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旋流井沉井施工技术论文

旋流井沉井施工技术

【摘要】旋流井采用水力机械冲土排水下沉和水下吸泥机械吸土不排水下沉相结合的方式进行沉井施工，保证了工期。

【关键词】旋流井；沉井；井壁；承压水；纠偏；抗浮；封底

1工程概况

本工程为芜湖三山工业园区R9m-10-10直-狐方坯连铸机旋流井工程。

旋流池结构形式:

内壁直径15.0m，外壁直径17.0m，壁厚1.0m。

沉井总深度为23.43m，刃脚底标高为－23.13m。

沉井底部的构造要求为：

1200mm厚混凝土底板、1800mm厚封底混凝土。

旋流井井壁、各层平台及底板采用C30级防水混凝土、封底混凝土为C25级防水混凝土，抗渗等级均为P8，垫层C15。

根据勘察，测得综合地下水位埋深2.8m～3.6m。

地下水位随季节而变化，雨季略有上升，旱季有所下降，变化幅度约1.0m。

场地内深层地下水位埋藏于第⑤、⑦、⑧层（标高为-10.49~-28.17）的潜水层、强透水层，容易出现管涌及流砂现象，因此本工程超深基坑施工难题关键在于此处。

2施工难点

2.1承压水位的处理

根据地勘报告分析，沉井选择分二节制作，二次下沉。

第二节井壁沉井取土过程中有基坑突涌的可能性。

因此，当基坑取土下沉至承压水头影响范围内时，必须保证有效地、连续地降低承压水头至安全水位，直至沉井封底结束（底板必须达到一定强度）。

2.2流砂土层的处理、沉井下沉及接高稳定

10m以下容易出现管涌及流砂现象，因此根据地勘报告、施工工期、节省施工费用综合分析考虑，所以本工程沉井下沉采用水力机械冲土排水下沉和水下潜水员吸泥机械取土不排水下沉相结合的方式进行；遇到承压水时采用取轻型井点降水沉井采用水下封底方案。

沉井下沉系数K值一般在1.15~1.25之间。

从地面至地下这些土层时，承载力较大，加上较大的摩阻力，经过验算，K值>1.15，能保证沉井接高稳定和下沉速度。

2.3沉井偏差难以控制

本工程为圆形沉井，下沉过程中属于易产生偏差及其难以纠正的沉井。

因此施工过程中控制沉井偏差及制度纠偏措施是本工程难点之一。

2.4沉井的抗浮

沉井封底时，沉井自重加侧壁摩擦力大于所受到的浮力，因此沉井不会浮起。

经过验算，K值>1.15，能保证沉井接高稳定和下沉速度。

2.5沉井封底方式的选择

本工程由于地下水丰富及不良地质情况、沉井外力计算分析，因此制定封底方案采取水下封底。

3沉井主要施工方法

3.1沉井的制作方案

沉井的制作方案主要问题是如何确定沉井分节制作的高度及节省施工费用。

首先，应保证每节沉井接高的稳定性要求，既每次接高时，刃脚抵达到的土层应有较大的地基承载力。

其次，沉井制作高度不宜过高，应满足现场施工条件的要求。

再次，沉井适当的重量使其顺利下沉，不能由于重量太轻，造成沉井下沉困难，同时还应结合沉井本身的结构。

综合上述因素，并经过每次沉井下沉系数、沉井接高稳定系数计算，将沉井分成二节制作，二次下沉。

沉井每节高度分别为14m（重17299.5KN）、9.53m（重11969.75KN）。

第一节沉井待养护混凝土强度达到100%后，进行第一节沉井下沉，待第一节沉井达到指定标高后第二节沉井施工，强度达到70%后第二节沉井下沉至－23.23m,高于设计标高100mm，最后进行稳定观测。

