河床砂砾地质条件下的沉井施工

河床砂砾地质条件下的沉井施工

作者：孟涛

来源：《科技视界》2014年第17期

【摘 要】沉井是修筑深基础和地下构筑物的一种施工工艺，它具有结构截面尺寸和刚度大，承载力高，抗渗，耐久性好，内部空间可有效利用等特点。缺点是施工工序较多，施工工艺较为复杂，技术要求高，质量控制要求严。沉井井身借其自重的作用下克服土与井壁的摩察力和刃脚反力，不断开挖下沉就位，然后进行封底处理。本文主要介绍了在河床砂砾地质条件下沉井克服砂砾石遇水坍塌对沉井下沉所带来的困难，以及施工过程中需注意的问题。 【关键词】沉井施工；砂砾遇水坍塌；河床砂砾地质条件 1 工程概述

羊曲水电站施工供水工程取水泵站沉井位于黄河砂砾河床滩地，供水工程包括左岸供水系统和右岸供水系统两部分，设计供水量为2219m3/h。水源采用黄河岸边地下水和河床潜流水，渗渠取水，泵站提升至左右岸高位水池，各个施工区自流供水。取水泵站下部沉井为11m直径的圆形大口井，沉井法施工，距离黄河主河床仅为20m，渗透水量每小时在350m3/h以上，施工过程中边基坑抽排水、边开挖下沉，每次开挖下沉控制在0.3～0.5m高度。 2 沉井法施工 2.1 施工步骤

（1）沉井制作步骤：测量放线→场地开挖整平→垫木铺设→刃脚铁件制作安装、井壁绑扎钢筋→内外井壁模板安装→浇筑混凝土→养护、拆模。

（2）下沉步骤：下沉准备→设置垂直运输机械、排水泵，集水井→抽出垫木→开挖下沉→观测、纠偏→沉至设计标高、核对标高→降水→底部铺设块石→施工上部建筑及辅助设施→回填砂砾石。 2.2 沉井制作

（1）基础开挖，降低初沉标高

根据沉井部位的地质状况和黄河河床水位高程，为保证沉井初沉阶段的均衡下沉，将河床水位线以上砂砾石层挖除。这样可创造两个有利条件：其一由于初沉地层为砂砾石，其含水量及承载力均匀，便于初沉平稳；其二，沉井总下沉量降低3.3m，水位线以上3.3m高度沉井可

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不作为沉井施工，而在沉井封底后浇筑，这样既减轻了沉井自重（仍能满足下沉重量要求），又缩短了下沉深度，一举两得。

（2）取水泵站沉井设计高度为22.3m，原地面以上高度为11m，地面以下深度11.3m，即沉井下沉深度为8m，采取分节制作，分节下沉的施工方法，每节制作高度为3.0m，以减少沉井自由高度，增加稳定，防止产生突沉、倾斜、滑移。

（3）沉井位于黄河砂砾河床滩地，其刃脚坐落于砂砾石上，刃脚垫层采用砂砾石垫层受力。由于砂砾石基础承载力较好，对沉井基础进行开挖平整、18T自行式振动碾碾压处理。 （4）沉井刃脚1m范围采用与刃脚同形状的定型钢板（t=12）护角，钢板护角现场加工制作、就位加固。安装钢板刃脚护角时，要确保外侧与地面垂直，使其下沉时起切土导向作用。 （5）刃脚下方设置木垫架，木垫架采用16cm×22cm×150cm的枕木。刃脚每米设置木垫架（枕木）的根数计算公式：N=G/（A·f）

式中：G——第一节沉井单位长度的重力（kN/m）；

A——每根木垫架（枕木）与地基或砂垫层接触的底面积（m2）；

f——地基或砂垫层的承载力特征值（kN/m2），砂砾地基承载力{f}=180kN/m2。 经计算木垫架（枕木）间距90cm。

（6）沉井刃脚及井壁混凝土的分节浇筑、对称均匀、连续进行，防止发生倾斜、裂缝。第一节混凝土强度等级达到75%时，进行井壁第二节接高施工。 2.3 沉井下沉

（1）沉井下沉前依据其轴线分区、对称、同步拆除刃脚下的木垫架（枕木），人工对称开挖拆除一组垫木后，在刃脚下方立即用卵石或砾砂石回填垫实，依次连续对称拆除施工。 （2）小型沉井挖土多采用人工或风动工具；大型沉井，多采用小型反铲挖掘。由于本工程沉井施工安排在黄河枯水期施工，河床渗流量较少利于开挖下沉，汛期来临前完成地面以下部分。因此在河床水位线以上采用CAT330反铲开挖基础降低初沉标高，河床水位线以下采用人工配合小型反铲挖掘，TC5513塔机垂直运输出渣。

（3）砂砾石开挖分区、分层、对称、均匀进行，首先在沉井中心逐渐对称向四周开挖，每层开挖深度0.3～0.5m，沿刃脚周围预留0.5～1.0m宽的堤坎，井内部开挖成锅底型（中间低，四周高），然后进行刃脚周围开挖施工，每2～3m一段向刃脚方向逐层全面、对称、均

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匀的开挖，每次开挖深度0.1～0.2m，当砂砾石层经不住刃脚的挤压而松散向内涌入，沉井便在自重作用下均匀垂直挤压下沉，使不产生过大倾斜。

