井巷特殊施工(第五章 沉井法(节1-6)).ppt

第5章 沉井法,1 概述2 沉井的结构3 沉井下沉前的准备工作4 减小侧面摩阻力的方法5 水下掘进6 井壁施工7 封底与固井8 防偏、测偏与纠偏9 沉井法的施工设计,沉井法是在不稳定含水地层中开凿井筒的一种特殊方法。在井筒的设计位置上，预先下沉个封闭的带刃脚的圆筒形或椭圆形掩护支架，在建井工程中称它为沉井；在此沉井的保护下进行井筒施工。沉井边下沉边下掘井筒。边在地面接长沉井，直到下沉到设计深度。沉井在自重或在外荷载作用下下沉。这种方法称沉井法。它所需设备少，操作简单作业安全，井壁质量高。因此国内外不仅在矿山，而且在其他地下工程，如桥墩基础、地下厂房、仓库、车站等工程中均广泛采用。据统计，仅煤矿建设中就有156个井筒是用沉井法施工的1969年，在黄县煤矿首次采用壁后泥浆减阻，把沉井技术推进到一个新水平。70年代，沉井下沉深度突破了192.7m，井筒偏料率为6.9。日本沉井法施工，多采用壁后压气减阻，下沉深度达200.3m，偏斜率为1。,第5章 沉井法,1 概述,一普通沉井法存在的问题初始的沉井，一般均采用砖、石作井壁，人在井底工作面挖掘，靠井壁自重而下沉，沉井壁后不放置减少侧面阻力的介质。这样的施工方法，通常称为普通沉井法。有时也叫人工自重沉井法。普通沉井法极为简易，但下沉深度较浅，容易发生涌砂冒泥和井筒偏斜。其原因，一是在沉井内排水，造成井内外水压差，井外流砂涌入井内，引起壁后或地面塌陷，导致井筒偏斜或井壁断裂等事故；二是沉井下沉需要克服刃脚下面土层的抵抗力（正面阻力）和井壁四周与土层接触的摩擦阻力（侧面阻力）。正面阻力取决于刃脚穿过土层的性质，而侧面阻力则主要取决于沉井下沉的速度。下沉越深，侧面阻力越大，当下沉速度达一定值后，侧面阻力就成为井壁能否下沉的决定性因素。有时，即使把刃脚下部土层全部挖空（正面阻力完全克服），沉井也不下沉。因此，普通沉井法的适用范围受到了很大限制，下沉深度一般在20m左右。,第5章 沉井法,1 概述,第5章 沉井法,二沉井技术的发展及分类随着科学技术的发展，沉井施工技术得到了不断地提高，施工工艺和机具也在逐步改善。为了减少侧面阻力，相应试用了多级沉井、泥浆沉井、壁后压气沉井(或叫气囊沉井、空气幕沉井)、震动沉井和河卵石沉井等；为了平衡井内外的压力差，防止涌沙冒泥，创造了压气沉井与淹水沉井；为了加大下沉力于是出现了载重沉井、假井壁沉井、千斤顶加载沉井以及压水裁重沉井等；为了解决水下破土问题先后采用了水力掘进、水力提升机(射水泵)、抓斗掘进、压气排液器(也称空气吸泥机)和钻机破土等机具。沉井法的应用，虽历史悠久且较广泛，但名称繁多，很不统一。为了标示出各种方法的实质，按沉井淹水与否和其采用的减阻介质来命名以资区别，较为适宜。至于加大下沉力的方法，以及选用何种机具破土等等，只作为沉井施工的一种措施或者手段，可因地制宜使用，不因此而命名沉井法的名称。沉井法通常分两大类，不淹水沉井和淹水沉井。,第5章 沉井法,1 概述,(一)不淹水沉井目前煤矿常用的不淹水沉井，有普通沉井、壁后河卵石沉井、壁后泥浆沉井、震动沉井等。这几种施工方法大多采用人工掘进，吊桶提升，自重下沉。工作面先挖超前小井，以便排除井内涌水。除普通沉井法外，其他沉井壁后均放置减阻介质。通常井筒涌水量在每小时30吨左右、无承压水，流砂层厚度在一米左右、又无粉细砂层，而且下沉深度较浅的沉井，可以考虑采用不淹水沉井法施工。其缺点是适用范围受限制，安全较差。(二)淹水沉井淹水沉井的最大优点，是井内灌满水，平衡了井内外的水压差，只要保证井内水位始终高于地下水位，一般不会发生涌砂冒泥的链锁反应。工人不下井，在地面操作劳动条件好，作业安全，井壁质量较好，成本较低。