大长细比超深沉井施工技术.pdf

2 0 0 9 年 1 0月 第5期总第 1 6 3 期 巾国灌湾建设 c h i n a ha r b o u r e n g i n e e ri n g oc t ， 20 0 9 t o t a l 1 6 3， no 5 大长细比超深沉井施工技术 郭胜英 ，房延懋 ( 中国港湾工程有限责任公司，北京 1 0 0 0 2 7 ) 摘 要：复杂地质条件下，大长细比超深沉井在超软土层中下沉采取阻沉技术，在硬土层中下沉采取助沉技术，并 在下沉过程中采取防倾斜、纠偏和防突沉较难技术措施，使得大长细比超深沉井垂直、均匀下沉到位，取得了较好 的经济效益和社会效益。 关键词：大长细比；超深沉井；技术措施 中图分类号 ： u 6 5 5 5 4 4 5 文献标识码 ： b 文章编号：1 0 0 3 3 6 8 8 ( 2 0 0 9 ) 0 5 0 0 4 8 0 5 co n s t r u c t i o n te c h n o l o g y o f la r g e s l e n d e r n e s s ra t i o ul t r a - d e e p w e l l g uo s h e n g - y i n g ， ( c h i n a h a r b o r e n g i n e e r i n g c o ， fang ya n- ma o l t d ，b e i j i n g 1 0 0 0 2 7 ，c h i n a) ab s t r a c t ： un d e r c o mp l i c a t e d g e o l o g i c a l c o n d i t i o n s ， l a r g e s l e n d e r n e s s r a t i o u l t r a d e e p we l l s i n k s i n t h e u l t r a - s o ft s o i l b y p r e v e n t e d s i n k i n g me t h o d， s i n k s i n h a r d s o i l b y a s s i s t e d s i n k i n g me tho d，a n d i n the p r oc e s s o f s i n k i n g t o t a k e d i t fic u l t t e c h n i c a l me a s u r e s o f an t i t i l t ， c o r r e c t i n g ， an d p r e v e n t s u d d e n s i n k i n g t o ma k e l arg e s l e n d e rne s s r a t i o u l t r a - d e e p we n s v e r t i c a l l y an d e v e n l y s i n k i n the p o s i t i o n i t a c h i e v e d g o o d e c o n o mi c and s o c i al b e n e fi t s ke y wo r d s ：l a r g e s l e n d e r n e s s r a ti o ；u l t r a - d e e p w e l l s ；t e c h n i c al me asu r e 1 概述 越南胡志明市环境卫生工程运河井系圆形沉井 ，为地 下顶管工作井。沉井内径 9 m，外径 l 1 m，井壁下部厚 1 2m，上部厚1 m，下沉深度达4 1 2 5 m，长细比超过 4： 1 ， 而且地质条件十分复杂。上层为 n=01 、15 、含水量 大于 1 0 0的淤泥质黏土层 ，2 6 m以下为砂质粘土，最大 标准贯入击数 n=5 4 。