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1、异形钢筋混凝土沉井施工工法1 前言随着城市建设规模的扩大和绿色环保意识的加强，各项基础设施尤其是污水收集输送泵站的建设项目逐年增多。沉井以其挖土量少、对邻近建筑物影响比较小、稳定性好、能支承较大荷载的优势正越来越多的应用于污水处理系统中。异形沉井结构复杂,平面形状不规则,沉井刃脚底标高不等,因此，给沉井制作、下沉、防偏与纠偏、封底等施工带来诸多困难。本工法是对葫芦岛老城区污水处理厂、长春市南部污水处理厂等工程的成功施工经验进行总结形成的。其施工便利、省时省工，不仅易保证施工质量，还可缩短施工工期。该工法关键技术在2008年11月经天津市建设科技委员会专家审定，总体达到国内领先水平。2009年2
2、月经天津市科学技术信息研究所查新，结论为国内未见高差达到2.6m的异形钢筋混凝土沉井施工技术。2008年12月被评为天津市市级工法。2 工法特点2.0.1本工法不仅对沉井的常规施工方法进行全面、具体的阐述，而且针对异形沉井平面形状不对称、刃脚存在高差的特点，对沉井下沉过程中防偏纠偏措施进行详细介绍。2.0.2本工法施工便捷，可操作性强，实施效果较好。2.0.3可用于各种复杂的地形、地质条件，可在场地狭窄条件下施工，对邻近建筑物、构筑物影响较小，甚致不受影响。2.0.4比大开挖施工，可大大减少挖、运、回填的土方量，因此，可加快施工速度，降低施工费用。施工不需复杂的机具设备，在排水和不排水情况下均
3、能施工。3 适用范围本工法适用于工业建筑的深坑（料坑、料车坑、铁皮坑、井式炉、翻车机室等）、地下室、水泵房、设备深基础、桥墩、码头等工程。在施工场地复杂，邻近有铁路、房屋、地下构筑物等障碍物，加固、拆迁有困难或大开口施工会影响周围邻近建（构）筑物安全时，应用最为合理、经济。4 工艺原理在地面或地坑上，先制作开口钢筋混凝土筒身，待筒身达到一定强度后，在井筒内分层挖土、运土，随着井内土面逐渐降低，沉井筒身借其自重克服与土壁之间的摩阻力，不断下沉，当下沉到距设计标高0.1m时，停止井内挖土，使其靠自重下沉至设计或接近设计标高，经过23天下沉稳定后按设计进行沉井封底。该工法根据异形沉井的特点，从工作基
4、坑的开挖、砂垫层的铺设、刃脚支垫、沉井制作、沉井下沉、下沉过程中倾斜位移的预防及纠正、沉井封底等方面着手，采取切实可行及合理周密的具体技术措施，施工中采取全过程的监控，使其施工便利而且施工质量满足设计要求。5 施工工艺流程及操作要点5.1工艺流程各项施工准备工程测量定位、放线基坑开挖至起沉标高沉井刃脚垫层和垫架第一节沉井制作第一次下沉混凝土养护及拆模坑外深井降水安装预埋预留配合第二节沉井制作井筒内挖土混凝土养护、拆模第二次下沉井筒内挖土安装预埋预留配合沉井封底沉井稳定观测井内结构施工与安装封底后质量检查沉井工程质量检验图5.1 施工工艺流程图5.2操作要点5.2.1施工方案选择1根据对拟建场地
5、的土层特征、地下水位及施工条件的综合分析，优先采用“排水下沉和干封底”的施工方法。该方法可以在干燥的条件施工，挖土方便，容易控制均衡下沉，土层中的障碍物便于发现和清除，井筒下沉时一旦发生倾斜也容易纠正，而且封底的质量也可得到保证。2沉井施工的一般方法为：一次制作、一次下沉；分节制作、一次下沉；多节制作、分节下沉、制作与下沉交替进行。异形沉井平面形状不规则，刃脚底标高不在同一水平面上，且沉井高度较大，施工技术难度较大，在下沉时容易发生倾斜，因此优先采用分节制作、分节（沉井高度10m以上）或一次（沉井高度10m以下）下沉方法。沉井分节制作的高度，应保证其稳定性并能使其顺利下沉。3施工缝中部采取可靠