因此在沉井较深，涌水量大，流砂层厚以及不含有较大的砾卵石层的冲积层，通常可采用淹水沉井法施工，我国已有30多个沉井采用该法建成。,第5章 沉井法,1 概述,目前通用的淹水沉井，有壁后泥浆和壁后压气淹水沉井。壁后泥浆淹水沉井，般用水力掘进，压气排碴，壁后放置触变泥浆减阻。虽增加了泥浆配制系统，封底固井施工也较复杂，但简易可靠，应用较广泛。壁后压气淹水沉井，一班用抓斗或钻机掘进，壁后施放压缩空气减阻，可靠性较高，可以人为控制，机动灵活，还可利用施放压气的不同顺序帮助纠偏。沉井结束后，井壁与土层的固着力容易恢复。缺点是需要高压空气压缩机，耗费的管材较多，有时气龛内的喷气孔容易堵塞。,第5章 沉井法,1 概述,(三)淹水沉井的实质和工序淹水沉井法的实质，是在沉井井壁四周环形空间灌注触变泥浆或者施放压气，使土层与井壁隔离开，以减少沉井下沉时的侧面阻力，井筒内灌满水，使井内外水压保持乎衡，从而防止了涌砂冒泥以及地面塌陷；以预先在沉井外作好的套井为基础，来防止和纠正沉井的偏斜；利用井壁下端的钢刃脚插入土层，靠井壁自重、水下破土与压气排碴克服正面阻力而下沉。边下沉边在井口接长井壁，直到全部穿过冲积层，使沉井刃脚坐落在基岩之上，再封底、注浆稳固井筒，转入基岩段井筒掘进。淹水沉井的施工顺序，是以壁后泥浆淹水沉井为例叙述的。测量工作在工序中末列出，因为在各个工序中部包括有测量校验工作，应该按照设计要求和操作规程，严格执行，确保各个施工环节的规格质量。,第5章 沉井法,1 概述,第5章 沉井法,沉井由刃脚和井壁两部分组成。一、刃脚刃脚位于沉井最下端，其作用是：切入土层，破坏原状土的结构、克服沉井正而阻力；封闭与阻止壁后流砂或泥浆涌入井筒内。因此要求沉井刃脚的结构，应具有足够的强度。能承受住土层反力、侧压力，遇到大块卵石给与的剪应力、局部压力以及突沉时产生的冲击力。,第5章 沉井法,2 沉井的结构,(一)刃脚的形状与规格常用的有锐尖、踏面与钝尖三种形状。1锐尖刃脚。其夹角一般小于25o锋利易切入土层，阻力较小。但不适用于含砾、卵石的地层，强度稍小，易损坏。2踏面刃脚。阻力大，但稳定性较好，适用于松散而且无障碍物体的冲积层3钝尖刃脚。强度大，适用于各种冲积层，煤矿沉井通常均采用圆弧形钝尖刃脚。其夹角一般为30o，高30米左右。过高侧面阻力增大，过低易流失泥浆。刃脚外径比井壁外径略大一些，以便形成一个台阶，用于储存泥浆或作为壁后压气的通道。台阶宽度以所穿过主要土层和减阻介质而定，通常采用壁后压气减阻时为01米左右，壁后泥浆减阻时为02一03米。,第5章 沉井法,2 沉井的结构,(二)刃脚结构煤矿沉井常用的有钢刃脚与钢靴刃脚两种结构形式。实践证明，不穿钢靴的刃脚，阻力大且易局部损坏。1钢结构刃脚刃脚骨架用两排角钢或轻型钢轨焊接组成，刃尖一般采用1524公斤米的钢轨制作。骨架内外侧均用10一16毫米厚的钢板全部围包焊牢。钢结构刃脚强度大，整体性好，组装安放不易变形，施工质量规格能保证。一般用于沉井深度大于百米以上的沉井。2钢靴刃脚是在刃脚钢筋骨架下部，焊接上由钢板和钢轨或者圆钢组装而成的钢靴刃尖。钢靴钢板高为0510米，厚812毫米。刃尖用15公斤米钢轨或者1828毫米圆钢。此种刃脚有一定强度，省钢材，缺点是立模较困难，且易变形，影响刃脚的规格质量。钢轨刃尖的刃脚，一般用于下沉深度在100米左右的沉井。圆钢刃尖的刃脚，一般用于沉深50米左右的沉井,第5章 沉井法,2 沉井的结构,第5章 沉井法,第5章 沉井法,(三)刃脚的制造刃脚规格质量的好坏，直接影响着下沉阻力的增加与导向能否垂直。因此，加工制作刃脚时应做到：刃脚各部位的直径，制作误差不得大于15毫米；刃尖水平面高低差不得超过l0毫米，台阶、刃脚根部等处的水平度也应严格要求；内外壁要平整光滑。