砂卵石层深基坑混凝土沉井局部止水施工技术

一、工程概况XXX区中关村科技园项目为地上10层、地下3层的公共建筑，总建筑面积达129 751.89 m2，地下建筑面积36 814.93 m2，地上建筑面积92 936.96 m2。地下主体结构形式为钢筋混凝土结构，地上为钢结构内支撑结构，基础结构形式为筏形基础，地基土层为砂卵石地层。二、地质与水文条件该基坑紧邻周边办公楼和居民楼，最短的直线距离仅18 m，周边环境复杂、地下水丰富。施工前地勘报告显示该基坑涉及1层地下水，类型为潜水，含水层为卵石、卵石、卵石层，其稳定水位埋深为19.90~20.80 m，水位标高为45.380~47.110 m。但经过夏季地下水补水后，水位平均上涨至–16.88 m。根据地下水监测数据显示，后续预计还会继续上涨。地下车库筏形基础底标高为–16.480 m。本工程基底最深处相对标高为–19.770 m，集水坑、人防集水坑、柱墩、核心筒、消防电梯、塔式起重机基础等部位均在地下水位以下，对施工影响严重。本工程土层上部为杂填土，下部全部为卵石层，具体地质参数见表1。本工程受地下水影响的区域有30多处，呈点状均匀分布在整个基坑中（图1）。三、降水方案选择XXX区中关村科技园项目基坑内共有33个部位需要处理地下水，均匀分布在基坑中，其中最深的结构处于地下水位以下2.885 m。地基土层均为卵石层，渗透系数达80 m/d，水量充沛、透水性强。综合考虑后降水方案共有3种。第一种：采用帷幕隔水方法，例如地下连续墙、护坡桩加桩间旋喷等，但该基坑面积大、深度深，采用该种方法成本极高。第二种：采用管井降水法。但根据《XXX市建设工程施工现场管理办法》第二十二条，对于XXX市新建项目要严格限制其进行基坑降水活动。对于确需进行降排水的项目，施工单位需取得排水许可手续，并依法向相关部门缴纳排水费。同时，还要求施工单位组织专家进行论证。由于前期组织专家论证和取得许可证的准备流程较长，可能影响后续工作。此外，土层渗透系数大，且后续水位持续上涨，管井降水难以保证整个施工期间降水的连续性和稳定性。而且地下水资源费的支出也增加了项目的经济风险，所以采用该方法风险较大。第三种方法：采用现浇混凝土沉井作为止水帷幕，通过局部止水的方式实现基坑的降水效果。与前两种方案相比，该方法既可以避免抽水带来的前期准备和经济风险，又可以通过定点止水，避免了大面积设立止水帷幕的高成本和施工难度，具有较高的经济价值和工期效益。通过比较，最终选择第三种方法。四、技术原理该技术的原理是在需要降水区域构建一个四周封闭的钢筋混凝土沉井结构，其形状类似于矩形单孔井筒。借助挖掘机等机械，通过沉井自身的重力及外力，使井壁克服土层的摩擦力逐层下沉。当沉井下沉至指定水位线后停止开挖，浇筑水下防水封底混凝土从而形成一个四周及底部封闭的结构，使其成为结构物的基础。利用钢筋混凝土结构的高强度和的稳定性可以形成一个防水、防渗的工作空间，有效实现止水效果。五、沉井设计本工程全部采用矩形单孔沉井。沉井井壁及封底混凝土厚度设计需要从满足下沉需要、井壁配筋满足结构强度和刚度需要、满足抗浮3个方面考虑。（1）满足下沉需要。根据施工经验，下沉系数为1.10~1.25。若下沉系数低于1.05，需增加沉井的厚度；若超过1.25，则应减小沉井的厚度。（2）井壁配筋满足结构强度和刚度需要。沉井井壁厚度考虑在持续作业和机械扰动的情况下，需要保证沉井内外部的外力不会对沉井结构造成破坏，因此需要对井壁的配筋进行验算。矩形单孔沉井可视为水平闭合框架，通过确定荷载组合计算框架内力及弯矩值，最终进行配筋计算。（3）满足抗浮需要。因沉井主要依靠自身重量克服土的摩擦力下沉。所以须对封底及井壁混凝土进行抗浮验算。同时考虑到未来水位上涨的因素，抗浮验算要覆盖整个施工期及应用期。以核心筒沉井为例，井壁厚300 mm，内外配筋为20 mm@100/200 mm，C30水下混凝土厚1 500 mm。当一个沉井内存在两片区域水下设计标高不同时（如电梯井和电梯井内集水坑同时在地下水位以下，但设计标高不同），可在中间制作内隔墙然后浇筑不同高度的水下混凝土。