沉井在超软土层中下沉采取阻沉技 术 ，在硬土 中下沉采取 助沉技术 ，同时在 下沉 过程 中要采 取防倾斜 ，纠偏和防突沉措施 ，安全优质地完成该项工 程，取得了较好的经济效益和社会效益。 2 施工关键技术 ( 1 )防倾斜，防突沉，保证沉井在软土层中初沉质量 和垂直度的控制。 ( 2 )沉井在下沉中要穿透上软下硬的复杂地层，阻沉 与助沉施工技术并用。 ( 3 )当上层土质太软时，为避免沉井发生突沉，必须 采取相应 的防突沉技术 。 ( 4 )沉井长细比较大，重心较高，稳定性较差 ，下沉 收稿日期：2 0 0 9 - 0 7 2 2 作者简介：郭胜英 ( 1 9 6 4 一) ，女，河北石家庄人，工程师 ，从事港口 航道工程管理工作。 过程中必须采取垂直度控制技术。 ( 5 )沉井穿过的土层较多，根据具体情况，采用排水 下沉或不排水下沉，以方便施工，降低成本，提高质量与 安全性 。 3 工艺原理 复杂地层中超深沉井下沉工艺原理是 ：针对不同地 层 ，采取减小沉井在软弱土层中的下沉系数，增加沉井在 坚硬土层 中的下沉系数等不 同的技术手段 和措施 ，使 沉井 能均匀 下沉 ；同时采 取相 应 的防倾斜 ，纠偏 和 防突沉措 施，使沉井能竖直地下沉到位。 4 施工工艺流程 施工工艺流程见 图 1 5 施 工工艺 5 1 施 工 准 备 沉 井开 工前首 先对 周边环 境与 地质 条件做 周密 的调 查 ，调查的主要 内容有 ： ( 1 ) 工程地质情况 ：各地层土质物理力学指标，地下 水情况等； ( 2 )建筑物情况：房屋 、道路 、地下管线及其它建筑 物情况，是否会受沉井施工影响，制定相应的预防措施及 应急预案； 2 0 0 9 年第 5期 郭胜英，等：大长细比超深沉井施工技术 4 9 砂垫层与混凝土 垫层厚度计算 模板、 钢筋加 工安装 、 绑扎 循 环 混凝土拌制运输 混凝土拌制运输 施工准备及测量放线 分层下沉系数计算 软弱土层地质改良 砂垫层与混 i 凝土垫层施工 l 二 i 篓 = f 五 i i； 混 凝 土浇筑 l i ：= =： ： =： ： 二 首次混凝土养护 i 达到规定强度 l 二 混凝土垫层凿除 i 砂垫层挖除 i 定位置( 不排水下 弃土外运 沉时需向井内补水)l 一 浇上节沉井混凝土 ( 沉井接高) 必要时 预埋助沉注浆管 模板 、 钢筋安装 绑扎 、混凝土拌 制与运输 卜匦 至 设 计 标 高 i i ： ! ：! =三 皇 沉井稳定后浇 l 封底混凝土 l 浇筑底板混凝土 钢筋加工 、 绑扎 图 i 施工工艺流程 ( 3 )工程用水电、必要的施工场地等情况。 通过上述调查 ，确定施工总体方案与总平面布置。 5 2 测 量放 线 根据业主提供的测量 基准点 ，布置整个工程的测量控 制网。控制网点应设在沉井施工影响的范围之外。 5 3 沉井施工设计计算 ( i )沉井下沉系数计算 每座沉井施工前必须先作下沉系数计算，以确定沉井 是否能够顺利下沉到位，或下沉时是否采取相应的措施， 如地质改良、膨润土泥浆套助沉 、灌砂助沉等 ，从 而确定 经济合理的施工方法。 沉井能够按要求下沉至设计标高，必须满足下式： kl = 1 0 51 1 5 ( 1 ) 式中： 为沉井下沉系数 ；g为沉井自重 ( k n ) ；b为地 下水对沉井 的浮 力 ( k n ) ； 为 沉井井壁与土 的总摩 阻力 ( k n ) ；p为沉井 刃脚 下的总端 承力( k n ) 。沉井如在软土 中下沉 ，取 k 1 0 5 ；如在一般 土层中下沉 ，取 ， 1 1 5 。 ( 2 )沉井稳定系数计算 分段制作下沉的沉井接高前，需进行沉井稳定系数计 算 ，以确定 沉井在接 高加载 过程 中是否稳 定 ，是否会 下 沉 。沉井稳定系数计算公式如下 ： l ( 2 ) 式中：g为沉井接高后的自重，k n ；b为接高时沉井所受 地下水的浮力，k n；t为接高时沉井井壁的摩阻力，k n； 为刃脚踏面及斜面下土的支承力，k n 。 