（4）下沉过程中，派专人观察沉井外壁侧砂砾石的从密实到松散到壁外侧0.1m范围内砂砾石沉降变化情况，与开挖作业密切配合，加强观测。若壁外侧大于0.1m范围内砂砾石出现沉降，立即停止井内抽排水与开挖下沉作业。测量复测及时纠偏，待纠偏后继续井内开挖下沉施工。

（5）本工程为确保沉井平稳下沉，采用抽排水（强排）开挖下沉施工方法，排水设备采用两台4寸排沙泵，开挖集水井抽排水，深度比开挖面底部低0.5～1.0m，集水井底部深度随沉井下沉而不断开挖降低，井内渗透水抽排至黄河河道。

（6）沉井下沉观测在井外壁周围弹水平线，井内部按轴线位置4等分标出垂直轴线，各垂线位置挂吊线一组，对准垂线及下部垂点标板来控制下沉偏向。每班观测四次，接近设计标高时一小时一次。随时掌握分析观测数值，当吊线偏离垂线达50mm或标高差为100mm时，应立即纠正。开挖下沉过程中可通过调整开挖标高、抽排水强度或人为进行纠偏。 2.4 沉井封底

（1）沉井开挖下沉就位至设计标高，再经过3d下沉稳定等待，或经过观测24h内累计下沉量不大于10mm，即可进行封底施工。

（2）刃脚1.2m高度范围铺卵石或碎石起反滤作用，卵石或碎石采用TC5513塔机垂直运输至井内，人工平顺摆放回填，在刃脚向中心位置开挖低于沉井设计标高的集水井，地下水汇集于集水井中用潜水泵抽排至河道，保持水位低于基底面高程，便于反滤层卵石或碎石回填铺设。

（3）反滤层铺设后，在其上部浇筑一层0.8m厚钢筋混凝土环形勒板，中间位置预留5m×5m×0.8m孔洞，环形钢筋端伸入井壁内，浇筑环形勒板混凝土。

（4）混凝土浇筑在整个环形勒板面积上分层、不间断地全段面环形推进，并用振动器振捣密实。

（5）待环形勒板混凝土强度达到75%后，停止集水井抽排水，进行集水井和预留5m×5m×0.8m孔洞卵石或碎石铺设回填。 3 施工总结

羊曲水电站施工供水工程取水泵站下部结构沉井施工，面临诸多施工难题，主要有以下几个方面：

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（1）取水泵站处在黄河左右岸砂砾河床滩地，距离主河道（河道枯水期水边线）仅为20m，砂砾石覆盖层达15m以上，均为透水层，枯水期水头始终保持在5m内，渗透系数在100m/d以上，因此随着沉井的开挖下沉，渗透量愈大。

沉井穿越砂砾石层主要有两种方法：一是，井身接高增加自身荷载，使沉井刃脚切入砂砾石层，快速穿越下沉就位；但此工程地处海拔高度2570m～2740m之间，枯水期冬季最低气温-29.2℃，井身分节制作，混凝土低温条件下强度增长值缓慢，工期不允许。二是，采用深井或井点降低地下水位，防止井内流淤；此法由于工程距离主河道（河道枯水期水边线）仅为20m，均为透水层，无法实现。 （2）沉井井内排水

沉井井内抽排水采用潜水泵或离心泵，由于采用反铲站在井内开挖出碴带动井内砂砾层遇水坍塌，导致井内涌水含砂量达到10%以上，超过了潜水泵和离心泵的0.05%允许值，致使离心泵不法正常工作，故障不断，施工进度严重滞后和水位抬升威胁井内反铲开挖作业。针对上述情况，经过比较，采用矿井排沙泵，其主要特性可排固体含量20%以下的泥水、断水空转。提高了井内抽排水的可靠性，是沉井在涌水现象严重的情况下，能够保证施工。 （3）沉井下沉的控制

开挖下沉过程中最易发生倾斜或位移。施工中应特别注意，加强下沉过程中的观测，发现倾斜和位移应及时纠正。当沉井垂直度出现歪斜超过允许限度，可采取在刃脚高的一侧加强开挖取土，低的一侧少挖土或不挖土，待正位后再均匀分层开挖下沉。或在刃脚较低的一侧适当回填砂石或石块，延缓下沉速度。通过采取上述措施，现已沉到设计高程的沉井完全满足规范的要求。 4 结论

在砂砾石层中实施沉井，由于紧邻主河道、地层均为透水层等特性，极易在沉井开挖下沉过程中抽排水过快、开挖带动渗水扰动砂砾石层，出现砂砾石层坍塌或涌沙、沉井突沉，沉速过快、超沉位移及倾斜过大等现象，难以控制。本次施工充分利用了砂砾石的特性，河床水位线以上部分开挖基础，降低初沉高度。河床水位线以下部分采取沉井基坑随第一节沉井同时下降，与井口高程齐平，反铲站在井内开挖，利用TC5513塔机垂直快速运输出碴，短时间内完成井内出碴，同时人工配合反铲挖除刃脚底部基础，使沉井每节快速下沉，准确控制沉井姿态和下沉速度、深度。避免沉井接高后，机械出碴强度无法满足井内砂砾石层涌砂状态下的出碴强度。

[责任编辑：曹明明]