电厂大型泵房沉井设计与施工.pdf

第 3 0卷第 4期 v0 l _ 3 0 no 4 建筑施t b u i l d i n g c 0 n s t r u c t 1 0 n 电厂大型泵房沉井设计与施工 de s i gn a nd con s t r u c t i on o f ope n cai s s on f or l a r ge pum p st a t i on i n p ow e r pl a n t 口 王 研 明 ( 中国电力顾问集团公司华东电力设计院 上海 2 0 0 0 6 3 ) 【 摘 要】 泰州电厂大型泵房工程位于长江大堤内侧，沉井平面尺寸大、下沉深度深、重量重，沉井下沉容易发生偏位 、管 涌、基础桩破 坏等工程事故 ，通过 对沉井结构设计合-f) l -g c，并对下 沉方式和下沉 系数 的详 细分析 ，实施 了有效的深 井降水 ， 严格监测 沉井下沉 ，确保 了沉 井的 高精度 下沉到 位 ，有效地保护 了基 础桩 ，解决 了长期 以来大型沉井下桩基 易发 生偏 移、断桩 的难题 ，值得推 广和借鉴 。 【 关键词 】沉井结构 深井降水下沉 基础桩保护 【 中图分类号】 u 4 5 5 4 6 ， 文献标识码 b 【 文章编号】 1 0 0 4 1 0 0 1 ( 2 0 0 8 ) 0 4 0 0 2 9 5 0 3 0 引言 沉井施工法是深基础施工 中采 用的主要施工方法之 一 ，它与基坑围护施工相比具有施工简单， 速度快 ， 安全可 靠 ； 与基坑放坡大开挖施工相比， 具有占地面积小 ， 挖土量 少， 对邻近建筑物影响比较小等优点。沉井常用于取水构筑 物、 排水泵房、 各类隧道( 管道 ) 的盾构或项管工作井， 以及桥 梁墩台基础、 防浪( 波 ) 堤护岸工程等。目前国内在沉井结构 设计与施工方面积累了丰富的经验， 沉井的平面尺寸和下沉 深度已达到相当的规模 ， 但是近年来沉井施工过程中屡屡发 生工程事故 ， 如沉井歪斜、 突沉、 管涌， 井下工程桩倾斜 、 断 裂， 突沉引起的人身伤亡事故， 以及沉井封底后继续下沉等 ， 分析其原因主要是对地质条件特别不良地质情况认识不够 或重视不够； 施工措施不到位， 降水不当， 盲目挖土： 设计上 结构布置不合理等。 本文针对长江岸边复杂地质条件下大型 泵房沉井的设计与施工提出一些安全可靠、 经济合理的技术 措施 ， 使得 工程高质 量如 期完成 。 1 工程概况 泰州电厂工程一期建设 2 1 0 0 0 m w超超临界机组， 规 划容量为 4 1 0 0 0 m w超超临界机组。 一期循泵房工程位于 厂区内西南角 ， 距长江大堤约 1 0 0 m 。循泵 房的地下结构 尺 寸为 4 5 4 m3 8 4 m， 泵房间运行层标高为 4 o m， 滤网间 为 7 o o m ， 内底标高为 一 1 1 o m， 室外设计地坪 3 7 o m， 外墙 厚 1 6 m，内墙 厚 1 o 1 2 m 。地 下结构采用钢筋混凝 土结 【 作者简介 】 王研明( 1 9 6 3 一) ， 女， 本科 ， 高级工程师。联 系地 址 ： 上海武宁路 4 1 5号( 2 0 0 0 6 3 ) 【 收稿 日期】 2 0 0 8 0 4 0 2 蛹 构， 沉井法施工， 刃脚底标高 - 1 5 8 0 m ， 下沉深度约 1 9 5 m 。 