3.2刃脚支设形式

根据本工程的具体施工条件分析，沉井的刃脚支设形式宜采用黄砂垫座法。

黄砂垫座的作用是将上部沉井重量均匀传递给地基，使沉井制作过程中不会产生较大的不均匀沉降，防止刃脚和井身产生破坏性裂缝，并可使井身保持垂直。

采用黄砂垫座法时，先在刃脚处铺设2m厚黄砂夯实；再在其上浇筑150mm厚砼垫层，用木模支设刃脚模型。

黄砂应沿刃脚圆弧对准圆心铺设。

黄砂垫座法形式见下图示意：

砂垫层厚度需确保沉井在制作时砂垫层及下卧层满足承载力要求，以保证沉井制作时的安全;设计砂垫层厚度为2米、宽5m；砼垫层宽度3.5m、厚度0.15m。

a.垫层厚度：

h=G/f-l/2tg

得h=1.99m

b.采用2m厚砂垫层

砂垫层的宽度：

b=l+2htg

=5.16m取5m。

3.3沉井工艺

3.3.1排水下沉法

3.3.1.1工艺流程：

下沉准备工作→设备安装调试→混凝土垫层拆除→井壁观测记录刻度尺标示→下沉→测量观测记录→纠偏。

3.3.1.2沉井下沉施工机械主要有：

25t汽车吊，四套冲泥设备等配合进行。

3.3.1.3沉井方法：

采用高压水枪冲刷吸泥下沉时应有沉井中间向两边对称进行取土，泥面高差不应大于1m，下沉过程中应根据测量资料进行纠偏，当沉井达到允许偏差值1/4时必须纠偏。

下沉到标高后，待其稳定后进行封底。

3.3.1.4当素砼垫层敲拆后，沉井重心偏离，沉井壁四周无摩擦力，沉井下沉系数较大，掏挖刃脚下的土如不均匀，将会造成沉井很大的倾斜，所以在沉井挖土前，沉井的刃脚先采用人工同时分层对称掏挖，挖出的土先集中在井底中央，让沉井平稳下沉，使沉井刃脚埋在土层中，降低沉井重心。

3.3.2不排水下沉法

不排水下沉法施工原理，取土机械结构与水力吸泥机械设备不同，不排水法施工是使用的水下清淤机破土，而且在观测过程中，水下情况是潜水员来完成的。

针对本工程特点计划安排潜水员3人。

3.3.2.1不排水施工情况下，施工的要求主要是：

水下冲挖土方，吸泥头应从沉井中央开始，对称扩向刃脚，均匀逐层将水下图面冲成锅底状。

水下土体主要靠锅底的不断增深、有四周流向水下集泥坑，沉井随之下沉，使锅底保持一定形状。

吸泥头不得紧挨井内壁吸泥，应距内壁1.5-2m,使部分土体一方面靠沉井刃脚底向集泥坑，另一方面靠锅底的不断加深而使坡度变陡，而自然流向锅底。

3.3.2.2挖泥速度的控制

吸头距水下土面应保持30cm左右，距离过近，泥浆浓度过高，锅底坡度太陡，沉井下沉会出现倾斜，位移等不正常情况。

管路容易被堵塞。

距离过大，泥浆浓度过低，功效过慢。

排水下沉速度应按：

先慢中快、最后慢的要求从严掌握。

3.3.2.3吸泥头的选择

对砂性土，砂壤土用闭式吸泥取土：

对粘性用开式吸泥头取土。

3.3.2.4观测与潜水检查

沉井下沉时，不但要安排水下沉不同阶段要求做好观测，而且也必须同时派潜水员下井检查水下冲挖情况，及时掌握锅底形成情况，及时调整吸泥头离水下土面的距离，调整挖泥速度。

3.3.2.5保持井内水位防止涌砂、流砂

应保持井内水位不低于井外地下水位，以防止涌砂、流砂现象。

3.4纠偏

沉井在下沉过程中，会经常发生倾斜、偏位和扭转等偏移正位的情况。

为及时掌握偏移正位情况并采取纠偏措施，须设立水准基点及基线。

基点在沉井的外壁划出中线，四角刻画出标尺或设立标尺。

自拆除混凝土垫层开始，直至封底稳定之前，应按前述要求随时进行观察。

3.4.1偏移正位的原因

拆除脚手架。

模板时未能对称、均衡拆除；未对称抽除承垫木，或未及时回填夯实刃脚下的土；未对称拆除混凝土垫层；沿刃脚下土质软硬不均匀；刃脚下一角或一侧有障碍物隔住，又未及时发现处理；未对称、均匀挖土；沉井刃脚下一角或一侧土壤被挖至并外土体直接被水枪冲击成泥浆入井内；出现突沉现象；在排水施工情况下，井内出现大量流砂。