6、止水措施。4大形沉井内部设计有钢筋混凝土隔墙或钢筋混凝土梁时，为防止下沉过程中土压力将沉井壁挤裂,沉井内部的钢筋混凝土隔墙或钢筋混凝土梁与沉井壁同时制作,随沉井一起下沉。5.2.2沉井验算1刃脚垫木铺设数量和砂垫层铺设厚度测算刃脚垫木的铺设数量，由第一节沉井的重量及地基（砂垫层）的承载力而定。沿刃脚每米铺设垫木的根数n可按下式计算： n = G/Af式中：G第一节沉井单位长度的重力（kN/m） A每根垫木与砂垫层接触的底面积（m2） f地基或砂垫层的承载力设计值（kN/m2）沉井的刃脚下采用砂垫层是一种常规的施工方法，其优点是既能有效提高地基土的承载能力，又可方便刃脚垫架和模板的拆除。砂垫层的
7、厚度一般根据第一节沉井重量和垫层底部地基土的承载力计算而定。计算公式为：h = (G/f-L)/2tg式中：G沉井第一节单位长度的重力（kN/m） f砂垫层底部土层承载力设计值（kN/m2） L垫木长度（m） 砂垫层的压力扩散角，一般取22.52沉井下沉验算5mH-5mHf图5.2.2 沉井下降摩阻力计算简图沉井下沉前，应对其在自重条件下能否下沉进行验算。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，一般应不小于1.15-1.25。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。计算方法见图5.2.
8、2所示： 沉井下沉系数的验算公式为：K=（Q-B）/（T+R）式中：K下沉安全系数，一般应大于1.15-1.25 Q沉井自重及附加荷载（kN） B被井壁排出的水量（kN），如采取排水下沉法时，B=0 T沉井与土间的摩阻力（kN），T=L（H-2.5）f L沉井外周长（m） H沉井全高（m） f井壁与土间的摩阻力系数（KPa），由地质资料提供 R刃脚反力（kN），如将刃脚底部及斜面的土方挖空，则R=03沉井封底后的抗浮稳定性验算沉井封底后，整个沉井受到被排除地下水向上浮力的作用，如沉井自重不足以平衡地下水的浮力，沉井的安全性会受到影响。为此，沉井封底后应进行抗浮稳定性验算。沉井外未回填土，不计井
9、壁与侧面土反摩擦力的作用，抗浮稳定性计算公式为： K = G/F1.1式中：G沉井自重力（kN） F地下水向上的浮力（kN）根据上述计算，当沉井自重不足以抵抗地下水的浮力时，沉井封底后，井外的深井降水必须继续进行，直到沉井内部结构和上部结构完成后才能停止。5.2.3平整场地、工作基坑开挖施工前将自然地面上的积水、杂物等清理干净，按提前施测好的标高进行初步找平。对池壁两侧存在高低差的异形沉井，先开挖井壁较深一侧基坑，至与其相邻井壁高差标高处，使较深侧沉井在坑中作业。基坑开挖前,首先根据基坑底面几何尺寸、开挖深度及边坡定出基坑开挖边线，再根据图纸上的沉井坐标定出沉井纵横轴线控制桩。5.2.4砂垫层
10、铺设沉井高度大，重量重，当地基承载力较低，经计算垫架需用量较多，铺设过密时，在垫木下设砂垫层加固，以减少垫架数量，将沉井的重量扩散到更大面积上，避免制作中发生不均匀沉降，同时，使易于找平，便于铺设垫木和抽除。砂垫层厚度经计算确定，砂选用中砂，用平板振动器振捣并洒水，控制其干容重1.56t/m。5.2.5刃脚支设刃脚支设采用垫架法,在砂垫层上铺承垫木和垫架,垫架间距取1.0m，垫木采用1602202000mm枕木,在垫木上支设刃脚及井壁模板,浇筑混凝土。垫架铺设应对称进行，同一条沉井壁上设2组定位架，每组由2-3个垫架组成，位置在距离两端各0.15L处（L为沉井壁边长）,在其中间支设一般垫架，垫