由于泵房刃脚位于号粉砂层上，其下卧层为较软弱的 号粉质粘土 ， 不能作为天然地基持力层 ， 因此沉井底部采用 由1 0 0 0 m m钻孔灌注桩基础， 桩长约 4 2 m， 桩基持力层为 号中粗砂层。 2 工程特点 2 1 泵房 平面尺寸大 ， 下沉深度深 沉井平面尺寸为： 4 5 4 m3 8 4 m ，下沉深度为 1 9 5 m ， 沉井重量达 2 1 5 0 0 t ， 对沉井制作、 下沉、 降水、 挖土施工要 求均很高 ； 尽量避免沉井沿长边方向的偏移。 2 2地质条件复杂 区域表层为填土， 平均厚度 2 7 m ， 该层土的承承载力较 小， 沉井制作时， 须采取一定的措施： 沉井上部穿越淤泥 质粉质粘土容易产生突沉、 倾斜 下部穿越 粉质粘土与粉 土互层、 粉砂层， 容易产生流砂。 2 3 不利的区域环境 本 工程沉 井在 长江大堤 内侧 ， 沉井 区域地下水 与长江 水 联系密切 ，沉井下沉时必须充分考虑可能出现的流砂现象； 由于沉井深度深 ， 有效控制承压水 的水头压 力防止基底土 突 涌， 确保基底土的稳定。故降水是本沉井施工成败的关键之 。 0 2 4 基础桩保护要求高 沉井底部设计了基础桩 ， 沉井下沉过程中需对基础桩进 行保护， 防止桩的倾斜、 偏移， 给沉井下沉施工带来了更高的 技术要求。 3 循泵房沉井设计 维普资讯 第 4期 王研 明 ： 电厂 大型泵房沉井设计与施工 3 1 泵房 沉井布置 ( 1 )沉井 平面布置 在满 足工 艺条件 下 ， 尽量均 衡设置 内隔墙 。 泵房共有 4台泵 ， 设 3道纵 向 1 2 m厚隔墙 ， 对称 布 置 ； 垂直水流方向( 横向) 的隔墙设置， 在满足水流条件下， 进 水间宽度控制在 9 5 8 m ， 水泵间跨度控制在 1 o 6 2 m ， 不仅 使井壁厚能够控制在合理的范围内， 而且井壁配筋量大大减 少。 这样沉井重心基本在中心位置， 不容易发生倾斜： 并与桩 中心基本重合， 使桩受力更加合理， 见图 1 。 图 i泵房结构剖面图 ( 2 ) 外墙和内隔墙厚度在满足抗浮、 结构强度、 裂缝宽 度的前提下，使沉井总重量适当减小 ，下沉系数控制在 1 o 5 1 1 o之间 ， 以利于下沉控 制。 ( 3 )隔墙布 置时尽 可能满 足桩 间距要 求 ， 使桩 基布置 均匀合理， 充分利用桩间土对桩承载力提高的作用。 ( 4 )转滤网间胸墙高度尽可能降低 ， 对于超过 8 m的 开孔中间加横梁以减小壁柱的断面， 使结构受力体系合理可 靠 。 3 2 泵房桩 基及沉 井结构合理化设计 ( 1 )桩基采用 1 0 0 0 m m大直径灌注桩， 增加桩自身 强度 ， 有效解决沉井下沉 引起 的偏桩 、 断桩问题 。 ( 2 )桩基计算中， 单桩竖向承载力应分别根据地基土 对桩的支承能力和桩身结构强度进行计算，采用大直径、 高 标号混凝土钻 孔桩 ， 并 以桩身结构强 度控 制承载 力 ， 这样优 化 桩的数量及长度 ， 进而节约投资。 ( 3 )井所受浮力对桩基数量及长度影响 ， 合理确定地 下水位与井内运行水位的关系， 达到即安全又经济的效果。 ( 4)井结构计算中， 土压力计算中土内摩擦角度的取 值对井壁受力影响很大， 将土体内聚力 c 值折算计入摩擦角 中， 这样土体摩擦角可以提高， 从而使井壁土压力降低， 使配 筋量减 少。 3 3 沉井下沉方式确 定 沉井下沉可分为排水下沉和不排水下沉两种方法。 