刃脚内外壁表面的凹凸面高差，不得大于15毫米；外壁应具有一定的正锥度。为防止刃脚外壁出现倒锥，增大阻力，应将刃脚外壁自下往上稍向壁内倾斜，形成正锥形状，以减少下沉时的摩擦阻力刃脚各部件的加工，要预先制作模具。组装刃脚通常在井口附近进行，承托台面要水平焊接前要定位量测准确，对焊接时产生的温度应力和变形要注意消除和校正。经过量测验收、记录各部位的误差、并标示出基准点后，方能吊入井内。刃脚混凝土，一般不低于300号。钢靴板上钻若干小孔，以利泄出混凝土的自由水。刃脚处需预埋若干注浆管，待后期注浆时使用。为保护泥浆层的完整，有时在刃脚外台阶边缘，安装05一07米高的胶带围裙。,第5章 沉井法,2 沉井的结构,二、井壁(一)井壁结构型式沉井井壁的结构型式，应根据工程的需要来决定。井壁平面形状，煤矿均用圆形，其它工程(如桥梁)，有双孔矩形或多孔矩形等。井壁竖直剖面分有内外等径、外等径内变径和外径径内等径等型式。内外等径型式的径壁，一般多用于浅沉井。较深的沉井应采用外等径内变径的结构型式，可减小径井壁体积，提高井筒断面利用率。既节省了材料，又减少掘进工作量，而且不因井筒偏斜而影响在沉井内均匀破土。井壁材料有整体现浇钢筋混凝土井壁、预制钢筋混凝土井壁、大型砌块、钢或铸钢结构等。后两种有足够承载能力，国外曾采用。我国现时多采用整体现浇钢筋混凝土井壁，通常均布置双层钢筋，混凝土一般不低于200号。钢筋混凝土井壁结构。,第5章 沉井法,2 沉井的结构,(二)井壁构造沉井井壁厚度，应根据下沉能力与强度计算确定。通常下沉深度在100米以内的沉井，壁厚为0710米；下沉深度大于100米时，壁厚为1012米。为了能够及时向壁后输送触变泥浆，在井壁内均布48根直径为50毫米左右的钢或塑料管，随井壁接高管路不断接长。在垂直输浆管下端连接环形配浆管，其四周均布安设816个水平出浆管。环形配浆管应不少于两层，多在井筒下部设置，分别与垂直输浆管连接。,第5章 沉井法,2 沉井的结构,第5章 沉井法,沉井施工准备工作，大体有三个方面。土建工程，有各种工业厂房、行政福利建筑、道路、水源井、排水沟渠与设备基础等的修建；机电安装工程，有各种机、电、提吊、掘进排碴、管线、照明与通讯设备的安装与试运转；井巷工程，包括井筒十字标桩的建立，套井施工，沉井刃脚加工、组装与安放，测压测斜仪表元件的埋设，套井内一段沉井的浇筑，导向设施的安设等等。,第5章 沉井法,3 沉井下沉前的准备工作,一、井筒检查扎为了顺利施工，达到预期的效果，必须审视原始工程与水文地质资料的了解与掌握。首先应在沉井中心位置，打一个井筒检查孔，确实摸清沉井穿过地层的含水层数量、埋藏条件、涌水量、静水位、水头压力、与地表水的联系，各土、岩层的埋藏条件、物理力学性质等，以便合理确定套井、沉井的深度与井壁结构，选择施工方法、破土机具以及制定有效的施工措施等等。,第5章 沉井法,3 沉井下沉前的准备工作,二、沉井施工地面布置在进行地面布置时，除了应遵守建井的一般原则外，尚须注意以下几点。1沉井施工与基岩段井筒施工的设备布置，应统考虑，做到布局合理、使用方便，管线短、变动少，互不干扰。2设备与建筑物应尽量布置在离井筒中心20米以外的地方，免受地面塌陷的影响。个别建筑物需要市置在井口附近时，应加固其基础。3沉淀池与循环水池，应布置在广场低洼处，沉淀池的溢流水应能通过水沟流到循环水池。4水源井应选择在离井筒80一100米之外。沉井地面工艺布置见图5l0。,第5章 沉井法,3 沉井下沉前的准备工作,第5章 沉井法,三、套井施工(一)套井的作用与规格套井是预先在沉井外围作的一段直径略大于沉井的井筒。