3.4.2纠偏的方法

纠偏的原则是及时纠偏，因为越深偏位越大，就越难以纠偏。

3.4.2.1纠倾斜

偏挖。

在刃脚高的一侧除土，低的一侧保留堤或填砂石，迫使刃脚高的一侧多沉；

偏压。

在井顶高的一侧压载，造成沉井偏重；

偏挖，偏压加水冲。

如沉井下沉较深时发生倾斜，仅用偏挖、偏压还难以扶正时，可在井顶高的一侧壁外，插入高压水管，用高压水枪冲土，破坏该侧土的压力（摩擦力）并起润滑的作用；

土压差。

在井顶高的一侧壁外挖土减载，低的一侧壁外加载，造成土压力（摩擦力）差。

3.4.2.2纠偏位

偏位有两种情况，一种是纯偏位，一种是即偏位又倾斜，这两种情况中以后一种情况居多，不论哪一种情况，纠正的方法是在A侧刃脚处取土促使沉井向A侧倾斜，直至沉井底中心线接近设计中心线，然后在B侧刃脚处，取土纠倾斜。

如偏位较大，应多次反复进行，直至消除为止。

3.4.2.3纠扭转

沉井在下沉过程中，出现扭转是由于对称并同时朝同一方向挖土；或由于沉井突然下沉，或由于井外壁压力不均衡所致。

纠正方法：

对角偏挖，偏填。

即在A、C处偏挖，在B/D处偏填，造成土压力差。

沉井的偏移正位以及以上所采取纠偏方式，往往或大或小使沉井有受力均匀变为不均匀，而产生裂缝，因此，在纠偏过程中，应加强观察。

3.5助沉、止沉、防突沉

土压力和摩擦系数是一个很复杂的问题。

沉井在下沉时，摩擦阻力由静转化为动，而且其转化程度又与下沉速度有关，这就使下沉系数的计算难以准确。

有可能沉不到设计标高或快到设计标高时又下沉不止，而需采取助沉或止沉；如下沉系数过大，常在比较短的几秒、几十秒中，下沉竟达几十厘米、几米，而需采取突沉措施。

3.5.1助沉

助沉措施一般是减少摩擦力或增加下沉力。

具体措施有：

在井壁与土之间设置泥浆隔离层，以减少摩擦阻力。

（泥浆与井壁的摩擦阻力为3-5KPa。

）

土层为软粘土时，由于摩擦阻力发生在井壁附着土和土之间，其值偏大，为降低此值和改善粘土静、动摩擦阻力相差悬殊的特性，对设有减压阻台的沉井，在井壁与土之间灌砂，可减少阻力50%。

对高度不大的沉井，在井壁外周围一定深度内挖土，减少井壁与土的接触面积，以减少摩擦力。

沉井自重比所需下沉力小得不太多时，可在沉井壁顶或其上搭设加载平台，堆以铁块，增大下沉力。

采用不排水下沉时，可降低井内水位，减少沉井所受浮力，以增加下沉力。

但有可能出现流砂、管涌时，水位的降低要以不发生此现象为度。

沉井外壁插入高压水管，用水冲刷土体，以减少其摩擦阻力。

也可用此法消除“悬吊”而防止沉井下部发生水平裂缝。

3.5.2止沉

止沉比助沉难，能采用的措施不多。

当在松软的地区下沉沉井时，为了便于采取止沉措施，应设置底层纵横梁，而且梁的刚度、强度须能抵抗土对梁的上托力。

一般止沉措施如下：

不论是排水还是不排水下沉，对设有纵横梁或隔墙的沉井，井内应多留土，利用加大“边载”，提高刃脚的土阻力，然后从中间逐步对称向边格、分格挖土封底。

排水下沉时，除刃脚踏面下的土不得挖除时，还应在刃脚斜面处边挖土边回填粗砂或砂石，以增加土对沉井的阻力。

不排水下沉时，可向井内灌水，增加沉井所受的浮力。

3.5.3防突沉

在软粘土层中下沉沉井，除在设计上考虑设下层、横梁或隔墙，以增加止沉和防突沉的能力外，在挖土时，应始终保持刃脚以上有较厚的土，使井壁内也承受一定的摩擦阻力，刃脚下土的阻力和井壁内外两侧摩擦阻力之和，与沉井自重处于基线平衡状态，沉井徐徐“穿刺”下沉。