采用 排水下沉方 案优 点在于 ： 施 工速度较 快 ， 沉 井下沉相对容 易 控制， 封底质量较好。 另外沉井底部工程桩处理比较方便。 但 排水下沉的前提是必须将地下水降至刃脚以下， 针对本工程 上部为淤泥质粉质粘土和沉井底板及刃脚处为粉砂的特殊 地质水文条件， 如地下水位降不到位， 将会产生管涌， 甚至突 涌 ， 扰动土层 ， 不利于工程桩的保护和沉井稳定。 采 用不排水下沉 施工 的优 点是 能通过沉井 内水位平 衡 控制可能出现的管涌、 突涌， 以及减小由于坑底流砂、 隆起而 引起周边地面沉降的范围 ， 有利于工程桩 的保护 。其缺 点是 施工周期长 ， 施 工工 艺复杂 ， 潜水作业可控性差 ， 桩头处理难 度大， 封底质量较难控制， 其施工费用比排水下沉高。 本工程原设计采用不排水下沉方案 ，由于工期非常紧 ， 综合上述比较， 在地下水位能够有效降低的前提下， 采用排 水下沉较为有利。最后本工程采用排水下沉施工方案， 并将 不排水下沉作为应急预案。 4 循环水泵房沉井施工 4 1 沉井施 工总体思路 本工程基础钻孔灌注桩桩径 1 0 0 0 m m，桩深 4 2 m， 共 1 0 4根。 采用g p s 一 1 5 a 型钻机成孔施工。 沉井采用三次制作、 一 次下沉、 一次接高的施工方案。第一次制作高度为： 5 3 o m ( 一 1 5 8 o m 一 1 o 5 o m ) ，第 二 次 制 作 高 度 为 ： 6 o 0 m( 一 1 o 5 o m 一 4 5 0 m) ， 第三次制作高度为 ： 6 5 o m( 一4 5 o m 2 o 0 m) ， 最后一次接高至顶板面， 其高度为 5 m 。沉井外周 深井降水， 水位控制在刃脚下 o 5 m 。采用机械挖土i 并进行 分格对称封底。 4 2 深井降水 本沉井靠近长江边， 地下水水位较高， 沉井下沉时水头 差较大。排水下沉的关键在于降水的效果。因此考虑在沉井 四周布置深井降水， 以满足沉井排水下沉及底板施工时的抗 浮稳定。深井距井壁外 1 o m ( 防止沉井下时被破坏) ， 深井环 形布置， 沉井中心设计降水标高为 一 1 6 4 m ( 刃脚下 o 6 m ) 。 根据地质报告， 沉井区域淤泥质粉质粘土、 粉质粘土渗 透系数小， 可作为不透水层 ， 粉质粘土与粉土互层、 粉 砂渗透系数大， 可作为透水层， 渗透系数按加权平均值计算。 ( = ( hk + h 2 k 2 ) ( h 1 + f 7 2 ) =( 4 x 1 2 9 x i 0 +i 0 x 3 2 9 x 1 o ) ( 4 +1 0 ) =0 2 3 5 m d 沉井中心处要求降低水位深度 s = 1 5 8 + 2 7 + 0 6 1 9 1 m 降水影响半径 ： r = i o s 、 =i 0 x 1 9 1 x、 = 9 2 6 m 等效半径： r o =o 2 9 ( a +b ) =o 2 9 x( 5 4 4 +3 8 4 ) =2 6 9 m 基坑总排水量： q = 2 7 3 k _ 2 7 3 0 2 3 5 x g ( 1 4 x 1 9 i = 2 6 4 9 m 单根管井的 出水量 ： q = 1 2 0 仃r s =1 2 0 3 1 4 o 1 5 1 0 厂 = 3 4 9 m 式中： d深井直径， 设计选用内径为 3 0 0 m m钢筋自制 维普资讯 王研明： 电厂大型泵房沉井设计与施工 第 4期 井管， 为 o 1 5 m； 取滤水管长度 i =1 0 m 。 