它的作用在于防止沉井下沉过程中导致井壁外围土层的塌陷；为井架与井口建筑物保持一个完整的地基；作为防止沉井偏斜或加压下沉的基台；套井与沉井间的环形空间可作为触变泥浆的储浆槽或者壁后压气的出气口。因此，要求套井要有一定深度和较大的稳定性。为了便于防偏与纠偏，在套井口以下12米处(地下水位以上)，设置半米宽的工作台阶，其结构应适当加强。套井的深度，主要取决于距地表较近的粘土层位置与沉井的深度，一般取815米。,第5章 沉井法,3 沉井下沉前的准备工作,套井与沉井之间的间距，可依所采用的导向方式酌情而定。国外采用铸钢装配式井壁结构的沉井，其导向就利用套井井壁，因而套井与沉井的间隙仅有015米左右。我国现时采用的间隙多数为07米左右。,第5章 沉井法,3 沉井下沉前的准备工作,(二)套井的施工一般采用短段掘砌或沉井法施工。涌水量较小或者地下水位低于套井深度的表土层，可采用短段掘砌法施工。沉井法施工套井的顺序是：开挖套井基坑并临时支护，平整坑基底，安装套井刃脚，扎焊钢筋骨架，立模、浇灌混凝土。若井筒涌水量小于每小时30吨时，可人工挖掘，否则采用淹水沉井法施工。套井沉至预计深度后，应回填砂土封底，上口应砌筑锁口，壁后注浆稳固。套井施工机具应尽量采用沉井选用的设备，其施工质量要严格要求，特别是井壁质量、偏斜与涌砂冒泥等事故要有原始记录，必要时可进行复壁与充填注浆，保证套井的完好和稳固。,第5章 沉井法,3 沉井下沉前的准备工作,(三)套井锁口结构套井锁口结构，一般均采用法兰盘式或六角盘式。前者是在套井上口周围1220米范围内，设置钢筋混凝土圈梁与套井上口构成一圈翼沿，形似法兰盘，以稳固套井。法兰盘式锁门结构简单，工程量较小，通常在套井座落在粘土层中且壁后末发生塌陷时采用。否则，为了加强套井的稳定性及稳固施工的设备基础，一般采用六角盘式锁口。,第5章 沉井法,3 沉井下沉前的准备工作,第5章 沉井法,第5章 沉井法,四、沉井刃脚的吊放与稳固由于刃脚体积大重量重，根据提吊设施条件可分为整体吊放与分割吊放两种。分割吊放是将钢靴分为34块，依次吊放至套井底。重新焊接成型。此法烦琐且不易保证质量，除起吊设备很差的条件下，较少采用。整体吊放要认真核算检查提吊机具与加固件的受力，一般先起吊23厘米观查后再吊放入井。吊放稳固钢靴，是沉井施工防偏工作的重要环节。实践证明，许多沉井的偏斜，都因吊放稳固钢靴刃脚时存在偏差而造成的，因此必须要求：1钢靴中心务与井筒中心桩重合。2钢靴尖水平面务与井底水平面保持水平，且靴尖平面垂直于井筒中心线，钢靴外壁平行于井筒中心线。,第5章 沉井法,3 沉井下沉前的准备工作,3在套井底铺垫碎石砂子，代替以往铺垫枕木的方法。通常在井底铺半米厚的碎石分两次夯实，再铺砂子利用静水位找平，其高低差不超过3毫米左右。4在钢靴底部设基准测点，并向上转引，作为水准仪量测井筒标高与偏斜的基点。5确认钢靴中心与井筒中心线重合、靴尖水平面与井筒中心垂直后，用木拄或木楔沿四周等距离塞紧固定钢靴，并在以后立模或浇灌混凝土时经常检查校核有无变化与误差。,第5章 沉井法,3 沉井下沉前的准备工作,五、安设导向装置钢靴就位稳固后，绑扎焊接钢筋，立模板后浇灌混凝土及刃脚以上沉井井壁。随井壁接高重量的加大，要特别注意沉井下沉的动向，通常均在拆模时，清理杂物用砂土填塞刃脚斜面下部，增大正面阻力不使沉井下沉。待井壁筑至套井口时，应恳吊中线、边线以及配合仪器等方法，量测套井内一段沉井井壁的中心线、各转点水平面、圆度、井壁垂直度等项目后，绘制套井与沉井相互位置量测图。然后根据沉井与套井间的距离均布设置八组导向装置通常先设置倾斜轴上方井筒的一侧，间隙留15毫米左右，其长度不小于30米左右，然后利用挖刃脚高侧的土，结合顶推使沉井扶正，再安设偏斜铀下方一侧的导向装置。若为滚动式的导向装置，则按测量结果一次安装就位，不留安装间隙。