因软黏土遇有较大的触变性，当沉井下沉很慢时，应耐心等待，并层薄挖，并挖挖停停。

该沉井下沉至+6.65～+6.00时，要先把建筑垃圾清除干净。

防止建筑垃圾搁住沉井刃脚局部，致使沉井不均匀下沉发生倾斜。

下沉至+5.00～+4.00时，井内有一米多的淤粘土层。

在此阶段，要放缓下沉速度，以免沉井突沉。

3.6沉井下沉及抗浮验算

1.沉井下沉前，应对其在自重条件下能否下沉进行必要的验算。

沉井下沉时，必须克服井壁与土间的摩阻力和地层对刃脚的反力，其比值称为下沉系数K，K值一般在1.15~1.25之间。

井壁与土层间的摩阻力计算，通常的方法是：

假定摩阻力随土深而加大，并且在5m深时达到最大值，5m以下时保持常值。

计算方法见下图所示：

沉井下沉系数的验算公式为：

K0=（G-B）/（T+R）

K1=（G-B）/（T+R）=1.38>1.15

可行。

要掏空刃脚下的垫层，沉井才可以下沉。

刃脚下的砂堤采用人工挖除，挖除时遵循平面对称的原则。

挖除时要加强沉降观测，防止突沉和不均匀沉降

接高第二节后的下沉系数

K2=（G-B）/（T+R）=1.28>1.15可行

沉井下沉稳定系数

K=0.94<1

K=0.94小于1，表示沉井处于稳定状态。

2.沉井渗水量计算

Q=K·A·i

Q=K·A·i=153.66m3/d

3.沉井封底混凝土厚度及抗浮稳定性验算

沉井制作沉井自重29269.25KN。

沉井封底及底板重量（封底厚度1.8m）

封底：

3.14×1.4/3×（8.452＋7.52＋8.45×7.5）+3.14×7.52×0.4

=350.51m3×25=8762.75KN

钢筋混凝土底板：

3.14×7.72×1.2=223.4m3×25=5585KN

合计：

G=43617KN

考虑排水下沉后钢筋混凝土底板的完成，若沉井深井水泵停抽，沉井抗浮验算；

K1=G/F

F=A·Q=27140.2KN

K1=G/F=1.6≥1.1

沉井不会上浮，沉井满足抗浮要求深井水泵可以停止工作。

3.7沉井水下封底

沉井下沉至设计的底标高后，必须进行72小时的连续观测检查，其稳定性如下沉量小于10mm,被确认满足设计与规范要求后方可进行封底后后续工序的施工。

本工程沉井采用水下出土、水下抛石、水下平整及水下浇筑混凝土封底。

3.7.1水下出土

由潜水员下水先用高压水枪在井底冲刷成一个深锅底，将与封底砼接触处冲洗干净，同时完成井壁的清理与施工缝的处理工作并将井底泥浆用9m3机动空压机或污泥泵将泥浆输送到排泥坑。

3.7.2泥浆处理及高压水枪冲刷所需用清水池

由于采用高压水枪冲刷泥浆泵吸泥取土作业，现场需布置泥浆沉淀池及清水池。

根据现在条件，各布置一泥浆沉淀池及清水池。

3.7.3水下抛石、水下平整

混凝土封底前，需将沉井内泥砂清除后抛石，以免浮土影响混凝土凝固质量。

用抓斗将片石吊入分格内，由潜水员进行粗平，然后将碎石散入块石表面细平成锅底。

3.7.4水下混凝土浇筑

水下混凝土标号为C25级防水混凝土，抗渗等级P8，采用早强剂，但不加粉煤灰，以缩短养护时间。

混凝土采用泵车、漏斗、导管浇筑，浇筑前将导管底吊离15`20cm厚碎石层，然后将排球蛋放入导管内，排球蛋浮于导管内水面，混凝土通过泵车送入漏斗内，球蛋在混凝土的重力作用下下沉，将导管内的水排出，使混凝土落入碎石层上，连续不断浇筑，直至封底结束。

