封底情况，进行检漏补修。而后按排水封底方法 施工上部钢筋混凝土底板。 2 7 沉井的裂缝控制措施 沉井位于地下，有较高的防水要求，控制裂缝显得十分重要。沉井的裂缝 分为三种，即下沉前的裂缝、下沉过程中的裂缝及下沉后的裂缝。般来说， 下沉后荷载及温度变化很小，不易出现后期裂缝。 一般情况下在沉井下沉过程中，其不均匀下沉是不可避免的，施工中通常 根据实测数据不断调整修正。沉井的不均匀下沉引起沉并结构的内力与不均匀 第2 章沉井施工技术 下沉的特征有关一1 。 l 、不均匀下沉时，若沉井在变形前的任一水平面变形后仍保持平面，则产 生均匀差异沉降，此时沉井处于整体受力状态，由于沉井结构整体刚度很大， 在结构中产生的内力极小，对沉井结构的影响较小。 2 、不均匀下沉时，若沉井在变形前的仟一水平面内变形后不能保持平面， 产生扭曲差异沉降，此时由于扭曲变形，在井壁和井内的支撑构件上产生较大 的局部作用，导致裂缝甚至局部破坏。以沉井中的一片墙体为例，如图，其乎 面内刚度很大可近似为一刚体，当点下沉量较大而点搁置时，将产生向一侧的 转动，越近顶部，水平转动量越大。若与其对称的墙片也产生同样的转动，则 属均匀差异沉降，对结构影响较小；若对称的墙片没有产生同样的转动，甚至 产生相对转动，则属扭曲差异沉降，将导致井筒平面的扭曲越近顶部，扭曲 量越大。使得这两片墙间的联结构件的顶部( 墙或中间支撑构件) 产生平面外弯曲 ( 剪切) 裂缝。扭曲作用对联结墙片产生的作用可按结构力学方法计算。 取单位高度墙片分析，设左端产生的扭曲变形为，右端的扭曲变形为，两 端变形方向相反。由转角位移方程可求得扭曲作用在联结墙片中产生的固端约 束力矩为： m o = 6 e i ( a ，+ j ) ，2 由于联结墙片两端并非固定墙，发牛扭曲的两个墙片将与联结墙片共同转 动，考虑调整系数( 与相邻墙片的转动刚度有关，当相邻墙片的转动刚度相等时， 取) ，实际扭曲在联结墙片中产生的内力为： 弯矩：m = 6 a e i ( a + ) t 2 剪力：q = 1 2 a e i ( a ，+ 。) t 3 对于中间支撑梁，由于其在扭曲作用平面内的抗弯剐度与相邻的墙板相比 一般比较小，可近似( 偏安全) 认为中间支撑梁两端固定于墙片。扭曲作用在中间 支撑梁两端产生的内力为： 弯矩：m = 6 e i ( a + ) ，2 剪力： q = 1 2 e i c a 十) l 3 从理论上，当扭曲作用在联结墙片单位高度上产生的弯矩或在中间支撑梁 上产生的弯矩大于其各自的抗裂能力时，在沉井中墙片与墙片或梁与墙片交会 处墙和梁的侧面将产生弯曲裂缝，由于在沉井顶部处，扭曲作用在联结墙片和 中间支撑梁中产生的弯矩最大，裂缝在沉井顶部也最严重，自顶部向下逐渐减 第2 章沉井施t 技术 弱，最后消失。 对于支撑梁，由于在正常使用中以受压为主，裂缝对承载力没有影响；而 对井壁，由于它丰要承受外侧土( 水) 压力产牛的弯矩和剪切，当裂缝有可能贯穿 时，影响其承载力( 尤其是井壁的抗剪能力) 。但一般外侧土( 水) 压力产生的弯矩 和剪切作用在井壁的中下部较大，而上部较小，与井壁裂缝上部产生相错开， 所以对结构正常使用时的安全影响不大，但就其耐久性而言，一旦裂缝贯穿， 裂缝有可能渗水，不及时处理将会导致钢筋锈蚀，从而使结构承载力下降，影 响结构的安全。因此，当产生裂缝时，在沉井下沉结束后应及时采取补救措施， 封闭已形成的裂缝，提高结构的耐久性。 通过以上分析可以看出，由于沉井下沉过程中有可能产生均匀差异沉降和 扭曲差异沉降，而后种沉降会在结构中产生较大的内力，可能导致井壁和支撑 梁等结构构件严重裂缝，对沉井的承载力和正常使用有一定的影响，因此在沉 井下沉过程应控制不均匀沉降量。 3 、下沉前的裂缝控制措施 在地上浇灌井壁混凝土，要预防温度收缩引起的开裂。其温度变化裂缝控 制方法与中体积混凝土裂缝控制方法相同。首先从设计上加强水平构造钢筋， 沉井的穿墙孔、设备过道都要用构造钢筋加强。