滚动式导向装置较摩擦式的导向装置优越，一是摩擦阻力小；二是不留安装间隙，有利于防偏，不存在摇摆间隙。导向装置安好后，清理井内外杂物向沉井内灌水，灌注壁后泥浆，安装破土机具等试运转后正式开始掘进与下沉。,第5章 沉井法,3 沉井下沉前的准备工作,目前国内外沉井施工，减少侧面摩阻力的方法，采用最多的有两种：壁后灌注触变泥浆和壁后施放压缩空气。一、壁后灌注触变泥浆减阻触变泥浆系用膨润土加水与化学药剂配制而成，其主要特性是它的触变性。泥浆的性能，详见钻井法第四节。(一)触变泥浆的作用是护壁与减小侧面阻力触变泥浆通过顶埋在井壁内的管道，随沉井下沉而不断地注入壁后，一面及时充填下沉产生的环形空间，将井壁与土体隔开，改善土体的渗透性能，靠浆柱压力维护土帮的完整，不致坍塌；另外在井筒下沉时，将井壁与土体间的摩擦变成触变泥浆本身内的剪切摩擦，从而减小了沉井外壁的摩阻力。采用泥浆减阻时的侧面摩阻力一般为每平方米0.30.5吨左右，较深沉井取大值。,第5章 沉井法,4 减小侧面摩阻力的方法,（二）触变泥浆的配制泥浆的配比应通过计算选用（参见钻进法）。触变泥浆的制作：将原料按配比在搅拌池（体积12立方米）中拌和810分钟即成。其加料顺序是先倒膨润土入水中搅拌58分钟，没有泥块后，再加入一定量碱溶液继续搅拌23分钟，待泥浆逐渐变成半液胶状态时，方可倒入储浆池（1520立方米）中。每当沉井下沉时应立即灌注，以便及时充填由于沉井下沉而造成的空间。,第5章 沉井法,4 减小侧面摩阻力的方法,二壁后施放压缩空气减阻（一）壁后压气的作用壁后压气减阻，是利用预先埋设在井壁中的管道与在外壁等距离设置的气龛，向井壁周围施放压缩空气，气体短暂地保留、滞存于气龛中，形成若干气垫（气囊），在气龛充满压气后，多余的压气即沿着井壁向上扩散，在沉井四周形成一圈气层（气幕）把土体与井壁隔开。因此在沉井外壁施放压缩空气可以减少井壁与土体接触的摩擦面积和摩擦阻力。壁后压气系统的构成，是在浇灌混凝土井壁前，在外壁安气龛模或气龛预制块，然后将钢或塑料环形管沿气龛模敷设，并在环形管上连接引出井壁的竖管，并用胶管与地面的风包连接起来。最后在气龛底部的环形管上钻喷气小孔，这样一个由地面空压机，经风包、高压胶管、竖管、环形管到各个气龛，向井壁四周施放压缩空气的系统就构成了，经施放检查后即可投入使用。,第5章 沉井法,4 减小侧面摩阻力的方法,壁后压气减阻，虽在工艺上稍加复杂，增多一些埋设管材，还需高压空压机，以及沉井易突沉等不足之处，但与触变泥浆相比，有以下优点：1机械化程度高，减阻机动灵活，可靠性较高。可通过施放压气来控制沉井下沉的时机，能较好的破除刃脚下部土层。2当沉井发生偏斜或有偏斜趋势时，可控制在不同的部位施放压气，来调整或防止沉井的偏斜。3沉井下沉终止，经过注浆固井，井壁的固着力可得到恢复，不论对提高井筒使用的安全度和抗震能力等方面都有一定的作用。,第5章 沉井法,4 减小侧面摩阻力的方法,(二)气龛的形式与布置气龛是壁后压气减阻系统的关键设施，一个沉井往往有几百个至上千个气龛，不但在制作上需要一定的工作量，而且其规格质量的好坏直接影响着减阻的效果。1气龛的形状以往使用过的气龛类型，有桃形、半圆形、长方形等，尺寸大小也相差较大；喷气孔也变化不一，有长圆形，镀锌铁皮特制喷嘴以及直径不同的小圆孔等。从适用和发展趋势上看，主要在防止堵塞的情况下逐步向简单易作的方向发展，目前多采用长方形或梯形气龛。喷气嘴也多用直径为1毫米的小圆孔。长方形和梯形气龛的尺寸和规格。喷气小孔可钻成水平的或向上仰30一45o的斜孔均可。为了减少制作气龛的烦琐工序，可采用预制混凝土气龛块。苦采用预制混凝土模板时，可考虑将气龛与模板一起预制。