浇筑过程中，导管始终入混凝土内一定的深度，防止管内进水影响封底混凝土质量。

浇筑前将井内水位控制在自热地面以下2m，随着混凝土量的增加，井内水位逐渐升高，用潜水泵抽出，使井内外水位保持相同，避免压力差而影响封底混凝土质量。

3.7.5沉井底板浇筑

当水下混凝土养护10d（达到80%强度）左右，将井内的水排除干净。

绑钢筋浇筑底板混凝土，待强度达到80%后，陆续撤除深井降水进行后续施工。

3.7.6深井降水

当水下混凝土封底时，沉井内回灌深度20m，每天轮换运行一个深井泵。

沉井内水外抽时，启动9个深井泵，将承压水位降至安全水位，直至沉井底板混凝土强度达到80%，再逐个停。

4沉井施工中应注意的几个问题

4.1沉井下沉时，必须对原有建筑物采取确保安全和质量的有效措施后，方可施工。

4.2在土的破坏棱体范围内布置高耸的临时设施，例塔吊、桩体等，降水井也应尽量布置远离沉井。

为了减少土体的破坏，沉井下沉的过程中，沿沉井四周外壁回填黄砂或优质黏土。

这样可以填补部分被破坏土体产生的裂缝，因而可减少周围土体的继续破坏。

4.3重视承压水的同时，潜水层也同样重要。

特别是易产生流砂和流土现象的土层。

遇到易产生流土现象的土层时，可在下沉前在沉井外围设置井点降水系统，排除产生流土的条件。

如遇到流土现象严重，将造成不利影响时，应改为不排水下沉和水下封底。

4.4场地承压水的处理

由于沉井深23.43m，地下水位较高，沉井处有流沙，沉井下沉过程中的深井降水其主要目的是降低沉井内外水头差及储存沉井所需清水，防止出现涌砂现象。

施工中，深井降水井的启用和控制即以此为原则，所以沉井下沉过程中必须打井降水。

根据该工程情况在旋流井距离井壁15m外10°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、300°、360°9个点分别打一口直径300MM深35M的沙管井（编号J1至J9）。

各安装一台杨程大于35M的潜水泵24小时不间断抽水，安排专人看管，发现问题立即检修，确保降水质量。

要确保施工用水每小时达到150㎥以上。

取水井深度及井点数量验算

1.深井假想半径

得

2.抽水影响半径

得

3.深井排水量计算：

得

4.深井过滤器进水部分每米进水量

5.深井过滤器进水部分需要的总长度

6.群井抽水单位深井过滤器浸泡部分长度

当井数为9时

该数值符合nho=（9×5.59=50.31）≥

（=41）条件，井深取35m,可行

4.5取水井各部位构造

孔径φ300mm（内径），井深35m。

管外填充要求：

滤水管部位采用颗粒磨圆度较好的4#砂（绿豆砂），填入部位，从井底向上至过滤器顶部（-35m~-30.7m）,深度-30.7~0井口采用粘性土封填。

井口高于地面以上0.50m，以防止地表污水渗入井内。

4.6降水运行实施及检测

启动时间：

提前5~6d达到降水深度；观测水位：

每8h对抽水井进行含砂量、出水量情况正常与否进行记录，并对未抽水井水位计排水、供电情况进行观测记录；环境监测：

结合沉井监测，在基坑周围构筑物上设置变形监测点，每5~7d测量一次，遇异常变形应通报业主等有关各方，并及时提供处理方案，确保施工及环境安全。

5结语

芜湖三山炼钢车间旋流井沉井施工方法，是一个进行多种施工方法的比选考虑，选择一个满足施工需要，安全成本低，满足施工工期要求的沉井方案。

上述经验为本人参建沉井施工过程中学习的浅略总结。

目前，新疆和静二期旋流井已借鉴本工程相关经验,希望为更多类似工程提供施工经验，供同行参考，望获益。