井壁的上下端头做成暗梁式。 混凝土施工中，必须组织好混凝土连续供应，防止冷缝的产生，尽量减少施工 缝，采用薄层连续浇筑。混凝土浇筑后必须潮湿养护，外部设挡风棚，防止剧 烈的风吹日晒。本工程沉井在冬季施工，环境温度在1 4 0 c 左右，没采取特殊的 冬季施工措施，只采用了一般的蓄热法旅工，用两层草袋覆盖保温，在迎风面 设挡风棚，混凝土强度等级不变，适当增加了水泥用量提高混凝土早期强度， 泵送混凝土中掺加了减水剂。由于水化热温度应力的矛盾退居第二位，沉井强 度问题显得更为重要。沉井冬季施工主要靠水泥的水化热自我养护，只要入模 温度处于零度以上，其后温度逐渐上升，混凝土不会受冻。 4 、下沉过程中的裂缝控制措施 大型沉井下沉中出现裂缝颇为常见，往往导致严重渗漏这是个很重要 的技术难题。一般来说沉井下沉以摇摆方式下沉，而非均匀下沉。下沉中承受 的非均匀的侧土压力难以准确计算，所以结构物的断面往往凭借经验或者基于 简单的假定( 与实际出入较大) 计算而得。控制沉井的裂缝，首先是搞好设计和构 造措施及相应的加固措施，但关键是在于施工下沉技术。变形变化引起的应力 第2 章沉井施工技术 状态与变形速率有关，所以为控制裂缝必须尽一切可能使变形缓慢，从而使混 凝土的松弛性能得到完全发挥。采用“微调慢沉”是控制沉井裂缝的最有效措 施，也可以称之为“缓慢摇摆下沉”。在沉井初始下沉阶段，尤其是拆除州脚砖 垫座时，必须对称均匀的隔断拆除。防止地基反力剧烈地非均匀分布引起井壁 开裂。 2 1 1 沉井倾斜与位移的测量方法 由于沉井的下沉主要是通过自重及井内挖土来实现的，因此在沉井下沉过 程中不可避免的会产生倾斜和位移，对沉井位置的控制，国家有专门的规定， 文献 1 2 1 规定：沉井位置标高的控制是在沉井外部地面及井壁项部四面设置纵横 十字中心线水准基点以控皋4 位置和标高。沉井垂直度的控制是在并筒内按4 或8 份标出垂直轴线，各吊线锤一个对准下部板进行控制。挖土时随时观测垂直度： 当线锤离墨线达5 0 m m 或四面标高不一致时即应纠正。 因此为了及时准确的掌握沉井的倾斜、位移情况以便指导下一步的施工过 程从而校正沉井，需要经常进行其倾斜与位移的检查。国家标准要求为沉井下 沉过程中每班至少测量两次，如有倾斜、位移应及时纠正【2 5 】。 2 8 1 沉井的倾斜测量 测量沉井的倾斜常用如下方法： l 、直接测定中线法 该法一般适用于旱地沉井的施工。在早地沉井的施工过程中，首先在沉井 外壁的混凝土面上绘出中线位置，然后将经纬仪架设在纵横轴线控制桩上，直 接观测在沉井外壁上所示出的沉井中线。该法简单可靠，精度高。 2 、测定沉井四角或中线端点高程的变化 该法是利用水准仪测定沉井四角或中线端点的高程，通过与下沉前的理论 高程比较可计算得到的沉井的倾斜率。 3 、悬挂垂球线法 该法与直接测定中线法不同之处在于一般是在沉井的内壁绘出沉井的中心 线，然后将挂有垂球的工形支架靠在中心线上，通过垂球的位置得到沉井的倾 第2 章沉井施t 技术 斜值。 4 、水准器测量法 这种方法是在沉井的内壁上预设几个管水准器，通过水准器气泡的偏移格 数计算沉井的斜率。 2 8 2 沉井的位移测量 沉井的位移有平移及因倾斜而产生的位移两种形式，不过实际工程中这两 种位移通常是同时出现的。 l 、倾斜位移的计算 当用水准仪测出中线端点各点的高差以后，即可按下式算出因倾斜而产生 的位移值。若在两中线方向上都存在倾斜，则需分别进行计算。 t a n 。= 石h = 鲁则倾- - l d t 式中：一因倾斜而产生的位移 h 一中线两端的高差 d 一沉井的宽度或长度 h 一已浇注的沉井的高度 2 、平移及倾斜综合影响产生的位移的计算 工程上对沉井由于平移和倾斜影响而综合产生的位移的度量，一般是用沉 井顶面中心的位移及刃脚中心的位移进行衡量的。在测出沉井顶面中心的位移 后，然后根据沉井的倾斜情况计算出刃脚中心的位移，从而就可以得到平移及 倾斜综合影响产生的沉井倾斜的情况。