,第5章 沉井法,4 减小侧面摩阻力的方法,第5章 沉井法,2气龛的数量沉井外侧面积与气龛数量的比值，称之为每个气龛的平均作用面积。通常均以此作为一项指标来说明气龛设置的密度与耗气量。根据国内外的实践经验，每个气龛的平均作用面积：井筒上部为26米2左右，井筒下部为13米2左右。目前均据此来决定气龛的数量。3气龛的排列为了使压气分布的均匀些，气龛应呈上疏下密交错状排列。气龛的竖向排列，一般在刃脚尖水平面上34米段，为防止气流从刃脚下翻入井内不设气龛；另外从地面算起至套井刃脚范围内的一段井壁，由于不和土层接触，也不需要设置气龛。其余的都要分层设发气龛，层间距由下向上逐步增大。由于气龛在竖向排列上取用的层间距不同，因而每个水平排列的气龛数量，应该统一，这样既便于排列气龛，又容易满足每个气龛在不同部位所需要克服的摩擦面积。,第5章 沉井法,4 减小侧面摩阻力的方法,第5章 沉井法,(三)管路的敷设井壁内有环形管和竖管，每个竖管下联环形管若干层，为了在不同方位喷气，可将环形管每半周设一根，有的还在管端设贮砂小筒。竖管与环管可用钢管或硬质耐压塑料管。管的质量与管接头一定要严格检查。旦漏气或损坏，无法修理和更换，将造成局部压气系统的失效。(四)风包设置风包的目的，是为了贮存高压气体与稳定风压，保证均衡的供给风量。考虑到供风量与要求风压的不同，应分组设置风包。其容量，一般为其担负供风的气龛次放气所需耗风量的总和的11倍。每个气龛在一分钟内(每次放气时间)的耗气量。据国内外的实践，一般为0020032米3左右。,第5章 沉井法,4 减小侧面摩阻力的方法,(五)风压的计算壁后压气压力的确定，目前意见还不统一有待进一步验证。1认为壁后压气的压力为理论水压的25倍，压气减阻的效果最好。2认为壁后压气的压力为理论水压的19倍左右。3经验公式据此式计算，下沉100米深的沉井，压气所需要的压力大约为理论水压的17倍左右。这个数字大体与日本选用的压气压力相近，若按经验选用，建议压气压力取用为理论水压的1719倍左右。,第5章 沉井法,4 减小侧面摩阻力的方法,(六)设计施工注意事项据国内外的实践，提出以下几个问题，供壁后压气沉井设计与施工时的参考与研究。1在一定深度的气龛，施放压气所需的最小压力，与气龛所在的深度(从地面算起)的理论水压是相对应的，一般地面风包的风压相当于每个气龛的理论水压的1719倍左右。2根据部分实测，沉井的侧压力，并不与沉井深度成比例增长。地下水实际水压相当于地下水理论水压的80一90，深沉井(150一200米)水平方向的地压相当于理论水压的1112倍。3沉井自重与摩擦面积的比称为“重率”。较探的沉井“重率”可按26吨米2考虑，太重则造成工程浪费，太轻下沉可能有困难。套井“重率”可选择在1621吨米2之间即可。,第5章 沉井法,4 减小侧面摩阻力的方法,4日本有明一号沉井，量测了沉井下沉时井筒内的应力变化，其结论为：一般圆周方向的压应力随压气而增加，在井筒刚开始下沉后达极大值。纵向的压应力也随着压气而增加，在井筒下沉终了时达极大值，其变化范围一般为23公斤厘米2，最大为10公斤厘米2。一旦井筒开始下沉，圆周横向的压应力即急剧减少，在下沉终了时出现最小值。此应力变化根据条件不同可能出现很大差异，在井筒深的情况下，平均为9公斤厘米2，最大为35公斤厘米2，这是一个特别要注意的应力变化。发现下沉终了时圆周方向压应力急剧减少的原因，是由于刃脚插进土层中向外扩展造成的。井筒下沉中的应力变化，因种种条件不同而异，不能一概而论。但在定程度上明确各种应力变化的大小及其发生的原因，可供今后来用壁后压气沉井施工和设计时的参考。,第5章 沉井法,4 减小侧面摩阻力的方法,5气龛的层间距应取整数，便于立模与设置气龛。