l = ( c + 牛 r j ( 3 ) 式 中 ： 为沉井外壁 轴线周 长 ，it i ；c为刃脚踏 面宽度 ， m；n为刃脚斜 面与井内土壤接触面的水平投影 ，m；r 为 刃脚下土的极 限承载力，k n m 。 每次沉井接高时 ，根据当时沉井的高度、尺寸、刃脚 所处土质情况、地下水位等，确定公式 ( 2 )中的各数值， 从而计算出下沉稳定系数。 若 k ： l ，则说明沉井接高加载时不稳定，会 下沉 。若要制止混凝 土浇筑过程 中的下沉 ，可向沉井内刃 脚处 回填砂 ，以增加刃脚下 的支承力 尺 。 ，使 1 ；或向井 内灌水 ，增浮力 ，使 1 。若刃脚下土质均匀，也可不 采取上述措施 ，允许沉井接高时均匀下沉。 ( 3 )砂垫层厚度计算 为保证首节( 刃脚)浇筑过程 中沉井稳定 ，沉井的基 础 要先做处理 ，处理方法一般是做 砂垫层和混凝 土垫层 。 砂垫层 和混凝土垫层厚度根据地基土的承载力与砂垫层的 承载力 ，经计算确定。 砂垫层计算公式： 一 b一2 hc h s = 一 ( 4 ) t ana 式 中 ：g 。 为沉井下沉前单 位长度的重量 ，k n m；h 为 砂 垫层厚度 ，n l ；p为地基承载力 ，k p a ； 为砂垫层压力 扩 散 角 ， ( 。 ) ；b为刃脚踏面宽度 ，n l ；h 为混凝土垫层厚 度 ，m。 ( 4 )混凝土垫层厚度计算 混凝土垫层厚度计算公式： h c = 0 5 ( c ro一 ) ( 5 ) 式 中：h 为混凝土垫层厚度 ，m；g 。 为沉井下 沉前单位长 度的重量，k n m；r 为砂垫层的允许承载力，k p a ；b为 刃脚踏面宽度 ，m。 5 4砂垫层与混凝土垫层施工 ( 1 )基槽开挖尺寸确定 根据上述计算，确定基槽的开挖深度与宽度。 基槽开挖深度： h +h s ； 基槽底开挖宽度： 6+2 h c +2 h s “ t a n a 。 基槽可用机械开挖或人工开挖 。垫层施工期间 ，基槽 5 0 中国港湾建设 2 0 0 9年第 5期 边坡要保持稳定。基槽开挖后不宜放置过久，要立即施工 垫层。 ( 2 )砂垫层施工 基槽开挖好后要立即施工砂垫层。砂垫层的材料应是 中粗砂，分层夯实，含泥量控制在 5 以内。 ( 3 )混凝土垫层施工 砂垫层完成后，在砂垫层顶面安装模板，浇筑混凝土 垫层。混凝土垫层一般 1 0 1 5 mp a即可，宽度比刃脚踏面 每边宽出 5 1 0 c m，以便沉井模板安装。沉井模板安装之 前在混凝土垫层表面涂抹或铺垫隔离层 ，以方便下沉前 的 拆除。沉井下沉前用锤、风镐等工具对称地将混凝土垫层 打碎清除。为保 护砂垫层在施工 中不被破坏 ，混凝 土垫层 施工后，可将砂垫层回填至混凝土垫层顶标高。 5 5 沉井制作 ( 1 )模板 模板用吊机安装与拆卸。沉井浇筑接高混凝土时可能 产生沉降，故模板安装时不宜使用着地的支撑 ；模板的对 穿拉杆应有止水措施 ，采用两端带杯 口的工具式 拉杆 ，拆 除杯口后用砂浆封填，使拉杆两端不露出混凝土表面。 ( 2 )钢筋 为保证钢筋绑扎质量，在脚手架上画出竖向和横向钢 筋的位置。绑扎时钢筋对准所画标志，必要时可增加临时 骨架。钢筋接头的位置、焊接等要符合规范规定。 钢筋绑扎和模板安装时，井内要设操作平台，井外搭 设脚手架，以保证操作工人的安全。 ( 3 )混凝土 混凝土的各种原材料、配合比应符合要求。混凝土配 料搅拌应按批准的配合比进行，以确保混凝土强度、抗渗 指标满足要求。 混凝土入模板应均匀、对称，以保证下部沉井所受荷 载分布均匀而不至于倾斜，同时有利于模板受力。混凝土 入模必须 分层振实 ，分层高度 以 3 0 5 0 c m 为宜 ，用插入 式振捣器对称振捣密实。每次混凝土浇筑完后顶面应水 平，以使两次浇筑的混凝土接缝水平美观。 5 6 沉 井下 沉 ( 1 )混凝土垫层与砂垫层拆除 刃脚混凝 土达到规 定强度( 设计强 度 的 7 5 1 0 0 ) 后，方可拆除垫层。混凝土垫层可用风镐凿除刃脚踏面以 外的部分 ，保 留踏面以下的部分 。