沉井顶面中心的测量方法是在中心线的 一个控制桩上架设经纬仪，照准另一个控制桩的标志点，然后将视线投到沉井 顶面，与沉井中心线两端的标志点进行比较，即可求得两端点标志的位移值 根据两端点标志的偏移值，可得到沉井中心的偏移。 即： a r i i - - 垒土垒! 刃= 倾顶 第3 章沉井施工中的设计 第3 章沉井施工中的设计 由于沉井的下沉主要是依靠自身的重力，通过克服井壁与土体的摩擦阻力 和刃脚反力以及地下水的浮力来完成的，因而，沉井在施工及使用阶段受到的 作用力就为沉井白重井壁外侧的土压力水压力和侧摩阻力以及井底反力和上部 结构传来的荷载等。沉井施工中的设计一般涉及到以下两项：沉井的垫层设计 用来设计预制的支撑垫层的样式；沉井的下沉系数的计算，用来做为采用何种 施工方案的重要依据之一。随着科学技术的发展，对沉井下沉过程中其下沉量 随开挖量的关系则成为人们研究的一个新兴热点。以下将就上述问题分述。 3 1 沉井的垫层设计 目前对于预制沉井的垫层形式，按刃脚下的支垫形式可分为有垫木施工与 无垫木施q - e 2 州。以下将就这两种形式进行探讨： 3 1 1 有垫木施工 有垫木施工即在沉井刃脚下的砂垫层上对称均匀地铺设枕木，再在其上预 制沉井。沉井的重量通过枕木、砂垫层扩散到地基上，以确保沉井制作与初沉 过程中的地基稳定( 圈3 - 1 ) 。枕木数量、砂垫层厚度可由计算确定。 一夏 蕊 ht 耷o k + h t 镕奄 瓣 图3 1 有垫木施工 沉井有垫木施工是一种常规施工方法。对小型沉井，垫术抽取比较方便 第3 章沉井施工中的设计 此法较为实用。但对大型沉井，由于沉井自重较大，地基的承载力有限，常常 会出现枕木用量大、损耗量大，并且抽出圃难等不利因素，而且容易造成枕木 被刃脚切断或随沉井下沉从而为施工造成隐患。同时在抽取枕木时，由于沉井 受力状态不好，不能保证其受力情况稳定，可能会发生沉井振动，甚至造成州 脚、井壁产生竖向裂缝。 3 1 。2 无垫木施工 由于有垫木施工的缺陷，因而，目前较常用的支撑方式一般为无垫木施工。 即在刃脚下用混凝土垫层取代枕木( 图3 2 ) 。混凝土垫层与砂垫层的计算可采用 下式： r ! ：g ! ! ：g ! 心g ! 音 随2 图3 - 2 无垫木施工 删5 ( 鼍_ 6 ) 式中：h 一混凝土垫层厚度( m ) ； g o 一沉井下沉前单位长度的重量( k n m ) 风一砂垫层的允许承载5 0 ( k p a ) b 一刃脚踏面宽度( m ) 。 鱼一6 2 砂垫层厚度： 托= 矗 式中：h 。一砂垫层厚度( m ) ； p 一地基土的承载力( k p a ) 第3 章沉井施工中的设计 a 一砂垫层压力扩散角。 无垫木施工要求砂垫层密实，需分层夯实，垫层的混凝土强度等级一般不 要太高( 1 0 2 0 m p a ) ，宽度比刃脚踏面每边宽出o 1 0 m ，以便支立模板。支模前 在混凝土垫层表面涂抹或铺垫隔离层，方便下沉时拆除。下沉前用大锤、风镐 等工具对称地将混凝土垫层打碎清除。 3 2 沉井的下沉系数计算 沉井下沉之前应对结构的外观进行全面检查，主要检查混凝土的强度抗渗 等级，验算地基极限承载力下沉的分段摩阻力及分段的下沉系数。下沉前混凝 土的强度必须达到设计强度的1 0 0 ，沉井下沉必须克服井壁与土层间摩擦力地 层刃脚的反力和水的浮力。下沉系数的验算一般有两种计算方法：一种是假定 摩擦阻力随土深而加大，并且在5 m 深时达到最大值，5 m 以下时，保持常值， 如图3 3 b 所示，另一种是假定摩阻力随土深而增大，在刃脚处达到最大值，如 图3 3 c 所示。一般按前者计算偏于安全，而后一种比较符合实际情况。在确定 采用何种摩擦阻力计算假定后，可按下式验算下沉系数1 2 “”j 。 k 爿q b w t + r ) ( 3 - 2 ) 式t # k 一下沉安全系数一般宜大于1 1 5 q 一沉井自重及附加