每层气龛数量可多设些，以减少每个气龛的作用面积，达到较好的减阻效果。6必须从上层开始逐层向下施放压气，决不允许由下往上。每次施放压气的时间不能过长，一般控制在1分钟左右。7对于在海、河边、人工岛以及地下水流较大地区的沉井，涨落潮和地下水流对下沉影响较大，应特别注意因此而引起的涌砂冒泥、壁后塌陷等因素。8壁后压气减阻可能因为壁后塌陷，使压气沿孔隙逸去，影响减阻效果。因此采用壁后压气淹水沉井时，要严禁降水迫沉。刃脚台阶宽度， 般在l00一150毫米。,第5章 沉井法,4 减小侧面摩阻力的方法,淹水沉井的破土与出碴工作必须用机械在水下来完成。目前，沉井施工采用的水下掘进机具有抓斗、冲击钻、水力掘进和旋转钻机等四种。一、抓斗掘进抓斗掘进是利用自重向下冲击破坏土层结构，提升闭合时将泥土抓取提出井外而完成掘进任务的。它的工艺简单，耗电量小，对于较浅沉井，是比较理想的掘进工具，但对于较硬土层，破土抓取都较困难。其效率在井深超过30米左右后，随着深度的增加而降低，我国多用作辅助机具，抓取大块砾、卵石。抓斗有双绳与单绳抓斗两种形式。双绳抓斗因提升绳与闭合绳常缠绕在一起工，所以沉井施工通常采用单绳抓斗。,第5章 沉井法,5 水下掘进,单绳抓斗结构简单，但当抓斗提出后，卸载时活动钓得高于固定钩一定高度，因此要求提升井架或桅杆不得小于12米。另外需用人工将抓斗挂在固定钩上，挂摘钩工序烦杂。为了克服这些缺点，可采用自动摘挂钩的单绳抓斗。它是利用抓斗中摆臂1上下活动时，自动钩2与中梁挂轴3离或合去完成抓斗开与合的动作。当抓斗下放至井底，摇臂1由于自重而下落，则摇臂下的挂钩2将自动挂上中梁挂轴3，绳索上提时抓斗闭合。当抓斗提至地面放在卸歼台上，抓斗上的压杆4下压，使挂钩在弹簧5的作用下脱离中梁，此时绳索上提中梁向下移动，则抓斗张开，将砂土倒卸。上述为双颚板抓斗，由于颚板切口太宽，不易插入土层，给抓载造成困难，因此沉井施工宜采用单绳多颚板抓斗。,第5章 沉井法,5 水下掘进,第5章 沉井法,二、冲击钻掘进冲击钻是利用钻头往复地冲击破坏岩土而完成掘进任务的。我国曾使用简易冲击钻逐步扩孔穿过风化基岩与较硬粘土层。德国曾采用大直径冲击钻全断面一次掘进，配合水力掘进与压气排碴，提高了效率，防止了沉井的偏斜。其钻头直径为64米，高646米，重12吨，每分钟冲击50一60次，每次钻头提高1820厘米。在坚硬地层，用人工推横杆使钻头旋转，每次转动68。钻头中设有高压水枪冲刷工作面。钻杆内径为150毫米，壁厚15毫米。共用50名工人，月进度曾达291米。,第5章 沉井法,5 水下掘进,第5章 沉井法,三、水力掘进水力掘进主要是依据高压水射流，破坏土层结构，然后用压气排液器排至地面。通常在吸泥管用围设置34个水枪喷嘴组成悬吊式掘进机具，该法虽耗电量稍大，但需用设备少，工艺也较简单，我国沉井目前采用水力掘进的较多。,第5章 沉井法,5 水下掘进,(一)水枪的形式1悬吊式水枪水枪和压气排液器组装在一起，水枪喷嘴呈三角或四角形布置在吸泥口外围，每边长约为0810米，喷嘴略偏向中心，以资提高破土效果。根据土层性质的不同，采用定点(砂层)或螺旋移动水枪位置进行破土，由井筒中心向四周扩散或者从四周向井心收敛，定时定点进行冲刷，确保在硬土层中的均匀破土。悬吊式水枪，在井筒偏斜后不易破除偏斜轴上方的土层，造成井内偏土台，若偏斜不能及时纠正，井越深则偏土台越宽，井筒的偏斜愈渐恶化。另外，当井筒较深，排碴管长细比太大，刚度弱，不易控制下部的掘进位置，易造成偏挖掘。因此在粘土层中的掘进，最好使用人字水枪，专门破除刃脚斜面下部土层，有利于沉井顺利下沉。人字水枪喷嘴的间距，较井筒直径小13米左右即可，其斜度应与刃脚尖的角度相当。