深 井数量 的确定 ： n =1 1 q q =1 12 6 4 9 3 4 9 =8 _ 3 经过计算并借鉴其它工程经验， 结合本工程特点 ， 计算 出的基坑涌水量的数值明显偏小。 考虑受长江水位的影响及 沉 井下沉过 程中有部分 井可能破坏 失效 ， 因此沉 井四周间隔 1 5 m布置一 口井，计 1 4口井，井深 3 2 m 。泵 的扬程 选 用 4 o m ， 选用 1 6台深井泵( 2台备用 ) ( 见 图 2 ) 。 l 箜 ： ! i 图 2 深并平面布置 实践证明此深井的布置是非常合理及可靠的， 它有效的 降低了沉井周围的地下水位， 为沉井下沉及桩基的保护提供 了可靠保证 。 4 3选择稳妥的下沉系数 沉井采用三次制作，一次下沉。沉井下沉系数一般在 1 o 5 1 2 5之间， 当下沉系数较大时， 沉井在淤泥质土中容 易发生突沉、 倾斜。 本工程区域上部位淤泥质土， 下部沉井底 版及刃脚为粉砂层， 沉井总重达 2 1 5 0 0 t 。 针对上述特点， 要 求下沉系数控制在 1 o 5 1 1 o之间 ， 使得沉井平稳下沉 。 ( 1 )初沉时， 计算得下沉系数 o 7 6 ， 略小于 1 ， 表示沉井 处于平衡状态， 只要沉井掏空底梁下的砂垫层， 沉井就可以 下沉。 ( 2 )沉井下沉至砂垫层底时， 计算得下沉系数 1 o 3 ， 沉 井开始平稳 下沉。 ( 3 )沉 井入 土下沉 ， 底梁接 触土 层时 的下沉 系数 1 o ， 控制挖土顺序， 遵循平衡、 对称、 均匀的原则， 下沉系数控制 在 1 o 5左右 ， 沉井平稳下沉。 ( 4)沉井终沉于号 土层 ，该 土层容许承载 力为 1 3 0 k n m ， 计算得下沉稳定系数 o 7 5 ， 说明沉井如期稳定到 位 。 4 4 工程桩的保护 在沉井制作前先在沉井底板下施打钻孔灌注桩。 根据类 似工程的施工经验， 沉井四周刃脚内侧灌注桩项容易出现向 内的水平位移， 甚至出现断桩。引起桩项位移的水平力主要 是由于沉井刃脚斜面上地基反力的水平分力及沉井内外土 水压力差弓 i 起的刃脚下土的水平压力造成的。 同时由于沉井 在淤泥质土中下沉， 井壁四周摩擦力较小， 下沉系数较大， 沉 井很容易出现偏斜，从而导致刃脚内侧对桩的水平力增大， 加剧桩的水平位移。根据以上情况， 本工程采取以下工程桩 保护措施 ： ( 1 )加强预警措施 ， 沿沉井内侧刃脚斜面向上均匀布 置应力采集芯片( 约 1 o只 ) ， 通过预埋套管连线汇集到动态 应力采集仪上， 通过对沉井下沉过程中刃脚斜面上应力的采 集 ， 计算出各个深度刃脚斜面上水平分力值的大小， 绘制应 力变化曲线。根据作用力与反作用力的关系， 推算出刃脚内 侧 土所 受的水平应力 ， 由此来判 断分析沉 井下沉 到接 近桩顶 时， 灌注桩所受的水平力的变化 ， 从而采取有效的控制措施。 ( 2 )井壁周围土体下陷后及时补土， 增加井壁外侧摩 阻力， 减小下沉系数， 使沉井在可控状态下平稳下沉。 ( 3 )采用“ 平锅底” 施工， 保证沉井内均匀取土， 桩周土 体高差和相临井格的高差控制在 5 0 c m一 、 内， 减小桩周的水 平推 力。在沉 井后期采用“ 反锅底 施工 ， 即先挖沉井 四周