11、架垂直井壁铺设。砂垫层铺平夯实后铺设垫木,铺设垫木时用水准仪找平，应使顶面保持在同一水平面上，高差在10mm以内，并在垫木间用砂填实，垫木埋深为其厚度的一半。预制时外圈沉井壁刃脚加15010010形钢护角,中间沉井壁采用10mm厚钢板按刃脚形状制作形钢护角，护角与混凝土锚固用12钢筋，锚固筋长400mm，每300mm设一道，每道两根。具体作法见图5.2.5。5.2.6沉井壁制作1模板支设井壁模板可采用组合钢模板，不符合模数处采用木模。模板加固采用对拉螺栓，中部设止水片。模板支撑采用在沉井壁内外两侧搭设双排钢管脚手架。2钢筋绑扎井壁竖筋可一次绑好，水平筋分段绑扎，与内隔墙及底板连接部位预留连接钢
12、筋在井壁施工时预埋，对应于钢筋位置在木模板上开豁口以保证钢筋位置准确。3混凝土浇筑混凝土采用商品混凝土，输送泵送至沉井浇筑部位。浇筑采用分层平铺法，每层厚300mm，下料先从沉井壁较浅一侧开始，将沉井沿周长分成若干段同时浇筑，确保沿井壁均匀对称浇筑。两节混凝土接缝处宜设15mm深20mm宽凹形施工缝，且设止水条。4沉井壁孔洞处理沉井外壁DN1500洞口在下沉前用钢板、木板封闭，中间填与孔洞重量相等的砂石配重，外侧钢板与内侧木板用12对拉螺栓加固，外圈8个，内圈4个，具体作法见图5.2.6-1。5针对高低刃脚存在高差的处理措施1) 深浅基坑处处理措施在深浅基坑交界处，为方便较浅基坑部分砂垫层铺设
13、，砌240mm厚红砖墙，内抹20mm厚水泥砂浆，外挂一层厚塑料布，兼作刃脚模板，具体作法见图5.2.6-2。2) 高低刃脚交接处结构处理措施沉井高低刃脚交接处以1：2坡度斜刃脚过渡，防止在下沉过程中此部位因应力集中造成井壁拉裂。5.2.7沉井下沉1施工平台架设在沉井上口铺木跳板，形成施工操作平台，在每仓中部适当位置留洞口，以利提升井内弃土。2垫架拆除刃脚垫架待混凝土达到设计强度的100后拆除。抽除垫架应分区、分组、依次对称、同步地进行，抽除次序为先抽内隔墙下垫架，再抽除外墙两短边下的垫架，然后抽除长边下一般垫架，最后同时抽除定位垫架。抽除方法是将垫架底部的土挖去，使垫架下空，利用绞磨或卷扬机将
14、相对垫木抽出。3挖土下沉1) 待混凝土抗压强度达到设计强度的100%后开始下沉。2) 采用人工挖土,从井中间挖向四周，均衡、对称地进行，使沉井能均匀竖直下沉。每层挖土厚度为0.40.5m，在刃脚处留1.2m宽土台，用人工逐层切削，每次削510cm，当土垅挡不住刃脚的挤压而破碎时，沉井便在自重作用下破土下沉。3) 同一刃脚底标高部分，削土时应沿刃脚方向全面、均匀、对称地进行，且各孔格内挖土高差不得大于500mm,使均匀平稳下沉。4) 在离设计深度20cm左右时应停止取土，靠自重下沉至设计标高。5) 沉井内挖出的土方，装于吊斗内用8t塔式起重机吊至井外，用自卸汽车运至弃土地点堆放。4测量控制与观测
15、1) 沉井位置标高的控制，是在井外地面及井壁顶部四面设置纵横十字中心控制线、水准基点，下沉时在井壁上四周设水平点，于壁外侧用红铅油画出标志，用水准仪来观测沉降。2) 井内中心线与垂直度的观测利用井壁内侧上部预埋钢筋，下部预埋水平标板来控制。井壁内侧标出垂直轴线，各吊一个线垂，对准下部标板如图5.2.7所示。3) 沉井下沉过程中，应安排专人进行测量观测。沉降观测每8小时至少2次，刃脚标高和位移观测每台班至少1次。下沉至接近设计标高时加强观测，每2小时一次，预防超沉。4) 当沉井每次下沉稳定后应进行高差和中心位移测量。每次观测数据均须如实记录，并按一定表式填写，以便进行数据分析和资料管理。5) 当