为使人字水枪旋转，在水枪上部供水管安装水平推杆，其长度与人字水枪喷嘴间距相等，水平推杆安装高度等于井壁上口距工作面的距离加l一15米即可。人字水枪上下活动的范围被拉杆的高度控制，不使它超前刃脚太多，推杆的长度控制着水枪左右冲刷范围的宽度。采用人字水枪破土时，排碴仍用原来的排碴管，实践证明，人字水枪破土对粘土层是有效的。,第5章 沉井法,5 水下掘进,第5章 沉井法,2旋转水枪它是将若干水枪喷嘴布置在一根水平供水管上，每个水枪喷嘴距中心半径不同，径向偏角也不同。这样，水枪能使工作面冲刷成若干条倾斜沟槽，沟槽边缘的土层将会逐渐塌落，提高了掘进的效率。为了使水枪旋转，最简单的方法是将回转器放在井上，人工推动水平推杆使水枪旋转。也可将回转器放在井下，利用水枪的反作用力使水枪旋转。此种形式的水枪，目前使用较少。,第5章 沉井法,5 水下掘进,第5章 沉井法,(三)压气排液器淹水沉井使用水力掘进时，一般均采用外混合室的压气排液器。其原理与计算见钻井法。,第5章 沉井法,5 水下掘进,四、钻机掘进钻机掘进是利用钻头上的刀齿，作圆周运动将土层结构破坏，然后通过压气排液器排出井外。这种掘进方式耗电量较水力掘进小，适用于各种地层，效率较高。其工艺与设备等基本上同钻井法。不向的是沉井钻机破土所选用的钻机能力较小，目前多采用小钻头多孔钻进。一般情况下在井底钻18个孔即可下沉，若不沉利用扩孔钻头掏挖刃脚下部土层，沉井就会下沉。沉井中钻机破土钻头，我国试用比较好的是翼式自动扩孔钻头。此种钻头既可钻孔又可扩孔，结构合理，制造容易。在翼板上按不同半径布置刀齿，其运动轨迹覆盖全孔，排泥效果好，减少了泥包钻头现象。反转时利用扩孔臂上的刀齿与土层接触时产生的阻力，将扩孔臂自动张开旋转破土，节省了为扩孔而换钻头的烦琐工序，实践证明是冲击层破土的较好钻头。,第5章 沉井法,5 水下掘进,沉井井壁的特点是井壁厚，混凝土工程量大；井壁内埋设钢筋与管道较多，有的内直径还要变化，承受不均匀的纠偏力。因此，在浇筑沉井井壁时，一定要确保质量。,第5章 沉井法,6 井壁施工,一、混凝土的搅拌与输送(一)搅拌站混凝土搅拌站，一般都布置在距井口20米远的地方，以防止地面塌陷时影响井壁的浇筑。从搅拌机卸料口到浇灌井壁之间的混凝土输送，可以采用压气输送混凝土设备，也可采用胶轮车或送料翻斗车。图524所示的混凝土输送罐，其结构简单，操作方便，现场能自已制造。它的水平运输与升高的距离一般都能满足沉井井壁施工的要求，缺点是压气消耗量较大。(二)搅拌站的上料系统搅拌站的上料工作是很繁重的，强度大，工效低，而且占用大量的人力。在混凝土搅拌、输送与浇灌等工序实现了连续浇灌机械化施工后，上料系统的机械化就成了比较突出的问题。常用胶带转载机组成的上料系统(图525)和斜坡绞车牵引料车组成的上料系统。斜坡绞车上料采用15一25。坡度，铺轻轨，600毫米轨距，利用调度绞车与专制的漏斗料车计量运送。,第5章 沉井法,6 井壁施工,第5章 沉井法,第5章 沉井法,二、模板井壁浇灌可采用预制钢筋混凝土薄壳模板或者滑动式金属模板，在起重机具备的条件下，也可采用预制钢筋混凝土圆筒井壁或者大型预制块组装井壁(一)预制钢筋混凝土薄壳模板为了节省板材，简化施工程序，沉井井壁的浇灌多采用预制钢筋混凝土薄壳模板。这种模板制造容易，使用方便，组装、量测与调整也较易，在混凝土浇灌完了后无须拆除，做为永久井壁的一部分。缺点是组装质量不易掌握，增加了模板配筋用的部分钢材。,第5章 沉井法,6 井壁施工,预制钢筋混凝土模板时，要求做到：1一面光滑，一面粗糙。每块模板内侧预留四个勾头，便于在立模时与井壁内的钢筋骨架联结固定。2按井筒内外圆周长度，取整数划分模板块数。3模板高1米，厚为50毫米，长1米。在其内纵横布置465毫米钢筋6根。模板接头设搭接槽门。4为了保证