六、主要施工方法施工流程：施工准备→垫层施工、支脚手架→钢筋绑扎→支设模板→浇筑、养护井壁混凝土→沉井下沉→浇筑、养护封底混凝土→抽水。1、垫层施工、支脚手架施工前先在沉井四周用石灰粉划出井中心轴线、基坑轮廓线，作为沉井制作和下沉定位的依据。本工程为了扩大沉井的支承面积，减轻对土层的压力，在沉井底部铺设素混凝土垫层。素混凝土垫层使用C20混凝土浇筑，宽为井壁厚的2倍，厚10 cm。素混凝土垫层的厚度应便于沉井下沉前凿除。同时，为方便井筒后期下沉，还在井筒底部设置刃角，宽为墙壁宽的1/3，开刃角度为15 °~30 °，具体作法如图4所示。为方便后期施工，需提前搭设脚手架，脚手架搭设如图5所示。2、钢筋绑扎钢筋的配筋和绑扎必须严格按照设计图纸要求进行。在钢筋入模前，应先确定好入模位置，并清理基层、设置混凝土垫块。为防止钢筋位置发生偏移，浇筑前可增加支撑筋。已绑扎好的钢筋架不得受到践踏或重物压放，以确保结构的安全性和施工质量。3、支设模板沉井模板通常采用胶合板，合理布置主楞、次楞、对拉螺栓数量及间距。沉井外侧设置双排脚手架，以便于钢筋绑扎及浇筑混凝土，外侧采用钢管支承加缆风绳固定。4、浇筑井壁混凝土浇筑作业的作业面采用分头分层平铺法施工，分层厚度控制在50 cm，循环浇筑。采用插入式振捣器振捣。分段分层多采取踏步式分层推进，按从远至近的顺序布设混凝土。墙混凝土分段浇筑成型，墙体混凝土浇筑速度不得大于2 m/h，并严格保证两边墙体对称浇筑，且须分层浇筑，每层混凝土不得超过500 mm。混凝土浇筑不能出现混凝土冷缝，应采用抗渗混凝土。5、井壁混凝土养护混凝土应带模养护不少于7 d，拆模后仍覆盖养护直至达到设计临界强度方可继续施工。沉井制作完毕后，应派测量人员在四角及四面中心绘制明显的标尺及中心线，标尺自刃脚踏面向上绘出。6、沉井下沉开始下沉前，首先应对井壁进行检查，通过计算沉井的下沉系数和下沉过程中的阻力判断沉井是否能够顺利下沉。同时做好沉井下沉过程中出现突沉、下沉过快等现象的应急预案及技术措施。下沉前，需先从内而外、按区域对称的方式凿除素混凝土垫层。凿除后的垫层应立即清理干净。大型沉井采用长臂挖掘机等机械开挖。初沉时井的下沉系数大、重心高、稳定性差，挖土必须分层、对称、均匀地进行，一般从沉井中间开始逐渐挖向四周，保留刃脚周围土体,使其切土下沉。每层开挖高度控制在0.5 m以内，刃脚周围预留宽500 mm的土堤。沿着沉井井壁逐层、匀称地向刃脚部位开挖土层，铲斗每次削薄10 cm，每隔2 m为一段。此时土层会受到刃角带来的冲切而产生破裂，沉井将在自身重力以及外力的作用下挤压土层，实现下沉。沉井各部位下沉深度保持一致，高差不得大于50 cm，以保证井体均匀下沉。沉井内挖土为水下开挖，挖出土方含水量极大，不得存放在基坑内，应及时外运消纳。在土方开挖、沉井下沉的过程中，需要测量人员及现场工人加强对沉井下沉速度及垂直度等内容的监测，以便于及时纠偏。纠偏的标准为±300 mm，但当高差值大于150 mm时，应及时纠偏，利用不同的取土深度，调整井内刃脚踏面的土反力分布状况，使沉井改变倾斜状态，逐步过渡到垂直方向。井壁下沉过程应尽量避免扰动地基土，给地基承载力造成影响。下沉过程中井壁外侧土难免会出现超挖或下陷现象。为避免与井壁之间形成空隙空间，一般可在井壁外侧空隙随开挖随填砂，以避免井壁下沉过快以及后期的清淤工作。倘若下沉后井壁周边空隙过大，影响地基稳定性，则需要回填混凝土。当两个沉井相距过近时，应分批次制作、下沉。7、浇筑封底混凝土沉井通常采用C30及以上的水下混凝土封底。一般应比同条件下的主体结构混凝土提高一个强度等级。封底混凝土浇筑应分层、对称、不间断地进行。对于面积较大的沉井，应该由中间向四周进行浇筑。当沉井内部有隔墙时，应分区域对称逐步浇筑。根据水深确定施工方法，较浅时可用倾倒法施工，水深较深时，可用竖管法浇筑。开始灌注混凝土时，导管底部至孔底的距离应为0.3~0.4 m，应始终保持导管埋入混凝土深度大于1 m、导管扩散半径不大于4.0 m。浇灌底部混凝土时，最终底板浇