16、发现斜、位移、扭转时，及时通知值班队长，指挥操作工人及时纠正，使误差在允许范围内。5下沉过程中倾斜、位移的预防及纠正1) 初沉期间沉井没有井壁外土摩擦阻力作用，由于沉井自重分布不均匀，井体易发生较大倾斜和滑移。采取暂不开挖或少挖较浅区域土方，先进行较深区域土方开挖的措施，有意识防止沉井向较深区域偏移，确保沉井平衡下沉。2) 随着沉井下沉深度加大，由于井壁入土深度不等引起的井壁外摩阻力分布不均匀易导致井体发生倾斜和滑移。采取根据技术人员随时估算的井体重心与井壁外摩擦阻力合力点的偏差值，确定各区的开挖量，确保沉井平稳下沉。3) 高低刃脚沉井下沉时，因刃脚高度不等而使得各边刃脚不能同时在同一性质的土
17、层上，易产生偏斜。为此，根据井下土层变化情况及时调整挖土位置和挖土量，使开挖遵循先硬后软的顺序进行，确保沉井平稳下沉。4) 当沉井下沉过程中，偏斜达到允许偏差值14时就应纠偏，沉井下沉过程中要做到勤测、勤纠、缓纠。沉井初沉阶段纠偏应根据“沉多则少挖”，“沉少则多挖”的原则在开挖中纠偏。终沉阶段要加强监控，缓中求稳，严格控制超沉。如沉井已经倾斜，可采取在刃脚较高一侧加强挖土，并可在较低的一侧适当回填砂石。必要时可配局部偏心压载，都可以使偏斜得到纠正。待其正位后，再均匀分层取土下沉。5) 位移纠正措施一般是有意使沉井向位移相反方向倾斜，再沿倾斜方向下沉，至刃脚中心与设计中心位置吻合时再纠正倾斜，使
18、偏差在允许范围以内。5.2.8沉井封底1当沉井下沉至距设计底标高10cm时，停止井内挖土，使其靠自重下沉至或接近设计底标高，再经23d的下沉稳定，或经观测在8h内累计下沉量不大于10mm时，即可进行封底施工。2首先将新老混凝土接触面冲刷干净，对井底进行修整使其形成锅底形，再浇筑封底素混凝土，刃脚下混凝土切实填严，振捣密实，以保证沉井的最后稳定。3垫层混凝土达到50%设计强度后，进行底板钢筋绑扎。钢筋应按设计要求伸入刃脚凹槽内。4底板混凝土浇筑时，应分层、不间断地进行，由四周向中间推进，每层浇筑厚度控制在30-50cm左右，并采用振动器振捣密实。底板混凝土浇筑后应进行自然养护。6 材料与设备6.
19、1 材料中砂、1602202000mm枕木、15010010形钢护角,符合设计要求性能的混凝土。 6.2 设备定位架、混凝土生产运输振捣机具（输送泵、振捣棒等）、自卸汽车、起重机。7 质量控制7.0.1 沉井制作应满足混凝土结构施工质量验收规范（GB502042002）的有关要求。7.0.2 施工前，应根据地堪报告资料和现场土质情况做好降排水工作。7.0.3 沉井制作、沉井下沉前，应做好施工计算工作，以确保施工质量。7.0.4 沉井下沉时，必须确保混凝土强度达到设计强度的100后，方可下沉。7.0.7 下沉过程中，应做好测量控制与观测工作，时及纠偏。8 安全措施8.0.1做好地质详勘工作，查清
20、沉井范围内的地质、水位情况，对存在的不良地质条件采取针对性的技术措施，防止沉井在下沉过程中发生不正常情况，以确保施工的安全。8.0.2落实沉井垫架拆除和土方开挖的安全防护措施，控制均匀挖土和刃脚处破土速度，防止沉井发生突然下沉和严重倾斜而导致人身伤亡事故。8.0.3做好沉井期间的排水与降水工作，并设置可靠电源，以保证沉井挖土过程中不出现大量涌水、涌泥或流砂现象，避免造成淹井事故。8.0.4沉井口周围须设置安全防护栏杆，并有防止坠物的措施。井下作业应戴安全帽，穿胶鞋。下井应设安全爬梯，并应有可靠的应急措施。8.0.5建立完善的施工安全保证体系，加强施工作业中的安全检查，确保作业标准化、规范化。8