混凝 土垫层 凿除后即可 挖除砂垫层 ，完成沉井搁置于垫层基础上到搁置于原土壤 上的转换过程。 凿除混凝土垫层与挖砂垫层时，一定要注意对称、同 步、均匀 ，精心操作。因为此时沉井重心较高，沉井处于 最不稳定 、最容易倾斜的危险状态，稍有失衡，沉井随时 可能倾斜和移位。 ( 2 )挖土下沉 混凝 土垫层与挖砂 垫层凿 除后 ，即可在 沉井 内挖 土 ， 使井壁所受的摩阻力逐步减小，沉井便徐徐下沉。 沉井排水下沉便于操作，成本低，效率高，工期短， 有利于下沉质量、安全控制，有利于环境保护与现场文明 生产 ，是沉井下沉施工的优选方案。根据地质条件和特点 ， 有的沉井需先后采取排水下沉和不排水下沉两种方法 。 挖土方法一般有 吊机配抓斗挖土 、空气 吸泥挖土 、水 力吸泥挖土、钻机钻挖等。排水下沉的沉井还可人工或挖 掘机在井下将士挖到土斗内，由吊机吊至地面。 ( 3 )超软土层中的阻沉措施 采用砂桩或石灰桩改 良加 固软弱地基是有效 的阻沉措 施2 1 。桩的深度根 据软弱 土层厚 度确 定 ，间距 根据沉井平 面尺寸与土质确定。计算表明，经土体加固后的复合地基 承载力可 以达 到天然地基承载力 的 2倍左右 。图 l 是越南 胡志明市环境卫生工程第七合同段运河井软基改良石灰桩 平面布置图，图 2 是现场施工照片。 a 厂 生 石灰 一 4、 桩顶 4 0 oc m用粘土封堵 。 图 1 胡志明市软基改 良石灰桩平面布置图 图 2 石灰桩施工现场 ( 4 )沉井防倾斜措施 为保证沉井下沉垂直度 ，防止倾斜，在沉井周边浇筑 钢筋混凝土导向圈梁，加强对沉井的控制。如图3 。 ( 5 )下沉 纠偏措施 在倾斜方向一侧打入硬木楔子，使沉井在下沉过程 中逐渐恢复竖 直状态 。如图 4 。 偏心挖土，达到纠偏的目的。 倾斜严重时还可采取沉井顶部高侧偏心压载或低侧 井壁上安装钢牛腿支撑等方法纠偏。如图5 、图 6 。 2 0 0 9年第5期 郭胜英，等：大长细比超深沉井施工技术 5 1 图 3 沉井导向圈梁 图 4 木楔 限位纠偏 图 5 偏心压载纠偏 ( 6 )下部硬土层中的助沉措施 膨润土泥浆润滑助沉 为保证沉井在硬土中下沉 ，在 刃脚外壁台阶处沿井周 预埋一直通到井顶的膨润土泥浆注浆管 。用注浆泵沿注浆 管向井外 壁注人膨润土泥浆润滑 ，以减小井壁摩阻力 ，从 而增加沉井的下沉系数。如图 7 。 图 6 牛腿支撑纠偏 图 7 注膨润土泥浆 井壁外钻孔减阻助沉 若井内挖土和膨润土泥浆减阻 ，沉井仍然不下沉 ，则 需减小井外壁的摩阻力了。具体方 法是用钻机贴近沉井外 壁钻一排孔 ，孔 内是膨润土泥浆 ，以减 小井外壁与土 的摩 阻力 。如图 8 。 图 8 井壁外钻孔减阻助沉 井顶压载 井顶压载实质是增加沉井的重 量 ，从而增加沉井的下 沉系数助沉。如图9 5 2 中国港湾建设 2 0 0 9年第 5期 图 9 井顶压载助沉 井内抽水 井内抽水减小水对沉井的浮力，从而增加沉井的下沉 系数助沉 。 挖除刃脚下的土 旨在减小或消除沉井所受的端承力。对排水下沉工艺 施工的沉井，可人工或机械直接下到井底挖除，对不排水 下沉的沉井，则需由潜水员水下挖除。 5 7沉井封底 为确保沉井底部所有面积均在混凝土流动半径复盖范 围之内，一般采用多根导管封底 ，下料时要均匀，保证封 底混凝土顶面均匀上升 。 5 8沉井底板施工 待封底混凝土达到规定强度后，抽干沉井内的水 ，按 设计要求设置抗剪锚固钢筋，浇筑底板混凝土。 6 质量控制 6 1 施工准备阶段的质量控制 ( 1 )明确并熟悉施工本沉井所执行的规范、规定、法 规等 ； ( 2 )调查并了解施工所在地的水文、地质、周边环境 ( 建筑物、管线等) 、三通一平、材料供应渠道等； ( 3 )熟悉图纸 ，设计文件 ，编制并报批施工组织设 计 ，以指导施 工； ( 4 )所用的各种原材料 ( 水泥、外加剂、砂、石、钢 筋、膨润土等)按规定检验合格 ； ( 5 )各种仪器、计量设备要通过相关单位的检验 、