21、.0.6施工现场临时用电严格按照施工现场临时用电安全技术规范的有关规定执行。8.0.7电缆线路应采用三项五线接线方式，电气设备和电气线路必须绝缘良好。9 环保措施9.0.1 合理布置施工场地，做到文明施工。9.0.2 施工作业面必须工完场清。9.0.3 维护施工现场的环保设施。9.0.4 施工中，严格执行中建总公司施工现场环境控制规程中的各项要求。10 效益分析10.1经济效益本工法通过在三个工程中应用，共取得经济效益45.04万元。其中葫芦岛市老城区污水处理厂工程中产生直接经济效益10.5万元，锦州市污水处理厂工程中产生直接经济效益11.80万元，长春市南部污水处理厂工程中产生直接经济效益2
22、2.74万元。10.2社会效益10.0.1此工法可行性强、施工速度快、工程质量好，得到了业主、监理及质量监督站的认可，为我公司顺利承接类似工程打下坚实基础。10.0.2当与周围已有建构筑物距离很近、局部埋深较大、不具备大开挖条件时，应用沉井施工技术可彻底解决按常规施工无工作面的难题，并且比大开挖施工可大大减少挖、运、回填的土方量，可加快施工速度，降低施工费用，节能降耗。10.0.3解决了异形沉井施工中的技术难题，对异形沉井顺利施工提供了可靠保证。11 应用实例本工法曾先后应用于葫芦岛市老城区污水处理厂工程、锦州市污水处理厂工程及长春市南部污水处理厂工程中。葫芦岛老城区污水处理厂粗格栅间提升泵房
23、2003年9月5日开工，2004年4月12日竣工（含地上框排架结构）。其中，地下结构为钢筋混凝土沉井，平面形状成“凸”字形，较深部分为提升泵房，深9.900m,较浅部分为进水闸井，深7.300m，两侧刃脚高差2.600m，构筑物总长26.170m，总宽18.800m。拟建沉井位置的地质情况从上往下依次为：粉土层、粗砂层、淤泥层、细中砂层、粉质粘土层。总体看土层分布均匀稳定，土层分界线近似水平，地质情况良好。应用该技术，地下沉井部分历时58天制作、下沉、封底施工完毕，误差均控制在规范允许范围之内。2003年，在锦州市污水处理厂粗格栅单体工程施工中应用。其地下结构为凸字形沉井。构筑物总长37.40
24、m，总宽32.25m，刃脚底标高最深-11.85m，两侧刃脚高差2.15m。施工效率较高，安全可靠，工程施工质量满足设计和国家标准规范的要求。该工程被评为“中建总公司优质工程金奖”、“锦州市市政工程“古塔杯”奖”、“辽宁省建设工程世纪杯（省优质工程）奖”。长春市南部污水处理厂一期工程污水处理规模15万吨/天，回用水处理规模5万吨/天。开工日期2007年4月25日，竣工日期2008年8月31日。其中粗格栅及进水泵房工程平面呈“凸”字形，总长为23m，总宽12.4m，最深13.45m，高差为1.7m。工程地质为杂填土、粉质粘土层，抗浮设计水位标高厂区设计地坪下0.5m。根据工程特点和现场条件，粗格栅及进水泵房工程沉井施工过程中，对事前、事中、事后的施工采取合理的控制措施，施工质量、工期达到预期目标，得到了建设单位和监理单位的认可和好评。以上三个工程通过严格按照此沉井工艺施工，使沉井顺利下沉至设计标高。下沉过程中通过有效的预控措施，未发生倾斜和位移超规范的情况，根据测量观测结果，对轻微倾斜和位移，早发现后及时采取可靠措施纠正，确保了沉井平稳下沉，无安全事故发生。在施工过程中通过对已施工完的工程进行沉降观测，对相邻建筑物基本没有影响。赢得建设单位及监理单位好评，为类似工程施工积累了成功经验。
